Davis(1899)首先提出了地貌侵蚀循环学说,认为地貌演化是一种构造、应力和时间的函数,并根据这3个变量的组合变化,把地形发育划分为幼年期、壮年期和老年期3个阶段。Strahler(1952)提出了面积-高程积分(Hypso-metric Integral,简称HI)的概念,用以描述流域地貌的演化特征,为 Davis(1899)的地貌演化阶段模式提供了定量指标(梁欧博等,2018)。面积-高程积分是流域盆地相对面积比与相对高程比定义函数的积分,反映地表被侵蚀后的三维体积残余率和地貌的发育程度,能够定量反映地貌演化与构造抬升之间的关系(梁欧博等,2018; 赵国华,2014)。Strahler(1952)提出的理论中,面积-高程积分(HI)包括HI积分曲线和HI积分值的计算。

以流域盆地相对面积比(a/A)为X轴、相对高度比(h/H)为Y轴,绘制函数y = f(x)曲线,即为面积-高程积分曲线,其积分为曲线包围的面积,即为面积-高程积分值,计算公式为:

式中:A表示流域面积; a表示该流域内某条等高线以上的面积; h表示该等高线与流域内最低点的高差; H表示流域内最大相对高差(李环宇等,2020; 王躲,2018; 章桂芳等,2018)。

Pike和Wilson(1971)推导估算HI值的简易方法,计算公式为:

式中:H_mean、H_max、H_min分别表示流域盆地的平均高程、最大高程和最小高程(李环宇等,2020; 洪艳等,2019; 梁欧博等,2018; 王躲,2018; 梁明剑等,2014)。

Strahler(1952)通过HI值将Davis地貌侵蚀循环发育模式定量化分为3个阶段:当HI>0.60时,面积-高程积分曲线呈凸型,地貌演化阶段处于幼年期,侵蚀程度低,构造作用为主时表现

为强烈隆升阶段; 当0.4<HI<0.60时,面积-高程积分曲线呈S型,地貌演化阶段处于壮年期,构造作用为主时表现为缓慢隆升阶段; 当HI<0.4时,面积-高程积分曲线呈凹型,地貌演化阶段进入老年期,侵蚀程度高,构造作用为主时表现为隆升停滞阶段,此时流域趋于稳定(张威等,2020; 洪艳等,2019; 章桂芳等,2018)。

本文使用ArcGIS软件对ASTER GDEM 30 m数据进行处理,处理流程如下:①使用数据管理工具,对研究区DEM数据进行栅格镶嵌、投影和空间分析工具之掩膜提取等处理,对ASTER GDEM数据进行拼接、投影变换和裁剪,获取研究区空间分辨率为1 s(约30 m)的DEM数据。②使用水文分析模块,对预处理得到的DEM数据依次进行填洼-流向计算-流量计算-河网提取-水系分级处理,最终得到研究区水系网络。其中,水系分级采用 Strahler(1952)分级方法,无支流流入的河流为一级河流,同级别的两条河流交汇形成的河流为二级河流,以此类推,不同级别的河流交汇形成的河流级别为交汇河流较高者的等级。③利用盆域工具,基于研究区水系网络提取相应的亚流域盆地。德钦—维西地区提取出4～7级亚流域盆地共计990个(图2a)。④基于亚流域盆地和研究区DEM数据,利用ArcGIS的空间分析统计

图2 研究区亚流域盆地分布(a)及HI等值分区(b)
Fig.2 Distribution of sub-drainage areas(a)and hypsometric integrals(b)in the study area

工具zonal统计分析亚流域盆地的平均高程H_mean、最大高程H_max和最小高程H_min,然后根据式(2),分别计算亚流域的面积-高程积分值(HI值),并对亚流域盆地HI值进行空间插值,得到HI等值分区图(图2b)。⑤根据 Strahler(1952)的理论方法,分别获取研究区12个主要河流的次级流域盆地,在ArcGIS工具中加载由旧金山州立大学Jerry Davis制作的Hypsometry Tool https://gis.sfsu.edu/tools.,提取次级流域盆地的面积比和高程比2个参数,然后利用Excel分别绘制次级流域盆地HI曲线。

