2017, Vol.37
地貌参数的定量化分析是评估地貌过程、构造活动及其相互关系的重要手段。流域地貌对新构造活动响应敏感[1~4]，是构造地貌学研究的一个重要对象。数字高程模型(DEM)以及地理信息系统(GIS)空间分析技术的引入，为流域分割和流域地貌参数的快速获取提供了有效途径[5~7]，极大地丰富了构造地貌学的研究手段，使地貌过程研究由定性转变到半定量-定量化阶段[8]。近年来已有许多学者运用DEM和GIS等新技术开展了地貌计量指标的量化分析[9~14]，将其应用于判断地貌演化特征[15~20]，或探讨区域构造活动性等方面[21~24]。如常直杨等[13]利用面积-高程积分(HI)、流域盆地不对称度(AF)、盆地形状指数(Bs)等刻画了白龙江流域的构造活动状态；梁红颖和林舟[17]基于HI值和坡度等对哀牢山的地貌演化过程进行了详细解析。这些研究均取得了不错的效果，表明基于DEM和GIS的地貌指标的量化分析在构造地貌学研究中有着广阔的应用前景[25]。
我国东部的钱塘江流域是下扬子-南黄海地震带与东南沿海地震带之间的过渡地带，其中在杭州湾海域、宁波、舟山、淑江、温州等地历史上发生过MS>4.0的地震，现今中小地震仍断续发生，如2002年7月23日就发生了MS3.2级地震[26]；另外，钱塘江流域内的泥石流和滑坡等地质灾害较为发育，对人们的生产和生活产生了一定影响[27]。因此，对钱塘江流域开展地貌演化程度和构造活动强度的研究就显得十分必要。基于此，本文利用DEM数据，以ArcGIS软件为技术支撑，获得了钱塘江子流域常规地形参数(最大高程、最低高程、平均高程)，以及面积-高程积分(HI)、坡度、流域盆地不对称度(AF)、流域形状指数(Bs)等地貌参数。基于9km2面积阈值获得的钱塘江子流域HI值的分布情况，探讨了HI值的地学意义，进一步结合面积-高程积分曲线(HC)、AF、Bs等地貌参数，分析了钱塘江流域主要断裂的相对活动性和流域地貌演化特征。
1 区域地质背景和自然地理条件钱塘江流域位于中国东部，东临东海，地理坐标介于28°~31°N与117°~122°E之间，集水面积为约5.56×104km2(图 1)，是浙江省面积最大的河流流域。钱塘江有南北两源，均发源于安徽省休宁县[28]。钱塘江流域地处中亚热带，流域内海洋性季风气候明显。
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图 1 钱塘江流域地质图 地形与水系基于数字高程模型(DEM)；Ⅰ为江南分区，Ⅰ1为江南台隆分区，Ⅰ2为浙西北分区，Ⅱ为华南分区 Fig. 1 Geological map of the Qiantang River drainage basin overlying Digital Elevation Model |
钱塘江流域在经历了神功、晋宁、加里东、华力西-印支、燕山、喜马拉雅等6个构造阶段后，发育了一系列深大断裂及北东向的复向斜、复背斜褶皱构造[28]，其中主要断裂为北东走向的江山-绍兴断裂(F1)[29]、球川-萧山断裂(F2)[30]和马金-乌镇断裂(F3)[31](图 1)。以江山-绍兴深断裂(F1)为界，钱塘江流域可分为两大构造单元：西北部为扬子准地台的一部分(以下简称江南分区Ⅰ)，东南部为华南褶皱带的一部分(以下简称华南分区Ⅱ)[32]。江南分区又可以进一步分为江南台隆(Ⅰ 1)和浙西北分区(Ⅰ 2)(图 1)[33]。地层上，江南台隆主要由前震旦系变质岩组成，中生代时北东向和东西向断裂活动陷落，形成屯溪盆地，在碎屑物沉积的同时，伴随有中酸性火山喷发[28]；浙西北分区则由震旦系-三叠系沉积岩组成[34]；华南分区主要由南华纪至奥陶纪的韵律状泥砂质岩系夹灰质岩、碳酸盐岩等组成[35~37]。
2 数据来源与地貌指标提取 2.1 数据来源与地貌指标选择基于先进星载热发射和反射辐射仪的全球数字高程模型(ASTER GDEM)于2009年6月30日由美国航天局(NASA)与日本经济产业省(METI)共同推出，其空间分辨率为1弧度秒(约30m)。据统计，ASTER GDEM在全球范围内满足垂直精度为20m的置信度为95 %。前人的研究[6, 13, 38]指出，在利用面积-高程积分(HI)、流域盆地不对称度(AF)和盆地形状指数(Bs)反映地学意义时，DEM的分辨率对HI值分析结果影响不显著。本文选取分辨率为30m的DEM作为地貌参数提取的基础数据。
