基于DEM的洮河流域水系地貌参数与夷平面定量化研究

发布时间：2020-07-10 12:34

【摘要】：随着20世纪中期地学计量革命的进行,地貌学研究的潮流也从Davis倡导的定性描述逐渐转变为以过程分析为主的定量研究,尤其是霍顿(R.E.Horton)的水系定律即河流的数目定律、长度定律和面积定律开创了数理地貌学研究,成为学界有关流域水系和地貌形态定量化分析的标准,为流域地貌演化和水系发育研究开辟了新的天地。近30年来,计算机技术的飞速发展和高精度数字高程模型的出现更是为地貌分析的定量化提供了极大的便利,已成为流域地貌形态分析和过程研究的重要方法和必要手段。由于晚新生代以来青藏高原的持续向北增生,高原东北部成为构造活动最为活跃的区域之一,同时该区又地处我国三大自然区的交汇地带,气候变化显著,在构造、气候、剥蚀综合作用下,流域地貌复杂多样。在山地的挤压变形和隆起过程中,该区的水系结构和流域地貌对构造、气候等外来变量因素的改变十分明显。同时,在长尺度山地演化过程中,形成了多级夷平面和部分夷平面。对这些水系结构、地貌形态和夷平面特征开展定量化研究可以深入理解流域地貌的形成演化历史及其对构造活动、气候变化响应的理论认识。本文基于DEM数据,在ArcGIS环境下,以洮河流域为研究区,对其河网参数、地貌参数、河流纵剖面以及夷平面的数字地貌特征进行了定量化研究,得到以下初步认识:(1)通过径流模拟法对洮河流域集水面积10 km2以上的河道进行了提取,按照Strahler分级体系对河网进行了分级,并对河网的数目、长度和面积进行了统计。结果显示,洮河流域的河道划分为五级。分枝比介于4-9之间,平均长度比介于1.1-20.8之间,平均面积比介于2.9-19.2之间。通过与Horton定律的一般性河网进行对比分析,发现级别较小的河道比较符合一般性河网发育规律,而级别越大越偏离Horton定律。表明水系格局对于构造、气候等外界因子的累积效应在大尺度上表现的更为明显。(2)通过对洮河21个子流域的面积-高程积分曲线(HC)和积分值(HI)、流域不对称性(AF)、盆地形状指数(Bs)、谷底宽度与谷肩宽高的比(VF)4个地貌参数的计算和分析,结果发现这些地貌参数在空间上具有较大的差异性,其中HI的分布以冶木河汇入口为界,上游地区HI值普遍较高(0.32-0.59),HC除冶木河呈现明显的上凸外,大多呈现上段下凹,下段上凸的S型,表明该地区抬升速率整体稍大于侵蚀速率,而冶木河地区的抬升速率远大于侵蚀速率,可能是西秦岭北缘断裂带的活动导致该区较高的抬升速率,而花岗岩为主的岩性导致侵蚀速率低的缘故。下游地区HC呈下凹型,HI值较低(0.26-0.29),表明该区以侵蚀下切为主。AF值介于19.01-91.82之间,大多数位于35-65之间,表明流域整体受构造掀斜作用较小。Bs值分布在0.74-2.31之间,说明流域形状都近乎圆形,整体活动构造速率低。VF值在0.52-5.27之间,上游大部分支流的VF值相对较低(小于1),为V型谷,在下游西岸支流的VF值相对较大(3-5),呈宽谷形态,表明流域整体以快速下切为主。综合这些地貌参数值,我们认为洮河流域以快速的整体均匀抬升和强烈的河流垂向下切为主。(3)通过对洮河干流及其19条支流的河流纵剖面、河道凹度值,陡峭指数和裂点进行提取和分析,结果发现,以冶木河汇入口为界,其上游的河流(干流与支流)大多被裂点所中断,裂点之上河道平缓,ksn值分布在22.8-60 m0.9,裂点之下河道陡峭,ksn分布在70-466 m0.9之间,表现为显著地势不整合,说明河流还正响应边界条件的变化,未达到均衡,普遍残存有古老地形面。在冶木河口以下河流(干流与支流)纵剖面则大多数表现为典型的平滑下凹特征,凹度值在0.57-0.89之间,ksn分布在28.4-105 m0.9之间,说明河流大多已经达到均衡。这种上下游河道纵剖面的明显差异可能是上下游构造抬升差异和气候差异的反映。(4)基于模糊逻辑,在GIS环境下,通过对90 m分辨率的SRTM DEM进行分析处理,对洮河流域及其周边地区夷平面的坡度、曲率、地表粗糙度和相对高度4个地貌参数进行了提取,并与其他典型地貌单元进行对比分析,确定了模糊逻辑阈值,建立了夷平面的隶属度函数。其中,隶属度较高地区主要位于河流分水岭,宽谷盆地之上的平坦高地以及现代河谷谷肩部位,为夷平面的潜在分布区。我们选择隶属度在80%以上的区域来代表夷平面的分布区,并将面积较小(0.2 km2以下)斑块和堆积成因的斑块进行剔除。结果显示,夷平面共3700个,面积介于0.2-593.46 km2之间,总面积为2660.99 km2,约占研究区总面积的10.4%。在大区上,地形剖面和夷平面的高程频率分布都显示夷平面主要分布在3200-4300 m,2700-3200 m,1950-2700 m这三个高程区间,平均高程整体从西南向东北切斜,总体倾向东北,可能是区域上统一夷平面被断层错断的结果。在小区上,在洮河流域内,主夷平面之下和现代河谷之上可能还发育了1-2级部分夷平面。说明该地区曾经历多次的构造抬升-侵蚀夷平过程,洮河现代的水系格局和河谷体系形成于夷平面解体之后。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P208;P931.1
【图文】：