由图2b可见,德钦—维西地区HI值为 0.18～0.76,变化范围较大,说明其地貌演化具有一定的复杂性。

整体来看,HI值与海拔大体呈正相关关系,其分布与地形起伏基本一致。研究区地形起伏北高南低,HI值也表现为北高南低的趋势。HI低值主要沿河谷和盆地呈带状分布,如中甸盆地整体表现为大范围的HI低值; 金沙江、澜沧江、珠巴龙河、冈曲河和腊普河河谷地带HI值亦较低。HI高值主要分布在海拔相对较高且地形起伏较大的区域,多沿分水岭呈条带状分布,如研究区北部金沙江两侧的雪山山脉沿线,包括研究区北部德钦以北察里雪山—甲午雪山—压赛雪山—人之雪山一线、得荣以东县城东侧至巴拉格宗雪山—带、维西—康普—燕门一线东侧金沙江与澜沧江的分水岭白马雪山—白芒雪山一带HI高值条带及中甸盆地以西的HI高值条带。

从HI值分布与活动断裂的位置关系来看,HI低值条带的展布方向与研究区活动构造的延伸方向基本一致,如德钦—中甸—大具断裂奔子栏以南、金沙江断裂得荣—奔子栏段、维西—乔后断裂沿线。HI高值主要分布于断裂带两侧及构造交汇区域,如金沙江断裂与德钦—中甸—大具断裂、兰坪—云龙断裂与维西—乔后断裂交汇区域。

本文提取德钦—维西地区12个主要次级流域盆地的HI曲线(图3、图4),包括澜沧江流域4个支流次级流域盆地(阿东河、三岔河、碧玉河和永春河流域盆地)及金沙江流域8个支流次级流域盆地(东水河、珠巴龙河、腊普河、巨甸河、镇兰河、冲江河、冈曲河和小中甸河流域盆地)。

从12个次级流域盆地的HI曲线(图4)形态来看,大致可以分为微凸型和S型。其中阿东河、东水河和三岔河次级流域盆地HI曲线呈微凸型,HI>0.6,盆地发育处于幼年期(图4b),其它流域盆地为S型。根据HI曲线的局部变化,S型又可细分为以下3个亚类(图3):①亚S1型:碧玉河、冈曲河和小中甸河次级流域盆地HI曲线呈现上凹下凸形态(图4c),但与标准的S型相比,形态上中间部位过渡不够平滑,所以称之为亚S1型; ②标准S型:巨甸河、腊普河和珠巴龙河次级流域盆地HI曲线形态为标准的S型曲线(图4c); ③亚S2型:冲江河、永春河和镇兰河次级流域盆地HI曲线形态上类似S型,但局部又存在较大的差别,这3个次级流域盆地HI曲线中间部分有向下凹的趋势(图4c),所以称之为亚S2型。

图3 次级流域盆地HI曲线分类与分布
Fig.3 Types and distribution of the hypsometric integral curves of the secondary drainage areas

图4 12个次级流域盆地HI曲线
Fig.4 The hypsometric integral curves of each river in the secondary watershed

从图3可看出,微凸型的阿东河、东水河和三岔河3个次级流域盆地均为流域面积较小的流域盆地,均位于德钦—中甸断裂与金沙江断裂交汇处,即德钦县附近; 亚S1型的碧玉河、冈曲河和小中甸河次级流域盆地分别被维西—乔后断裂、金沙江断裂和中甸—龙蟠—乔后断裂近平行于河谷穿切; 标准S型的巨甸河、腊普河和珠巴龙河次级流域盆地均未被区域断裂所截切; 亚S2型的冲江河、永春河和镇兰河次级流域盆地局部被区域断裂所截切。

东英吉利大学气候研究单位(CRU)基于英国国家大气科学中心(NVAS)资助的合作中心NERC提供的高分辨率网格(0.5°×0.5°),制作了高分辨率气候逐月变化网格数据。本文选用分辨率为0.5°的CRU TS 4.05版降雨量数据,对研究区长达120年(1901—2020年)的降雨量数据进行空间插值,生成月均降雨量等值分布图(图5a)。

从图5a可以看出,研究区月均降雨量总体表

图5 研究区年降雨量等值(a)及地层(b)分布图
Fig.5 Annual precipitation distribution(a)and stratigraphic distribution(b)in the study area

现为由SW向NE递减的规律,降雨量等值分布图呈NW向近似条带状分布。但降水量的分布与HI值的分区并没有明显的相关关系。由此可见,气候不是研究区地貌的主控因素。

岩性也会通过剥蚀速率和河流侵蚀影响流域地貌演化(卢本添等,2022; 李环宇等,2020; 梁欧博等,2018)。抗侵蚀强的岩石可以阻止分水岭的迁移,而抗侵蚀弱的岩石则容易被河流下切和侧向侵蚀,形成准平原面(于洋等,2022)。研究区位于德钦—维西地层分区,各时代地层分布较齐全,自元古界至第四系均有出露(图5b),但广泛出露的为中生代陆相湖泊和河流相泥岩、泥质砂岩地层,部分地区有板岩、片岩、千枚岩等变质岩,局部见有煤系地层、石膏和灰岩(宋章等,2019)。