在利用地貌参数进行构造活动及地貌演化特征的研究中，一些地貌参数会受到DEM数据精度的制约，如山前曲折度(Smf)，而钱塘江流域面积较大，获取这样高分辨率的DEM数据难度较大。因此，本文选取的主要地貌参数为面积-高程积分(HI)、面积-高程积分曲线(HC)、坡度、流域盆地不对称度(AF)和盆地形状指数(Bs)。其中HI值在小的空间尺度内可以反映岩性的差异，在大的空间尺度上HI、HC、AF、Bs可以反映流域的构造活动及地貌演化的特征[6, 13]。基于此，利用ArcGIS 10.2软件中的水文分析工具，经过洼地填充、计算流向、计算汇流累积量、河网分级、流域分割等步骤，提取得到了钱塘江流域的87个一级支流子流域：10个子流域过断裂F1(Q101~Q110)，12个子流域过断裂F2(Q201~Q212)，11个子流域过断裂F3(Q301~Q311)，其中过断裂F1的子流域Q103、Q104分别对应过断裂F2的子流域Q203、Q204(图 2和表 1)；其他子流域为56个(1~56)(图 2)。下面分别介绍获得的钱塘江流域及其子流域的地貌参数。
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图 2 钱塘江流域子流域 Q103、Q104分别与Q203、Q204为同一子流域 Fig. 2 The sub-basins in Qiantang River drainage basin |
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表 1 过主要断裂的子流域最高高程、最低高程、相对高度、流域面积及HI Table 1 The maximum altitude, minimum altitude, relative height, area and HI value of the sub-basins |
Strahler[39]提出以集水盆地的相对高度比(h/H)为纵轴、相对面积比(a/A)为横轴，由此绘出的曲线称为集水盆地的面积-高程积分曲线(Hypsometric Curve，简称HC)。面积-高程积分曲线下方的面积即为面积-高度积分(Hypsometric Integral，简称HI)。Pike和Wilson[40]在1971年提出以河流内的高程起伏比(elevation-relief ration)作为面积-高程积分的简易算法，其计算公式为HI=(Hmean-Hmin)/(Hmax-Hmin)，其中Hmean、Hmax和Hmin分别代表河流内的平均高程，最大高程和最小高程。HC是对三维地貌的描述，反映的是地貌发育程度[41, 42]。河流的HI值对构造活动、岩性差异和气候变化等因素反映比较敏感[43, 44]。Strahler[39]、Ohmori[45]和Willgoose[46]等认为HC的凸形、S形及凹形等3种形态分别对应着地貌演化的幼年期(HI>0.6)、壮年期(0.35 < HI < 0.6) 和老年期(HI < 0.35)。基于HI值的简易算法，本文计算了过钱塘江流域内三大断裂子流域的HI值，根据输出的数据得到流域最大高程、最低高程、相对高差、流域面积等地形参数(表 1)。同时也计算了钱塘江流域的HI值，并得到对应的HC曲线，以此探讨流域地貌的发育情况和构造活动性(图 3)。
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图 3 钱塘江流域面积-高程积分曲线 Fig. 3 Hypsometric Integral curves of the Qiantang River drainage basin |
研究表明[11, 23, 38, 42]，流域的面积-高程积分(HI)与岩性和构造的关系受流域面积的控制。为探讨钱塘江流域子流域HI值与岩性和构造的关系，得到了基于不同的流域面积阈值的子流域的相关信息。当集流面积阈值小于9km2的时候，流域的子流域数量过多，不符合地形学中的Horton's Laws[47]法则，且流域内地层岩性相对单一，不适合进行流域构造活动特性分析(表 2)。基于前人研究[18, 23]，本文选取9km2的面积阈值来分析面积-高程积分与岩性的关系(图 4)。根据面积阈值为9km2的钱塘江流域的面积-高程积分分布图(图 4)，并结合岩性分布图发现(图 1)，抗侵蚀能力较强的侏罗系中、酸性火山岩分布区，其HI值较大；冲积成因的砂、砾石和泥等分布区，HI值则较小。
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表 2 不同阈值划分出的子流域数量及相应的平均面积、平均高差和平均HI Table 2 Attributes of sub-basins defined by the area threshold and their mean area, mean height difference and mean HI |
