稳态河道高程剖面分析的新方法——积分法
王一舟, 张会平, 郑德文, 俞晶星, 李朝鹏, 肖霖
中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029

〔作者简介〕 王一舟, 男, 1989年生, 2017年于中国地震局地质研究所获构造地质学博士学位, 主要研究方向为河水动力侵蚀模型, 电话: 010-62009164, E-mail: wangyizhou2017@sina.com

摘要

以稳态的河水动力侵蚀方程为基础, 分析河道高程剖面, 可以得到河道陡峭系数, 从而反映区域基岩隆升速率的空间分布特征。利用传统的坡度-面积分析法计算陡峭系数时, 需要对原始高程数据进行平滑、 重采样和微分等一系列操作来计算坡度, 这会造成信息丢失和重复引入误差。而近5a来逐渐得到推广应用的积分方法, 通过直接求解河水动力侵蚀方程, 将稳态的河道高程剖面变换成1条直线, 直线斜率即河道陡峭系数, 避免了计算坡度带来的缺点。同时, 该方法用积分函数表示基岩河道高程剖面, 可以将陡峭系数和其他一些地貌参数(坡度长度指数、 面积高程曲线积分)联系起来, 为用这些参数表示区域构造活动信息提供理论依据。此外, 该方法还可用于判别分水岭迁移方向。因此, 综合这些优势, 积分法在分析流域地貌特征和进行构造地貌的研究中具有广阔的应用前景。

关键词: 河水动力侵蚀方程; 积分法; Chi-plot; 陡峭系数
中图分类号:P931 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2017)06-1111-16
A BRIEF INTRODUCTION TO THE NEW METHOD FOR RIVER PROFILE ANALYSIS: Integral Approach
WANG Yi-zhou, ZHANG Hui-ping, ZHENG De-wen, YU Jing-xing, LI Chao-peng, XIAO Lin
State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology,China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

The topography and geomorphology of active orogens result from the interaction of tectonics and climate. In most orogens, a fluvial channel is most sensitive to the coupling between tectonics, lithology, and climate. Meanwhile, the related signals have been recorded by both the drainage geometry and channel longitudinal profile. Thus, how to extract tectonic information from fluvial channels has been a focused issue in geologic and geomorphologic studies.
The well known stream-power river incision model bridges the gap between tectonic uplift, river incision and channel profile change, making it possible to retrieve rock uplift pattern from river profiles. In this model, the river incision rate depends on the rock erodibility, contributing drainage area and river gradient. The steady-state form of the river incision model predicts a power-law scaling between the drainage area and channel gradient. Via a linear regression to the log-transformed slope-area data, the slope and intercept are channel concavity and steepness indices, respectively. The concavity relates to lithology, climatic setting and incision process while the channel steepness can be used to map the spatial pattern of rock uplift. For its simple calculation process, the slope-area analysis has been widely used in the study of tectonic geomorphology during past decades.

However, to calculate river slope, the coarse channel elevation data must be smoothed, re-sampled, and differentiated without any reasonable smooth window or rigid mathematical fundamentals. One may lose important information and derive stream-power parameters with high uncertainties. In this paper, we introduce the integral approach, a procedure that has been widely used in the latest four years and demonstrated to be a better method for river profile analysis than the traditional slope-area analysis. Via the integration to the steady-state form of the stream-power river incision equation, the river longitudinal profile can be converted into a straight line of which the independent variable is the integral quantity χ with the unit of distance and the dependent variable is the relative channel elevation. We can calculate the linear correlation coefficient between elevation and χ based on a series of concavity values and find the best linear fit to be the reasonable channel concavity index. The slope of the linear fit to the χ value and elevation is simply related to the ratio of the uplift rate to the erodibility.

