1 引言

青藏高原北部在新生代受近北东向挤压构造作 用，经历了大规模的隆升，断裂发育，新构造运动 强烈^{[1, 2]}。构造对水系的控制以及水系对构造的响 应，是诸多学者研究高原地貌演化乃至隆升过程的 切入点^{[3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]}。祁连山位于青藏高原东北部边缘，是 青藏高原向北东方向扩展生长的前缘地区之一^[9]， 由南向北划分为南祁连、中祁连和北祁连，三者之 间是中祁连南缘断裂带和中祁连北缘断裂带^[1]。 朱利东^[1]在对祁连山北流水系演化研究中发现，不 同河段的河流梯度变化显著，且在河流梯度变化剧 烈的地方存在河流转向，由此指出河流存在袭夺现 象。祁连山北流水系之一的疏勒河，上游切过中祁 连断裂进入昌马盆地，然后切过阿尔金断裂进入大 坝坳陷^[1]，形成规模巨大的冲积扇，此可视为疏勒 河上游的侵蚀基准。本文即以疏勒河上游为研究对 象，基于数字高程模型，提取河流形态特征以及流 域边界高程剖面。在河流地貌分析基础上，探讨构 造活动对流域地貌的影响，并进一步讨论河流转向 及袭夺，为祁连山造山带的地貌演化研究探索思路 和方法。

疏勒河是甘肃省内陆河三大水系之一，发源于 祁连山脉西段疏勒南山，自东向西流经青海、甘肃 和新疆三省区。由发源地至近期终端湖哈拉诺尔， 干流全长670km，以昌马峡、瓜州双塔堡水库为分 界划分为上游、中游和下游^{[14, 15, 16, 17]}。作为本文研究 对象的上游区域，位于疏勒南山与托来南山之间， 为疏勒河出山口以上的区域，行政上地跨青海省海 西蒙古族自治州的天峻县和甘肃省酒泉市的肃北蒙 古族自治县^[18]，如图1所示。

图1(Fig.1)

图1 研究区位置及DEM图 F1——阿尔金断裂 F2——旱峡-大黄沟断裂 F3——昌马断裂 F4——大雪山北缘断裂 F5——托来南山断裂 F6——疏勒南山断裂 Fig.1 The location and DEM of research area

疏勒河在花儿地一带强烈下切托来南山，形成疏勒峡，转向北流，横切大雪山进入昌马盆地^[19]。流域内山脉、 河谷走向均呈北西向，疏勒南山、 托来南山和疏勒河谷地组成主要地形格架，山区地势高峻，谷地地形相对低缓^[20]。地形切割深，属高山深切割区。大地构造属于中祁连-湟源陆块，两侧被中祁连北缘断裂带与中祁连南缘断裂带所控制，断裂主体为走向北西西-近东西向逆冲兼走滑断裂。在青藏高原新生代构造变形区划中，属于秦祁昆走滑-挤压造山域中的中祁连构造带，主要变形特征及构造样式为挤压逆冲、 左行走滑和局部断陷^[21]，见 图2所示。

图2(Fig.2)

图2 研究区地质简图[21, 22, 23, 24, 25] (1)阿尔金断裂带； (2)北祁连北缘断裂带； (3)中祁连北缘断裂带； (4)中祁连南缘断裂带 Ⅰ——走廊过渡带； Ⅱ1——北祁连构造带； Ⅱ2——中祁连构造带； Ⅱ3——南祁连构造带； Ⅲ——柴北缘构造带 F1——阿尔金断裂； F2——旱峡-大黄沟断裂； F3——昌马断裂； F4——大雪山北缘断裂； F5——托来南山断裂； F6——疏勒南山断裂 Fig.2 Geological map of research area[21, 22, 23, 24, 25]

源头疏勒河盆地、 昌马盆地及河流两侧分布有新生代地层，研究区中部及昌马盆地周边山地分布有元古代地层、 古生代地层^{[22, 23]}。疏勒河盆地是在古生代优地槽褶皱基底上延断裂发育的裂堑式断陷盆地，西段出露地层以中新统为主，东段出露第四系，北部边缘有中侏罗统分布，组成一个南部地势较缓北部地势较陡的不对称向斜构造^[26]。主要发育的断裂有阿尔金断裂、 旱峡-大黄沟断裂、 昌马断裂、 大雪山北缘断裂、 托来南山断裂及疏勒南山断裂。

