河流是陆地表面最主要的造貌营力，在地貌演化过程中扮演着非常重要的角色，它不仅驱动了地貌的侵蚀和下切，而且为下游沉积盆地输送了大量的物质^[1]，因而成为构造地貌研究的重点对象^{[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]}。研究造山带河流地貌对构造活动的响应必须充分理解河流的下切过程和速率^{[10, 11]}，合理预测河流系统响应边界条件改变所进行的系统调整。传统河流地貌学认为河道比降调整是河流系统响应外部构造、气候和岩性变化的主要方式^[10]。但是，随着河流水力几何学研究的深入，这一认识得到了深化和提高。大量研究表明基岩河流水力几何形态(河床比降和横截面形态)在一定程度上影响了河流的侵蚀和搬运能力^[12]，河道宽度调整是基岩河流系统响应外部扰动的重要方式之一^{[12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]}。 虽然基岩河流河道宽度的变化与河岸的侧向侵蚀、基座阶地的形成以及河床冲积物覆盖度等因素密切相关^{[15, 19, 20, 21]}，但是，宽度-面积关系却基本上遵循了传统的水力几何经验关系，并且在一定程度上反应了外部扰动和基岩抗侵蚀程度对河道地貌的影响^[22]。

河流下切速率通常被模拟为河床边界剪切应力(或河流功率)的函数^{[17, 23, 24]}，而边界剪切应力(或河流功率)的变化又与河道水力几何形态密切相关。在一定的流量条件下，陡峭且狭窄的河道流速和径流深度相对较大，剪切应力也就相对较大，则河流的侵蚀能力就越强。因此，河流系统可以通过调整河道比降和宽度来改变下切能力，响应构造抬升速率的变化。河道宽度对构造抬升速率的响应不仅已经被物理实验^[25]和数值模拟^[26]研究所证实，而且被大量野外调查研究所验证^{[14, 16, 27]}。

目前国际上有关构造抬升驱动基岩河流水力几何形态调整的研究还相对较少，国内更是鲜有涉及，一方面主要因为自然界河流对构造抬升的响应时间较为漫长，另一方面则是因为要从各种复杂的因素(岩性、气候)中分离出构造活动的影响十分困难。在这些研究中，大部分又关注河道比降变化对构造抬升的响应，对河道宽度变化的研究相比之下则更少^[1]。此外，目前已发表的有关河道宽度响应抬升速率变化的研究，要么涉及到冲积河流，要么涉及到基岩河流不同河段间下切状态的转换，而且河道宽度数据记录的也多是洪积平原的宽度而非齐岸流宽度^[1]。最后，尽管基岩河道宽度随流域面积的不同而发生系统的变化，但是并非所有的基岩河道都响应侵蚀或抬升速率的增加而变窄^[1]，其原因仍是一个重要的、亟待回答的问题。综上所述，本文拟选择构造活动较为集中、基岩河道地貌发育广泛而典型的祁连山东段地区作为研究区，尝试开展基岩河道水力几何学研究，探索基岩河道宽度对外部驱动的响应。一方面通过对比不同河流河道宽度-面积特征指数(b′)的差异，尝试讨论河道宽度变化与构造抬升速率、基岩抗蚀性的关系； 另一方面利用不同的宽度变化模型对河道宽度的系统调整进行模拟预测，并与实测数据进行对比分析，探讨模型的适用性及合理性。

祁连山位于青藏高原东北缘，由一系列北西至北西西向近似平行的山脉和山间盆地组成^{[28, 29, 30, 31]}，作为高原最年轻的逆冲褶皱变形带，自晚中新世以来经历了快速的抬升和强烈的侵蚀^{[28, 30, 32, 33]}，因而成为构造地貌学研究的热点区域之一^[34]。印度和欧亚板块的碰撞汇聚作用^{[29, 30]}，使得上地壳的缩短和山体隆升成为祁连山地区主要的活动变形方式，目前这种缩短正不断地被新逆冲断层的形成和老逆冲断层的复活所吸收^[35]。