地理位置,洮河,青藏高原东北缘,黄土高原

研究区位于青藏高原东北缘(图 2-1)，地处黄河上游，横跨青藏高原东北缘与黄土高原，东到六盘山，西至巴颜喀拉山，北至兰州，南抵松潘高原。地理坐标为 99 30′-107 30′E，32 30′-36°N。海拔高度为 376-6252 m。洮河是黄河上游的一条支流，干流全长 673 km，落差达到 2631 m，流域面积 25527 km2。平均比降为 0.28%。洮河发源于西倾山东麓，自西向东流，流经甘南高原，在岷县水流方向改为北偏西，最终在甘肃省永靖县汇入黄河。沿途有周可河、括合曲、博拉河、羊沙河、冶木河、广通河等支流汇入。东临鸟鼠山、马衔山，以大夏河流域为西界，南抵西秦岭，北邻黄河干流。洮河流域地处青藏高原东北缘和黄土高原，地形类别复杂多样。洮河河源至岷县西寨属于上游段，在碌曲以南地区有平坦开阔草原，地势平坦，河流的侵蚀切割能力较弱。岷县至海奠峡属于中游段，位于青藏高原和黄土高原的交接地带。洮河下游在黄土高原地区。甘南高原地区洮河流域中主要是以曲流峡谷为主，地势险峻。侵蚀切割能力强，地形被切割的支离破碎，有黄土丘陵、准平原、盆地等地貌单元分布。

地层分布,地层分布,洮河流域,学位论文

研究区地层分布图

结构形式,版本

兰州大学硕士研究生学位论文基于 DEM 的洮河流域水系地貌参数与夷平面定量化研究务可能是全球测绘数据覆盖范围最大和最完整的之一。SRTM DEM 是美国太空计划中最实用和最具有价值的数据(Crippen, 2010)。该数据目前从在多个版本，目前该数据已经更新到了第四个版本，本文采用 SRTM-DEM4.1 数据为源数据，该数据的水平分辨率为 3 弧秒。

【参考文献】