胡植慶Hu, Jyr-Ching臺灣大學:地質科學研究所黃筱婷Huang, Hsiao-TingHsiao-TingHuang2010-05-112018-06-282010-05-112018-06-282008U0001-2307200810002000http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/182876透過大地測量及地震觀測，位於台灣西南部的嘉義地區被認為是一個強烈受到構造活動影響的區域，頻繁的構造活動造成此區域明顯的地表變形，也因此被公認為一個適合用來研究構造活動與地表變形關係的主要地區。本研究使用地形計測指標（Geomorphic Indexes）中的河流水力侵蝕模型（stream power erosion model）來討論嘉義地區河流基岩河道（fluvial bedrock channel）的地形與構造活動的關係。河流水力侵蝕模型是一個有別於以往的地形計測指標，它同時也將許多影響侵蝕速率的水文參數、流域盆地特性、氣候等因素加入討論。 經由河流水力侵蝕模型的分析，本研究所選取的9條河流中，其河流凹曲度（concavity index；m/n ratio）介於0.42～0.91之間，相較於理論值（0.5），本研究區中大部份河流的凹曲度均有偏高的趨勢（>0.5），此一現象顯示了本研究區的河流下切（侵蝕）速率是較快的。倘若是在地體均衡（steady-state）的情況之下，便能同時代表抬升速率也相對較快，意即此研究區的構造活動可能是較為頻繁的。 在本研究中，我們也利用短期（1984年～2001年，共18年）或較長期（40年～100年）的年平均降雨量、輸砂量濃度與流量，試圖說明降雨侵蝕與河流能量對於地表形貌的影響。根據結果發現，降雨侵蝕可能為造成嘉義地區較南部區域河流凹曲度偏高的主要原因之ㄧ。本研究也透過不同統計方法發現，DEM解析度對於本研究的影響並不大，反而是取樣方式的不同會對結果造成不等程度上的影響。外，河流水力侵蝕模型中，有一可用來代表相對構造抬升速率的河流陡峭程度指標（normalized steepness index，ksn）指出，本研究區域的構造抬升速率可以以八掌為界，在八掌溪以南的區域，其構造抬升速率較八掌溪以北的區域高；同樣的趨勢也可從河流的蜿蜒程度看出。 除了構造活動會影響河流地表形貌，本研究也討論許多流域盆地特性，如：岩性、地表構造、支流分布情形與流域面積和河流凹曲度的關係。藉由這些綜合討論得知，影響河流形貌的因素除了構造活動，還有受到許多其他因素，其與構造活動的相關性並非一致性的，不同的時間、地點、範圍，不同的測量尺度、分析方法都會有不同的反應，因此，在解釋上必須更加小心謹慎。Chiayi area revealed by geodetic measurements and background seismicities, in the Southwestern Taiwan has been undergoing active intensive crustal deformation. We used the stream power erosion model of 9 rivers, easy and less time consuming, to characterize the occurrence and morphology of fluvial bedrock channels and to establish their relationships with tectonic activities. Besides, the stream-power erosion model also takes some hydrological factors such as water discharge, precipitation, and sediment export into consideration to quantify the influence of erosion process in the stream power erosion. Most of the selected rivers in our study area showed high values of concavity (0. 42 ≤ m/n ≤ 0.91), comparing to the global mean river concavity (m/n ratio 0.5), implying the high tectonic activity and high erosion rate in Chiayi area. The mean annual precipitation, water discharge and suspended sediment export concentrations (Cs) for a period of eighteen years (1984~2001) were calculated to figure out the reason for such high m/n ratio. The result showed that precipitation might be one of the important factors to result in high river concavity in the south of the study area. DEM resolution plays much less important role than sampling methods. Because both normalized steepness index (ks) and concavity index (θ) indices are related to lithologic variations, sediment flux, orographic precipitation and uplift rate, thus the normalized steepness index (ksn) is used to quantify the “real” uplift only. The result has pointed out that high uplift rate is predicted at southern part of Pachang river while low uplift rate is predicted at the northern part even though the sinuosity of all rivers are displaying the same pattern. Finally, the characteristics of river basin such as the lithology, structure, hydraulic geometry and so on are also been discussed. We conclude that the river concavity and normalized steepness index deduced from stream power erosion model not only could reflect the influence of tectonic activity and the erosion process but also associate with the drainage basin characteristics.目錄文口試委員會審定書....................................................... I謝...................................................................... II要...................................................................... IVbstract.................................................................. VI錄.................................................................... VIII目...................................................................... XI目..................................................................... XIV一章 序論................................................................ 1.1 研究目的與動機......................................................... 3.2 研究區域地質背景....................................................... 7二章 前人研究........................................................... 17三章 理論基礎........................................................... 26.1 河流水力侵蝕模型 (Stream Power Erosion/Incision Model)................ 26.1.1 剪應力下切模式（Shear-stress incision model）....................... 26.1.2 河流均衡剖面 （Steady-state longitudinal profile）.................. 28.1.3 河流水力侵蝕模型的應用.............................................. 30河流凹曲度分析（Concavity index, m/n ratio）............................ 30 相對構造抬升速率（ksn）................................................ 31.2 河流蜿蜒度（Sinuosity）............................................... 34四章 研究工具及分析方法................................................. 36.1 研究工具簡介.......................................................... 36.1.1 數值地形模型（Digital Elevation Model, DEM）........................ 36.1.2 河流分析軟體（River Tools 3.0）..................................... 37.1.3 地理資訊系統（ArcView and MapInfo）................................. 39.2 分析方法.............................................................. 40五章 結果............................................................... 44.1 河流水力侵蝕模型...................................................... 