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2020 , Vol. 40 >Issue 8: 1394 - 1402

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2020.08.019

基于面积−高程积分的他念他翁山玉曲流域地貌学分析

  • 张威 , 1 ,
  • 唐倩玉 1 ,
  • 刘亮 1 ,
  • 沈俊杰 2 ,
  • 李亚鹏 1 ,
  • 成然 1
展开
  • 1. 辽宁师范大学地理科学学院，辽宁 大连 116029
  • 2. 中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西 西安 710061

张威（1969−），男，吉林松原人，教授，博导，主要研究方向为环境与灾害地貌。E-mail:

收稿日期: 2019-11-29

  网络出版日期: 2020-12-07

基金资助

国家自然科学基金项目（41671005）资助

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

Geomorphologic Analysis of the Yuqu River Drainage basin in Tenasserim Chain Based on Hypsometric Integral Value

  • Zhang Wei , 1 ,
  • Tang Qianyu 1 ,
  • Liu Liang 1 ,
  • Shen Junjie 2 ,
  • Li Yapeng 1 ,
  • Cheng Ran 1
Expand
  • 1. College of Geography, Liaoning Normal University, Dalian 116029, Liaoning, China
  • 2. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710061, Shaanxi, China

Received date: 2019-11-29

  Online published: 2020-12-07

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National Natural Science Foundation of China (41671005)

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Fold

摘要

以他念他翁山玉曲流域为研究区，利用ArcGIS中的水文分析工具，将玉曲流域划分为1 030个亚流域盆地，采用高程起伏比法，对亚流域盆地进行面积−高程积分值（HI）计算。结合研究区的构造运动、岩性、地形起伏度、冰川作用等，探讨HI值的分布特征及主要影响因素，并确定研究区的地貌演化阶段。研究结果显示：① 玉曲流域所有亚流域盆地的HI值介于0.18~0.70，HI平均值为0.44，整体处于侵蚀循环的壮年和老年阶段。② 长毛岭大断层和瓦合大断裂经过玉曲流域，2条断裂的HI平均值分别为0.47和0.42，长毛岭大断层的活动性要高于瓦合大断裂，说明构造因素对HI值存在一定影响。③ 由于不同亚流域盆地内岩性抗侵蚀能力不同，导致HI值存在着较大差异，花岗岩、闪长岩等侵入岩（平均值0.55）>砾岩、灰岩等沉积岩（平均值0.49）>海相碳酸盐岩（平均值0.47）>夹杂着粉砂岩、页岩和泥岩的长石石英砂岩（平均值0.42）>第四系冲积物和冰碛物（平均值0.35）。④ 对于玉曲流域而言降水量对HI值的影响较小。

关键词： 玉曲流域; 面积−高程积分; 构造; 岩性; 冰川

本文引用格式

张威 , 唐倩玉 , 刘亮 , 沈俊杰 , 李亚鹏 , 成然 . 基于面积−高程积分的他念他翁山玉曲流域地貌学分析[J]. 地理科学, 2020 , 40(8) : 1394 -1402 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2020.08.019

Abstract

The area elevation analysis of the basin is usually used to reveal the stage of geomorphological development, which is of great scientific significance for exploring the evolution of the basin environment. In this paper, the Yuqu River Basin of middle Tenasserim Chain is used as the research area. Using the hydrological analysis tools in Arcgis, the Yuqu River Basin is divided into 1 030 sub-basin basins. The area-elevation integral value (HI) of sub-basin basin is calculated using the elevation fluctuation ratio method. Combined with the tectonic movement, lithology, topographic relief and glacial action in the study area, the distribution characteristics and main influencing factors of HI values are discussed, and the geomorphological evolution stage of the study area is determined. The results display that: 1) The HI value of all sub-basin basins in the Yuqu River Basin is between 0.18 and 0.70, and the average HI is 0.44. The whole is in the strong and old stage of the erosion cycle. 2) The two major faults of the Changmaoling large fault and the Wahe large fault pass through the Yuqu basin, and the average HI values of the two faults are 0.47 and 0.42, respectively. The activity of the Changmaoling fault is higher than that of the Wahe fault, indicating that the construction factor has a certain influence on the HI value. 3) Due to the different lithologic erosion resistance in different sub-basin basins, the HI values are quite different. Intrusive rocks such as granite and diorite (average 0.55)> Conglomerate, limestone and other sedimentary rocks (average 0.49)> Marine carbonate rocks (average 0.47)> Mixed with siltstone, shale, Feldspar quartz sandstone of mudstone (average 0.42)> Quaternary alluvial and glacial till (average 0.35). 4) For the Yuqu River brainage, precipitation has little influence on HI value.