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图 4 钱塘江流域面积-高程积分HI值分布 白色虚线圈代表HI值较小区域，白色实线圈代表HI值较大区域，黑色圈代表HI值出现异常值区域，白色箭头代表水流方向 Fig. 4 The overlap of HI in the Qiantang River drainage basin |
地面任一点的坡度是指过该点的切平面与水平地面的夹角。坡度表示了地面在该点的倾斜程度。断裂构造的活动历史不同，其地貌显示及断裂面特征等也具有一定的差异。一般而言，活动性较强的断裂构造，断裂分布地区表现出坡度较大。不活动的断裂，由于经历了长期的外营力作用，断裂面特征多遭破坏，或叠加了复杂的微地貌，所在地区的坡度应该是逐渐过渡的，没有明显的梯度特征[48]。
目前常用的坡度分级方法主要有临界坡度分级法、一般主观分级法、模式分级法三大类，其中模式分级法又可以分为等间距、等面积、自然裂点对生成的坡度栅格进行分级[49]。本文采用龙虎山地区的坡度分级标准[50]，即6级划分法(0°~3°、3°~8°、8°~15°、15°~22°、22°~31°和>31°)，得到了钱塘江流域的坡度分级图(图 5)。
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图 5 钱塘江流域(a)以及跨子流域的三大断裂F3(b)、F2(c)和F1(d)坡度分级图 Fig. 5 The slope classification of Qiantang River drainage basin (a) and the faults of F3(b), F2(c)and F1(d) |
流域不对称度(AF)是用来评估一个流域内构造掀斜程度的指标，适用于大面积范围的研究[51]。AF值定义为汇水区域干流右侧(向下游方向看)的面积相对于汇水区域总面积的百分比，即：AF=(Ar/At)×100，Ar是指某一流域内顺着干流流向右侧的面积，At是流域总面积。AF可以反映流域的不对称度。根据Perez等[51]以AF与50的差值为依据进行划分，当流域盆地的不对称度(AF)值接近50的时候，表示流域在垂直于主干流方向倾斜较小，反映了流域受构造活动、岩性差异的影响较小。当AF值偏离这个正常值，表现为大于或小于50时，可以反映流域受构造活动的影响，偏离的程度越大，表示流域在垂直于干流的方向上倾斜程度越大，构造活动性越大。根据AF与50的差值，可以将其划分为3个等级：|AF-50|≥15时为第一级，当7≤|AF-50| < 15时为第二级，当|AF-50| < 7时为第三级，分别表示流域受构造活动的影响由强到弱。由此得到了钱塘江流域的AF值分布图(图 6a)。
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图 6 钱塘江流域亚流域盆地不对称度AF(a)和形状指数Bs(b)等级分布图 Fig. 6 Distribution of drainage basin asymmetry(AF, a)and shape index(Bs, b) of sub basins in Qiantang River drainage basin |
流域形状指数(Bs)又可以称为(细长比)伸长率，是描述盆地的水平投影形状的参数指标[52]。Bs定义为：Bs=Bi/Bw，其中，Bi为从汇水流域河谷的源头至出山口的直线距离，Bw为流域盆地的最大宽度。流域的形态可以分为狭长型和圆形，构造活动较强或者处于幼年期的流域其形状一般为狭长型的。而随着构造活动的减弱和地形的不断演化发展，狭长型的流域逐渐变宽为圆形[52]。可划分为3个等级：Bs≥2.3为第一级，指示活动性强；1.5≤Bs < 2.3，为第二级，指示活动性中等；Bs＜1.5，为第三级，指示活动性弱[6, 13]。根据Bs的计算公式，由此我们得到了钱塘江流域的Bs值分布图，结果如图 6b所示。
