李宗盟,雷笑迎,韓震東,喬 強,閆軍輝

(1. 信陽師范大學 地理科學學院/中國南北過渡帶研究中心, 河南 信陽 464000; 2. 武漢大學 資源與環(huán)境科學學院, 湖北 武漢 430072)

0 引言

流域地貌形態(tài)是區(qū)域內(nèi)外營力相互作用的結(jié)果,因此地貌形態(tài)特征常被用來反演區(qū)域的營力過程[1-2]。自20世紀中葉地理學計量革命以來,基于數(shù)值分析的地貌形態(tài)參數(shù)已被廣泛地應用于區(qū)域地貌演變的研究之中[3-4],并極大地推動了地貌學的定量化研究。

常用的地貌形態(tài)參數(shù)多達數(shù)十種,它們分別在不同時空尺度上對河道、水系和流域的形態(tài)特征進行了描述[5]。其中,面積-高程積分(Hypsometric Integral,HI)指示了區(qū)域地形的侵蝕狀態(tài)及地形發(fā)育階段,而溝谷密度則能直觀地反映流域溝谷發(fā)育的疏密程度。如馬騰霄等[6]發(fā)現(xiàn)雅魯藏布江中游北岸的HI值普遍高于南岸,兩岸地區(qū)處于不同的地貌演化階段。田劍等[7]通過對黃土高原溝谷密度的提取分析,發(fā)現(xiàn)溝谷密度值在陜北的綏德-米脂一帶達到高峰,且由北向南遞減。劉暢等[8]結(jié)合HI值和溝谷密度分析,發(fā)現(xiàn)黃土高原中部地區(qū)在空間上發(fā)育較均一,其溝谷發(fā)育可劃分為初期、中期和晚期3個階段。此外,研究表明,HI值和溝谷密度的大小均會受到構(gòu)造、氣候、植被、地形等因素的影響。然而,HI值、溝谷密度的主控因子在不同的區(qū)域常表現(xiàn)出差異,這種差異反映了區(qū)域自然地理要素組合的不同。

桐柏-大別山區(qū)是淮河流域南側(cè)支流的主要源區(qū),也是中國南北過渡帶東段的主體區(qū)域,在構(gòu)造、氣候、水文等方面具有過渡性、復雜性和區(qū)域獨特性,對該區(qū)地貌形態(tài)的研究,有助于理解過渡帶典型區(qū)域內(nèi)地貌參數(shù)與受控因子間的關(guān)系,并可加深對淮河流域地貌演變的理解。鑒于此,本研究基于ArcGIS10.2平臺和數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)數(shù)據(jù),提取了桐柏-大別山區(qū)的水系及流域,計算了HI值和溝谷密度等地貌參數(shù),對桐柏-大別山區(qū)的流域地貌特征及構(gòu)造活動性進行了探討。

1 研究區(qū)概況

桐柏-大別山山脈位于我國南北過渡帶的東段,是淮河流域和長江流域的分水嶺。桐柏-大別造山帶在構(gòu)造上隸屬于秦嶺-大別造山帶的東延部分。在中生代燕山運動的影響下,華北板塊和楊子板塊的碰撞拼合,導致古老的淮陽古陸再次隆升造山,在新生代期間喜馬拉雅運動的影響下階段性隆升至今[9]。該區(qū)在地貌上以中低山和丘陵為主,整體呈北西—南東向延伸,地勢呈西高東低、南高北低(圖1)。研究區(qū)地處我國東部亞熱帶和暖溫帶的過渡地帶,植被以落葉闊葉混交林為主,季風氣候顯著,雨量充沛,平均年降水量為600～1400 mm,年平均氣溫為13～16 ℃[10]。桐柏-大別山主體以花崗巖與花崗片麻巖為主[9],巖性變化相對較小。

圖1 研究區(qū)地形及主要水系圖Fig. 1 Topography and river systems of the study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