本文研究区位于祁连山最东段，从山脊到山麓地貌呈现明显的阶梯状分布，大致可以划分为3个单元(图1): 高山带(3500～5000m)、低山带(2500～3200m)和走廊平原带(1500m)。不同地貌带之间的界限与区域3条主要的逆冲断裂(冷龙岭断裂、皇城-双塔断裂和武威盆地南缘断裂)分布大体上一致(图1)。作为高山带南界的冷龙岭断裂是广义海原断裂带的中段，由多条北北西向次级断裂组成，晚第四纪时期仍在活动，性质以逆左旋走滑为主^{[36, 37, 38, 39, 40]}。冷龙岭断裂中更新世以来各时代平均左旋走滑速率分别为: 中更新世2.14～4.64mm/a、晚更新世2.86～4.07mm/a以及全新世3.35～4.62mm/a； 全新世以来断层活动强烈，主要表现为左旋走滑运动，并伴有正倾滑性质，垂直滑动速率为0.38mm/a^{[39, 40]}。皇城-双塔断裂是高山带与低山带的边界，性质以逆冲为主，兼具左旋走滑特征，断层两侧地势相对高差达800m，根据断层几何特征、活动时代和活动强度的差异，可将该断裂分为三段: 皇城盆地段(西段)、上寺段(中段)和冬青顶段(东段)^{[36, 41]}。西段运动性质主要表现为左旋走滑，中更新世至晚更新世早、中期平均左旋走滑速率可达2.5～3.5mm/a，但晚更新世以来已停止活动^{[36, 41]}。与西段相比，东段和中段为全新世活动断层，尤以东段活动强度最大，运动方式最为复杂^{[36, 41, 42]}。东段断层以挤压褶皱、逆冲运动为主要特征，晚更新世以来逆冲滑动速率为0.39mm/a^[42]，全新世以来仍有明显的活动，垂直滑动速率为0.76～0.82mm/a^{[36, 41, 42, 43, 44]}。武威盆地南缘断裂是北部前缘断裂的分支断裂，作为低山带与走廊平原带的分界线，全新世以来平均垂直滑动速率为0.57mm/a^[44]。弱震深度剖面揭示皇城-双塔断裂与武威盆地南缘断裂均为冷龙岭逆冲推覆构造的重要成员，断层上陡下缓，向深部归并于冷龙岭断裂^[43]。除此之外，在研究区西部冷龙岭断裂与皇城-双塔断裂之间还分布了一条重要的断裂，即民乐-大马营断裂，该断裂位于研究区内部分晚第四纪以来以挤压逆冲运动为主，局部地段有左旋走滑运动的征象，但全新世以来处于相对稳定的状态^[36]。

图1(Fig.1)

图1 研究区地质图及野外调查位置分布 WWBS: 武威盆地南缘断裂(Wuwei Basin South Margin Fault)； H-S: 皇城-双塔断裂(Huangcheng-Shuangta Fault)； M-D: 民乐-大马营断裂(Minle-Damaying Fault)； LLL: 冷龙岭断裂(Lenglongling Fault) Fig.1 Geology and survey locations in study area

此外，祁连山东段不同地貌带间下伏地层岩性变化也存在显著差异(图1): 高山带下伏地层主要为加里东期花岗岩、奥陶系砂岩、变质砂岩； 低山带下伏地层主要为二叠、三叠系砂岩、砾岩和砂砾岩； 走廊平原带则主要被第四系冲洪积物所覆盖。

