基岩河道水力侵蚀模型原理及其最新研究进展

基岩河道水力侵蚀模型是最近20年发展起来的一项地貌演化定量分析的研究方法.模型基于河流侵蚀基本物理过程、实验观测及经验公式,推导出可以应用的数学模型对河流侵蚀过程进行模拟与构造分析.目前,其主要应用在构造抬升速率研究与地貌演化模拟研究中,但由于模型在简化过程中存在一系列假设,应用中具有一定的不确定性,其中主要的不确定性来自于坡度指数、河道宽度、岩性与沉积物影响等方面,对这些关键参数与问题的定量获取研究也是目前与将来主要的研究热点.在应用基岩河道水力侵蚀模型对地貌分析中,一定要注意其限定因素与不确定因素,否则会不同程度地降低研究结果的可信性.

非均衡山脉的河流水力侵蚀模型

河流水力侵蚀模型(stream-powerincisionmodel)常被用来分析山脉地形是否达到均衡.蓬莱运动的弧陆斜碰撞使得台湾岛造山带的山脉呈现成长的前均衡(南部)、均衡(中部)、崩塌的后均衡(北部)等三个不同演育阶段的地形.利用基岩河道的坡度(S)与集水面积(A)的关系来分析台湾岛造山带的河流可得到此三种状态的山脉地形特征.分析结果发现,台湾岛中央山脉东西两侧的S-A图呈现直线型态,显示基岩河道的河床高程不随时间改变(dz/dt=0),S-A直线的斜率与其截距分别与均衡地形发育的时间和地体抬升率的大小有关.而台湾岛造山带的南部与北部之S-A图则分别呈现上凸与下凹的型态,显示基岩河道的河床高程分别随时间成长(dz/dt>0)与降低(dz/dt<0),它们的切线截距仍可反映地体的抬升率.

水力侵蚀预测模型GeoWEPP研究进展

总结了水力侵蚀预测模型Geo WEPP的发展历程、技术框架、适用性和局限性,从DEM数据、土地利用/覆被变化、管理因子和土壤要素等4个角度详细论述了Geo WEPP模型的研究进展,针对模型的优势及存在的问题,结合当前水文和侵蚀模型研究形势,对Geo WEPP模型未来发展的趋势与走向作了展望,指出该模型在DEM精度阈值的确定、空间尺度的转换、人类活动集中区的应用、与生态过程的结合以及WEPP与GIS集成开发5个方面有较大的拓展空间。

循化-贵德地区黄河水系河流纵剖面形态特征及其构造意义

青藏高原东北缘循化-贵德地区晚新生代构造活动强烈,同时晚新生代黄河的发育和演化也提供了研究高原构造隆升扩展以及黄河侵蚀下切过程的理想场所。黄河水系通过调整河流纵剖面的形态在垂向上响应不同的构造隆升以及河床岩性的变化。利用数字高程模型数据,提取黄河水系河流纵剖面形态,利用基岩河道河流水力侵蚀模型(stream-power incision model)为依托,尝试揭示晚新生代以来强烈构造活动在黄河水系河流纵剖面形态特征上的表现。分析发现,在循化-贵德地区岩性分布均匀的新生代盆地内部,黄河水系纵剖面在河流水力侵蚀模型坡度-面积双对数图解中大部分表现为上凸特征,即基岩河道的河床随时间的变化为正值,指示了基岩的隆升速率大于河流的下切侵蚀速率。在河流流经盆地内部不同岩性地区,特别是前新生界地层区,河流纵剖面也表现为一定的上凸特征,表明了新生界与前新生界地层岩性差异对河流纵剖面的控制作用。综合来看,青藏高原东北缘循化-贵德地区黄河水系河流纵剖面形态特征是晚新生代强烈构造活动和岩性差异共同控制的结果,揭示了循化-贵德地区造山系统地形发育仍然处于前均衡或接近均衡状态,同时也从侧面表明青藏高原东北缘地区是整个高原隆升扩展的最新和最前缘部位的时空格局特征。

