基于数值模拟的祁连山北麓洪积扇发育演化及形态特征研究

发布时间：2020-08-07 10:11

【摘要】：洪积扇作为一种常见的地貌单元,其形态、发展、演化受气候、构造、流域地质等环境因素的影响,通过地貌演化数值模型模拟洪积扇的形成演化过程,分析气候和构造对洪积扇的作用机制,进而解译洪积扇的形态和沉积特征所记录的区域气候和构造信息,是干旱区地貌过程研究的重要内容。本文通过对祁连山北麓地区的洪积扇进行形态指标的提取和分析,基于河流功率模型和扩散方程,构建了流域—洪积扇地貌系统模型,并以祁连山北麓两个小型流域为例进行了数值模拟实验,分析洪积扇发育演化的物理过程和机制,探讨洪积扇的形态特征对区域环境变化的响应。获得如下主要结论:1、祁连山北麓发育了大量形态特征相对完好的洪积扇,洪积扇和流域的形态指标之间的相关分析表明,洪积扇在发育过程中受到流域面积和流域地势起伏的影响,上游集水区面积大且高差大时,容易产生面积大、坡度小的洪积扇,同时扇面会比较开阔。2、洪积扇的高差和流域面积的相关性不显著,扇高差更多的受到流域平均坡度、流域平均起伏度、流域平均局地高差等因素的影响,而且扇高差与扇长之间的相关关系显著。这一关系可能表现了洪积扇对构造活动的响应,考虑到该区狭长型的宏观地貌格局,周围隆起的山脉可能也在一定程度上限制了洪积扇的发育。3、地貌演化模型数值实验结果显示,洪积扇的剖面形态对于构造活动的变化更为敏感,同时还受到降水作用的影响:构造抬升使得流域的平均侵蚀速率、出山口处的沉积通量、洪积扇上的扇高差和扇比降以及扇缘位置的沉积通量都有增加的趋势;降水量的增大会使流域的平均侵蚀速率、出山口处的沉积通量增加,但会使洪积扇上的扇高差和扇比降减小,同时有更多的物质流出扇缘,从而扇缘位置的沉积通量变大;在抬升和降水的持续作用下,洪积扇的模拟剖面会逐渐趋于一个相对稳定的状态。4、模型中的扩散系数κ值是对降水量的反映,κ值越大,洪积扇的纵剖面越趋于平直;河流功率模型中的k_p值包含了流域的地形因素,地势起伏大,k_p值相对较大。模拟结果中,当流域面积增加时,洪积扇的扇比降和扇高差都有所减小,与实际的形态指标测量结果相比略有差异。研究结果拓展了洪积扇形态指标对环境因素指示意义的相关认识,建立了流域-洪积扇系统响应气候及构造变化的定量关系,可为数值模拟方法在祁连山地区洪积扇及相关地貌演化研究的进一步应用提供依据,对于深入认识洪积扇发育演化过程、西北干旱区环境变化历史及其相互关系具有重要意义。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P931.1
【图文】：

分布图,祁连山北麓,洪积扇,活动断裂

15图 2-1 祁连山北麓活动断裂及山前洪积扇分布图。V：断层垂直滑动速率(mm/yr)，H：断层水平走滑速率(mm/yr)。（断层资料和数据引自[郑文俊等, 2016图中标号代表对应河流的洪积扇：1、党河；5、芦草河；6、榆林河；7、疏勒河；11、石油河；12、白杨河；13、北大河；14、洪水坝河；18、西沟河19、观山河；20、丰乐河；26、马营河；27、摆浪河；28、梨园河；31、黑河；32、大野口河；38、童子坝河；39、西大河；41、东大河；42、西营河43、金塔河；44、杂木河；45、黄羊河；46、沙沟河；47、古浪河；48、大靖河。

流域岩性,祁连山

祁连山地区的岩性组成较为复杂，古生代地层较为发育，寒武系以火山岩为主，零星出露于北祁连地区，奥陶系侵入岩体、变质岩以及火山碎屑岩在祁连山大面积出露。还有志留系地层，主要由陆源泥质岩、碎屑岩组成，夹少数火山岩、凝灰岩，超覆于奥陶系之上。泥盆纪地层主要由杂色砾岩、砂岩、泥岩夹薄层火山岩组成，还分布有石炭系的石灰岩、粉砂岩、页岩、薄的煤层和二叠系的砂岩夹粉砂岩、砂砾岩等。中生代的三叠系由杂色的泥质岩、碎屑岩不等厚相间组成，侏罗系、白垩系等地层也均有出露，早侏罗世由灰绿、灰白色碎屑岩夹煤线或不稳定煤层组成，河西走廊夹数层玄武岩，包含有山麓洪积、扇前沼泽和河湖相沉积，中侏罗世以含煤碎屑岩为主，晚侏罗世由紫红色碎屑岩组成，局部夹泥灰岩，早白垩世在河西走廊沉积，表现为山麓—河湖相，由杂色砾岩、砂砾岩、页岩、泥岩夹石膏组成，晚白垩世地层也在河西走廊盆地零星分布，从白垩系地层的沉积厚度可以反映出山脉处于快速隆升的状态(李新坡, 2007a; 徐学义等, 2008)。另外，第三系也在该区广泛分布，表现为砖红色的细砂岩、棕红色或灰色泥岩等(苏琦, 2015)。第四系主要表现为砂砾层堆积、湖泊沉积以及较薄的黄土层等。

逐月降水,克里金,年平均降水量,水系

呈现明显增加的趋势(贾文雄等, 2008)。祁连山地区的降水同时会受到气温、海拔和区域地形的影响，高海拔地区比低海拔地区的降水量稍高，东段的降水量要比西段的降水量高(陈广庭和曾凡江, 2011)。图 2-3 中的祁连山地区年平均降水量是根据 1951 年到 2000 年的 29 个站点的逐月降水量数据，进行协同克里金（Cokriging）方法插值得到的（个别站点在某些年份的降水量值为缺省）。在图中可以明显的看出祁连山地区的降水量呈现出西低东高，北低南高的分布趋势。祁连山区水系发育，在祁连山北坡发育有三大内陆河流域，自西向东分别是疏勒河流域、黑河流域和石羊河流域(张晓晓等, 2014)。疏勒河流域位于祁连山北麓西段，主要包括党河、疏勒河、石油河和白杨河等。黑河流域位于祁连山北麓中段，主要包括北大河、洪水坝河、丰乐河、马营河、摆浪河、梨园河、黑河和洪水河等。石羊河流域位于祁连山东段，主要包括西大河、东大河、西营河、金塔河、杂木河、黄羊河、古浪河和大靖河等。该区的河川径流量主要受大气降水的制约，同时还会受到冰川融水的影响，其中面积大的河流，年均径流量也相对较大。另外，祁连山区的河流侵蚀强烈，经测算，该区现代流域平均侵蚀速率的平均值达 0.08 mm/yr (耿豪鹏, 2014)。

【参考文献】