柴汶河袭夺地区流域地貌发育阶段研究

姜瑾斐,褚忠信*,朱晓洁,孙家高,于广科,姜 悦,高玉花

(1.中国海洋大学海洋地球科学学院,山东 青岛 266100;2.海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东 青岛 266100;3.山东省物化探勘察院,山东 济南 250013)

引 言

河流袭夺是地貌学研究中的一个经典问题,由于地貌发育的不可逆性及侵蚀作用的持续性,相关问题的研究多限于理论研究[1-4]和过程模拟[5],案例分析也多为地质学方面的证据支持[6-10]及袭夺事件对区域构造运动的响应[11-12]。研究成果表明,河流袭夺主要受到区域构造运动、岩性差异、地貌演化和气候变化等因素的影响,人为造成的分水岭破坏和迁移也是河流袭夺发生的重要原因;河流沉积物物源、生物学证据以及河流袭夺形成的特征地貌,均可作为河流袭夺的证明。河流袭夺改变了区域的水系结构特征,也带来了水系侵蚀能力的变化和流域地貌发育阶段的改变,但袭夺地区流域地貌发育的相关研究较少。山东沂源的柴汶河袭夺,由于发生年代较近,地貌特征保存较好且体系较为完整,或可作为河流袭夺地貌研究的一处典型案例。本文以“地貌侵蚀循环学说”[13]为基础,利用数字高程模型和空间分析技术,在完成水文分析、地形因子提取的基础上,计算水系分形维数、面积-高程积分和地貌信息熵三个参数,划分流域地貌发育阶段,研究柴汶河袭夺地貌特征,并探讨河流袭夺对流域地貌发育的影响。

1 研究区概况

研究区位于山东省中部鲁中山区的低山丘陵区,沂源县大张庄镇西南,靠近沂源与新泰、莱芜和蒙阴交界处,经纬度117°56′～118°3′E、35°57′～36°2′N,海拔287～635 m,地势西南高、东北低(图1)。

图1 研究区位置及地形

古柴汶河袭夺古沂河上游后形成现今的水系格局。柴汶河源头恶沟发源于石柱村和保安庄,支流在上淤土地村附近汇集,向东流至下淤土地附近转向西南,流至新泰市(图1)。沂河源头大张庄河发源于旋峰峪村附近,流向东北。恶沟在下淤土地附近的倒钩状弯曲被认为是袭夺湾,也是该处河流袭夺的显著识别标志。恶沟源头至袭夺湾段为改向河,也是古沂河源头;袭夺湾下游河段为増水河,即古柴汶河,袭夺后水量增加,袭夺湾位于下淤土地东侧;地淤沟村至下淤土地村段为倒流河;大张庄河因失去水源称为断头河;风口位于地淤沟与旋峰峪之间,成为两流域之间的分水高地[14-15]。姜鲁光[14]较早发现,上淤土地村至地淤沟村之间的阶地面和恶沟上游、大张庄河上游的河床纵剖面可构成一条平滑下凹的河流纵剖面(图2),推测古沂河的河床高度应与阶地面一致,阶地上的黄土和砂砾石应是古沂河冲积形成。借助倒流河阶地上采样测年资料,Fan等[15]认为该处河流袭夺发生于8万年前。

图2 研究区河流纵剖面[14](有修改)

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文采用的是GDEMV2 30M分辨率数字高程模型,数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(https://www.gscloud.cn)。

2.2 研究方法

获取研究区原始DEM数据后,根据Callaghan和Mark提出的基于地表漫流模型[16],利用ArcGIS 10.2软件进行水文分析,提取研究区数字水系并划分流域范围[17]。完成研究区水文分析后,提取了流域的坡度、地面粗糙度、地形起伏度和地表切割深度,以期对地貌形态有基础的认识。

为探究河流袭夺对流域地貌的影响,本文完成研究区地貌的定量分析,主要借助水系分形维数、面积-高程积分和地貌信息熵。

2.2.1 水系分形维数

分形是“局部以某种形式与整体相似的形体”[18]。1945年Horton等在研究河流数据资料的基础上,认为该定律可能是水系按照其自身结构有规律地循环发展的结果,水系由一个单元水系不停迭代而形成,具有自相似性,可以作为分形模型[19]。

盒维数法是分形维数的计算方法之一,基本原理是:依据分形的定义,度量尺度的改变会使得满足分形特征物体的长度、周长、面积或体积等发生变化。因此,盒维数法的基本原理是使用不同边长为r的正方形盒子覆盖被测水系,因河网存在空隙,则会出现未被填充的盒子,将包含有水系片段的盒子数记为N(r)。对应一组不同的网格边长r1、r2、r3、…、rk,得到一组N(r1)、N(r2)、N(r3)、…、N(rk),以点(lnr,lnN(r))坐标,作双对数图,用最小二乘法可拟合出一条直线[20]:

lnN(r)=A-Dlnr

(1)

斜率D即为水系盒维数。

水系分形维数反映了水系的发育程度:分形维数越大,河网越密集,河流发育越成熟,对流域的填充程度越高[21-22]。据此性质,何隆华等[18]提出了基于水系分形维数划分流域地貌发育阶段的方法:D≤1.6时,流域地貌处于侵蚀发育的幼年期;1.6