研究区年均气温低、 降水量少。年均气温-3.5℃，年降水量100-600mm，年均蒸发量1203.5mm，属大陆性干旱荒漠气候^[20]。

数字高程模型(DEM)为定量化的地貌分析提供了基础数据^{[27, 28, 29, 30, 31, 32]}。本文采用的DEM，是美国航天局(NASA)和日本经济产业省(METI)2009年共同推出的最新星载热发射仪和反射辐射仪(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)的全球数字高程模型(Global Digital Elevation Model，简称ASTER GDEM)，覆盖范围为北纬83°至南纬83°和 99 ％ 的地球陆地表面，空间分辨率为30m，与分辨率为90m的SRTM 3 数据精度相比，有了很大的改进，为小尺度地形特征提取提供了强有力的数据支撑，能够更好的反映地貌特征^{[33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40]}。ASTER GDEM目前共有2版，第一版V001于2009年公布，第二版V002于2011年10月公布。本文采用的是第二版数据。

本文应用ArcGIS水文分析功能，提取了疏勒河上游河网及流域、 支流汇水盆地。根据提取的疏勒河干流，绘制了河流纵剖面并计算SL参数。 河流纵剖面反映了河流坡降从源头到下游的变化情况，其形态是流域中各种内在因素(河道基岩类型、 岩性、 构造和气候等)综合作用的结果，可用线性、 指数、 对数和乘幂等函数进行拟合^{[41, 42, 43, 44, 45, 46]}，如 图3，代表了地形受构造运动抬升后，河流纵剖面的不同演化阶段:1)初始河流纵剖面近乎一条直线，是线性剖面； 2)侵蚀作用使得纵剖面下凹程度增大，形成指数剖面； 3)侵蚀和堆积作用减少了河床高低差异，纵剖面演化成一条光滑下凹的对数剖面； 4)外界条件的变化增大河流净侵蚀力，加剧河流纵剖面下凹程度，演化为乘幂剖面。

图3(Fig.3)

图3 剖面的4种函数拟合形态比较[47] Fig.3 Fit to the river profile by four mathematic models

Hack^[46]在1973年提出了Hack剖面和河长坡降指标，即SL参数。Hack剖面是一种简化的河流纵剖面，以高度作为纵轴，距河源的距离取对数作为横轴，河流纵剖面即简化为一个对数方程: H=c-k×logL，其中: H为河流纵剖面的高度，c为常数，k为斜率，L为河段中点到源头的距离。斜率k即是SL参数。SL参数是河长坡降指标(stream length-gradient index，简称SL参数)，可以近似用SL=(ΔH/ΔL)×L来表示，其中ΔH为局部河段的高程差，ΔL是局部河段的长度，L表示河段中心到源头的距离^[46]。

Hack剖面反映了河流纵剖面的整体变化，可以有效指示较大时空尺度的构造运动^[47]: 位于高抬升速率地区的河流Hack剖面呈凸形，中、 低抬升速率地区呈直线形、 凹形。而SL参数用局部河段坡度乘以河段中心距河源距离，放大局部坡度的数值效应，是反映岩石抗侵蚀能力和构造活动的重要参数^{[1, 45, 48]}。

河流纵剖面拟合函数反映了河流发育阶段，Hack剖面和SL参数指示了构造运动^{[47, 48]}。在构造抬升区，河流发育阶段是复杂的，河长坡降指标与Hack剖面等一维描述的地形指标容易受到局部构造的影响^[47]。因此本文在上述地形指标的基础上，以三维描述的面积-高程积分(HI)来综合探讨河流地貌发育阶段。 面积-高程积分(HI)是Strahler^[49]在1952年提出的，代表集水盆地在侵蚀作用下残留的物质比例。其简易计算公式为: HI=(H_mean-H_min)/(H_max-H_min)^[50]，H_mean、 H_min和H_max分别代表流域内平均高程、 最小高程和最大高程。