该地区发育了一系列近似平行的基岩河流，主要有西营河、金塔河、杂木河、黄羊河和沙沟河，它们均发源于冷龙岭北坡，向北流经不同的构造和岩性带，最终在河西走廊汇入石羊大河(图1)。这些河流出山口以上河段整体表现出典型的基岩河道特征，基岩沿岸壁和河床广泛裸露，仅仅在部分受滑坡和泥石流影响的河段河床有少量的披风状薄层冲积物覆盖。河道两岸分布了多级基座阶地，相关年代学研究证实^{[45, 46, 47, 48, 49]}，晚更新世以来受断层间差异性逆冲、走滑运动的影响，不同地貌带间构造抬升速率存在明显差异，高山带的河流平均下切速率 1.2±0.4mm/a，低山带的河流平均下切速率 0.5±0.2mm/a，相差达2倍； 下切速率从靠近流域分水岭处的0.87mm/a逐渐下降到出山口处的0.27mm/a，最大变幅高达3倍。这些发育于山体内部的基岩河流，不仅是研究基岩河道水力几何特征与区域构造活动、岩性抗蚀性关系的理想载体，也是验证和讨论不同水力几何模型区域适用性和合理性的理想对象。

目前模拟河道宽度变化的模型主要有两类: 经典水力几何模型^[22]和Finnegan等^[17]基于明渠稳定均一流水力学关系推导得到的模型。经典水力几何模型认为^[22]: 河道宽度向下游的变化与流域面积(流量和输沙量的代用指标)呈幂函数关系； 而Finnegan等^[17]则认为: 河道宽度向下游的调整变化与流域面积正相关，与河道比降负相关。为了便于理解，下面分别对这两类河道宽度模型进行推导。

经典水力几何学认为，河道宽度(W)是流量(Q)的幂函数，而流量(Q)则是流域面积(A)的幂函数，即

其中，k_w和b分别为河道宽度-流量系数和指数，k_q和c 分别为流量-面积系数和指数。尽管公式(1)是基于冲积河道经验观察总结得到的结果，但是基岩河道也遵循同样的函数关系^{[1, 22]}。将公式(2)代入公式(1)，则可得到宽度-面积通用公式如下:

其中，k_w′和b′分别代表河道宽度-面积系数和指数。k_w′的取值与河道宽度的测量位置、河床地貌类型以及下伏物质性质(基岩或冲积物)密切相关^[50]，它是影响河流功率下切模型关键参数(侵蚀系数K，即k_e、k_w和k_q的乘积)的主要因素之一，同时也是模型校正的关键参数之一^[1]。b′指示了河道宽度随流域面积/流量的增加而向下游增大的程度，其值越大，说明河道向下游增宽越迅速，增幅越大^{[1, 51]}。大量研究证实，冲积河道b′取值范围较大(0.03～0.89)，而基岩河道取值范围则相对较小(0.3～0.5)，但总的来说冲积河道平均取值范围仍在0.4～0.5之间^[52]。根据公式(3)，只要结合河道宽度变化的野外测量与流域面积的室内计算，即可回归计算出河道宽度-面积关键参数的取值。

Finnegan等^[17]以明渠稳定均一流流量流速经验公式—曼宁(Manning)公式(1891)为基础，推导出河道宽度(W)与流量(Q)、比降(S)的函数关系:

其中，α表示河道宽深比，n是曼宁糙率系数，均为无量纲常数。虽然公式(6)是在矩形河道齐岸流假设前提条件下进行推导的，但仍然适用于具有稳定河床覆盖物的天然河道^[17]。将(2)式代入(6)式，则有:

公式(3)和公式(7)分别描述了河道宽度与流域面积的两种不同的函数关系。公式(3)是直接通过野外实际观察总结得到的经验关系式，而公式(7)则是根据已有的水力学经典关系推导出的关系式^[17]。与公式(3)不同，公式(7)引入了河床覆盖物特征(n)、河道横截面形态(α)以及河道比降(S)3个新的参数，尤其强调了河道宽度与比降的关系。

