10.4 水系发展的元胞自动机模拟
天然水系形成以后，由于种种因素，水系会发生变化。水系的变迁受气候、地质、地貌甚至人类活动的影响。其中促使水系变化的主要原因是地壳的构造运动，此外，地球的自转运动也起到一定的作用。
构造运动主要引起了地质、地形条件的改变，从而改变水系。地球自转运动主要反映在水系动力条件的改变上，从分布上看，主要发生在江河下游，尤其是高纬度地区河流更为明显。对于水系的初始形成阶段，地球自转运动作用并不显著。
在水系的演变中，河流的袭夺起了重要的作用。袭夺使得河流能摆脱内流流域的局限，进入另一广阔的空间。在漫长的水系发展过程中，河流袭夺成为改变水系格局的一个重要因素。河流袭夺是指在特定的条件下，河流在溯源侵蚀向上延伸的过程中，切穿分水岭，进入邻近流域，把邻近流域中位于较高处的河流引入本流域下泄，从而改变了水系的格局。河流袭夺现象往往是构造运动带来的结果，此外还与具体的地形、地质条件有关。如当岩体的侵蚀性较强时，袭夺的可能性增加。
由此在构建水系发展元胞模型时我们着重考虑了几个方面：
（1）地形、地质条件的模拟。地壳构造运动最终影响水系，主要还是通过改变地形条件实现的。结合实际地形定义元胞不同的高程值，采用类似于数字化高程系统（DEM）的数字化元胞系统，有助于对地质、地形条件的有效模拟。
（2）气候和土地类型因子主要通过元胞产流量模拟。当气候湿润多雨时，元胞产流量增加；当干旱少雨时，元胞产流量减少。
（3）天然水系发育具有方向性，总是力求向相对沉降区的中心迁移。这一点通过随机模式实现。
（4）水系的袭夺与河流的溯源侵蚀过程有关。模型中可概化为当距离小于定值且地形高差大于定值时。
10.4.1 模型构建
我们采用了Microsoft公司的Visual Basic6.0软件进行模拟计算。
元胞定义及状态：根据实际地形适当概化，元胞为带地形的地表单元或带流量的水系单元。
邻居关系：采用von Neumann型邻居关系，如图10-1（1）。每个元胞内的水流可流入上、下、左、右四个邻居元胞。
转化规则：当邻居元胞高程小于当前元胞时，水流才能流动。水流向能流动的邻居分配，分配概率为：
10.4.2 应用实例：东昆仑阿拉克湖地区第四纪水系演化过程(www.xing528.com)
位于青海省境内的东昆仑巴颜喀拉山地区作为母亲河黄河的发源地而引人瞩目（图10-9），特别是近10年来黄河下游的多次断流、黄河流域干旱加剧等现象引起了众多地质工作者对黄河源地区晚新生代高原隆升引起的环境变化、地貌演变、水系变迁的重视［34-36］。
李长安［34，35］等通过研究后认为：早更新世以前，东昆仑山随青藏高原一起抬升，且尚未凸出于高原面之上，区内湖泊遍布，水系为入湖的短小河流。早更新世末，强烈的构造隆升使东昆仑山隆起，凸现于高原面之上。同时，沿昆南断裂带形成一条近东西向断陷谷地；区内湖泊消亡，地表径流汇入昆南谷地，形成一条近东西向的大河。大约150kaBP前后，由于昆仑山与柴达木之间的强烈差异运动，加鲁河、格尔木等河流强烈溯源侵蚀，切过布尔汉布达山，袭夺了近东西向的大河，并将其分为4段。全新世以来，随着东昆仑的隆升，加鲁河上游的强烈溯源侵蚀使布青山分水岭向南推移了6～10km。目前，仍以较强的溯源侵蚀势头，向黄河源方向发展，大有与黄河争源的趋势。
图10-9 东昆仑山水系略图（1盆地边界，2水系，3湖泊，4山口）
我们建立了一个概化的水系发展元胞模型，来模拟东昆仑阿拉克湖地区第四纪水系演化过程。为摈弃次要因素，抓住主要矛盾，地形和地质过程均作了适当的概化（图10-10）。主要模拟了：（1）区内湖泊遍布时，水系为入湖的
图10-10 东昆仑山阿拉克湖地区地形概化图
图10-11 第一阶段模拟水系（短小河流）
图10-12 第二阶段模拟水系（湖面消失、大河形成）
图10-13 第三阶段模拟水系（河流袭夺）
短小河流；（2）地形变化，湖面减小，断裂谷地发育，单一大河形成；（3）河流强烈溯源侵蚀，袭夺现象发生。图1011至1013分别模拟了这三个过程。模拟结果和模型实践与天然河道发展趋势吻合良好。
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