采用的地形數(shù)據(jù)為航天飛機雷達地形測繪任務(Shuttle Radar Topography Mission, SRTM)DEM,分辨率為30 m。降水數(shù)據(jù)引自WorldClim version 2.1氣候數(shù)據(jù)[11],植被歸一化指數(shù)(NDVI)引自中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心。為準確反映研究區(qū)的實際溝谷系統(tǒng),本研究進行了水系提取的閾值分析。在桐柏山和大別山的南北兩側(cè)分別選取一個小流域(圖2,(a)—(d)分別為桐柏山南側(cè)、北側(cè)和大別山南側(cè)、北側(cè)小流域),基于ArcGIS平臺,采用SWAT模型對4個小流域進行水系提取。通過調(diào)整匯流累積量的閾值,并將不同閾值下的水系與實際地形對比,最終確定本研究區(qū)的水系提取閾值?；谠撻撝堤崛×搜芯繀^(qū)的流域和水系,并進行河道分級,最終選取199個以二級河道為主干的小流域作為研究對象。

圖2 閾值分析實驗區(qū)Fig. 2 Experimental areas for threshold analysis

2.2 地貌參數(shù)

溝谷密度(Ds)是單位流域面積內(nèi)的溝谷長度,是衡量地表破碎程度的重要指標之一[12],當其他條件不變時,溝谷密度越大,則表明地表越破碎,侵蝕程度越高。其表達式如下:

Ds=L/A,

(1)

式中:L表示河網(wǎng)總長度,A表示流域面積。

面積-高程積分最早由STRAHLER[3]提出,反映了某一流域水平斷面面積與其高程間的關(guān)系,其定量化數(shù)值即HI值,可以定量反映流域地形受侵蝕的程度,即HI值越大,區(qū)域地形受侵蝕程度越低;HI值越小,區(qū)域地形受侵蝕程度則越高。HI值的計算可以用以下經(jīng)驗公式[13]替代:

HI=(Hmean-Hmin)/(Hmax-Hmin),

(2)

式中:Hmean、Hmax、Hmin分別表示流域內(nèi)平均、最大、最小海拔高度。

3 研究結(jié)果

3.1 溝谷密度的空間分布

統(tǒng)計結(jié)果表明,研究區(qū)流域的溝谷密度值為1.048～1.842 km/km2,平均約1.565 km/km2(圖3)。其中,桐柏山區(qū)流域溝谷密度為1.470～1.786 km/km2,自西北向東南方向,桐柏山區(qū)溝谷密度呈現(xiàn)出“降低—升高—降低”的趨勢。大別山區(qū)溝谷密度為1.048～1.842 km/km2,極值分別出現(xiàn)在東北端的流域131和西南端的流域34(圖3)。在空間分布上,大別山區(qū)的溝谷密度大致呈現(xiàn)由西北向東南減小的趨勢,但中段與東段溝谷密度分布較均勻,大部分流域的溝谷密度在1.400～1.600 km/km2。總之,盡管研究區(qū)溝谷密度在空間上的變化不顯著,但仍有一定規(guī)律,如研究區(qū)西北部的溝谷密度相對較大,而東南部相對較小。

圖3 研究區(qū)溝谷密度空間分布Fig. 3 Spatial distribution of gully density in the study area

3.2 HI值的空間分布

研究區(qū)流域的HI值為0.12～0.51,平均值約為0.31(圖4)。其中,桐柏山區(qū)西段HI值(0.26～0.49)呈現(xiàn)出由西北向東南減小的趨勢;桐柏山區(qū)東段HI值(0.21～0.39)則呈現(xiàn)出由西北向東南增大的趨勢;而從整體上看,桐柏山區(qū)HI值表現(xiàn)為由西北向東南降低。在大別山區(qū)西段,HI值(0.12～0.43)呈現(xiàn)出由西北向東南增大的趨勢;而大別山區(qū)東段HI值(0.17～0.51)則呈現(xiàn)出由東北向西南減小的趨勢。整體上看,桐柏-大別山區(qū)流域的HI值呈現(xiàn)出一定的由西北向東南增大的趨勢,但在南北方向上變化不顯著。