为了探索祁连山东段基岩河流河道宽度对差异性构造抬升的响应，本文选取了该区域两条较大的基岩河流冰沟河和宁缠河(图1)，进行了详细的野外考察和室内计算。冰沟河是金塔河的一级支流，河道发源于高山带，向下游穿过皇城-双塔断裂流入低山带，在出山口附近与干流汇合后流入走廊平原带，全长约38km； 宁缠河是西营河的一级支流，全长约45km，整个河道均发育在高山带，在高山带与低山带的交界处穿过皇城-双塔断裂汇入干流，本文野外考察向下游一直延伸至西营河干流出山口处。我们仅对典型的基岩河段进行研究，而排除上游接近河源的崩塌河段和下游出山口附近的冲积河段。野外考察主要包括: 河道宽度测量、河床基岩露头硬度测量、河床地貌特征考察； 室内计算主要包括: 流域地貌定量指标计算、地质图数字化、宽度-面积回归拟合计算及宽度模型预测。

根据测量位置的不同河道宽度可以划分为: 高流量宽度、低流量宽度和谷底宽度^{[50, 51, 52, 53]}。低流量宽度指夏季基流条件下的水面宽度，该宽度受测量时的水力条件影响较大，因此不具有地貌关联性； 高流量宽度指河道两岸活跃冲刷带之间的距离，受经常性洪水影响，几乎没有植被生长，近似于冲积河道的齐岸流宽度； 谷底宽度指峡谷两岸岩壁间的距离，包括高于河床3～4m的基座阶地或堆积阶地的宽度，在陡而窄的河谷中可以近似等同于高流量宽度。考虑到公式(7)的前提假设条件，本文在野外考察中主要对高流量河道宽度进行测量。选用美国Opti-logic LH型激光测距仪(精度0.1m)，沿河道间隔约50m测量河道宽度的变化。在测量过程中尽量选择河岸无植被覆盖、基岩露头明显被流水冲刷过的位置作为测量点^{[16, 50, 51, 53]}。

河床基岩露头硬度测量选用瑞士SilverSchmidt N型回弹仪。该回弹仪测量岩石硬度的原理是: 利用回弹仪的弹性杆锤击岩石表面，一部分锤击能量转化为使岩石产生塑性变形的功，另一部分则表现为弹性冲击杆的回弹距离(回弹值R)，由于不同岩石表面的硬度不同，其R值也就不同，因此R值的大小可以反应岩石表面硬度的大小和抗塑性变形能力的强弱。早在20世纪60年代回弹仪就已经被应用于地貌学研究，如: 基岩抗蚀性测量、基岩风化程度测量及全新世相对定年^{[54, 55]}。本文在硬度测量过程中，尽量选择靠近河床、面积较大且较平整的基岩露头进行锤击，锤击前先用打磨石将基岩露头表层风化物质打磨掉，并尽量使其平整。然后严格遵循JGJ/T23-2001行业标准^[56]，对每个待测面分别进行16次锤击，删除3个极高值和3个极低值，最后利用剩余的10个测量值计算得到该露头的平均回弹值和标准偏差。

流域地貌定量指标的室内计算与分析主要是基于ArcGIS 9.3和Matlab2010软件平台。首先，选用90m分辨率的SRTM 数据作为基础数据，提取河道纵剖面、流域面积及河道比降； 其次，对祁连山地区1 ︰ 520150220地质图进行数字化，建立岩性及断层数据库； 然后，结合野外河道宽度实测数据与室内计算结果，分别绘制冰沟河和宁缠河的宽度-面积双对数图，并对关键参数进行回归拟合计算； 最后，根据流域面积及河道比降的计算结果，分别利用公式(3)和公式(7)对河道宽度的变化趋势进行预测，并将预测结果与实测数据进行对比，讨论公式的区域适用性及合理性。