44.1.1 河流縱剖面（Longitudinal profile）.................................. 45.1.2 河流凹曲度分析（Concavity index, m/n ratio）........................ 47.1.3 相對構造抬升速率.................................................... 50.2 河流蜿蜒度............................................................ 53.3 降雨量、輸砂量及流量.................................................. 54六章 討論............................................................... 58.1 統計方法對研究結果之影響.............................................. 58.2 岩性及構造對河流形貌之影響............................................ 61.3 抬升速率對河流形貌之影響.............................................. 63.3.1相對構造抬升速率（ksn）.............................................. 65.3.2河流蜿蜒度........................................................... 67.4 降雨量、輸砂量及流量對河流形貌之影響.................................. 69.5流域面積、幾何型貌與地形構造對河流形貌之影響........................... 71.6 其它.................................................................. 75七章 結論............................................................... 76考文獻.................................................................. 79錄一 幾何參數說明....................................................... 88錄二 研究區域地形計測指標............................................... 90錄三 前人統計數據...................................................... 103目1. 1 台灣地形及週遭海洋地形、板塊活動示意圖.............................. 21. 2 研究區域及9條選取之河流............................................. 51. 3 嘉義地區構造地形分區及主要斷層分布.................................. 61. 4 嘉義地區地震分布圖.................................................. 81. 5 嘉義地區震測剖面.................................................... 91. 6 研究區域震源機制解................................................. 101. 7 嘉義地區GPS速度場變化.............................................. 111. 8 研究區域主要構造示意圖............................................. 141. 9 嘉義地區斷層分布圖................................................. 151. 10 研究區域地質圖.................................................... 162. 1 尼泊爾中部Siwalik Hills的河流凹曲度分佈............................ 192. 2 河流凹曲度與地表地形的關係......................................... 202. 3 西藏高原東緣河流陡峭程度示意圖..................................... 212. 4 西藏高原東緣河流凹曲程度示意圖..................................... 222. 5 西藏高原東緣利用河流剖面的陡峭程度推斷岩石抬升速率以及主要構造分布的示意圖 232. 6 西藏東部的岩性變化與河流陡峭度的比較............................... 242. 7 （左）台灣40公尺DEM（右）流域面積與河流凹曲度的關係................ 253. 1 河流凹曲度(m/n ratio)示意圖........................................ 293. 2 河流基岩河道與崩積河道分界位置示意圖............................... 303. 3 河流水力侵蝕模型基本概念圖......................................... 313. 4 河流在不同侵蝕速率與抬升速率下的反應............................... 333. 5 河流在非地體均衡區域的反應......................................... 333. 6 河流蜿蜒度示意圖................................................... 343. 7 構造活動造成河流蜿蜒度變化示意圖................................... 354. 1 右圖為嘉義地區40公尺×40公尺DEM..................................... 374. 2 DEM凹陷點填補...................................................... 384. 3 水流方向與累積流量示意圖........................................... 384. 4 河流分析軟體（RiverTools）所繪出之河流水系網....................... 394. 5 利用GIS軟體將嘉義地區的相關圖層套疊成果............................ 404. 6 利用河流分析軟體讀取、分析DEM的方法與步驟.......................... 414. 7 利用地理資訊系統讀取RiverTools所輸出河流向量的步驟................. 424. 8 將坡度為0的網格點做平均計算出某一河段平均坡度的原理................ 435. 1 本研究中由北到南9條選取河流之河流縱剖面............................ 465. 2 本研究中由北到南9條選取河流之坡度－流域面積圖...................... 485. 3 本研究中由北到南9條選取河流之坡度－流域面積圖...................... 495. 4 兩種取樣法求出之正常化的陡峭程度參數............................... 515. 5 河流蜿蜒度比較圖................................................... 535. 6 本研究所選取之水文測站位置圖....................................... 555. 7十八年的平均降雨量、流量與輸砂量濃度................................ 565. 8 長期雨量（40～100）與18年平均雨量比較圖............................ 576. 1 比較原始資料與重新計算坡度為0的資料................................ 596. 2 利用原始資料且基岩河道的範圍由最上游取至麓山帶前緣所求出之河流凹曲度指標 606. 3 大湖口溪河流縱剖面與岩性交界圖..................................... 626. 4 三疊溪溪河流縱剖面與岩性交界圖..................................... 626. 5 八掌溪三疊溪溪河流縱剖面與岩性交界圖............................... 636. 6 河流隨時間變化自動調整河道以達平衡示意圖........................... 646. 7 河流陡峭程度指標（ ）與河流凹曲程度（m/n ratio）比較圖............. 666. 8 河流陡峭程度指標與凹曲度指標之相關性比較........................... 666. 9 河流蜿蜒度與河流陡峭程度指標比較圖................................. 686. 10 嘉義地區地形構造圖................................................ 686. 11 平均降雨量、流量與輸砂量濃度對河流凹曲度的影響.................... 706. 12 華興溪的支流分布情形.............................................. 736. 13 急水溪的支流分布情形.............................................. 736. 14 虎尾溪與大湖口溪的支流分布情形.................................... 746. 15 三疊溪的支流分布情形.............................................. 74目5.1.1 求正常化的陡峭程度參數（ ；normalized steepness indices）所用的各個參數（使用原始資料）。 525.1.2 求正常化的陡峭程度參數（ ；normalized steepness indices）所用的各個參數（使用平均坡度）。 52application/pdf9776100 bytesapplication/pdfen-US嘉義地區構造活動地形學地形計測指標河流水力侵蝕模型河流凹曲度河流陡峭程度指標Chiayi AreaTectonic ActivitiesGeomorphologyGeomorphic IndexesStream Power Incision ModelRiver Concavity (m/n ratio)Normalized Steepness Index (ksn)thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/182876/1/ntu-97-R95224201-1.pdf