Without calculating channel slope, the integral approach makes up for the drawback of the slope-area analysis. Meanwhile, via the integral approach, a steady-state river profile can be expressed as a continuous function, which can provide theoretical principle for some geomorphic parameters(e.g., slope-length index, hypsometric integral). In addition, we can determine the drainage network migration direction using this method. Therefore, the integral approach can be used as a better method for tectonogeomorphic research.

Keyword: stream-power river incision model; integral approach; Chi-Plot; steepness index
0 引言

如何获取区域隆升和侵蚀速率的空间分布特征是构造地貌研究的一个重要科学问题。传统的热年代学, 如 40Ar/39Ar、 裂变径迹(Fission Track)、 (U-Th)/He等, 通过样品高程-年龄图(Elevation-Age Plot)的斜率可以得到岩体的隆升剥露速率, 同时图中的年龄拐点则被用于约束岩体隆升速率发生变化的时间(Kerry et al., 1998; Zheng et al., 2006, 2010; Duvall et al., 2013)。在宇宙成因核素年代学领域, 一些学者利用河流沉积物中石英颗粒的10Be浓度, 结合其生长、 衰减模型, 计算流域尺度的剥蚀速率(Harkins et al., 2007; Palumbo et al., 2009, 2011; DiBiase et al., 2011; Zhang et al., 2017)。在沉积学研究中, 获取不同地层的沉积时间和厚度, 可以计算沉积速率, 进而反映物源区的隆升剥露特征(陈杰等, 2006; Liu et al., 2011; Wang et al., 2016)。虽然, 这些方法得到了广泛的应用, 但是, 也存在着诸如样品采样困难、 测试周期长、 费用高等缺点。

因此, 一直以来, 地质地貌学家都在探索一种简便、 高效地获取区域构造活动信息的方法。20世纪70年代以来, 河水动力侵蚀模型(stream-power river incision model)被提出(Flint, 1974; Howard, 1983), 为从地形高程数据中定量获取区域隆升或侵蚀信息提供了1种新的途径。该模型一经提出, 便被广泛应用(Kirby et al., 2003, 2007; Whipple, 2004; Wobus et al., 2006; Harkins et al., 2007; 胡小飞等, 2010; 李小强等, 2015; Zhang et al., 2017), 这些成果促使构造地貌学研究迈入一个崭新的阶段。

河水动力侵蚀模型将河道高程变化表示为基岩隆升速率与河流侵蚀速率之差。当基岩隆升与河流下切相平衡时, 河道高程不再发生变化, 河道高程剖面形态趋于稳定。对于稳定状态(Steady state)的河道, 可以通过河水动力侵蚀模型计算河道凹度(concavity index)和陡峭系数(steepness index)。其中, 基岩河道的凹度指数一般取值为0.3~0.6, 受构造的影响很小, 主要与岩性、 气候和侵蚀过程等因素相关(Snyder et al., 2000; Kirby et al., 2003; Wobus et al., 2006); 而陡峭系数主要受到区域构造抬升速率的控制。大量研究表明, 陡峭系数的高低可以表征区域构造活动的强弱(Tarboton et al., 1989; Whipple et al., 1999; Royden et al., 2000; Kirby et al., 2001, 2012; Snyder et al., 2003; Berlin et al., 2007; 张会平等, 2008, 2011; 胡小飞等, 2010, 2014; Perron et al., 2013; Puvall et al., 2014; Wang et al., 2017)。

因此, 开展河道高程剖面分析, 主要就是计算河道凹度和陡峭系数。传统的方法是坡度-面积分析法, 该方法通过直接线性回归坡度和汇水面积的对数值, 斜率的相反数即凹度, 截距就是陡峭系数的对数值。该方法计算简便, 因此应用很广。但是, 由于在计算坡度的过程中, 需要对高程进行平滑、 重采样和微分等一系列运算, 这样不仅会造成原数据信息的部分损失, 还极易将高程中所含误差再次引入计算过程中, 从而造成回归分析的相关系数不高、 回归结果误差偏大等问题(Perron et al., 2013)。此外, 对于数据平滑窗口大小的选择和重采样高程间隔的设置, 目前也尚无统一的标准和严格的数理推导依据。