本文沿冰沟河和宁缠河总计收集了300多个高流量河道宽度数据，结合DEM计算得到的流域面积数据，绘制得到宽度-面积图(图2)。对冰沟河和宁缠河河道宽度全数据集进行幂函数回归拟合，结果显示宽度-面积指数b′值分别为0.55和0.46(图2a和2b)。为了便于对比，选择经验值0.5作为宽度-面积指数，分别对两组数据进行固定指数的幂函数回归拟合，结果发现在相同流域面积下，冰沟河的河道宽度约为宁缠河的4倍(图2a和2b)。值得注意的是，冰沟河的宽度数据大部分集中在低山带，只有小部分数据分布在高山带； 而宁缠河的宽度数据不仅包括了分布在高山带的宁缠河的数据，还包括了分布在低山带的西营河干流的数据(图1)。为了准确对比高山带和低山带河道宽度的变化特征，对冰沟河位于低山带的数据和宁缠河位于高山带的数据分别进行回归拟合(图2c和2d)，得到宽度-面积指数b′值分别为0.55和0.44。对比两组不同回归区间的数据拟合结果不难看出: 冰沟河的指数值几乎没有变化(b′≈0.55，见 图2a和2c)，而宁缠河的b′值却从全数据集的0.46减小为高山带数据集的0.44(见 图2b和2d)。这一结果说明高山带河段的河道宽度-面积关系明显不同于低山带的河段，高山带河段河道宽度随流域面积的增加较缓慢，而低山带河段河道宽度随流域面积的增加较迅速。

图2(Fig.2)

图2 祁连山东段基岩河流河道宽度-面积关系图 实线(solid lines): 自由参数幂函数回归拟合(regression for a power-law model with free parameters)； 虚线(dashed lines): 固定参数(b′=0.5)幂函数回归拟合(regression for a power-law model with fixed parameters(b′=0.5)) Fig.2 Channel widths versus drainage areas for bedrock rivers in eastern Qilian Mountain

本文沿冰沟河和宁缠河共计测量了95个河床基岩露头(图1)，计算得到两条河流基岩硬度平均值分别为 58.8±8.8和 66.0±7.2(表1)。根据岩性硬度强弱沿河道的分布特点，对基岩抗蚀性沿河道的变化进行了大致划分(图3):1)冰沟河沿河道大体上可以分为抗蚀性较强(A段)和抗蚀性较弱(B段)两段(图3a和 表1)。抗蚀性较强的A段主要由奥陶系砂岩、变质砂岩和凝灰岩组成，平均硬度 68.0±4.7； 抗蚀性较弱的B段则主要出露石炭、二叠和三叠系地层，平均硬度 54.9±7.1。2)宁缠河岩性抗蚀性沿河道可以划分为C～G共5段(图3b和 表1)。其中，D段出露石炭系地层，F段出露泥盆、二叠和三叠系地层，两段均为岩性抗蚀性较弱段，硬度平均值均为55.0左右； 其余3段(C、E和G)下伏地层主要为加里东期花岗岩和奥陶系地层，均为岩性抗蚀性较强段，硬度平均值在68～70之间。

表1(Table 1)

表1 祁连山东段岩性调查及测量结果表Table 1 Lithology survey results in eastern Qilian Mountain 河道 分段 长度/km 地层 测量位置 平均值R 描述 平均值R 冰沟河 A* 9.0 奥陶系 12 68.0±4.7 砂岩、变质砂岩、凝灰岩 58.8±8.8 B 13.7 石炭系二叠系三叠系 28 54.9±7.1 砂岩、页岩、灰岩、砾岩、砂砾岩 宁缠河 C 14.4 加里东期 8 69.8±3.4 花岗岩 66.0±7.2 D* 4.0 石炭系 2 55.2±7.2 砾岩、砂岩、页岩 E 16.3 奥陶系加里东期 21 68.1±4.6 花岗岩、砂岩、硅质岩、泥岩 F 18.1 泥盆系二叠系三叠系 9 54.8±4.7 砂岩、砾岩、砂砾岩 G 13.2 奥陶系加里东期 15 68.7±4.0 花岗岩、变质砂岩、硅质岩、泥岩 * 受人类活动及野外考察难易程度影响，A段和D段的测量点相对较少

表1 祁连山东段岩性调查及测量结果表 Table 1 Lithology survey results in eastern Qilian Mountain

图3(Fig.3)

