祁连山北麓洪积扇河道纵剖面演化数值模拟研究

论文摘要

河流地貌不但能够记录构造活动塑造地形的历史,同时也能反映由气候控制的地貌演化过程。针对河流侵蚀-堆积过程,近几十年来,众多学者从构造活动的差异、气候变化、地层岩性差异等多个方面对河流地貌演化过程做出解释。这些外界因素变化可引起河流流量与沉积物总量的变化,而流量与沉积物总量变化是导致河流过程发生改变的直接原因,对这一过程的研究逐渐由定性描述转为定量重现。山地河流流出山体时,在山麓地带发育洪积扇,很多地区研究发现洪积扇上发生多次堆积-下切过程,这一地貌现象与扇上河流的侵蚀-堆积过程相关,而对于扇上河道堆积-下切过程的研究还有待深入。由于洪积扇的堆积-下切过程主要受到上游流域输入扇顶沉积物总量和流量变化的影响,需要解决的问题有:多大的流量与沉积物总量比值变化会导致扇上河道在堆积-平衡-下切这三个过程的转变?流量与沉积物总量比值变化量与堆积-下切的程度有怎样的关系?如何通过洪积扇的形态特征来分析这些变化?针对这些问题,本文拟对山前洪积扇流量与沉积物总量比值变化与河道纵剖面堆积-下切过程进行数值模拟,并利用实际洪积扇（河道）形态特征进行验证与分析,获取洪积扇河道堆积-下切程度与沉积物/水量变化量之间的定量关系。本文选取祁连山西段北麓的4个洪积扇（马营河、丰乐河、洪水坝河、北大河）为研究对象,野外考察发现这些洪积扇上在晚更新世以来发生了多次堆积与下切过程,其堆积厚度与下切深度最大可达200米,现代扇面代表了约15 ka前的堆积面,扇面的深切河道代表了最近的河流快速下切过程。这些现象表明该区域河流堆积与下切程度较为剧烈,与上游输入洪积扇的流量与沉积物总量的历史变化关系密切。这一典型河流过程为我们进行数值模拟研究提供了理想的研究对象和验证材料。本文对祁连山西段北麓的马营河、丰乐河、洪水坝河与北大河进行了野外考察,主要考察区域河流阶地、洪积扇和现代河道的特征,并结合前人获得的地貌面年代,分析得到其堆积-下切历史。利用差分GPS和激光测距仪测量堆积扇面和下切河道的纵剖面形态。最后,再以基本水力学方程和水力搬运方程为基础,结合研究区的实际情况,建立了针对洪积扇河道纵剖面演化的1维数值模型,并通过有限差分方法,得到模型的数值解法,在MATLAB程序中编写代码实现。通过模拟分析重现实际条件下的河流过程变化,主要得到了以下四点认识:（1）上游流域输入扇上河道的流量与沉积物总量除以河道宽度后即可得到水通量和沉积物通量,两者的比值简称水砂比。在河宽不变、粒径不变的条件下,给定水砂比下的河流会演化形成坡度不变的平衡河道纵剖面,坡度大小只与水砂比大小有关;堆积的中间时刻,非平衡纵剖面呈坡度沿程递减的下凹形态;下切的中间时刻,非平衡纵剖面呈坡度沿程递增的上凸形态。在河宽不变、粒径不变的条件下,水砂比不同,达到平衡状态的纵剖面形态特征不同,时间也不一致;水砂比变化幅度越大,水通量、沉积物通量绝对值越大,需要的时间越短。（2）在水砂比不变、沉积物粒径不变的条件下,河道宽度沿程增加,河流会形成坡度向下游逐渐增大、略微上凸的平衡河道纵剖面;河道宽度沿程减小,河流会形成坡度向下游逐渐减小、略微下凹的平衡河道纵剖面。在水砂比不变、沉积物粒径不变的条件下若河床砾石粒径由上游至下游逐渐减小,河流会调整形成略微下凹的平衡河道纵剖面。（3）以实测GPS高程数据作为初始的平衡纵剖面,水砂比大小变化40%-50%后,在与实际扇面年代相近的时间内,模拟出的河流下切和堆积幅度与祁连山地区实测数据接近。表明在祁连山地区,由末次冰期向全新世过渡时期,气候变化引起的河流径流量变化幅度至少要超过50%。（4）相较于研究区其他河流,丰乐河上游流域的侵蚀速率较大,导致汇入河道沉积物较多,水砂比较其他3条河流小,可能使丰乐河一直处在堆积的非平衡状态,扇面与河道纵剖面表现出下凹形态,河道下切深度较小。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王维

导师: 胡小飞

关键词: 祁连山,河道纵剖面,数值模拟,水砂比,河道宽度,沉积物粒径

来源: 兰州大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学,地质学

单位: 兰州大学

基金: 国家自然科学基金面上项目(41471009),国家自然科学基金重点项目(41730637)

分类号: P532;P931.1

总页数: 74

文件大小: 5316K

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