龙门山地区水系发育特征及其对青藏高原东缘隆升的指示

龙门山位于青藏高原东缘,既是青藏高原周缘山脉中陡度最大的山脉,也是构造活动和地貌景观塑造最为强烈的地区之一。因此,该区域成为研究构造-地貌-水系之间相互关系的实验场。本文基于ASTER GDEM数据,提取了青藏高原东缘地区15条基岩河道的纵剖面,采用简单数学函数拟合河流纵剖面形态,并结合基岩水力侵蚀模型,分析龙门山不同位置的地形特征。本次研究获得以下几点认识:①通过对龙门山地区河流纵剖面的分析,龙门山整体上具有较高的隆升速率,导致这一地区强烈的河流侵蚀作用;②龙门山中段和南段的河流双对数图以上凸型为主,说明该区域尚未达到均衡状态,处于前均衡期;③龙门山北段的河流双对数图呈直线形态,说明该区域达到均衡状态,处于均衡期;④龙门山不同地区的水系发育特征,表明龙门山中段和南段具有更强的构造活动性、更高的隆升速率,龙门山北段则具有较弱的构造活动性、较低的隆升速率,并反映了青藏高原东缘的隆升作用具有明显的空间差异性。

山西霍山山前断裂冲沟S-A双对数图、凹曲指数与陡峭指数的构造响应特征

利用能够反映构造隆升作用与河流下切侵蚀作用之间关系的河流水力侵蚀模型,以小流域性的霍山山前断裂为实验区,基于高分辨率DEM数据,分析了64条横跨断裂发育的冲沟的S-A双对数图、凹曲指数(θ)与陡峭指数(logks);研究了它们对霍山山前断裂构造活动的响应特征:1)冲沟的S-A双对数图基本都呈现出明显的上凸特征,这是对断裂区域构造隆升速率大于河流下切侵蚀速率的直观响应;2)冲沟的凹曲指数θ值均<0.35,平均值仅为0.223,远低于均衡河道的经验平均值(0.49),这是冲沟纵剖面下凹程度低的直接的量化表达,反映了冲沟的发育是很年轻的,而其原因主要是霍山山前断裂频繁而强烈的构造运动使冲沟没有足够的时间通过下切侵蚀作用来调整剖面形态;3)冲沟的陡峭指数logks值呈现出老爷顶一带最高,南北两侧较低,而且北部比南部高的分布特征;这在一定程度上指示了霍山山前断裂在老爷顶一带隆升速率最大,南北两侧较低,而且北部隆升速率比南部高。

华山山前正断层的分段活动特征--来自河流地貌参数的约束

华山山前正断层是渭河地堑南缘重要的控盆断裂,其强烈的构造活动造成了华山的掀斜式隆升。研究表明,该断裂的活动性存在显著的空间差异:中段(华县—华阴)最强,西段(蓝田—华县)和东段(华阴—灵宝)相对较弱。文中通过提取华山山前河流的高程剖面,结合坡度-面积分析和积分法识别裂点,计算河流凹度和陡峭系数,并对古河道进行投影重建。结果表明,河流凹度大多为0.3~0.6,基本不受构造活动的影响。陡峭系数与裂点分布的空间差异显著:在断裂东段,河流处于稳态,陡峭系数最低为(104±30)m 0.9。断裂中、西2段的河流多为瞬态,发育slope-break型裂点。裂点下游河道陡峭系数中断裂中段最高((230±92)m 0.9),西段次之((152±53)m 0.9)。结合区域构造、岩性和河流沉积等,分析认为河流陡峭系数的分布指示了断裂活动性的空间差异,与活动构造研究结果基本一致。裂点上游陡峭系数(断裂中段为(103±23)m 0.9,西段为(60±14)m 0.9)明显低于下游,并且裂点迁移距离与流域汇水面积存在良好的幂律关系,因此,河流裂点是正断活动增强、山体加速隆升的标志。古河道重建结果表明,河道古起伏量(中段为(1000±153)m,西段为(751±170)m)约占现今起伏量(中段为(1323±249)m,西段为(1057±231)m)的66%~75%,因而现今地形起伏量的25%~34%是裂点所指示的这一期隆升加速造成的。假设裂点下游的河流下切速率与山体隆升相平衡,则河道陡峭系数与断裂滑动速率满足幂律关系。根据断裂中段河流陡峭系数与前人研究得到的晚更新世晚期以来断裂的滑动速率,且文中约束的坡度指数n约为0.5、侵蚀系数K约为1.52×10-4 m 0.55/a,结合裂点年龄公式,估算裂点的起始时限约(0.55±0.25)MaBP。文中对华山山前河流高程剖面的研究表明,华山山前正断层中段的活动性强于西段和东段,而且中、西2段在中更新世开始加速活动,并导致山体快速抬升和山前的地形起伏显著增加。