针对传统的坡度-面积分析方法的诸多缺点, 一些学者(Royden et al., 2000; Perron et al., 2013)提出用积分法(Integral Approach), 来求解稳态的河水动力侵蚀方程和开展河道高程剖面分析。积分法通过直接求解河水动力侵蚀方程, 将河道高程剖面以连续函数表示, 避免了计算坡度带来的种种缺陷, 是一种良好的河道分析方法。本文首先介绍积分法的求解过程, 然后阐述该方法在计算河道参数、 联系多种地貌指标和判别分水岭迁移方向等方面的应用, 最后结合具体的实例说明。

1 河水动力侵蚀方程与积分法求解过程

在河水动力侵蚀模型中, 河道高程变化取决于基岩隆升速率与河流侵蚀速率之差。而河流下切侵蚀速率被认为是侵蚀系数、 汇水面积和河道坡度的函数。 该模型可表示为方程(1)(Flint, 1974; Howard et al., 1983):

zt=U(x, t)-KAmzxn1

式(1)中: z为河道高程; x为河道溯源距离(从出水口到分水岭的方向); t为时间; U为岩体隆升速率; K为侵蚀系数(受控于岩性、 气候等); A为汇水面积(表示径流量); mn分别为汇水面积和坡度的指数。

当河道处于稳定状态, 并且流域基岩隆升速率空间均匀时, 式(1)简化为

dzdx=UK1/nA-m/n(2)

式(2)就是通常所说的稳态的河水动力侵蚀方程(Howard et al., 1983, 1994; Whipple et al., 2000)。整理式(2), 得: S=ksA; 其中: S为河道坡度, ks=(U/K)1/n为陡峭系数, θ =m/n为河道凹度。

直接求解稳态的河水动力侵蚀方程(式(2)), 得到河道高程z的解析式, 这一方法称为积分法(Integral Approach)。式(2)两边同时乘以dx, 得:

dz=UK1/nA-m/ndx3

对式(3)两边分别积分, 得:

z=UK1/nxbx1A(x'm/ndx'+z(xb)(4)

式(4)中, z(xb)为河道某点xb的高程(边界条件)。为了使得式(4)中的积分项与河道溯源距离有相同的维度, 引入1个参考的汇水面积(reference drainage area)A0A0可为任意值, 只要其物理单位与实际的汇水面积相同即可。一般地, 以河道出水口(相对高程为0)作为方程的边界条件, 则式(4)可表示为

z(x)=ksA-m/n0χ(x)χ(x)=0xA0A(x'm/ndx'5

式(5)中, χ(x)χ值。以χ值为横坐标, 高程z为纵坐标,                所绘制的图称为Chi-plot(或χ -z plot)。显然, 稳态河道经过形如式(5)的变换, 可以变为1条过原点的直线。本文中设定A0=1m2, 这样Chi-plot的斜率就是河道陡峭系数。

2 参数计算

在积分法, 即式(5)所示的χ -z变换中, 河道凹度θ (m/n)是1个未知的先验参数。Perron等(2013)针对不同情况, 提出了3种计算θ 的方法:

(1)对于单一河流: 在区间[0, 1]上取一系列凹度值, 计算不同凹度值下的χ 值, 绘制Chi-plot, 并计算χ 值与高程的相关系数, 取最大相关系数对应的θ 值作为凹度。

(2)对于多条河流: 由于陡峭系数的高低依赖于凹度的选取, 因此在比较多条河道陡峭系数时, 需要指定1个凹度的参考值(θ ref, reference concavity)来计算河道陡峭系数(Snyder et al., 2000; Kirby et al., 2003; Wobus et al., 2006)。Perron 等(2013)分别计算每条河流的最佳凹度, 然后用这些凹度的均值作为参考凹度θ ref。根据参考凹度得到的河道陡峭系数称为标准陡峭系数(ksn , normalized channel steepness)。