流域边界线是整个流域的最高边缘线，跨越了流域内各个地貌类型单元，是一条稳定且能有效反映流域基本地形特征的特殊地形线^{[51, 52]}。从边界曲线上获取所在空间位置的高程值绘制曲线即为流域边界剖面，蕴含了丰富的地貌特征等地学信息。

图4所示，研究区河长坡降指标SL呈现每百公里分段的特征，每段内皆存在异常高值或异常低值。河流流经的地层大多为元古代地层，以变质岩为主^[22]，岩性变化不大，故而异常值主要反映的是构造活动。

图4(Fig.4)

图4 疏勒河上游河流纵剖面、 SL及局部河段纵剖面 Fig.4 River profile，SL index and six segments' profiles of the upper Shule River

图4中①、 ②、 ③、 ④、 ⑤和⑥分别是SL异常值附近的河流纵剖面，在 图4中与SL及河流做了对应。可以看出，SL异常值对应着河流裂点，裂点指示了构造抬升或河流袭夺事件^{[3, 53, 54]}。河流纵剖面在200km、 265km、 290km、 340-350km和375km附近存在裂点。290km附近裂点位于托来南山断裂； 340-350km裂点位于昌马断裂处； 375km附近裂点位于出山口阿尔金断裂。

图4中的A、 B和C是河流流向发生转折处，对应的A′、 B′和C′是SL异常处，A″、 B″和C″是河流纵剖面明显陡变处，即流向转折与SL异常、 河流纵剖面变化具有良好的对应关系。A处河流流向由近西向转向北西向，SL出现一个低值(A′点处)，对应着河段①的A″裂点； B处河流流向由北西向转向北西西向，SL出现一个高值(B′点处)，对应着河段②的B″ 裂点，裂点附近存在一条逆冲断裂(见 图1和 图2)； C处河流流向由北西西向转向近北向，SL出现一个高值(C′点处)，对应着河段③的C″ 裂点； D处河流流向没有发生明显变化，但由于托来南山断裂的影响，SL却出现一个异常高值 (D′点处)，河流纵剖面出现大落差的裂点D″(河段④)。

针对河段纵剖面的函数拟合结果如 表1所示。其中判定系数值(coefficient of determination，简称R²)是判断数学函数是否为最佳拟合函数的重要依据^[41]。R²结果表明，疏勒河上游剖面以线性函数为最佳拟合函数，其次为指数函数，说明疏勒河处于河流发育早期阶段。而对局部河段纵剖面的拟合结果显示，判定系数R²数值接近，且均大于0.9，说明纵剖面呈现类似复合函数的形态，这是由于某段河流纵剖面突然变得平滑或者下凹所致。

表1(Table 1)

表1 纵剖面函数拟合结果Table 1 The fit-function of the stream segment profile 序号 河段 线性函数( R 2) 指数函数( R 2) 对数函数( R 2) 乘幂函数( R 2) 1 疏勒河上游 0.967 0.929 0.558 0.49 2 河段1(80km部分) 0.905 0.911 0.918 0.912 3 河段2 0.975 0.975 0.977 0.977 4 河段3 0.947 0.948 0.949 0.949 5 河段4 0.916 0.913 0.911 0.908 6 河段5 0.979 0.981 0.98 0.983 7 河段6 0.982 0.981 0.981 0.979

表1 纵剖面函数拟合结果 Table 1 The fit-function of the stream segment profile

疏勒河的Hack剖面呈明显的凸形( 图5)，表明第四纪以来流域所在地区处于强烈的构造抬升状态。在0-50km的河段，Hack剖面较平直，略上凸； 50-100km呈现轻微下凹； 在100km以后的河段，剖面曲线急剧下降。

图5(Fig.5)

图5 疏勒河上游Hack剖面 Fig.5 Hack profile of the upper Shule River

疏勒河上游流域的HI值是0.49，河源到80km处以上区域的HI值是0.23，说明与整个上游流域处于不同的发育阶段。 图6选取了河流两侧20个次级流域，其HI值分布区间为0.292-0.547。位于源头的次级流域1的HI值为0.292，是最小值，说明次级流域1处于河流演化的老年期阶段； 次级流域16的HI值为0.547，是最大值，说明次级流域16处于河流演化的幼年期阶段； 次级流域19的HI值为0.535，同样处于河流演化的幼年期阶段。源头至出山口次级流域所处发育阶段从老年期到中年期直到幼年期。