CLIGEN随机气候生成器在天山西部中山带的适用性评价

根据中国科学院天山积雪雪崩研究站1978-2007年降水和气温的月平均资料以及在全美范围内选择参证站点得到的其他气象因子,利用CLIGEN模型分别模拟出日序列气象数据,统计出多年月平均降水量、多年月平均最高温度和多年月平均最低温度。选择模型有效系数E和平均绝对百分比误差(MAPE)为评价指标。最终确定HIBBING站点为最优参证站。HIBBING站点的模拟多年月平均降水量、月平均最高温度和月平均最低温度的模型有效系数E分别为0.980 0、0.956 3、0.996 5,平均绝对百分比误差(MAPE)分别为7.1%、10.70%、8.30%。从而确定了CLI-GEN模型在天山西部中山带的适用性。

思茅盆地河流地貌特征及其对构造活动的响应

河流地貌对构造活动具有极高的相关性、敏感性,是研究新构造活动最切实有效的地貌标志之一。本文以30 m分辨率数字高程模型(DEM)为基础,利用ArcMap与Matlab软件提取的河流地貌因子(Horton定律比值和S-A双对数曲线),先后分析了思茅盆地内部的李仙江、藤条江、勐戛河、威远江、南班河和南腊河等的河流地貌特征,揭示新生代晚期强烈构造活动对河流发育的影响。结果表明:1)思茅盆地的河流多沿或平行于走滑断裂发育,低级别河网较好的符合Horton定律中一般河网的发育规律,而沿活动断裂带发育的高级别河网则表现出了明显的偏差;2)各集水盆地S-A双对数曲线均呈凹凸相间排列;3)各集水盆地河道的裂点分布特征与岩性变化不一致,这表明思茅盆地内部高级别河网的发育受岩性变化的影响较小,而主要受走滑断裂活动的影响。

排土场植被覆盖度及地形变化对流域水土流失的影响

煤矿区排土场的水土流失现象十分严重,盲目地进行植被重建会消耗大量资源,合理的植被覆盖度有助于指导矿区植被重建工作。基于水力侵蚀预测模型GeoWEPP,在野外调查结合遥感技术获取实测数据的基础上,以矿群为研究尺度探究了研究区排土场植被覆盖度变化对流域水土流失的影响规律并得出排土场植被覆盖度最佳范围。分析了锡林浩特矿群所在流域水土流失量增加的主要原因,在此基础上进一步模拟了地形格局变化下流域水土流失量的变化,研究了流域地形和地表植被覆盖类型变化对流域水土流失情况的影响效果;以10%的植被覆盖度为间隔、10%~90%覆盖度为区间,以50 a为模拟时长,分区域模拟分析矿群所在流域水土流失,并通过非线性均值变点法分析了生态效益最大化时的排土场植被覆盖度最佳范围。结果表明:①地形变化是研究区水土流失量增加的主要原因,地形变化对水土流失量增加的影响远高于排土场植被重建的缓解效果;②排土场边坡是发生水土流失的主要源点,仅仅进行排土场的植被重建难以较好地缓解水土流失状况,应该在地貌重塑的基础上重建排土场植被,以达到研究区生态环境优化的效益最大化;③水土流失归一化值随植被覆盖度的升高呈幂函数分布,经均值变点法计算得出锡林浩特矿群排土场的植被覆盖度最佳范围为40%~50%。