研究区北部,即德钦—中甸—大具断裂以北及其附近区域,大部分出露三叠系岩层,岩性以较坚硬的中厚层石英砂岩夹板岩、厚层碳酸岩或碳酸盐岩夹板岩组为主; 西北部零星分布有三叠纪和第三纪的火山岩; 研究区中部及以南地区,大范围分布有坚硬的中厚层-厚层砂岩或砂岩夹泥岩岩组,东南部夹有近南北呈条状分布的第四系黏土岩层和狭长分布的砂岩、泥岩夹灰岩岩组,少量零星分布有炭质页岩(王银龙,2019)。

总体来说,德钦—维西地区岩层质地较硬,整体的岩石抗侵蚀能力差别不大。因此,研究区的岩性并不是影响地貌演化的主控因素。

前述讨论表明,降水和岩性均不是德钦—维西地区地貌演化的主控因素。因此,笔者认为研究区地貌演化主要受区域断裂差异抬升运动的控制,即德钦—维西地区流域盆地HI值与该区构造活动及其导致的隆升、沉降等地表过程密切相关。

新生代以来,受板块碰撞引起的隆升作用影响,滇西北地区发生了差异性构造隆升,在整体隆升的同时,北部较南部隆升更剧烈,幅度也更大(李峰,薛传东,1999)。研究区内整体HI值表现为北高南低,北部德钦以北、得荣以东、维西—康普—燕门一线东侧为HI高值条带,这可能就是这种大尺度抬升作用的直接表现。阿东河、三岔河、东水河的流域盆地曲线的上凸形态,可能也是对区域抬升作用的响应。

河流的冲刷下切作用形成了沿河流展布的HI低值区,并在河流的交汇口出现HI低值,如阿东河、三岔河与澜沧江的交汇处,北部金沙江支流与干流的交汇处,珠巴龙河、腊普河、镇兰河与金沙江的交汇处等。河流的交汇分布形成了山脊-河谷交错排列的地形结构。南部水系丰富,河流流域盆地的HI曲线图表现为S型,说明这些区域的地貌正处于侵蚀演化阶段。

德钦—中甸断裂以奔子栏为界分为两段(吴富峣等,2019b),北西段德钦—奔子栏段为HI高值区,南东段奔子栏—中甸段沿线HI值较低,说明德钦—中甸断裂以奔子栏为界,北西段与南东段的活动性存在差异,这与吴富峣等(2019b)的研究结果一致。

阿东河、东水河和三岔河3个处于幼年期的次级流域盆地均位于金沙江断裂与德钦—中甸断裂的交汇区域,说明该区地貌演化正处于构造隆升期,构造活动较强烈; 其南侧为珠巴龙河流域,断裂带附近的HI高值较南侧偏低,这与整体北高南低的地势不符,可能也是区域构造活动的结果。

小中甸以南、中甸—龙蟠—乔后断裂带与金沙江断裂夹持的区域存在一个突出的HI高值异常,而此处地势较研究区北部偏低。该异常揭示,受中甸—龙蟠—乔后断裂带与金沙江断裂活动的共同影响,该区构造活动强烈,地形地貌处于持续抬升状态,抬升速率大于剥蚀速率。同理,研究区南部的兰坪—云龙断裂与维西—乔后断裂北段交汇处具有较周围更高的HI值,这也是兰坪—云龙断裂与维西—乔后断裂北段活动的直接表现。

主要次级流域盆地中亚S1型和亚S2型HI曲线均属于被区域断裂截切的流域盆地的曲线,这也是研究区地貌演化受区域构造控制的直接证据。维西—乔后断裂、金沙江断裂和中甸—龙蟠—乔后断裂分别近平行穿切碧玉河、冈曲河和小中甸河3个次级流域盆地河谷地带,断裂带的活动直接影响了盆地的发育与演化,断裂带两侧河道差异抬升与沉降造成流域演化分异,相对抬升一侧处于幼年期,HI曲线凸起; 相对下降一侧处于老年期,HI曲线下凹,导致次级流域盆地HI曲线均表现为上凹下凸形态。亚S2型的冲江河、永春河和镇兰河次级流域盆地局部被区域断裂所截切,效果与亚S1型一致。