Key words： Yuqu River drainage basin; hypsometric integral value; tectonic; lithology; glacier

Strahler在对河道侵蚀和相关风化作用形成的地形进行分析时提出面积−高程积分（Hypsometric Integral，简称HI），使戴维斯侵蚀循环理论由定性描述进入到定量描述阶段[1,2]。面积−高程积分对研究地貌形态、流域演化、地质发展、侵蚀性倾向有重要意义[3~8]，研究面积−高程积分的方法主要有积分曲线法、起伏比法和体积比例法[3]，当亚流域数目较多时起伏比法最为高效简洁，配合面积−高程积分曲线法能够更好的研究流域的地貌形态。玉曲流域位于他念他翁山中段地区，这里保存有较好的古冰川遗迹、现代冰川在冰斗源头也有分布，为了研究该地区地貌的发展阶段、分析断裂构造、地形起伏、岩性条件以及冰川作用对地貌的影响，本文以30 m分辨率的DEM数据为基础，以ArcGIS软件为平台，从玉曲流域中提取亚流域盆地，使用起伏比法计算亚流域盆地的面积−高程积分值以及绘制面积−高程积分曲线，对该地区的地貌形态进行定量化分析。

1 研究区概况

玉曲又称伟曲，发源于昌都市类乌齐县南部的瓦和山麓，流经西藏自治区东部的他念他翁山地区，于林芝市察隅县察瓦龙以北汇入怒江，河长402 km，是怒江最长的支流，流域面积9 190 km2，占怒江全流域面积的9.0%，属于太平洋水系[9,10]。
他念他翁山为海洋性冰川作用区，现代冰川约115条，冰川下限5 100~5 200 m[11]，现代冰川物质平衡线为5 425 m左右[12~14]，研究区保存有完好的古冰川侵蚀地貌和堆积地貌，包括冰斗、U型谷、角峰、冰蚀湖、羊背石、侧碛垄和终碛垄等[15,16]。根据野外考察、ESR（电子自旋共振）和OSL（光释光）测年结果，该地区在第四纪时期至少发生过4次冰进作用，分别对应倒数第二次冰期、末次冰期中期、末次冰盛期和全新世新冰期/小冰期[15,17]。
玉曲处于班公湖−怒江冲断带东部弧形转折部位，是一条断裂谷地，长毛岭大断层和瓦合大断裂经过该流域[18]。区内出露地层主要是古近系贡觉组紫红色砾岩、砂砾岩、粉砂岩、细砂岩、泥岩；侏罗系东大桥组紫红色砂岩、页岩、砾岩；三叠系夺盖拉组灰黑色粘土岩、石英砂岩、粉砂岩、粉砂夹板岩及煤层，阿堵拉组灰、深灰色石英砂岩与页岩互层，波里拉组灰白色白云岩、灰岩夹砂屑灰岩，甲丕拉组紫灰、紫红、浅灰色粗−细粒砂岩、页岩夹砾岩，东达村组砂砾岩、含砾粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、粘土岩。

2 研究材料与方法

DEM数据从地理空间数据云（ http://www.gscloud.cn/）获得，一些学者分析DEM数据精度对面积−积分高程的影响，认为使用90 m分辨率的DEM数据可保证结果的精度[2,4,5,19]，本文下载的数据类型为30 m分辨率DEM数字高程数据，可以满足精度的要求，数据处理采用WGS-84坐标。将下载的DEM解压后在ArcGIS10.6软件的水文分析工具中进行处理。

2.1 流域水系提取

在水文分析工具中对DEM底图进行填洼、流向、流量、河网提取，为了准确地提取流域水系，在谷歌地球上对水系进行了反复的对比，并结合遥感影像进行校正（图1）。遥感影像分析数据来自地理空间数据云中的Landsat 8数据，使用ENVI 5.3将遥感影像进行拼接后以7、5、3波段进行合成，深蓝色或蓝黑色是河流与湖泊，浅蓝色是现代冰川，棕红色是草地，绿色是湿地（图1a，c）。结合遥感影像和谷歌地球影像数据不断改变阈值以贴近实际河网分布[20,21]，最终选择1 000为阈值。
图 1 玉曲流域遥感影像与水系网络

Fig.1 Remote sensing image and hydrographic net of the Yuqu River drainage basin

水系级别的划分采用Strahler分级方法，无支流流入的河流为一级河流，同级别的2条河流交汇形成的河流级别比原来增加1级，不同级别的河流交汇形成的河流等于两者中的较高者[1,21]，玉曲流域一共提取出6级河流（图1b）。

