基于势能信息熵的黄土小流域沟谷网络演化特征研究

沟谷网络是黄土高原流域地貌的重要侵蚀产沙区和最主要的产沙运移通道,深入了解沟谷网络的形成过程和演化特征,对黄土高原小流域的水土保持综合治理、生态恢复和流域地貌演化过程研究具有重要意义.然而,流域内部沟谷网络的发育演化过程与整个流域地貌演化过程的相互作用机制尚未得到有效揭示.该文基于室内人工降雨试验条件下获取的9期人工模拟黄土小流域DEM数据,提出一种表征流域地貌系统内部沟谷网络演化有序程度的方法,并利用小流域地貌系统的势能信息熵及其熵变规律对沟谷网络演化过程及其变化特征进行研究.结果表明:在该实验条件下,以侵蚀为主的均质黄土小流域在地貌发育的幼年期,势能信息熵呈不断减小态势,沟谷网络有序性不断增强,在幼年期末达到最高;进入壮年期后,势能信息熵呈缓慢增加态势,沟谷网络有序性受到一定程度破坏,演化特征与该系统势能信息熵的熵变特征及流域地貌侵蚀发育阶段高度一致,流域地貌的势能信息熵和沟谷网络有序演化特征能有效指示流域地貌的侵蚀发育阶段.     

陕北黄土高原水蚀沟谷多维度侵蚀特征量化研究

沟谷地是黄土高原地貌形态特征变化最明显的区域,其发育对整个黄土高原地貌发育具有重要的控制性作用。论文基于5 m分辨率的DEM数据,在陕北黄土高原遴选包含15种地貌类型的42个样区,以沟谷密度、水平逼近度与切割深度作为纵向、横向与垂向3个维度的代表因子,分析了沟谷的多维发育进程、特征、空间分异及影响因素。研究结果显示：陕北黄土高原南北方向上沟谷发育呈现由溯源侵蚀主导转向横向溯源侵蚀主导、溯源下切侵蚀主导到横向溯源侵蚀主导,54.8%的样区各维度对整体发育进程的影响程度相近,且86.4%处于陕北黄土高原中部地区,即中部地区多维度发育均衡,南北两端以溯源侵蚀与横向侵蚀为主。结合面积—高程积分分析发现沟谷发育可划分为3个阶段：发育初期以溯源侵蚀为主,带动下切侵蚀伴有横向侵蚀;发育中期以溯源侵蚀为主,伴有持续性横向侵蚀与较强下切侵蚀;发育晚期以横向侵蚀为主,伴有一定程度的溯源侵蚀与轻微下切侵蚀。黄土厚度对沟谷系统垂向下切侵蚀的影响最大(Cv=0.164),土地利用类型对沟谷系统横向侵蚀的影响较大(Cv=0.0681),林地对于维护各个维度的抗侵蚀能力最强,生长茂密的草地和灌木林及作物次之,生长稀疏的牧草和作物较差。     

黄土陡坡裸露坡耕地浅沟发育过程研究

根据黄土陡坡地浅沟地形特征参数,在室内人工建筑浅沟发育初期的雏形模型,研究浅沟发育不同阶段沟头溯源侵蚀、沟壁扩张和沟槽下切变化规律,分析浅沟侵蚀对坡面侵蚀产沙的贡献。结果表明,浅沟发育不同阶段对应于不同的浅沟侵蚀过程。浅沟发育初期,沟头溯源侵蚀、沟壁扩展和沟床下切均相对活跃,且溯源侵蚀速率大于沟壁扩张速率和沟床下切速率;浅沟发育中期,以沟槽下切和沟壁扩张为主;浅沟发育后期,以沟壁扩张为主,但沟壁扩张速率明显小于浅沟发育的初期和中期阶段。浅沟发育初期和中期阶段,浅沟侵蚀量占总坡面侵蚀产沙的58%;浅沟发育后期,浅沟侵蚀量占总坡面侵蚀产沙的26%~59%。     