图3 祁连山东段基岩河道宽度与岩性抗蚀性变化对比图 (a)冰沟河(Binggou River)；(b)宁缠河(Ningchan River)； H-S: 皇城-双塔断裂(Huangcheng-Shuangta Fault)； M-D: 民乐-大马营断裂(Minle-Damaying Fault) Fig.3 Comparisons of channel width with lithologic resistance in eastern Qilian Mountain

冰沟河和宁缠河均发源于冷龙岭北坡，气候条件相同，流域相互毗邻，且具有相同的侵蚀基准面(河西走廊)。在晚中新世祁连山东段快速抬升和强烈侵蚀的背景下，两条基岩河流河道宽度向下游的系统调整却表现出明显的差异: 冰沟河河道宽度向下游的增加速率明显高于宁缠河，相同流域面积下河道宽度相差高达4倍(图2a和2b)。构造抬升和基岩抗蚀性的变化是影响基岩河道宽度-面积比例关系的两大主要因素^[52]，然而，在祁连山东段地区究竟是何种因素控制了基岩河道宽度的变化。为了回答这一问题，我们分别将冰沟河和宁缠河河道宽度向下游的变化与基岩露头抗蚀性变化、主要断层的位置及活动强度进行了详细的对比分析(图3)。

岩性调查显示，冰沟河和宁缠河从上游至下游沿程穿过了不同的岩性带，基岩抗蚀性发生明显变化(图3)。冰沟河从抗蚀性较强的A段，穿过皇城-双塔断裂流入抗蚀性较弱的B段，硬度平均值从68降低到55，河道宽度则从40m增加到160m(图3a和 表1)。相比之下，宁缠河基岩抗蚀性的变化则更为复杂。宁缠河从上游至河流出山口大致穿过了5个岩性抗蚀性强弱变化带，硬度平均值变化范围为55～70，河道宽度从上游的10m向下游增加到70m(图3b和 表1)。同样位于岩性抗蚀性较强(R≈68～70)的高山带，流域面积较小(326km²)的冰沟河的A段河道宽度(50m)却比流域面积较大(736km²)的宁缠河的C段河道宽度(20m)宽约2倍； 对于岩性抗蚀性较弱(R≈55)的低山带河段B段和F段，结果同样如此(图3和 表1)。因此，可以推断基岩抗蚀性并非控制冰沟河和宁缠河河道宽度变化的主要因素。此外，就单一河道而言，岩性抗蚀性变化与河道宽度的系统调整也无明显的相关性。例如: 宁缠河从E段向下游流入F段时，河道宽度在抗蚀性较弱的F段并未明显增加，相反却在抗蚀性较强的E段从10m增宽至60m(图3b和 表1)。综上所述，在祁连山东段地区基岩抗蚀性变化对河道宽度的影响有限，并非控制河道宽度系统调整的主要因素。

河流阶地研究证实祁连山东段地区经历了差异性的构造抬升，高山带和低山带之间平均河流下切速率相差近2倍^[48](图4)。宁缠河流域河流下切速率从上游的0.87mm/a降低到出山口附近的0.53mm/a； 冰沟河流域则从上游的0.68mm/a降低到出山口附近的0.27mm/a^[48]。由于这些河流大都处于或接近于均衡状态，因此河流的下切速率整体上反映了区域的构造抬升速率^{[48, 57]}。祁连山东段的差异性构造抬升与区域主要断层的活动密切相关。位于研究区最南边的冷龙岭断裂，晚更新世以来主要以水平运动为主^[40]，因此对垂直方向上的差异性构造抬升影响可能较小。民乐-大马营断裂东段横切西营河上游流域，第四纪以来断层活动以逆冲挤压为主，全新世已基本停止活动^[36]，该断层是控制宁缠河上游河段差异性抬升的主要断层之一。控制研究区高山带和低山带之间差异性构造抬升的主要断层是皇城-双塔断裂和武威盆地南缘断裂^[48]。低山带的抬升主要累积了武威盆地南缘断裂的逆冲抬升量，而高山带的抬升则同时累积了武威盆地南缘断裂和皇城-双塔断裂的抬升量，因而导致了高山带河流和低山带河流具有不同的下切速率^[48]。