2.2 流域盆地提取

流域盆地，又称作汇水区域、集水区域、集水盆地，是指地表径流或其他物质汇聚到一共同的出水口的过程中所流经的地表区域，它是一个封闭的区域。要准确提取流域盆地，首先要提取汇水点[22]，这个点在水文分析中也称为“出水口”或“倾泻点”，出水口是指水流离开汇水区的点，这个点是汇水区边界上的最低点，本文将察隅县察瓦龙以北汇入怒江的位置定义为整个玉曲流域的汇水点。利用ArcGIS水文分析中的分水岭工具，将玉曲流域划分为1 030个亚流域盆地，亚流域盆地的级别和盆内最高一级水系的级别一样[23]。

3 面积高程积分的确定

3.1 面积−高程积分值

面积−高程积分值（HI值）可以用面积−高程积分曲线来表示，具体的计算方法是通过绘制横坐标的相对面积a/A（a为小版块内某一高程的截面积，A为整个流域面积）以及纵坐标的相对高程h/H（h为小版块内某点的高程与流域最低点高程间的高差，H为流域的最大高差），得到面积−高程积分曲线[1,24]（图2）。由面积−高程积分曲线求出面积−高程积分值，HI值等于面积−高程积分曲线下方面积与整个正方形面积之比。当地貌演化阶段处于幼年期时（HI>0.60），侵蚀程度低，面积−高程积分曲线呈现凸形；当地貌演化阶段处于壮年期时（0.35<HI<0.60），面积−高程积分曲线呈现S形；当地貌演化阶段进入老年期时（HI<0.35），侵蚀程度高，面积−高程积分曲线呈现凹形[25]。
图 2 面积高程积分曲线示意图[1]

Fig.2 Sketch map for hypsometric integral curve[1]

3.2 面积−高程积分起伏比法

Pike和Wilson在数学上证明了高程起伏比（E）可以用于面积高程积分的计算[26]，公式为：
$E \approx HI = \frac{{Ele{v_{{\rm{mean}}}} - Ele{v_{\min }}}}{{Ele{v_{\max }} - Ele{v_{\min }}}}$
式中，E是相当于HI值的高程起伏比，Elevmean是每个亚流域盆地的平均高程；Elevmin和Elevmax是每个亚流域盆地的最小和最大高程。Elevmean、Elevmin和Elevmax值可通过ArcGIS空间分析中的区域分析得到。
面积−高程积分是侵蚀循环的一种指示[1]，侵蚀周期是指将地表侵蚀到基准面所需的总时间。侵蚀周期可分为3个阶段，即老年期（HI<0.35），流域处于完全稳定状态；平衡期或壮年期（0.35<HI<0.6）；以及流域易受侵蚀的不平衡或幼年期（HI>0.6）。

4 结果分析

4.1 研究区面积−高程积分总体特征

将玉曲流域划分的1 030个亚流域盆地的面积与HI值进行统计，R2值仅为0.035 4（图3），说明亚流域盆地的面积与HI值相关性不大，这与其他研究者在北天山、岷山雪宝顶−九寨沟得出的结论相似[2,7]。
图 3 玉曲流域面积与面积–高程积分值二维分布（a）和散点图（b）

Fig.3 Two-dimensional distribution (a) and scatter (b) diagram of watershed area and HI value on the Yuqu River drainage basin

玉曲河亚流域盆地（图4a）的HI值介于0.18~0.70，HI平均值为0.44。其中HI值在0.18~0.35的老年期亚流域盆地有197个，占19.12%；HI值在0.35~0.60的壮年期亚流域盆地有788个，占76.50%；HI值在0.60~0.70的幼年期亚流域盆地有45个，占4.37 %。
图 4 玉曲流域亚流域盆地（a）与地势起伏度（b）

Fig.4 Subwatershed basin (a) and relief degree (b) of the Yuqu River drainage basin