全球视野下崩岗侵蚀地貌及其研究进展

典型的崩岗具有“圆形露天剧场”般的沟头,发育在深厚的红色花岗岩风化壳上,通常包括集水坡面、崩壁、崩积体、沟道、洪积扇5个地貌组成部分;崩壁自上而下可分为表土层、风化红粘土层(红土层)、风化砂质红粘土层(砂土层)、风化粗碎屑层(碎屑层)。中国的崩岗与马达加斯加的lavaka属于同类地貌,两者具有地貌学上的可比性。崩岗群是劣地的表现形式之一,但与欧洲的badland有不同的侵蚀过程,也不同于意大利和巴西的两种沟谷侵蚀地貌calanchi和vocoroca。崩岗主要发育在华南和东南热带和亚热带湿润季风气候区中等偏缓的丘陵坡地上,由沟谷侵蚀发展而成,是沟谷侵蚀的高级阶段。崩岗沟道侵蚀产沙量占崩岗沟谷流域侵蚀产沙量的一半以上,其中沟道沟壁崩塌侵蚀产沙量与沟床下切侵蚀产沙量又各占崩岗沟道侵蚀产沙量的一半左右。野外人工模拟降雨试验是研究崩岗流域侵蚀、产流和产沙过程的有效手段。崩岗流域侵蚀产沙量可以通过崩岗沟谷和洪积扇地形测量加以估算。     

川中丘陵沟谷负地貌的初步研究

川中丘陵是丘陵错综起伏、沟谷纵横交错的地区。作者以这个地区的五个沟道小流域为基础,探讨了沟谷地貌的几个问题。运用数理统计的方法,揭示了川中丘陵区沟谷系的分布方向具有系统性特征;受外营力和共它随机因素影响,在分布方向上又具有随机性特征。在沟道数目、沟道比降,主沟长度和流域面积与级别之间又有着良好的几何级数关系,在结构分析的基基上,本文提出沟道上凹度、平均落差此,以及河源面积率可以作为确定沟谷系统演化阶段的定量指标。利用野外调查和形态测量资料,将川中丘陵区的沟谷划分为浅沟、切沟、冲沟、冲谷和溪谷五类,从形态数量特征揭示了沟谷发育过程的连续性和阶段性特征,并建立了沟谷演变过程的数学模型。四川盆地成为外流盆地以来,地壳运动和气候波动在该区引起了数次侵蚀旋回,产生了七期沟谷系统。沟谷和丘体的形态之间存在着高度相关,达种相关性既是沟谷、丘体地貌长期演化的结果,又是地貌形态和动力过程相互平衡的结果。运用聚类分析,认为相对高度20米、60米和100米作为划分丘陵类型的数量指标比较适宜。此外,对川中丘陵区侵蚀,搬运的基本特征以及影响流域侵蚀的诸因素作了讨论,确定了引起流域加速侵蚀的主导因素。最后,利用几个小流域的泥沙资料,建立了侵蚀模型。     

中国河流地貌研究进展——纪念沈玉昌先生100年诞辰

2016年是中国现代河流地貌研究的开拓者和奠基人沈玉昌先生100年诞辰,本文对中国河流地貌研究进展进行综述,以资纪念。研究涉及4个方面：① 水系发育与河谷地貌演变,包括大江大河水系历史发育和山区河流地貌;② 侵蚀与产沙过程,包括有物理成因基础的侵蚀产沙模型、侵蚀产沙过程的尺度效应、植被对侵蚀的影响及临界现象、坡面细沟发育过程模拟等;③ 河床过程与河型,包括河道冲淤过程、河床演变、河型成因与演变等;④ 河流地貌系统研究,包括流域系统不同子系统的耦合关系、河流地貌系统中的高含沙水流和多营力地貌过程、河流地貌系统对于自然因素变化和人类活动的响应、河流地貌系统中的泥沙灾害和河流地貌系统的实验研究等。50年前沈玉昌先生与钱宁先生提出在地貌学与河流动力学相结合的基础上发展中国河流学科。文中对此方面的进展进行了综述,并提出了需要深化和解决的问题。     

沟道流域坡面与沟谷侵蚀演化关系——以晋西王家沟小流域为例

以往坡、沟侵蚀关系研究主要限于水沙关系的探讨 ,有关原型尺度小流域坡、沟地貌侵蚀演化关系的定量研究甚少 ,尤其是坡、沟地貌特征对流域切割程度的综合影响与交互作用的定量研究尚属空白。本文在 3S技术支持下 ,根据晋西王家沟小流域 196 7年 1∶5 0 0 0正摄影像图 (DOM )、高程数字化模型 (DEM )和同期、同比例尺地形图 ,利用正交多项式回归分析方法 ,定量分析了坡、沟地貌特征对流域切割程度的影响与交互作用。研究表明 ,沟谷地在流域地貌演化及地表切割程度中起主导作用 ,在沟间地面积相同时 ,沟谷地面积约为0 1km2 是影响流域切割裂度侵蚀演化强度最大的区域 ,流域面积愈小影响流域地表破碎的程度最大。其沟道流域坡、沟地貌演化机制可用坡、沟水流动能的地貌指标的综合影响与交互作用来解释     