图4(Fig.4)

图4 祁连山东段流域坡度变化图 Fig.4 Map of slope variation in eastern Qilian Mountain

控制冰沟河流域差异性构造抬升的断层主要有: 皇城-双塔断裂和武威盆地南缘断裂； 控制宁缠河流域差异性构造抬升的断层则主要有: 民乐-大马营断裂、皇城-双塔断裂以及武威盆地南缘断裂。冰沟河皇城-双塔断裂以南河段(高山带)，河道宽度基本保持在40～80m之间，向下游穿过断层后，河道宽度陡然增大至80～160m(图3a)。宁缠河民乐-大马营断裂以南河段(高山带)，河道宽度约为20m，向下游穿过该断裂后，河道宽度逐渐增加，至皇城-双塔断裂附近达到50m，当河流穿过皇城-双塔断裂进入低山带后，河道宽度增加至70m左右(图3b)。值得注意的是，冰沟河和宁缠河自南向北穿过皇城-双塔断裂时，河道宽度的增加表现出明显不同的特点: 冰沟河穿过断层河道宽度陡然增大，断层南北河段河道宽度相差达2倍； 宁缠河穿过断层河道宽度逐渐增加，不存在突变现象(图3)。

冰沟河和宁缠河穿过断层河道宽度所表现出的不同调整方式，一方面很可能与皇城-双塔断裂东、中、西三段活动时代及活动强度的差异有关，另一方面则很可能与古浪推覆体的扩展密切相关。古浪推覆体位于海源-祁连山逆左旋走滑断裂带中东段的断裂大拐弯处，受区域北东向构造应力的强烈挤压作用以及主边界断裂的走滑挤压作用影响，形成一个逐渐向北东方向扩展的前展式逆冲推覆体系^{[58, 59]}。冰沟河位于皇城-双塔断裂中段偏东，古浪推覆体的主体位置偏西，因而受皇城-双塔断裂东段(冬青顶段)全新世以来的强烈活动和古浪推覆体的北东向扩展作用影响较大^{[41, 42, 58, 59]}。宁缠河位于皇城-双塔断裂西段，古浪推覆体以西，自晚更新世以来该段断裂已无明显活动，因此其受断裂活动及古浪推覆体的北东向扩展影响较小^{[41, 42, 58, 59]}。可以推测，全新世以来皇城-双塔断裂冬青顶段的强烈活动以及古浪推覆体的北东向扩展，尤其是它们控制作用下的1927年的古浪8.0级地震^{[58, 59]}，对冰沟河和宁缠河存在不同程度的影响，导致两条河流在穿过皇城-双塔断裂时河道宽度表现出截然不同的响应模式。

总的来说，在祁连山东段地区主要断层的活动控制了区域的差异性构造抬升，从而导致河流在穿过主要的活动断层时，河道宽度发生了系统的调整，宽度调整的方式及幅度与断层的活动方式及活动强度密切相关。

河道宽度-面积双对数图是研究河道宽度向下游系统变化的有效工具。对冰沟河和宁缠河河道宽度全数据集的拟合显示: 冰沟河河道宽度随流域面积增加的速率明显大于宁缠河，宽度-面积指数b′值分别为0.55和0.46(图2a和2b)。此外，对冰沟河位于低山带的数据进行拟合，结果发现b′值基本保持不变(0.55，见 图2c)； 而对宁缠河位于高山带的数据进行拟合，则发现b′值从0.46减小到0.44(见 图2d)。宁缠河位于高山带的河段河道宽度向下游的增加较整个河道缓慢，符合高抬升速率地区河道宽度相对较窄，低抬升速率地区河道宽度相对较宽的基本规律。冰沟河的b′值保持不变，则很可能是因为其位于高山带的河段数据点相对较少(图1)，故而对宽度的整体变化趋势影响不大。