4.2 构造对玉曲流域面积−高程积分的影响

长毛岭大断层和瓦合大断裂2条断裂经过玉曲流域（图4a），长毛岭大断层从西北的长毛岭向东南延伸经过巴夏、雪瓦卡、到达孟木中段，在扎玉继续向东南方延伸，瓦合大断裂从瓦合附近经过牙热寺、邦达。
如图4a所示，经过长毛岭大断层的亚流域盆地共88个，HI值0.30~0.63，HI平均值为0.47，其中HI值在0.35以下的老年期亚流域盆地有7个，占7.95%；HI值0.35~0.60的壮年期亚流域盆地有76个，占86.36%；HI值0.60~0.63的幼年期亚流域盆地有5个，占5.68%。经过瓦合大断裂的亚流域盆地共170个，HI值0.20~0.62，HI平均值为0.42。其中HI值0.20~0.35的老年期亚流域盆地有37个，占21.76%；HI值0.35~0.60的壮年期亚流域盆地有131个，占77.06%；HI值0.60~0.62的幼年期亚流域盆地有2个，占1.18%。HI值越高代表活动性越强，从亚流域盆地的HI值统计和面积−高程积分的空间分布图均可看出，长毛岭大断层的活动性要高于瓦合大断裂。
在印度板块挤的压作用之下，西藏出现了东西方向拉伸和南北方向挤压，长毛岭大断层和瓦合大断裂与澜沧江深断裂和怒江深断裂一样，是在相同的构造应力场作用下形成的[27]，走向均为NW-SE，怒江深断裂在晚更新世后活动性减弱，而澜沧江断裂带在新生代以来一直活动性较强[28,29]，长毛岭大断层更加靠近澜沧江深断裂，因此活动性更强。
在玉曲上游附近的他念他翁山昌都地区，第四纪以来的平均抬升速率约为0.35 mm/a[30]，在接近玉曲下游的察瓦龙地区平均抬升速率约为2.10 mm/a[31]，为了更清晰地展现HI值在空间上的分布特征，对玉曲流域亚流域盆地的HI值进行了插值分析，HI值从上游向下游减少（图5a），反映出构造活动性从上游向下游减弱。
图 5 玉曲流域HI值空间分布（a）与年降水量分布（b）

Fig.5 Distribution of Hypsometric Integral (a) and annual precipitation (b) in the Yuqu River drainage basin

地表的形态受到内力和外力的共同作用，为了研究该地区的构造对地形和面积−高程积分的影响，使用地形起伏度进行分析。为了寻找玉曲流域地形起伏度的最佳窗口，通常采用均值变点法。均值变点法的原理是变点的存在会使原始样本的统计量S与样本分段后的统计量SI之间的差距增大[32]。本文选取2×2，3×3，...49×49共48个大小不同的网格进行计算，发现当点数为16时，S–SI值最大为24.72（图6），对应的最佳窗口为17×17，最佳统计面积为2.34 km2（表1）。以17×17为最佳窗口绘制了玉曲河流域地势起伏度图（图4b），由图4b可以看出，瓦合大断裂通过的区域地形起伏度要小于长毛岭大断层经过的区域，进一步说明断裂的活动性越强（对应HI值越大），对地面切割越强烈，地形起伏度越大。
表 1 玉曲流域网格单元与平均地势起伏度对应关系

Table 1 Relation between grid units and average relief amplitude in the Yuqu River drainage basin

网格大小 面积（104m2） 平均地势起伏度（m） 网格大小 面积（104m2） 平均地势起伏度（m） 网格大小 面积（104m2） 平均地势起伏度（m）
2×2 3.24 17.49 18×18 262.44 229.01 34×34 936.36 372.23
3×3 7.29 34.00 19×19 292.41 239.66 35×35 992.25 379.61
4×4 12.96 49.86 20×20 324.00 249.70 36×36 1049.76 386.67
5×5 20.25 65.20 21×21 357.21 259.31 37×37 1108.89 394.90
6×6 29.16 79.99 22×22 392.04 269.61 38×38 1169.64 401.38
7×7 39.69 94.35 23×23 428.49 279.20 39×39 1232.01 408.68
8×8 51.84 108.31 24×24 466.56 288.55 40×40 1296.00 415.37
9×9 65.61 121.88 25×25 506.25 297.44 41×41 1361.61 421.85
10×10 81.00 135.13 26×26 547.56 306.50 42×42 1428.84 429.49
11×11 98.01 147.96 27×27 590.49 314.69 43×43 1497.69 435.81
12×12 116.64 160.43 28×28 635.04 323.89 44×44 1568.16 441.07
13×13 136.89 172.70 29×29 681.21 332.83 45×45 1640.25 447.06
14×14 158.76 184.54 30×30 729.00 340.58 46×46 1713.96 454.47
15×15 182.25 196.04 31×31 778.41 348.61 47×47 1789.29 461.33
16×16 207.36 207.02 32×32 829.44 355.42 48×48 1866.24 465.59
17×17 234.09 218.18 33×33 882.09 364.53 49×49 1944.81 473.06
图 6 S和SI差值的变化曲线