2.2.2 面积-高程积分

面积-高程积分是研究流域水平断面面积与其高程关系的定量指标,根据其值可将地貌发育分为幼年期(S>0.6)、壮年期(0.6≥S≥0.35)和老年期(S<0.35)3个阶段[23]。该方法的建立推动了流域侵蚀地貌演变的定量化研究,是对Davis地貌侵蚀循环理论的重大发展。

计算方法是,在流域的等高线图上,统计出每条等高线i以上的流域面积ai以及该等高线与流域最低点之间的高差hi,记流域总面积为A,流域内高差为H,即[23]:

(2)

(3)

分别以面积比和高差比为x、y值,绘制曲线:

y=f(x)

(4)

式中,x和y的取值范围为[0,1]。该曲线即流域的面积-高程曲线,其积分值S即是面积-高程积分,计算公式为:

(5)

2.2.3 地貌信息熵

研究认为,地貌发育过程与热传导过程相似,因此提出了“地貌学熵”的定义。艾南山在面积-高程曲线和积分的基础上,得到地貌信息熵的计算公式:

H=S-1-lnS

(6)

式中,S为面积-高程积分;H为地貌信息熵。依据地貌信息熵划分地貌发育阶段:H<0.11为流域发育的幼年期,0.11≤H≤0.40为壮年期,H>0.40为老年期,地貌信息熵随地形起伏度增大而减小,二者呈负相关关系[24]。在构造条件长期稳定的封闭系统中,随着流域地貌从幼年期演化至老年期,面积-高程积分值减小,流域逐渐夷平,熵值则不断增加,准平原时期熵值趋向最大。但是流域地貌是地球内外营力共同作用的结果,是一个开放的系统,一定时间尺度上其演化并不完全依照流域地貌发育顺序,而是随着内外营力对抗作用强度发生变化。在侵蚀流域系统内,抬升速率小于侵蚀速率时,地形起伏度减小,趋向准平原;反之,抬升速率大于侵蚀速率时,地形起伏度增大,出现地貌“回春”。所以,地貌信息熵值越小,流域的内外营力对抗作用越强[24-25]。

3 结果与讨论

3.1 水系分形维数

设置边长r分别为100、200、400、600、800、1 000和1 200 m的正方形网格覆盖提取出的恶沟及大张庄河,统计每种边长情况下的非空格子数N(r),并取对数作双对数图,结果见图3。

双对数曲线图显示,曲线拟合度极好,拟合优度均大于0.99。由曲线斜率可知,研究区内恶沟的分形维数为1.087 2,大张庄河的分形维数为1.109 5。依据水系分形维数划分侵蚀地貌发育阶段,研究区内大张庄河、恶沟均处于地貌发育的幼年期。

3.2 面积-高程积分和地貌信息熵

研究区内,恶沟流域面积40.25 km2,高程287～634 m,高差347 m,;大张庄河流域面积38.70 km2,高程351～635 m,高差284 m。以10 m为间距划分两个流域,统计面积比与高差比后绘制面积-高程曲线,见图4。

图4 恶沟和大张庄河面积-高程曲线

趋势线拟合,得到恶沟流域的面积-高程曲线为:

y=28.366x6-107.69x5+154.2x4-105.84x3+36.173x2-6.092x+0.927 3

(7)

R2=0.996 3

积分值S为0.42,处于流域地貌发育的壮年期。

大张庄河流域面积-高程曲线为:

y=65.996x6-208.7x5+253.8x4-149.42x3+44.47x2-6.940 9x+0.879 2

(8)

R2=0.982 6

积分值S为0.27,处于流域地貌发育的老年期。

将面积-高程积分值代入公式(6),计算可得,恶沟流域的地貌信息熵为0.28,大张庄河流域的地貌信息熵为0.57,表明恶沟与大张庄河分别处于流域地貌发育的壮年期和老年期。

3.3 讨论

基于水系分形维数、面积-高程积分和地貌信息熵进行流域地貌发育阶段划分,发现所得结果并不完全一致,究竟哪一种划分结果更准确,现就以下几个方面进行探讨。

(1)地貌参数的计算依据。水系分形维数与面积-高程积分,常常作为判断侵蚀地貌发育阶段的依据。根据定义和计算方法可知,水系分形维数在流域内水系形态的基础上得到,应用时需考虑水系的源头、中游和下游不同区域[26];面积-高程积分和地貌信息熵则基于流域内地表物质的侵蚀程度得到,是从同一流域的不同方面判定其地貌发育阶段。在一些尺度较大的流域研究中,二者也能够相互印证。但本文研究区只限于柴汶河袭夺发生地及周边地区,空间尺度较小,并且河流袭夺的发生使水系和地貌的发育过程并不统一,因此出现地貌演化阶段划分不一致的结果。