美国西部丹霞地貌特征及演化过程研究——以犹他州Zion国家公园为例

丹霞地貌是一种重要的风景地貌,研究其地貌特征和演化过程可以为保护与利用这一地质遗迹提供科学支持。中生代红层是我国丹霞地貌发育的物质基础,在美国西部的科罗拉多高原亦有大量分布。为增进国内同行对美国西部红层与丹霞地貌的了解,以犹他州Zion国家公园为例,通过实地考察,岩样理化性质测试,并结合GIS和DEM分析,对其地貌特征和演化过程进行探讨。结果表明:区域构造方面,Zion公园红层沉积于大型的弧后盆地——西部内陆盆地,盆地抬升时形成的节理群对丹霞地貌发育具有控制作用;红层岩性方面,Zion公园发育丹霞地貌的红层以风沙沉积为主,岩性为细砂—粉砂岩,但不同段的风成砂岩在胶结特性和岩石强度上存在较大差异;地貌特征方面,Zion公园整体为高原—深切峡谷景观,其中高程为1800～2000 m的部分占比最大,公园南部比北部切割侵蚀程度更高,形成的单体地貌以块状山崖—沟谷组合为主,同时还因地下水的基部渗流侵蚀和风蚀作用在崖壁上发育有各种洞穴景观;演化过程方面,Zion公园丹霞地貌发育经历了构造盆地形成—红层堆积—地壳隆升—外力塑造四个阶段,三叠纪末期形成的西部内陆盆地为红层堆积提供了相对稳定的沉积环境,侏罗纪期间干旱的气候环境下形成了大规模的风沙沉积,白垩纪末期科罗拉多高原的抬升及形成的节理裂隙为外力侵蚀提供了条件。其中,强烈的流水下切是该地区丹霞地貌发育的主导外营力,并一直持续至今。     

黄土丘陵地貌形成模式与地貌演变

通过对陕西北部典型黄土丘陵区地貌调查,提出了黄土丘陵地貌形成模式,并对地貌演变进行了探讨。黄土高原原生黄土丘陵分布广泛,主要在下伏古丘陵基础上由黄土加积而成;次生黄土丘陵是黄土塬、黄土台塬等经沟谷侵蚀、改造而成。黄土丘陵区河流阶地和沟谷层状地貌反映了河流、沟谷的形成与演变。黄河一级支流形成于早更新世末;早中更新世末、晚中更新世初黄河一级支流和较大的二级支流形成了较完整的水系;中更新世末如韭园沟等较大的沟谷形成;晚更新世末河网、沟谷格局与现在已基本一致;尚未切入基岩的冲沟多形成于全新世;长度百米至数十米的切沟多是历史时期或近几十年来形成的。     

黄土丘陵区廊道研究初探

以景观生态系统理论为指导,对黄土丘陵区进行了地貌景观结构分析,确定了其“廊道、斑块、基质”的景观模式,认为黄土堆积物可被看作为黄土丘陵区的基质;墚、塬、峁、台地和残塬等为被侵蚀的一种残存斑块;沟谷、河谷和道路是主要的廊道。提出了沟谷廊道的概念,初步分析了沟谷廊道在黄土丘陵区的特点:三道合一、分布自相似性、延伸速度快、水土流失的通道以及道路廊道狭窄。从景观生态理论与沟谷廊道治理目标相结合的观点出发,提出了优化整治的原则与治理措施,认为黄土丘陵区沟谷廊道的研究在生态环境治理和社会经济发展方面具有重要的研究价值。     

Towards an integration of process measurements, archive analysis and modelling in geomorphology — the Kärkevagge experimental site, Abisko area, northern Sweden

The analysis of Holocene geomorphic process activity demands long–term data sets, which are available for the Kärkevagge catchment due to 50 years of intensive geomorphologic field studies. This data set is used in combination with additional field measurements, remote sensing and digital elevation model (DEM) analysis to provide input data for modelling Holocene valley development. On the basis of this information, geomorphic process units (GPUs) are defined by means of GIS modelling. These units represent areas of homogeneous process composition that transfer sediments. Since the data base enables the quantification of single processes, the interaction of processes within the units can also be quantified. Applying this concept permits calculation of recent sediment transfer rates and hence leads to a better understanding of actual geomorphic landscape development activity. To extrapolate these data in time and space the process–related sediments in the valley are analysed for depth and total volume, primarily using geophysical methods. In this fashion the validity of measured process rates is evaluated for the Holocene time scale. Results from this analysis are exemplified in a cross–profile showing some of the principal sediment units in the valley. For example, the measured modern rates on a slush torrent debris fan seem to represent the Holocene mean rate. This approach should also be suitable for revealing Holocene geomorphic landscape development in terms of climate change.     