河道陡峭指数所反映的祁连山北翼抬升速率的东西差异

祁连山位于青藏高原东北边缘,其构造抬升速率及其分布特征是理解青藏高原隆升机制的重要线索.近来,河流水力侵蚀模型的研究表明造山带岩石抬升速率是控制河道陡峭指数的主要因素,并且得到了大量的实践证明.利用这一新的方法对祁连山北翼的河流河道进行了分析,尝试从河道纵剖面陡峭指数特征中提取该区域构造抬升信息.结果显示从东到西河道陡峭指数有明显的不同,有东段小,中、西段大的特征.通过对比分析发现,岩性和降水对河道陡峭指数影响不大,也没有证据表明河流负载对其有明显的贡献.河道比降的变化主要是受区域岩石抬升速率差异的影响,河道陡峭指数的分布特征揭示了祁连山北翼抬升速率的分布特征,东段抬升速率较小,中、西段较大,抬升速率最大的位置位于中段榆木山附近区域.

白龙江流域构造地貌特征及其对滑坡泥石流灾害的控制作用

活动构造是影响地质灾害发生的主要因素之一.利用SRTM-3数字高程模型(digital elevation model,简称DEM)数据,基于ArcGIS空间分析技术及Matlab程序脚本系统提取白龙江流域宏观地貌信息、拟合流域内部7个4级亚流域的S-A图解,并结合流域内部新构造特征、活动断裂分布、岩性展布特征以及降水条件等系统分析了白龙江流域滑坡泥石流地质灾害发育的控制因素.其中,S-A拟合图形上凸者代表流域内物质的输出量大于输入量,反之,S-A拟合图形下凹者代表流域内物质的输出量小于输入量,而物质输入表现为山体隆升,较大的物质输出量具体表现形式即为突发事件形成的滑坡、泥石流灾害;另外区域构造运动控制下的强烈褶皱破碎甚至糜棱化或半糜棱化岩层分布也是地质灾害发生必不可少的条件.受上述因素综合影响,本区地质灾害通常发生在高程突变、起伏度与切割深度大的高坡度分布区,而由于区域差异隆升所形成的不同的亚流域地貌形态则控制了地质灾害高发区,即物质输出量大于输入量的亚流域内部滑坡泥石流等地质灾害频繁,而输入量大于输出量的亚流域内部并无明显地质灾害分布点.

河流纵剖面陡峭指数对庐山构造抬升的指示

庐山是位于江南造山带北缘的断块山,其抬升过程对于认识本区的构造演化至关重要。利用河流纵剖面的形态参数可以定量估算相对的构造抬升速率。基于5 m分辨率的DEM提取了庐山9条主要河流的纵剖面,依据坡度—面积图确定了裂点类型,结合地质图判别出裂点成因,并利用河流水力侵蚀模型计算了稳定态河段的陡峭指数以及凹曲度。结果显示,庐山的河流基本呈过渡态,以发育数量不等的裂点为标志;垂阶型裂点的形成主要与岩石强度不均一有关,而坡断型裂点是侵蚀基准面下降产生的。坡断型裂点以下的基岩河段具有较大的陡峭指数,表明庐山经历了从早期低抬升速率到晚期高抬升速率的转变。庐山受快速抬升影响的河段,陡峭指数具有南高北低的特点,主要是由于庐山整体抬升过程中南部、北部的抬升速率存在一定差异,亦可能是岩性不同造成的。