圖4 研究區(qū)HI值空間分布Fig. 4 Spatial distribution of HI values in the study area

4 討論

4.1 溝谷密度和HI值的影響因素

研究表明,溝谷密度的大小受構(gòu)造、氣候、巖性、植被等因素的控制[14]。如GAO等[2]對青藏高原東北緣和東緣的研究發(fā)現(xiàn),降水和植被是控制該區(qū)溝谷密度的主要因素。而ZHOU等[15]在對東北地區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn),地形因子是控制溝谷密度的關(guān)鍵因素。HI值同樣受到構(gòu)造、氣候和巖性等因素的影響。如李明等[16]對龍門山中段的研究發(fā)現(xiàn),HI值的主控因素是構(gòu)造活動。王汝蘭等[17]對延河流域的研究發(fā)現(xiàn),HI值的空間差異與流域內(nèi)的基巖和侵蝕速率有關(guān)?？梢?不同區(qū)域下的流域HI值、溝谷密度的影響因素可能存在顯著的差異。

基于SPSS對研究區(qū)溝谷密度和HI值的影響因子進行相關(guān)性分析(表1)。結(jié)果表明,溝谷密度與各影響因子之間均為負相關(guān),且通過了0.01水平的顯著性檢驗(地勢起伏度除外)。其中,溝谷密度與平均年降水量的相關(guān)性最高,但相關(guān)系數(shù)僅為-0.361。HI值與各影響因素之間均為正相關(guān),且通過了0.01水平的顯著性檢驗。其中,HI值與平均高程、平均坡度和NDVI的相關(guān)性較顯著。此外,研究區(qū)巖性較均一,以花崗巖和花崗片麻巖為主[9]。因此,植被、降水和巖性等地形因子可能對溝谷密度的影響較小。HI值與地形因子和降水相關(guān)性顯著,反映環(huán)境因子對地形發(fā)育的綜合影響。

表1 溝谷密度和HI值與影響因子的相關(guān)性Tab. 1 Correlation of impact factors with drainage density and HI values

4.2 溝谷密度、HI值的指示意義

研究區(qū)溝谷密度在空間上表現(xiàn)為西北部相對較大,東南部相對較小(圖3),可能指示了研究區(qū)的地形受侵蝕程度西北部較強,東南部則稍弱。此外,研究區(qū)HI值的空間分布呈現(xiàn)出由西北向東南增大的趨勢(圖4),同樣反映了研究區(qū)西北部的地形受侵蝕較強,東南部受侵蝕程度較弱。盡管如此,但從整體上看,這種變化趨勢并不顯著。這種現(xiàn)象可能表明,影響溝谷密度和HI值的地質(zhì)營力過程在空間上的差異并不顯著。

STRAHER[3]通過不同流域HI值的統(tǒng)計分析,將HI值劃分為3類:<0.35、0.35～0.6和>0.6,分別對應于流域地貌演化的殘丘形的老年期、均衡的壯年期和未均衡的幼年期。基于此分類標準,本文對研究區(qū)HI值的空間分布重新進行梳理(圖5)。

圖5 基于Strahler地貌發(fā)育階段的研究區(qū)HI值空間分布Fig. 5 Spatial distribution of HI values in the study area based on Strahler’s classification

在所提取的199個流域中,67%的流域HI值小于0.35,33%的流域HI值在0.35～0.6之間,且不存在HI值大于0.6的流域。由此可見,研究區(qū)大部分流域(134個)處于老年期,較少部分流域(65個)處于均衡的壯年期,并且不存在處于幼年期的流域。從空間上看,基于Strahler分類標準的HI值在桐柏大別山區(qū)的空間分布相對均勻。綜上所述,桐柏-大別山區(qū)流域地貌的發(fā)育處于壯年和老年期,地貌發(fā)育在空間上的差異性較小。

5 結(jié)束語

基于ArcGIS平臺和DEM數(shù)據(jù),提取了桐柏-大別山區(qū)的水系、流域及相關(guān)地貌參數(shù),通過統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)溝谷密度與地形、氣候和NDVI呈負相關(guān),但相關(guān)性較弱。HI值與地形、氣候和NDVI呈正相關(guān)關(guān)系,且主要受地形因子的影響。溝谷密度和HI值的空間差異性并不顯著,指示了研究區(qū)受控的營力過程在空間上差異較小。此外,桐柏-大別山區(qū)約67%的流域處于地貌發(fā)育的老年期,33%的流域處于壯年期,流域地貌發(fā)育在空間上較均一。