图6(Fig.6)

图6 疏勒河上游流域河流地貌发育阶段 Fig.6 Fluvial geomorphic development stage of the upper Shule River

疏勒河上游流域边界高程剖面( 图7)刻画了流域之间的沟间地地形。剖面曲线存在5个明显的波谷，即a′、 b′、 c′、 d′和e′，对应着DEM的a、 b、 c、 d和e 等5个位置。a′(a)和 e′(e)是由于托来南山断裂造成的，b′、 c′和d′则是山脊上明显的下凹处，即垭口。

图7(Fig.7)

图7 疏勒河上游流域边界剖面 Fig.7 Watershed boundary elevation profile of the upper Shule River

由于青藏高原在新生代的新构造活动，研究区处于强烈的构造抬升，从而使得河流的Hack剖面表现为明显的上凸。疏勒河上游从源头到出山口，河段处于不同的发育阶段，源头较老，接近出山口则较新( 图6)，并且这种变化趋势与SL值、 河流纵剖面裂点( 图4)相对应: 不同发育阶段之间的过渡地带与河流拐弯、 SL异常以及裂点重合。 图7中b、 c和d垭口的位置又与上述特征点重合。河流流向转折、 裂点和垭口指示了河流因袭夺而发生的河流重组^[55]。根据疏勒河上游河流拐弯、 SL异常、 裂点和垭口的分析结果，推测研究区发生过3次河流袭夺事件:1)古疏勒河南西向注入哈拉湖。由于疏勒南山断裂在第四纪的活动，哈拉湖所在地区相对于疏勒河源头地区下陷，而疏勒南山南段( 图7中b处位置)隆升，河流西流受阻，在疏勒河盆地聚集成湖，图7中b处垭口形成并保留原河道的宽谷( 图7中b′ 处位置)，疏勒河盆地开始接受湖积和化学沉积^[23]。这个时期，野马河的源头位于 图4中B处( 图8a和 图8b)。2)野马河溯源侵蚀，切开山脉，袭夺原属于湖泊的内流河，同时由于研究区抬升速率东部大于西部^[5]，在抬升过程中，湖水藉由野马河道向北西方向流动，由此，原有的湖泊被野马河袭夺。在袭夺点处，SL有一个相对异常高值( 图4)，河流流向变化不明显( 图8c)。3)古昌马河溯源侵蚀，切开大雪山，袭夺古野马河，形成现在的疏勒河，留下 图7中d处垭口、 图4中C处SL异常及河流拐弯等地貌特征( 图8d)。

图8(Fig.8)

图8 疏勒河的演化 Fig.8 The evolution of Shule River

疏勒河上游地区受到中祁连南缘断裂带、 中祁连北缘断裂带的差异控制，东部构造抬升幅度大于西部。在构造内力为主因的基础上，河流溯源侵蚀作为重要的外营力，在疏勒河上游河流演化与内力作用具有同样重要的地位。本文以疏勒河上游为研究对象，分析了河流纵剖面、 Hack剖面、 SL参数和HI，总结了河流的形态特征。与此同时，引入了流域边界高程剖面的方法，将研究对象从河道扩展到流域。分析结果显示，流域边界高程剖面真实反映了流域演化遗留的地貌证据。疏勒河上游河流纵剖面以线性函数为最佳拟合函数，说明疏勒河上游河段整体上处于河流发育早期阶段。Hack剖面呈明显的凸形，说明第四纪以来流域所在地区处于强烈的构造抬升。河流流向转折、 SL异常值、 河流纵剖面裂点具有良好的一致性，从流域边界剖面识别的垭口又与上述三者具有对应关系。综合上述河流特征及流域边界剖面所反映的地貌信息，推测研究区发生过3次袭夺事件，古疏勒河、 古昌马河以及古野马河的重组塑造了现在的疏勒河流域。