Fig.6 Change curve of the difference value between S and SI

4.3 岩性对玉曲流域面积−高程积分的影响

为了避免构造对面积积分值的影响,主要选取没有构造带经过的亚流域盆地岩性来讨论岩性与面积−高程积分值的关系（图7）。在玉曲河上游卫达、热麦咔村附近的161个亚流域盆地主要为第四系冲洪积砾、砂砾、砂质粘土，下部含冰水堆积，HI值0.18~0.68，平均值为0.35，第四系冲积物和冰碛物抗侵蚀力较弱，所以HI值很低。
图 7 玉曲流域地质图

Fig.7 Geological map of the Yuqu drainage basin

乙扎村东的36个亚流域盆地主要为三叠系二长花岗岩和三叠系花岗闪长岩、石英闪长岩，含花岗闪长斑岩、石英二长闪长岩，HI值为0.34~0.69，平均值为0.55，二长花岗岩和花岗闪长岩岩性属于侵入岩，坚硬抗侵蚀力较强，所以HI值较高。
然米村附近的49个亚流域盆地分布的地层为班戈−八宿马里组和桑卡拉佣组，岩性为紫红色砾岩、砂岩，HI值为0.34~0.70，平均值为0.49，该地区以沉积岩为主，硬度小于侵入岩，抗侵蚀能力一般，所以HI值居中。
孟达村附近的203个亚流域盆地分布的地层为羌塘雁石坪群，岩性为中−上侏罗统的海相碳酸盐岩与碎屑岩互层，HI值为0.24~0.67，平均值为0.47，该地区以碳酸盐岩为主，硬度比侵入岩小，抗侵蚀能力一般，所以HI值不大。
改庆咔村附近的274个亚流域盆地分布的地层为昌都巴贡组，岩性为海陆过渡相上三叠统的长石石英砂岩夹粉砂岩、页岩、泥岩及煤层，底部局部含灰岩，HI值0.18~0.60，平均值为0.42，长石石英砂岩属于沉积岩，硬度小于侵入岩中的花岗岩，再加上其中夹杂着粉砂岩、页岩、泥岩及煤层，所以HI值不仅低于以花岗岩和闪长岩为主的侵入岩，也低于以砾岩、砂岩和灰岩为主的沉积岩以及海相碳酸盐岩。
根据玉曲流域HI值的不同可以得出不同岩性的抗侵蚀力是：花岗岩、闪长岩等侵入岩抗侵蚀力最强（HI值0.55），砾岩、砂岩等沉积岩（HI值0.49）以及海相碳酸盐岩（HI值0.47）抗侵蚀力一般，长石石英砂岩因为其中夹杂着粉砂岩、页岩、泥岩及煤层所以抗侵蚀力较低（HI值0.42），第四系冲积物和冰碛物抗侵蚀力最弱（HI值0.35）。

4.4 降水对面积−高程积分的影响

降水通过河水径流量间接影响地表形态[33]，进而影响HI值，故而降水量与HI值的大小就存在潜在的对应关系。选取研究区附近的八宿、左贡、芒康气象站1954—2016年的降水量并插值得到研究区的年降水量分布图（图5b），从降水分布图来看，玉曲流域下游降水量较大，会加剧地表侵蚀，计算得到的HI值应该比较小，但是由于玉曲流域上游岩性抗侵蚀力较低，而中下游的岩性抗侵蚀力较强，所以玉曲中下游亚流域盆地的HI值高于上游，因此对于玉曲流域而言降水对HI值得影响较小。

5 结论

1） 玉曲流域1 030个亚流域盆地的面积−高程积分值（HI）0.18~0.70，HI平均值为0.44，整体处于侵蚀循环的壮年和老年阶段。
2） 长毛岭大断层和瓦合大断裂经过玉曲流域，两条断裂的HI值分别为0.47和0.42，长毛岭大断层的活动性要高于瓦合大断裂，可能是由于长毛岭大断层受到澜沧江深断裂的影响更大，因此活动性更强。
3） 玉曲流域HI值反映出不同岩性的抗侵蚀力顺序是：花岗岩、闪长岩等侵入岩抗侵蚀力最强（HI平均值为0.55），砾岩、灰岩等沉积岩（HI值0.49）以及海相碳酸盐岩（HI值0.47）抗侵蚀力一般，长石石英砂岩因为其中夹杂着粉砂岩、页岩、泥岩及煤层所以抗侵蚀力较低（HI平均值为0.42），第四系冲积物和冰碛物抗侵蚀力最弱（HI平均值为0.35）。
4） 玉曲流域下游因降水量较大加剧了地表侵蚀，但是由于玉曲流域上游岩性抗侵蚀力低于中下游，所以玉曲中下游亚流域盆地的HI值高于上游。

参考文献

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