综上所述，对祁连山东段地区基岩河流冰沟河和宁缠河开展的河道宽度变化研究发现，河道宽度向下游的调整变化是对区域差异性构造抬升的响应: 构造抬升速率升高，河道变窄，河流下切速率增大； 构造抬升速率降低，河道变宽，河流下切速率减小。

基于公式(3)和公式(7)的河道宽度模型预测结果显示: 对于冰沟河，公式(3)的预测结果较符合河道实际变化趋势，公式(7)的预测结果则偏差较大，尤其体现在皇城-双塔断裂以北的低山带河段部分，预测值明显低于实测值(图3a)； 对于宁缠河，公式(3)和公式(7)的预测结果均与实际测量值的变化趋势较为接近(图3b)。对比公式(3)和公式(7)不难发现，后者引入了河道比降(S)变量。因此，为了直观的对比两个流域的比降变化特征，本文计算并绘制了祁连山东段流域坡度变化图(图4)，并按照《中华人民共和国1 ︰ 100万数字地貌制图规范》^[60]将坡度分为5级: 平原和台地(<7°) 、平缓的(7°～15°) 、缓的(15°～25°) 、陡的(25°～35°) 和极陡的(>35°) 。分级结果显示: 宁缠河流域从高山带到低山带坡度逐渐降低，冰沟河流域则在穿过高山带与低山带的边界时坡度发生显著突变，从陡坡和极陡坡突然转变为平缓坡和台地(图4)。冰沟河坡度的这种突变很可能是导致其低山带河段河道宽度预测值(公式(7))低于实测值的主要原因。冰沟河在流入低山带后，坡度突然变缓，河流挟沙能力减弱，河床冲积物覆盖度增加(n增大)，从而导致河道宽度进行系统调整。公式(7)的预测仅仅只考虑了流域面积(A)和河道比降(S)的变化，故而预测值较实测值偏低。宁缠河在穿过地貌边界时，流域坡度无明显突变，公式(7)的预测结果与实测数据变化趋势一致，进一步印证了这一推测。

总的来说，公式(3)较为准确地预测了冰沟河和宁缠河的河道宽度总体变化趋势，这说明基于野外观察得到的河道宽度-面积经验关系式具有较好的普适性，基本上捕捉了河道宽度变化的整体趋势。相比之下，基于水力学经典关系式的公式(7)则较好地体现了河道宽度(W)与河床覆盖物特征(n)、河道横截面形态(α)以及河道比降(S)间的相互作用，更为灵敏地反映了河道内部特征的变化。

对祁连山东段地区基岩河流水力几何形态的研究发现，位于高抬升速率地区的河道较窄(宁缠河，b′≈0.44)，位于低抬升速率地区的河道较宽(冰沟河，b′≈0.55)。通过对比两个流域基岩抗蚀性及构造抬升速率的分布特征，发现河道宽度的调整变化是对不同地貌带间差异性构造抬升的响应，虽然岩性抗蚀性的变化对河道宽度存在一定程度的影响，但是并非主要因素。此外，不同河道宽度变化模型预测结果的对比证实: 公式(3)较准确的预测了河道宽度的整体变化趋势，具有较好的普适性； 公式(7)则更侧重于河道内部特征的变化和各种因素间的相互作用。

本文对祁连山东段地区基岩河道水力几何特征变化的探索，虽然取得了一些初步的结论，但是仍然存在许多不足，主要体现在两个方面: 1)由于研究流域缺乏泥沙观测资料，因此无法估算沉积荷载的变化对河道宽度的影响； 2)利用Finnegan等^[17]的公式(公式(7))进行河道宽度预测时，对河床冲积物覆盖度以及河道横截面形态的变化欠缺考虑。总之，河流水力几何学研究的顺利开展，不仅需要大量野外观测数据的支持，而且实验室的模拟研究也必不可少。

致谢 李清洋、刘芬良及崔建军对本文的野外工作给予了极大的支持和帮助； 审稿专家和编辑部老师对本文的最终完善提出了建设性的修改意见，谨表感谢!