(3)对于某一流域: 利用流域河道Chi-plot的共线性特征, 可以计算整个流域的参考凹度值。假设河道处于稳态(基岩隆升与河流侵蚀相平衡), 区域基岩隆升速率、 岩性和气候等条件空间均匀, 那么在理论上, 干流和各个支流的Chi-plot几乎是重合的, 即河道χ 值与高程值一一对应(Perron et al., 2013), 这一特性称为干支流Chi-plot的共线性特征(co-linearity)。

计算不同凹度值下的Chi-plot, 如式(6)计算相应的高程偏差(Elevation Scatter, 以MisFit表示), 选择最小偏差对应的凹度作为最佳参考凹度值(Goren et al., 2014; Wang et al., 2017)。

MisFit=1Mj=1M1Ni=1N(zi, j-z0, j)2z0, j=i=1Nzi, 06

式(6)中, M为参与计算的节点数, N为河流条数。

需要指出的是, 在自然界, 由于受到隆升速率分布的时空差异、 气候、 岩性等多种因素的影响, 严格满足稳态条件的河流是很少的。但方法(3)并不受河道是否处于稳态的约束, 可以被应用于计算大型的、 非稳态流域的参考凹度(Fox et al., 2014; Goren et al., 2014; Yang et al., 2015; Wang et al., 2017)。保持流域干支流共线性特征(co-linearity), 这也是积分法的一大优势。

3 积分法的理论意义与应用

积分法最初由Royden等(2000)提出, 单从时间角度而言, 这算不得新方法。但以当时的数值计算发展水平, 计算χ 值相对复杂。因此, 该方法起初并未得到广泛应用, 其优势也鲜为人知, 甚至该方法并未以独立完整的论文形式发表, 而仅仅出现在会议展板(Royden et al., 2000)或一些论文的章节中(Harkins et al., 2007; Kirby et al., 2012)。随着数值计算的发展和高精度地形数据的出现, 越来越多的研究发现, 积分法在获取高精度的河道陡峭系数(Wang et al., 2017)、 保持干支流共线性特征(Perron et al., 2013)、 求解非稳态河水动力侵蚀方程(Royden et al., 2013; Goren et al., 2014; Rudge et al., 2015)等方面, 有着传统的坡度-面积法无可比拟的优势。这些新的发现, 给积分法注入新的活力, 因而从这个角度上说, 积分法是一门有广阔发展前景的新方法(Perron et al., 2013)。

积分法直接求解稳态方程, 以连续函数表示河道高程剖面, 在理论研究和实际应用中都有重要作用。积分法可以将陡峭系数和其他一些地貌参数联系起来, 为用这些参数表示区域构造信息提供理论支持, 具有一定的理论意义。在实际应用中, 该方法无需对高程微分, 避免了数据平滑和重采样引起的信息丢失和人为选择滑动窗口带来的误差。在计算多条河流陡峭系数时, 即便指定参考凹度, 高程与χ 值之间也具有很高的线性相关性, 得到的陡峭系数具有极小的标准误差(Wang et al., 2017)。此外, 该方法还可以用于判别分水岭的迁移方向(Willett et al., 2014; Goren et al., 2015)。本文将分别从理论和实际应用2个方面来介绍积分法的优点。至于如何应用积分法提取河道瞬态信号, 这涉及到非稳态的河水动力侵蚀方程的求解(Fox et al., 2014, 2015; Goren et al., 2014), 超出了本文的范畴, 因此不作讨论。

