基于DEM秦皇岛柳江盆地大石河河谷地貌形态的初探

赵永杰 邢倩 黄晓

摘要：本文以秦皇岛柳江盆地大石河河谷地貌为研究对象，利用1∶50000石门寨地形图和野外观测资料，通过ArcGIS应用技术对数据进行矢量化，生成TIN、DEM图，旨在定量地演绎秦皇岛大石河河谷地貌的形态特征。用立体图像直观表达地貌形态，为研究柳江盆地的构造演化提供基础，有助于地貌学教学中理解河谷地貌形态特征。

关键词：大石河河谷；地貌学；DEM

1.引言

秦皇岛市柳江盆地地质遗迹是国家级自然保护区，完整且系统地保存了华北地区从元古至今20亿年地壳演化、地理环境变迁和生物演化史，被誉为“华北地区地质演化的教科书”，也是众多高校的实习基地之一。[1]大石河为柳江盆地的主要水系，自西北向东南贯通盆地中部，有五级阶地，是研究河流地貌形态特征的理想场所，其有关构造运动，阶地形成原因，阶地性质等方面的资料很多[2、3]，相关研究相当成熟，但随着信息技术的发展，目前还没有在柳江盆地大石河利用经验数据和DEM构建起来的形态特征和构造演化模拟等问题的研究，因此结合DEM将会更加清晰、更加量化的对地貌类型进行研究。

2.研究区域概况

秦皇岛市柳江盆地位于秦皇岛东北部，总面积约180km2，地理纬度为119°34'45"E～ 119°36'50"E，40°7'45"N～40°9'50"N，位于燕山山脉东段。秦皇岛市柳江盆地地区属暖温带季风气候，与渤海相邻，降雨多集中在7、8月份，且多以暴雨形式存在。从地质构造角度来看，盆地是一个西翼陡、东翼缓的比较宽缓的向斜构造。大石河是纵贯盆地的主要水系，向东南方向在山海关以南流入渤海，内力地质作用对本区产生了显著影响，形成了多级河流阶地。这对于研究柳江盆地地区的地质运动和环境变化有着重要的意义。

3.研究方法和数据

本文所研究的秦皇岛大石河河谷地貌主要是利用1∶50000石门寨地形图，使用ArcGIS软件获取高程信息，生成的DEM，DEM使用mapper生成等高线导入ArcMAP生成不规则三角网TIN。最后获得带有高程信息的灰度图DEM。对于3D图，可将卫星图与TIN三角网等高线地理配准并导入即可得到的3D立体河谷地形图。通过野外等相关资料的采集与整理，在ArcGIS平台中，计算大石河河谷地貌的范围、规模等数据，最终建立模型，形成图形。

4.分析

利用1∶50000石门寨地形图进行矢量化生产TIN（图4-1）和石门寨野外定点图，对大石河河谷地貌进行野外定点分析，确定了安子岭为V型河谷观测点，魏庄和小傍水为凹岸凸岸观测点，394峰为侧蚀河道加宽观测点，吴庄为槽型河谷观测点（如图4-2）。

4.1大石河河谷地貌形成过程中的河流对河谷切割程度分析

截取大石河安子岭河段，根据ArcGIS软件做出如图4-3所示河谷TIN图，图中反映了该河段的地形以及河流的走向。但反映河谷受河流的切割程度，还需通过河流的横切面体现，因此，根据该流域的相关数据，做出如图4-4所示在DEM中河流安子岭段横切面，根据该高程图，河流的西岸高程大致为250m，东岸超过350m，且通过线条的走势明显看出西岸较为陡峭，东岸较为缓和，整体河谷的切割程度较为严重。经分析，造成该段河谷切割程度较大的原因主要有：一方面该段流域高差较为明显，水流急，流速快，造成河谷受切割程度较大；另一方面河底岩石较为破碎，易被水流侵蚀。

总之，该段河谷总体受切割程度较为严重，且正处于发育的初期，以下蚀为主，河流的侧蚀作用还不明显。此后，河谷下蚀作用逐渐减弱，侧蚀作用越来越明显，河谷将进一步加宽，深度增加不明显，河流流速逐渐趋于平缓。

4.2大石河河谷地貌形成过程中的河流对河谷侵蚀和堆积的状况

截取大石河魏庄、小傍水河段，用ArcGIS软件做出如图4-5所示河谷TIN图，图中较为明显反映了该流域地势差异逐步缩小，河流流速减缓。但反映河谷受河流的侵蚀和堆积作用，还需要通过河流的横切面的具体情况来表现，因此，根据该河段的高程数据，做出如图4-6所示在DEM图中魏庄段河谷横切面和图4-7所示小傍水段河谷横切图。根据魏庄河段的切面图可知，河流的东岸和西岸都在150m以上，且通过横切面线条的走势明显看出东岸比较陡峭，西岸比较缓和，由此可以得知河流向河谷东侧的凹岸侵蚀。再根据小傍水河段的切面图可知，河流的北岸在280m以上，南岸在200m左右，并且依据横切面线条的走向可以得知北岸坡度较缓，南侧坡度较陡，河流主要向河谷凸岸进行堆积。