3 讨论 3.1 面积-高程积分(HI)的空间变化特征面积-高程积分(HI)受岩性与构造因素的影响[11, 18, 23, 38, 42]。基于9km2面积阈值得到的面积-高程积分(HI)分布图显示，钱塘江流域岩性对于HI值似乎有较好的控制作用。在面积阈值为9km2的面积-高程积分图中(图 4)，华南分区西部HI值较大，地层为侏罗系的横山组、寿昌组并层(浙西)(图 1)，其岩性为砂岩、泥岩夹火山岩或酸性、中性火山岩为主夹中基性火山岩，抗侵蚀能力较强(图 4白色实线圈)。在江山-绍兴断裂(F1)以西HI值较小的区域，地层是第四系(图 1)，其岩性为冲积成因的泥质砂、砂砾、粘土，抗侵蚀能力较弱[53]。在流域内存在HI值分布异常区，这可能与抗侵蚀能力比较强的火山岩有关。从总体来看，无论是在整个流域还是局部的分支流域，HI值一般上游子流域都大于流域下游子流域(图 4)。这主要是由于上游侵蚀能力强，流域HI值比较大，下游部分以堆积作用为主，则流域的HI值偏小。
在更大的空间尺度上，HI值融合了多种岩性的影响，其分布表现为与流域内的断裂带走向一致，也呈现北东走向，并且HI值沿断裂带在空间上存在差异。这可能反应断裂活动性存在空间差异。根据江山-绍兴断裂(F1)从西南到东北依次跨过的子流域(Q101~Q110) 的HI值(表 1)，可以大致看出F1断裂南段活动性表现为弱-强-弱的特点，北段活动性似乎表现为弱-强-弱，总体上南段比北段的活动性要强。球川-萧山断裂(F2)从西南到东北依次跨过的子流域(Q201~Q212) 的HI值显示出F2断裂南段活动性差异变化不大，而北段其活动性表现为减弱趋势。但总体上，F2断裂南段比北段的活动性要强。这与姚琪等[30]关于球川-萧山断裂活动性的研究结果一致。从西南到东北过马金-乌镇断裂(F3)子流域(Q301~Q311) 的HI值可以看出其南段活动性变化不大，在东北方向其活动性表现为弱-强-弱。
HI值和HC曲线可用于揭示流域整体地貌演化阶段。基于ArcGIS软件，提取钱塘江流域地形参数的最大高程、最小高程以及平均高程，运用HI值的简易公式计算得到了钱塘江流域的HI值为0.217，小于0.35，并流域HC曲线呈现下凹型(图 3)，初步认为钱塘江流域从整体上进入了地貌演化的老年期。
3.2 坡度分布特征与断裂的关系从图 5a不难看出，钱塘江流域整体坡度西南高，东北低；坡度陡变带与三大断裂基本吻合，呈现由东南向西北方向逐渐增大的趋势。一般HI值偏大的区域，其对应的坡度较大并且变化明显，可能表明断裂活动性较强；HI值较小的地区，其对应的坡度值亦较小，反映断裂活动性较弱。进一步计算过三大断裂子流域HI值的平均值，分别为0.2221、0.2328和0.2722。这与坡度陡变差异的变化趋势一致，似乎进一步说明这些断裂的活动性呈现由东南向西北方向相对增强的趋势。对于单个断裂，马金-乌镇断裂(F3)坡度分级图中在流域Q303和Q308处表现较大的坡度差异(图 5b)，其对应的HI值较两侧子流域较高(表 1)；球川-萧山断裂(F2)坡度分级图中坡度差异变化在Q201到Q208之间较后段差异明显(图 5c)，其跟HI值空间分布特征一致(表 1)；江山-绍兴断裂(F1)坡度分级图上北段坡度陡变差异较小，表现在HI上也较小，南段坡度陡变差异不是明显(图 5d)，但表现在HI值上Q102、Q103和Q104较大(表 1)，推测主要是由于金衢盆地的存在。
3.3 流域盆地不对程度(AF)钱塘江流域的子流域AF值介于0.11~42.57之间，变化幅度较大(图 6a)。|AF-50| < 7的子流域有22个，其面积占流域总面积的30 %；7≤|AF-50| < 15的子流域有28个，其面积占流域总面积的38 %；|AF-50|≥15的子流域有37个，其面积占流域总面积的32 %。空间上，AF值总体上呈现西北高、东南低的特点，AF较高的子流域主要位于钱塘江的上游地区，并且大部分位于江南分区的江南台隆地区，这与区域内的地质背景相一致。相比之下，华南分区的AF普遍较小。从全流域来看，与HI值相似，AF值似乎也呈现由F3断裂向F1断裂递减的趋势。此外，江山-绍兴断裂(F1)和球川-萧山断裂(F2)的AF值总体上北段要高于南段，而马金-乌镇断裂(F3)AF值南北段相差不大—这也与HI值的空间分布特征一致(图 4)。从全流域的|AF-50|值(4.72 < 7，第三级)推断，钱塘江流域构造活动性整体偏弱。
3.4 流域盆地形状指数(Bs)钱塘江流域的子流域Bs值介于0.36~6.86之间(图 6b)。通过计算Bs值 < 1.5的子流域有29个，其面积占流域总面积的35 %；1.5≤Bs值 < 2.3的子流域有38个，其占流域总面积的46 %；Bs值≥2.3的子流域有20个，其面积占流域总面积的20 %。空间上，流域内较大的Bs值分布与断裂具有较好的一致性。跨越江山-绍兴断裂(F1)和球川-萧山断裂(F2)的子流域的Bs值南段相对较高，而跨越马金-乌镇断裂(F3)子流域的Bs值南北段相差不大、中间较强(图 6b)。这与面积-高程积分(HI)、流域盆地不对称度(AF)反映的空间规律具有很好的一致性。从全流域的Bs值(0.77 < 1.5，第三级)推断，钱塘江流域的构造活动性较弱。