3.1 理论意义

在数字高程模型(DEM)出现之前, 计算河流不同河段汇水面积的难度很大, 而获取河流长度、 坡度等参数则相对容易(Kirby et al., 2012)。20世纪50年代, 地貌学家曾利用简单的统计模型, 从高程数据中获取一些地貌参数来试图表示构造活动信息(Strahler, 1952; Hack, 1957, 1973; Holmes, 1965)。其中, Strahler(1952)提出的长度-坡度指数(length-gradient index, SL)和Hack(1957)提出的面积高程曲线积分(hypsometric integral, HI)2种地貌指标应用非常广泛(Seeber et al., 1983; Jackson et al., 1994; Bishop et al., 2005; Gao et al., 2013; 王一舟等, 2013; Wang et al., 2014; 褚永彬等, 2015)。但很少有研究从理论上探讨为什么这些地貌参数可以表征区域的构造活动信息。河水动力侵蚀方程根据基岩河道侵蚀物理模型发展而来, 经过了严格的数学推导和大量实际研究的检验, 从理论和实际应用2个角度证明了可以通过河道陡峭系数表示构造活动信息。因此, 建立陡峭系数与地貌参数(SLHI)之间的联系, 可以为用这些参数表征区域构造活动信息提供相应的理论依据。

3.1.1 长度-坡度指数(length-gradient index, SL)

Hack(1957, 1973)在研究河流地貌时发现, 河道的高程与顺流长度之间满足半对数关系, 即z(x)=C-khln(L-x), C为常数, 因此河道顺流长度的倒数与河道坡度就满足线性关系:

S(x)=kh1L-x7

式(7)中, 常数kh称为SL指数, L为出水口到分水岭的总长度(这里用L-x是因为本文中x是溯源距离)。研究发现该指数可以反映区域构造活动的强弱。然而, 有学者(Bishop et al., 2005; Goldrick et al., 2007; Kirby et al., 2012)认为SL指数只是陡峭系数的1个特例, 并且某些河流并不能很好地满足式(7)。本文将对此作简要说明。

在式(5)中, 取A0=1m2, 同时利用汇水面积与河流长度的关系(Hack's law)A(x)=ka(L-x)h, 则河流纵剖面高程可以表示为

z(x)=ks0x1ka(L-x'hm/ndx'(8)

对式(8)积分, 可得:

z(x)=kska-m/nlnLL-x(hm/n=1)kska-m/n1-hm/n[L1-hm/n-(L-x)1-hm/n](hm/n1)0xL-xc9

对式(9)进行求导运算, 可得:

S(x)=kska-m/n1L-x(hm/n=1)kska-m/n(L-x)-hm/n(hm/n1)0xL-xc10

式(10)也可写成S(x)=ks ka-m/n(L-x)-hm/n。其中, kah是正常数, xc为河流源头到分水岭的距离。

对比式(6)和(9), 不难发现, 当hm/n=1时, kh=ks ka-m/n, 即SL指数。SL指数与陡峭系数之间存在正比例关系, 说明可以通过SL指数大小反映构造活动的强弱。此时, 河流长度的倒数与河道坡度存在线性关系。

3.1.2 面积高程曲线积分(hypsometric integral, HI)

对某一流域, 以任意高程z(x)与高程最大值zmax的比值z(x)/zmax为纵坐标, 高程z(x)以上区域的面积A(x)与流域总面积Amax的比值A(x)/Amax为横坐标, 这样绘制的图称为面积高程曲线(Strahler, 1952)。曲线与横、 纵坐标轴所围区域的面积称为面积高程曲线积分(HI), 即:

HI=01z(x)zmaxdA(x)Amax11

A(x)/Amax值在0~1之间。研究发现, 流域HI指数的大小与该区域构造活动强弱呈正相关(Pé rez-Peñ a et al., 2009; Gao et al., 2013)。

坡面侵蚀过程大多发生在河流源头附近, 控制的流域面积有限。当汇水面积超过1km2后, 以河水动力侵蚀作用为主(Snyder et al., 2000; Wobus et al., 2006; Kirby et al., 2007)。即, 河道高程可用式(5)表示。由于流域中河流侵蚀过程占主导的区域的面积远大于坡面侵蚀作用控制的区域, 因此不妨假设流域内任意点的高程都可以表示成式(5)所示的汇水面积对距离的积分函数。将式(5)代入式(10), 得:

HI* =kszmaxAmax0L0xA(x'-m/ndx'dA(x)(12)

对式(12)使用分部积分, 作进一步化简, 得:

HI* =kszmaxAmaxA(x)0xA(x'-m/ndx'|0L+0LA(x)1-m/ndx13

与流域总面积相比, 河流源头的汇水面积很小, 则A(L)与Amax的比值近似于0, 因此式(13)可以简化为

HI* =kszmax0L1A(x)m/nA(x)Amaxdx14

虽然式(11)— (14)中存在许多积分项, 但这些都是上、 下限确定的定积分, 积分结果都是正常数, 并非未知函数。尽管HI* 只是面积高程曲线积分HI的1个近似估计(事实上, 以此计算HI也并不可取, 因为流域中还存在坡面过程), 但这至少从理论上说明了HI与陡峭系数ks确实成正比, 为利用流域的面积高程曲线积分表征区域构造活动性强弱提供了1个理论依据。

3.2 应用积分法判别分水岭迁移方向

积分法在实际研究中有许多应用。如计算河道凹度和陡峭系数, 判别分水岭迁移方向等。本文第2节已经详细介绍了积分法在计算河道参数方面的应用, 故不再赘述。本节将介绍积分法在判别分水岭迁移方向上的应用。

分水岭的迁移与水系格局重组在造山带的地形演化过程中是十分普遍的(Willett, 1999; Willett et al., 2014; 肖萍等, 2015; Yang et al., 2015)。即便流域内的河道处于稳态, 流域分水岭也会发生迁移(Willett et al., 2014)。分水岭迁移和水系重组, 往往伴随着河流袭夺和汇水面积的增减, 进而改变流域侵蚀速率分布, 最终改变区域地貌形态。所以, 判别流域水系迁移方向是地貌学研究的重要课题。

Willett等(2014)研究认为, 当相邻流域的基岩隆升速率、 岩性和气候条件均无显著差异时, 则可以利用分水岭两侧河流的χ 值高低表示分水岭的迁移方向。假设分水岭两侧的河流汇入同一高程基准面, 即2条流域的整体起伏相同, 分水岭总是向χ 值大的流域(低的陡峭系数或侵蚀速率)一侧移动。当两侧河段χ 值大致相当时, 则表明流域的边界处于稳定状态, 分水岭不发生迁移。

4 实例研究

本文以发源于美国加利福尼亚北部Mendocino Triple Junction(MTJ)地区的21条小型河流(图1)为例, 说明积分法的计算过程及应用。区域高程数据为1 arcsec SRTM DEM(http: ∥earthexplorer.usgs.gov/)。这些河流的流域面积小, 因而气候、 岩性和基岩隆升速率在单个流域内部的差异可以被忽略; 河道都具有典型的崩积型、 基岩型和冲积型分段特征; 同时, 不同流域的构造抬升速率差异显著。因此, 该区域一向被视为研究河流响应构造-气候变化的典型案例(Snyder et al., 2000, 2003; Wobus et al., 2006; Perron et al., 2013; Wang et al., 2017)。

图 1 美国加利福尼亚北部Mendocino Triple Junction(MTJ)地区
区域高程数据为1 arcsec SRTM DEM(http: ∥earthexplorer.usgs.gov/); 河流分布来源于Snyder et al., 2000
Fig. 1 The Mendocino Triple Junction(MTJ)region in northern California, USA.

4.1 应用积分法计算河道参数

以MTJ区域北部的Davis流域(图2a)为例, 说明如何利用积分法计算河道凹度和陡峭系数:

图 2 Davis流域干流的χ -z变换
a Davis流域范围与干支流分布; b Davis 干流不同凹度下的χ 值与高程的相关系数, 当θ =0.42时, 相关系数最大; c 最佳凹度(0.42)对应的Chi-plot
Fig. 2 χ -z transformation of the truck river of catchment Davis.