Towards an integration of process measurements, archive analysis and modelling in geomorphology — the Kärkevagge experimental site, Abisko area, northern Sweden

The analysis of Holocene geomorphic process activity demands long–term data sets, which are available for the Kärkevagge catchment due to 50 years of intensive geomorphologic field studies. This data set is used in combination with additional field measurements, remote sensing and digital elevation model (DEM) analysis to provide input data for modelling Holocene valley development. On the basis of this information, geomorphic process units (GPUs) are defined by means of GIS modelling. These units represent areas of homogeneous process composition that transfer sediments. Since the data base enables the quantification of single processes, the interaction of processes within the units can also be quantified. Applying this concept permits calculation of recent sediment transfer rates and hence leads to a better understanding of actual geomorphic landscape development activity. To extrapolate these data in time and space the process–related sediments in the valley are analysed for depth and total volume, primarily using geophysical methods. In this fashion the validity of measured process rates is evaluated for the Holocene time scale. Results from this analysis are exemplified in a cross–profile showing some of the principal sediment units in the valley. For example, the measured modern rates on a slush torrent debris fan seem to represent the Holocene mean rate. This approach should also be suitable for revealing Holocene geomorphic landscape development in terms of climate change.     

基于Strahler面积—高程分析的云南石林县域喀斯特地貌演化的量化研究

基于异质性喀斯特地貌结构与喀斯特保护地整体保护利用的关系,将水平蚀低垂直加深的喀斯特地貌发育机制落实于地理信息系统支持的Strahler面积—高程分析,形成整体、海拔段和内部洼地的面积—高程曲线与积分值指标组,以量化石林县域喀斯特地貌演化。结果表明不同地貌发育特征的不同地形面具有不同的Strahler值,其差异和规律性有一定的指示价值。石林县四级海拔梯级地貌处于壮年晚期,为断裂切割与巴江侵蚀基准面差异性控制下的孤丘夷平面分解,属同期异构的回春型地貌区。> 2100 m海拔段为孤丘夷平构造侵蚀溶原中山,洼地不发育。1900~2100 m海拔段为孤丘夷平面转向孤丘溶原洼地、峰丛洼地,暗河不发育。1700~1900 m海拔段为溶丘洼地斜坡,由蚀余状石林—剑状石林—覆盖石林—烘烤石林组成的石林垂直层状结构与溶丘—洼地—暗河—泉群—河谷盆地组成的水平梯级地貌结构,它是水平与垂直地貌过程的融合产物。石林发育区既为水源形成区,也为水土流失区。这是石林保护地整体保护利用的地貌动力依据。     

Block and Debris Deposits in the High Drakensberg, Lesotho, Southern Africa: Implications for High Altitude Slope Processes

Past evaluation of high altitude slope development in Lesotho, southern Africa, is largely based on hypothetical or macro-scale geomorphic approaches. Consequently, the information pertaining to high altitude southern African Quaternary slope environments has remained rather rudimentary. The present study describes the morphology and discusses the likely palaeogeomorphic processes of blockstreams and debris deposits on the Popple Peak and Njesuthi-Mafadi south-facing-slopes in the Drakensberg. The geomorphic evidence provides much needed information to help improve the understanding of south-facing slope processes during past colder periods. A model for high altitude Drakensberg south facing slopes is presented and used to challenge and expand on recent models and ideas on southern African valley asymmetry. It is found that solifluction and debris flows/avalanches were operative on south-facing slopes during past cold periods and thereby contributed to past slope development at some high altitude sites in Lesotho. However, the geomorphological observations do not support the valley asymmetry hypothesis and it is suggested that greater caution be exercised in valley-form interpretations, particularly where geomorphological ground-truthing has been absent.     