综合以上对钱塘江流域及其子流域的面积-高程积分(HI)、面积-高程积分曲线(HC)、坡度、流域不对称度(AF)、流域盆地形状指数(Bs)等分析，发现各参数在反映断裂活动性时具有较为一致的空间变化特征，揭示断裂活动性存在空间差异。从整个流域来看，钱塘江流域的面积-高程积分(HI)为0.217 < 0.35，流域面积-高程积分曲线呈现下凹，对应的|AF-50|=4.72 < 7、强度等级为弱，Bs为0.77，强度等级弱。这些结果都说明钱塘江流域已处于地貌演化的老年阶段。
4 主要认识构造地貌参数是分析流域构造活动及其地貌演化程度强有力的工具。基于此，本文在分辨率为30m的DEM数据上，运用GIS空间分析技术，并结合流域岩性特征等，对钱塘江流域开展了地貌计量指标的分析，包括面积-高程积分(HI)、面积-高程积分积分曲线(HC)、坡度、流域不对程度(AF)、流域盆地形状指数(Bs)等，探讨了该流域的构造活动性以及地貌演化特征。取得的主要认识如下：
(1) 面积-高程积分(HI)具有显著的面积依赖性和空间依赖性。HI值在小的空间尺度上主要反映岩性的影响，在大的空间尺度上(涵盖多个岩性地层单元)则主要与构造因素相关。钱塘江流域上游侵蚀能力强，流域HI值比较大，下游部分以堆积作用为主，流域的HI值偏小。钱塘江流域HI的空间分布深刻受到流域内断裂带的影响，其空间分布特征与流域内主要断裂带走向一致。
(2) 钱塘江流域跨越江南分区(包括江南台隆和浙西北地区)和华南分区两大构造单元。流域内发育北东走向的江山-绍兴断裂(F1)、球川-萧山断裂(F2)、马金-乌镇断裂(F3)。各断裂所穿过的子流域平均HI值分别为0.2221、0.2328和0.2722，呈现由西南向东北方向递增的趋势。
(3) 通过坡度、面积-高程积分(HI)、流域盆地不对称度(AF)和形状指数(Bs)等地貌指标的分析，发现这些参数在反映流域断裂活动性上大致呈现一致的空间变化规律，揭示流域整体上构造活动性较弱，但不同断裂、断裂不同部位的构造活动性存在差异。江山-绍兴断裂(F1)和球川-萧山断裂(F2)的南段活动性都要强于北段，马金-乌镇断裂(F3)南、北段差异性不大。
(4) 钱塘江流域多种地貌参数(HI值为0.217 < 0.35、面积-高程积分曲线呈现下凹型、流域|AF-50|=4.72 < 7、Bs=0.77) 均揭示该流域可能已进入地貌演化的老年期。
本文关于断裂活动性的认识只是一个初步的判定，仍需后续研究如古地震工作做更加深入探讨。
致谢 感谢评审专家和杨美芳编辑为本文提出的宝贵意见和建议!
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Abstract
The Qiantang River drainage basin is located in Eastern China, which crosses the tectonic units of Jiangnan(including Jiangnan uprise platform and northwest Zhejiang)and Huanan subzones. There are three main northeast-trending faults developed in the Qiantang River drainage basin, i.e., Jiangshan-Shaoxing Fault(F1), Qiuchuan-Xiaoshan Fault(F2), and Majin-Wuzhen Fault(F3). In recent years, geomorphic indexes are more and more used to quantitatively express geomorphic process in the study of tectonic geomorphology. In order to evaluate tectonic activity and characterize geomorphic evolution of the Qiantang River drainage basin, this work extracted several geomorphic indexes, including Hypsometric Integral(HI), area elevation integral integral