(1)Davis流域的主干道(单一的河道)。本文计算不同凹度下的χ 值及其与高程的相关系数, 发现当θ =0.42时, 相关系数最大, 因此选择0.42作为该流域干流的最佳凹度(图2b)。此时, 河道的Chi-plot如图2c所示。Chi-plot的斜率58.97即主干道的陡峭系数。

(2)多条干流河道, 例如图1中所示的21条流域的主干道。一些学者计算每条主干道的凹度, 然后取其平均值作为参考凹度θ ref。参考凹度的取值在0.43~0.50之间(Snyder et al., 2000; Perron et al., 2013; Wang et al., 2017)。以θ ref计算每条干流的Chi-plot, 斜率就是各自的归一化陡峭系数。

(3)Davis流域, 其中包含1条主干道和多条支流。本文利用式(6)计算了不同凹度值下Davis流域干、 支流Chi-plot的高程偏差, 发现当θ =0.45时, 偏差最小(图3)。因此, 0.45可以作为Davis全流域的参考凹度值。

图 3 Davis流域干支流Chi-plot
a— c 凹度值分别为0.35、 0.45和0.55条件下的干支流的Chi-plot; d 不同凹度值下流域Chi-plot的高程偏差, 当θ =0.45时, 偏差最小
Fig. 3 Chi-plot of stem and tributaries of catchment Davis.

4.2 陡峭系数与SLHI指数的联系

式(9)说明了SL指数与陡峭系数之间确实存在正相关, 但也指出了SL指数有意义的前提是hm/n ≈ 1。因为只有在这种条件下, 河道坡度与距离的倒数之间才存在线性关系。

以MTJ区域北部的Cooskie流域干流为例, 本文对河道坡度与河流长度的倒数进行线性回归。如图4a所示, 二者表现出高度的线性相关性(R=0.803)。需要指出的是, 本文对相关关系强弱的判别, 采用Champagnac等(2012)的方法: 高度相关(high correlation), |R|> 0.7; 存在相关性(fair correlation), 0.5< |R|< 0.7; 弱相关(weak correlation), 0.3< |R|< 0.5; 不相关(no correlation), |R|< 0.3。Cooskie河流的凹度θ =0.43(Snyder et al., 2000), 河流长度-汇水面积经验关系式的指数h=2.301(图4a), 则=0.99, 接近于1。这表明Hack提出的SL指数可以用于该流域。

图 4 河道坡度、 长度和汇水面积之间的关系
a Cooskie, b Davis; 散点图为河道坡度-顺流距离倒数关系图, 灰色虚线为河道顺流距离-汇水面积关系图; L 从河道出水口到分水岭的长度, x 河道溯源距离
Fig. 4 Relations between channel slope, stream length and drainage area(a)Cooskie river and (b)Davis river.

对于Davis流域而言, 利用Hack(1957, 1973)的方法计算SL指数则并不合适。如图4b所示, Davis的河道坡度与河流长度的倒数并无显著的线性关系(弱相关, R=0.387)。Davis河流的凹度θ =0.42, 河流长度-汇水面积经验关系式的指数h=2.049, 则=0.86, 不满足式(7)成立的条件。而河道坡度与河流长度的倒数之间存在幂律关系(fair correlation, R=0.689)。实际拟合得到的幂函数的指数(0.725, 图4b)与0.86存在一些误差, 这可能是拟合河流长度-汇水面积经验关系式或者对高程微分等引起的。这也说明了, 为什么一些处于稳态的河流并没有表现出如式(7)所示的线性特征。