广东碳酸盐溶洞发育的控制因子

广东省碳酸盐溶洞主要分布在粤北的韶关、清远两市。基岩岩性、地貌位置、水文条件、地质构造和气候条件是该地区溶洞发育的主要控制因子。广泛分布于华南岩溶山区、多级台地、山间盆地的晚古生代厚层碳酸盐岩是溶洞发育的物质基础 ;充沛的降水和活动频繁的地下水是溶洞发育的动力因子 ;褶皱核部、近翼部以及深大断裂的两侧是溶洞发育的有利构造部位     

龙门山北段平通河流域地貌演化过程

龙门山位于青藏高原东缘,是青藏高原周缘山脉中陡度变化最大的山脉,也是全球气候和构造活动最为强烈的地区之一,因此成为研究构造、气候如何影响山脉地貌演化过程这一科学问题的良好素材。在位于龙门山北段的平通河流域,汶川地震导致该区强烈的隆升、剥蚀作用,对研究该区地貌演化过程具有重要的启示意义。通过对平通河流域基于DEM数据的地形坡度、水系分布、河流发育程度等的分析,并综合研究区构造特征和岩性特征,获得该流域不同区域的地貌演化方向,其中两个区域的地貌演化最为剧烈:1.平通河流域位于北川-映秀断裂和彭灌断裂之间的地区,未来将发生较快的隆升,地貌向高、陡的方向演化,河流下切作用使河谷两岸形成更加陡峭的地形;2.在北川-映秀断裂上盘附近地区,在构造和气候作用下侵蚀、搬运作用强烈,山体将被快速剥蚀削低,但在河谷两岸也会形成更加陡峭的地形。     

渭河三阳川盆地最高级阶地的年代厘定及其对河谷发育的指示意义

青藏高原东缘水系的演化历史长期存在着重大争议,鉴于任一水系的形成演化都是通过主要河谷的发育及其不断延展与整合完成的,因此确定河谷发育的起始时代是研究水系演化的关键。本文针对渭河上游三阳川盆地最高级阶地形成时代的研究,发现李家小湾河流阶地砾石层的ESR年代为1.26±0.15 Ma和1.32±0.19 Ma,26Al/10Be埋藏年代为1.45±0.70 Ma和1.04±0.43 Ma,说明该段河谷形成于早更新世晚期。综合青藏高原东缘夷平面、剥蚀面与河流阶地的研究成果,推断该区现代河谷系列主要形成于1.2 Ma以后,河流平均下切速率较高,为0.1~0.32 m/ka,指示了中更新世以来该区快速的地表抬升与河谷发育过程;而其前少数地段的先成河谷下切速率介于0.04~0.29 m/ka之间,说明区域地势总体低平,地表过程以剥蚀夷平为主,即高原东缘的现今水系格局主要是第四纪期间构造和气候共同作用下河流侵蚀的产物。     

江苏近海辐射状沙脊地貌的发育

本文阐述江苏近海辐射状沙脊的分布和形态特征,划分了沙脊和潮谷的地貌类型,讨论了沙脊地貌的发育规律。     

基于势能信息熵的黄土小流域地貌演化特征

黄土高原流域地貌系统的地貌演化特征十分复杂,尚有诸多科学问题有待进一步深入研究。以往研究大多集中在流域地貌演化的侵蚀和发育特征等某一方面,缺乏从流域地貌系统及其势能信息熵的视角深入剖析野外多岩土层黄土小流域地貌演化特征的研究。为此,基于系统论的观点和方法,构建多岩土层黄土小流域地貌系统及其势能信息熵的数学模型,并以辛店沟小流域为例,对其地貌演化特征进行研究。结果表明：（1）构建的野外多岩土层黄土小流域地貌系统的概念模型及其势能信息熵的数学模型能够有效对辛店沟小流域进行数值模拟。（2）以黄土侵蚀作用为主的辛店沟小流域从2000—2019年的地貌演化过程是其势能信息熵的熵减过程和黄土地貌不断侵蚀的过程。（3）辛店沟小流域的势能信息熵能较好地反映该小流域的地貌演化阶段和地貌侵蚀过程。     

The self-organization of step-pools in mountain streams

Spontaneous, autogenic self-organization has been described in numerous geomorphic systems, but it has not been investigated in detail with respect to coarse bedforms in general or step-pools in particular. In this paper, we review the spatial organization of step-pool systems and present example evidence of step-pool development as an autogenic self-organization process. We then outline the mathematical language for defining spatially divergent self-organization and test these ideas using two unique field examples from Oregon (Andrews Experimental Forest) and California (Baxter Creek), where step-pools developed from planar beds in artificially manipulated channels. Results show that step-pool development is consistent with a spatially divergent self-organization phenomenon. Entropy increases as initially undifferentiated planar channels diverge into steps and pools, then declines when a series of steps and pools of consistent size and spacing is established, signifying stability in the system. The self-organization process is accompanied by increasing flow resistance and decreasing slope (through increasing the “vertical sinuosity” of the step-pool profile and creation of low- or negative gradient pool areas), suggesting a minimization of stream power. The self-adjustment of the step-pool bed profile over time represents another manifestation of a general process that results in rhythmic patterns on the surface of Earth.