curve(HC), slope, drainage basin asymmetry(AF), and drainage basin shape(Bs)from 87 sub-basins of the the Qiantang River drainage basin based on the ASTER GDEM data and the spatial analysis technique of GIS. Together with the lithology characteristics and the physical geography background, the development stage of the Qiantang River drainage basin and the tectonic activity of the three major faults developed in the basin were discussed. The main results are as following: (1) In the case of the area threshold less than 9km2, the HI value in the area covered by the volcanic rock with strong anti-erosion ability is usually high, whereas in the area with the shale and sandstone that is erodible, the HI value is relatively low. In the larger spatial scale, the HI value may be mainly related to tectonic activity. It opens out the spatial and area dependence of the HI. (2) The mean HI values of sub-basins which cross the three faults(F1, F2, and F3)developed in the Qiantang drainage basin are 0.2221, 0.2328, and 0.2722 respectively, the results indicate that the activity of the three faults descends from northeast to southwest. (3) The calculated results for AF and Bs value illustrate that the two values range from 0.11~42.57 and 0.36~6.86 respectively of sub-basins in Qiantang River drainage basin. Compared to the HI index, AF and Bs are more helpful to reveal the spatial difference of tectonic activity. (4) Based on the analysis of HI, AF, Bs, and slope gradient, it shows that the northern segments of Jiangshan-Shaoxing Fault and the Qiuchuan-Xiaoshan Fault are weaker than the southern segments in the activity, while the difference in the activity between the southern and northern segments of the Majin-Wuzhen Fault is not significant. (5) From the results of geomorphic indexes(HI=0.217, |AF-50|=4.27, Bs=0.77, the concave hypsometric curve), it can be concluded that the geomorphic evolution of Qiantang River drainage may be in the stage of old age.