青藏高原东缘龙门山构造带晚第四纪构造隆升作用的河流地貌响应

基于ASTERGDEM数据，提取了青藏高原东缘龙门山地区12条基岩河道纵剖面，通过河流纵剖面形态的数学函数拟合、坡度-面积双对数函数关系以及基岩水力侵蚀模型的分析，探讨了龙门山北、中、南段不同河流水系地貌对其晚第四纪构造隆升运动的响应过程。研究表明：1）龙门山地区的河流纵剖面拟合形态中段多为对数型、指数型，南段多为指数型、直线型，北段均为对数型，表明了龙门山中段和南段的河流受构造运动的控制作用强烈，隆升较快，而北段隆升相对较慢。2）河流水力侵蚀模型中段多呈直线型和上凸型，南段均为上凸型，北段则呈直线型，表明了龙门山地区的河流水系地貌具有由SW向NE逐渐从前均衡状态向均衡状态转换的特征，指示了其构造隆升速率也由SW向NE逐渐递减。3）河流地貌的参数值表明了龙门山北段的河流地貌处于均衡状态，而龙门山中、南段的河流地貌则受构造隆升运动的影响较强；反映了青藏高原东缘向东扩展的时空格局。

青藏高原东缘的隆升及其水系的响应

本文基于ASTER GDEM数据,采用简单数学函数拟合龙门山地区15条河流的河流纵剖面形态,并结合基岩水力侵蚀模型来分析龙门山不同段落的地形形态特征。初步获得以下几点认识:(1)通过对龙门山地区河流纵剖面的分析,龙门山整体上具有较强的隆升速率,导致这一地区强烈的河流侵蚀作用;(2)龙门山中段和南段的河流双对数图以上凸型为主,说明该区域未达到均衡状态,处于前均衡期;(3)龙门山北段的河流双对数图呈直线形态,说明该区域达到均衡状态,处于均衡期;(4)龙门山中段和南段具有更强的构造活动性、更高的隆升速率,控制了该地区地貌、水系演化过程,并且导致这一地区容易发生地质灾害。

河流高程剖面分析的方法与程序实现——基于Matlab平台编写的开源函数集RiverProAnalysis

河流是对构造活动最为敏感的地貌单元之一,河道高程剖面则是记录构造活动信息的重要载体.基岩河道水力侵蚀模型是分析河道纵剖面、提取区域构造活动时空分布特征的重要手段.基于该模型的数学方程的解析解,可以校正流域凹度、计算河道陡峭指数、判别分水岭稳定性、投影古河道和模拟区域构造隆升历史.然而,目前已发表的开源函数集尚未尽数包含这些重要功能.文章以水力侵蚀模型的稳态与线性瞬态方程的解析解为基础,基于Matlab平台编写了开源函数集——RiverProAnalysis,集成上述各项功能,其结果以图像、文本和矢量文件格式输出,既能直接进行可视化分析,还可以为地理信息软件读取.以太原盆地北部的两条瞬态流域为例,分析流域主河道的高程剖面,识别了两期裂点并估算河流最小下切量;以流域内所有河道为对象,模拟构造隆升历史,发现该研究区自上新世中期开始缓慢加速隆升,第四纪晚期以来隆升加速,模拟结果与盆地沉积记录基本一致.通过比较分水岭两侧chi值、坡度和地形起伏等参数,分析了流域边界的稳定性.我们开发的这款函数集,集成了目前河流地貌分析的主要功能模块,是开展河道高程剖面分析和构造地貌研究的有力工具.

水合物储层砂体运移规律研究

水合物储层具有疏松、弱胶结或未胶结的特点,其骨架颗粒更细,这些因素导致在开发过程中水合物储层出砂问题更加复杂、严重,而出砂问题一直是制约水合物商业化开采最严重的挑战之一。根据南海神狐海域天然气水合物储层的特性,设计开展水合物出砂及其相关实验,探究水合物储层出砂规律,从而实现合理预测出砂量,为指导水合物开采中的有效防砂措施奠定基础。利用自主搭建的多场多尺度耦合实验平台,开展岩芯驱替出砂实验,使用核磁共振仪实时监测出砂过程中岩芯内部孔隙分布和结构变化,并及时收集产出砂,分析围压和流量对出砂速率和出砂的影响作用规律。基于水力侵蚀理论建立水合物储层出砂模型,根据出砂实验结果对模型参数进行反演。结果表明,水合物储层出砂主要受水流流速的影响,水流流量越大,出砂速率和出砂量越大;同时其出砂量与流量成线性相关,可以通过该出砂模型对出砂量进行有效预测。