通过对图4-6和图4-7的观察与分析得知大石河由上游的魏庄流向下游的小傍水，地势差异逐步缩小，河流流速减缓。初期，因上游是山地，水动能相对较强烈，水中所带的泥沙就比较少，河床的组成物质相对来说还是比较松散的，因此下蚀速度相对来说也是比较快的[4、5]。根据魏庄观测点的切面图可得，上游坡度相对来说比较大，虽然对河岸有侧蚀作用，但下蚀作用更明显。根据小傍水观测点的切面图得知，河流进入地势相对平坦的地区，坡度减缓，河水的流速也变缓，泥沙开始沉积，因此下蚀能力开始减弱。中期大石河河谷地貌形成过程中，河水不断拓宽河床和河谷，魏庄到小傍水这一流域，处于河流弯曲处，由于地转偏向力的作用，该河段凹岸侵蚀，凸岸堆积，弯道的曲率半径不断减少，而离心力却不断扩大，侧面侵蚀作用超过下蚀作用，而且堆积作用明显，但是不同流域以及不同地形地势特征，所形成的地貌不同。在这一流域，尤其是在凸岸形成的堆積作用，在凹岸形成侵蚀作用，受到冲刷侵蚀以及堆积的影响，比较具有代表性的主要区域在小傍水到魏庄一段。

4.3河谷地貌形成过程中的河流对河谷侧蚀作用分析

在大石河河流地貌中选取侧蚀作用最明显的394峰，如图4-8，侧蚀是较为重要的一种侵蚀作用，侧面侵蚀作用主要发生在河床弯曲处，因为主流线迫近凹岸，横向环流作用，使凹岸受流水冲蚀，这种作用的结果，加宽了河床[6、7]。

将394峰作为观测点，用ArcGIS软件做出DEM图并分析该段横剖面图（图4-9）。根据图4-9侧蚀河道横剖面图可以得知，河流的西岸在255m左右，东岸在300m以上。通过剖面图的线条走势可以观察出西岸较为陡峭，东岸较为缓和，河流主要往西岸侵蚀，对河谷底部侵蚀较弱。此时的河谷已处于演变的晚期阶段，虽然河流下蚀作用和侧蚀作用是同时存在的，但此时侧蚀成为主要的侵蚀作用，河谷下蚀程度降低，即深度变化较小，不过两侧的宽度不断地延伸，整体的河流高差较为缓和，河流流速较为缓慢，在未来的发展过程中，该河谷将进一步的延展，直至到达一定程度扩展速度逐渐减慢以至停止，整个河谷地貌的发育达到晚期阶段。

通过对上图4-7和圖4-8的分析可以发现，侧面侵蚀明显会使河道加宽，并且在这段流域，西岸侧面侵蚀作用明显高于东岸。再结合图4-9和图4-10，通过分析发现秦皇岛大石河河谷的槽型河谷地貌是河流发育形成的成熟期。在冲积河流的河床上，形成各种形态的泥沙堆积体，高程在水位以下的部分，叫作浅滩，而水深较大的河槽部分叫作深槽。根据上图4-9和4-10，我们可以发现，槽型河谷形成比较具有代表性的是吴庄到刘家庄一段，水流速度在这一段逐渐降低，侵蚀作用也不断减少，但是沉积作用开始增加，下蚀作用开始停止，侵蚀和沉积在这一阶段逐渐处于平衡状态，但是由于地转偏向力的影响，侵蚀作用并没有因为流速变缓而消失，在整个河谷流域的中游和下游地区，河谷不断扩宽，河湾也继续往两侧扩展，河谷最终展宽，且内部堆积大量泥沙，此时河谷地貌发育阶段处于成熟期，河谷较宽，切面成槽形（U形）。

5.结论

通过ArcGIS对秦皇岛大石河河谷地貌的演绎，最终尽可能的还原了秦皇岛大石河河谷地貌的形成过程以及原理，但是实际上，秦皇岛大石河河谷地貌的形成原因比较复杂，不仅因为河流的作用，还和地壳的无规律运动以及气候的不断演变都有关系，地壳上升，河流下蚀作用比较明显，形成深切峡谷，而地壳下降，侧面侵蚀比较占有优势，河谷不断加宽。气候对河谷地貌的形成也有一定的影响，气候干燥的时期，河水流量减少，侵蚀和冲刷作用不明显。虽然河谷地貌的形成受多种因素的影响，但是通过ArcGIS技术对秦皇岛大石河河谷地貌进行演绎，实现了将河流地貌形态特征直观表达。

参考文献：

[1]武雄，胡伏生，刘明柱，王旭升，陈劲松，王黎栋，等；秦皇岛柳江盆地水文地质专业教学实习改革初探[J].中国地质教育， 2008（4）： 170-172.

[2]刘锡文，李连合，等；秦皇岛柳江盆区地壳演化过程与成矿特征.唐山工程技术学院学报. 1994（1）： 52-57.

[3]姚玉君.柳江盆地构造地貌的内营力分析.天津师大学报（自然科学版）. 1996（16）： 61-63.

[4]李宗盟，高红山，潘保田，等；贺兰山水系流域数值地貌特征及其构造指示意义.干旱区地理， 2012， 25（3）： 422-428.

[5]连晓.基于DEM的内蒙古段滦河流域的地貌分析[J].内蒙古师范大学. 2010.

[6]陈建军，季建清，余绍立，等；基岩河道流域地貌研究的定量计算方法及其进展，地质科技情报， 2008（04）： 3948.

[7]龙腾文，赵景波，等；基于DEM的黄土高原典型流域水系分形特征研究[J].地球与环境， 2008（4）： 18-22.