基岩河道河流水力侵蚀模型及其应用：兼论青藏高原基岩河道研究的迫切性

河流作为对构造-气候相互作用最为敏感的地貌单元，记录了丰富的水系演化、构造变形以及气候变化信息。目前基于数学推导与物理模型相结合的水力侵蚀方程，将构造抬升与基岩河道水力侵蚀作用相结合，使得通过河流纵剖面形态提取基岩隆升速率的时空分布特征成为可能。现有研究与应用主要包括：1）利用方程的稳态形式获取水系陡峭系数（坡度-面积对数分布图，Chi-plot），并以此探讨构造隆升速率高低及空间分布特征；2）构建河流裂点的溯源迁移模型，定量获取裂点迁移速率；3）利用方程的线性非稳态形式，获取区域基岩隆升历史；4）获取不同流域水系河段x值，判别分水岭的迁移方向。对于方程的非线性非稳态形式，在求解及应用等方面都存在一定的不足，这也将是水力侵蚀模型今后亟需解决的关键问题。文章在简单回顾现有青藏高原基岩河道研究成果的基础上，提出开展不同时间、不同空间尺度青藏高原基岩河道相关研究的迫切性。

北祁连山晚中新世以来的隆升历史——来自河道高程剖面的约束

北祁连山作为青藏高原隆升与扩展的最前缘,一直以来都是研究的热点。本研究为弥补活动构造与热年代学方法时间尺度上难以链接的不足及提供青藏高原扩展隆升机制相关证据,利用河流水力侵蚀模型的方法模拟得出北祁连山河道陡峭指数与部分河流地质隆升历史。结果揭示出北祁连山河道陡峭指数与距断裂的距离存在显著关系,且具有从中间向东西两侧减小的特征,表现出北祁连山隆升速率大致也呈现自中向两侧减慢的特征;并通过分析处于北祁连山非沉积区白杨河、洪水坝河、丰乐河、马营河、大渚马河及洪水河这6条流域的地质隆升历史,发现在4 Ma左右,北祁连山隆升速率逐渐增加,且隆升速率大致在0.20~0.38 mm/a之间。直到0.6~1.0 Ma,隆升速率迅速加快,呈现陡增的趋势。因此,北祁连山的构造隆升并不是均匀的,而是随时间发生变化的。

非均衡河道高程剖面及其蕴含的构造活动信息

活动造山带的河流水系深受区域构造活动影响，记录了丰富的构造活动信息。水力侵蚀方程将构造抬升、河流侵蚀与地形变化相结合，使得可以从河流高程剖面中恢复区域的隆升历史。传统的研究主要利用稳态方程计算河道陡峭系数来表征区域隆升的空间分布特征。随着数学物理方法和计算机技术的发展，越来越多的学者开展了对非稳态方程的研究。这些研究主要包括：1）依据裂点溯源迁移模型，计算裂点迁移速率（包括垂直和水平分量），以此估算流域的地貌响应时间；2）对于满足线性条件（河流侵蚀速率与河道坡度呈线性关系）的流域，求得线性非稳态方程的解析解，以此模拟区域隆升历史；3）对于非线性的情况，一般假设区域隆升速率不随空间变化，计算非线性方程的解析解，并据此判别不同时期的构造活动的信号是否可以被全部保留在河道上，即判断是否存在构造信息丢失。对于隆升速率随时间和空间均存在变化的情况，如何求解这一类方程，是一大难点，也是水力侵蚀模型今后的发展方向。