(2)河流袭夺的影响。水系分形维数表明,研究区内的恶沟和大张庄河流域皆处于地貌发育的幼年期,该时期水系尚未发育成熟,河网密度小,河流侵蚀强烈,河谷多呈V形,但实际地貌形态与其并不相符。河谷横剖面图(图5)显示,恶沟的河谷形态为“V”形,谷底窄、谷坡陡,袭夺湾下游河段还可见河流二次下切的痕迹,形成明显的嶂谷景观,河床在原宽谷中下切10～15 m,构成“谷中谷”;河道内发育多处裂点,说明河床存在高差,侵蚀基准面降低,河流的侵蚀能力增强。大张庄河河谷则呈“U”形,河谷宽缓,水流细小,谷底未见显著下切痕迹,表明袭夺后大张庄河的侵蚀能力并未增强,与幼年期的水系特征不符。由此可见,依据水系分形维数划分研究区的地貌发育阶段并不十分准确,而以面积-高程积分和地貌信息熵法为准。

图5 研究区河谷典型横剖面图(剖面位置见图1)

依据面积-高程积分和地貌信息熵划分流域地貌发育阶段,恶沟处于壮年期,大张庄河处于老年期。壮年期流域侵蚀强度减弱,地形基本稳定;老年期流域侵蚀强度微弱,地形以准平原和残丘为主。地形因子特征显示,恶沟流域的高差为374 m,坡度3～25°,地面粗糙度1～1.24、平均值1.02,地形起伏度12～185 m、平均值65.71 m,地表切割深度146.57 m;大张庄河流域的高差为284 m,坡度0～15°,地面粗糙度1～1.22、平均值1.01,地形起伏度6～185 m、平均值49.16 m,地表切割深度91.85 m。地形特征表明,两个流域相比,恶沟流域的地表坡度较大、切割较深,处于壮年期;大张庄河流域的地表坡度较小、切割较浅,处于老年期。

(3)地貌演进。地貌面是地貌发育和演化阶段终结的面,包括有山地夷平面、河流阶地面和盆地堆积面三种类型[27]。从地貌演进角度来看,仰平期(中新世至上新世)地貌面形成后,鲁中南山区整体抬升,进入临城期(第四纪)地貌发育阶段,河流袭夺则是河流系统对区域构造抬升的响应。鲁中南山地区域内,泰-鲁-沂山地的近东西向分水岭和鲁山-尼山的低缓分水高地构成了“T”形分水岭,发生了多处河流袭夺现象[14],本文研究的沂源柴汶河袭夺便属于其中一处。早期,河流袭夺多发生于鲁中南山地边缘,晚更新世晚期至全新世,袭夺的发生地扩展至“T”形分水岭附近[14]。据河流纵剖面图可认为,袭夺阶地面即仰平期地貌面,受到区域抬升的影响发生河流袭夺,古沂河滩地面上升成为阶地。现今,临城期剥夷面仍在发展,鲁中南山地地貌景观的形成过程即为临城期剥夷面不断扩展、仰平期剥夷面不断解体的过程[14]。所以,袭夺发生前,研究区内的古沂河和古柴汶河流域已经达到了壮年—老年期,处于地貌发育的终期;构造抬升后,古柴汶河增强侵蚀完成河流袭夺。另外,恶沟流域的地貌信息熵较小,表明流域的内外营力对抗强度较高,河流侵蚀强度较大,未来仍将继续侵蚀地表;大张庄河的地貌信息熵较大,表明流域的内外应力对抗强度较低,河流侵蚀强度较小,未来侵蚀过程将十分缓和。该结论与流域的地形特征相符,Fan等[15]认为,恶沟和大张庄河的分水岭将朝着大张庄河方向移动,恶沟流域面积扩张,大张庄河流域面积缩减。

综上,研究区内的恶沟流域目前处于地貌发育的壮年期,大张庄河流域则处于老年期。依据鲁中南山地各流域的面积-高程积分值划分,整个柴汶河流域处于老年期,沂河上游(源头至东汶河)处于壮年期[14,28],这与本文研究区内流域的发育阶段并不一致。由此认为,河流袭夺是造成这一差异的主要原因:河流袭夺使袭夺河——恶沟侵蚀能力增强、被夺河——大张庄河侵蚀能力减弱。该影响在袭夺发生地表现明显,水系所在的流域整体影响微弱。

4 结论

本文通过对柴汶河袭夺地区进行空间分析,计算了恶沟流域和大张庄河流域的水系分形维数、面积-高程积分和地貌信息熵,分析和讨论了三个参数的适用性和两个流域的地貌发育阶段。主要结论如下:

(1)对比恶沟和大张庄河流域的水系分形维数、面积-高程积分和地貌信息熵,探究其差异的原因,并讨论了该研究区内三者的适用性。仅依靠水系分形维数判断流域地貌发育阶段不准确,应结合面积-高程积分与实际地貌特征进行判断。

(2)恶沟和大张庄河流域分别处于流域地貌发育的壮年期和老年期。现今所处的地貌发育阶段并非遵循流域地貌发育规律所至,而是流域的内外营力变化导致河流袭夺形成。

(3)河流袭夺对发生地流域地貌影响较显著,而水系所在的整体流域影响较微弱。