式(14)得到的面积高程曲线积分HI的1个估计量HI* , 从理论上阐明了HI与陡峭系数ks之间的正比关系, 为利用流域HI指数表征区域构造活动性强弱提供了理论依据。在实际应用中, 一般都是指定参考凹度计算归一化的陡峭系数(ksn )。由于选择凹度的不同, ksksn 之间存在幂律关系(Wobus et al., 2006)。因此, 在理论上, 流域HIksn 两种指数之间也应该存在幂律关系。如图5所示, 本文计算了MTJ区域21条流域的HIksn 指数, 发现两者之间确实存在一定的幂律关系(fair correlation, R=0.662)。

图 5 面积高程曲线积分(HI)与河道归一化陡峭系数幂律关系图Fig. 5 Power-law relationship between HI and normalized channel steepness.

4.3 利用χ 值分布判别分水岭迁移方向

如果相邻流域的隆升速率空间均匀, 岩性、 气候等条件无显著差异, 同时河道总体落差大致相当, 则可以根据河流源头χ 值分布判别流域边界是否稳定以及分水岭的迁移方向。

位于MTJ区域南部的4条流域(Hardy, Juan, Howard, Dehaven), 基岩隆升速率基本相当, 约0.5mm/a(Snyder et al., 2000)。本文计算这4条流域的χ 值(图6), 发现流域分水岭两侧河段的χ 值大致相当, 因此这些流域的边界基本处于稳定状态。

图 6 稳定的流域Fig. 6 Steady drainage basins.

位于MTJ中部的2条流域Telegraph和Whale Gulch, 尽管流域的基岩隆升速率大致相当(1mm/a), 其相邻的流域边界却并不稳定。如图7所示, 分水岭北侧Telegraph的χ 值高于南侧的Whale Gulch流域, 表明分水岭将向北侧移动(图7白色箭头所示)。

图 7 不稳定的流域边界
箭头(白色、 黑色)表示分水岭的迁移方向
Fig. 7 Drainage Basins in a state of disequilibrium.

尽管可以用相邻流域河道χ 值的高低判别分水岭的迁移方向, 但这种方法的前提条件是比较严格的: 区域隆升速率无显著差异, 岩性和气候条件大致相当。如图7所示, 相邻的2个流域Horse MTN和Telegraph规模小(流域面积6~8km2), 气候和岩性无显著差异(Merritts et al., 1989; Snyder et al., 2000), 分水岭两侧的χ 值大致相当, 据此而言这2条流域的边界可能是稳定的。然而, 区域地质研究结果表明Horse MTN流域基岩隆升速率为2.3mm/a, 远高于Telegraph流域(1mm/a)(Merritts et al., 1989; Snyder et al., 2000)。理论研究和数值模拟均表明, 在气候和岩性相似的情况下, 分水岭向隆升速率高的一侧移动(Willett, 1999; Willett et al., 2014)。虽然并无直接证据表明, 这2条流域的分水岭向北侧移动(图7黑色箭头所示)。但是, 这至少说明, 在利用χ 值判别分水岭迁移方向的时候, 需要注意该方法适用的前提条件。

5 结论

稳态河道高程剖面分析方法有坡度-面积分析法和积分法2种。前者因计算坡度, 需要对高程数据进行平滑、 重采样和微分等一系列操作, 这样会增加计算结果的误差。积分法通过直接求解稳态的河水动力侵蚀方程, 将河道高程以1个积分函数表示出来, 避免了因计算坡度带来的缺点, 确保可以得到高精度的陡峭系数。积分法在理论研究和实际应用中都具有重要价值。在理论上, 积分法用连续函数表达基岩河道, 可以将陡峭系数和一些地貌参数(SL指数、 面积高程曲线积分HI)联系起来, 为用这些参数表示区域构造活动信息提供理论支持; 在实际应用中, 该方法不仅可以得到高精度的河道陡峭系数、 保持流域干支流共线性特征, 还可以用于判别分水岭的迁移方向。这些优势使得积分法在分析流域河道特征和进行构造地貌的研究中存在广阔的应用前景。

The authors have declared that no competing interests exist.

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