西南巖溶區(qū)小流域劃分與水文特征分析

朱秀迪，王志剛，任斐鵬，張昕川，張平倉(cāng)

(長(zhǎng)江科學(xué)院水土保持研究所，湖北 武漢 430010)

西南巖溶區(qū)小流域劃分與水文特征分析

朱秀迪，王志剛，任斐鵬，張昕川，張平倉(cāng)

(長(zhǎng)江科學(xué)院水土保持研究所，湖北 武漢 430010)

巖溶區(qū)；小流域劃分；徑流系數(shù)；西南地區(qū)

由于存在地表地下雙層水文結(jié)構(gòu)，因此巖溶區(qū)小流域劃分一直是一個(gè)難題。選取西南地區(qū)巖溶發(fā)育的羊雞沖小流域作為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用地形分析、水文監(jiān)測(cè)和野外調(diào)查等方法，以期合理劃分巖溶區(qū)小流域。研究結(jié)果表明，采用地形分析、水文監(jiān)測(cè)與野外調(diào)查相結(jié)合的方法劃分巖溶區(qū)的小流域，能夠囊括小流域絕大部分的降雨和徑流，更符合閉合小流域的特征，使西南巖溶區(qū)小流域的劃分更加準(zhǔn)確。

小流域是水文及水土流失研究與管理的最佳地域尺度[1]，準(zhǔn)確劃分小流域?qū)λ帘３忠?guī)劃和水利工程設(shè)計(jì)具有非常重要的支撐作用。準(zhǔn)確劃分小流域，需要弄清楚地表和地下兩個(gè)分水線[2]。非巖溶區(qū)由于地表地下分水嶺基本重合，通常采用地形分析的方法，以地表分水線確定其流域界線[3]。而巖溶區(qū)小流域由于碳酸鹽巖具有獨(dú)特的可溶性質(zhì)，水流不僅可以沿著十分細(xì)小的孔隙和裂隙下滲，而且可以通過(guò)巖溶地表結(jié)構(gòu)滲入地下，經(jīng)由地下暗河匯入小流域[4]，致使地表和地下分水線常不重合。巖溶區(qū)采用地表分水線確定的小流域常導(dǎo)致水文要素測(cè)量、水量平衡計(jì)算和水土流失模型出現(xiàn)較大的誤差。

目前完善的地下分水嶺劃分方法甚少，很多研究沿用非巖溶區(qū)常用的地形分析的方法劃分巖溶區(qū)小流域，并且沒(méi)有對(duì)小流域劃分的準(zhǔn)確性和合理性進(jìn)行系統(tǒng)的驗(yàn)證分析[5]。目前較合理的地下分水嶺劃分方法，一是通過(guò)同位素示蹤法判定[6]，二是運(yùn)用種子算法及數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)法設(shè)計(jì)的自動(dòng)化提取算法處理地下水位數(shù)據(jù)獲得[7]。但是這兩種方法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都較難獲得，且劃分成果只能反映地下分水嶺的大致范圍，其精準(zhǔn)性仍有待驗(yàn)證。因此，準(zhǔn)確、合理地劃分巖溶區(qū)小流域仍需要進(jìn)一步研究。據(jù)此，本研究擬在充分考慮巖溶地下水因素的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用地形分析、水文監(jiān)測(cè)與野外調(diào)查等方法，對(duì)西南巖溶區(qū)典型小流域進(jìn)行劃分，以期為類似地區(qū)小流域劃分提供方法參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省龍里縣麻芝鄉(xiāng)。龍里縣地處苗嶺山脈中段、黔中隆起南緣，屬長(zhǎng)江與珠江的分水嶺地區(qū)，巖溶地貌廣泛發(fā)育；整體地勢(shì)西南高、東北低、中部隆起，河流順應(yīng)地勢(shì)，自西向東、自南向北注入貴定縣境；屬北亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明，溫暖濕潤(rùn)，雨熱同季，年平均氣溫14.8 ℃[8]。研究區(qū)羊雞沖小流域位于臺(tái)地與丘陵的過(guò)渡地帶，地勢(shì)起伏大，屬于巖溶中低山丘陵地貌；地表徑流依次經(jīng)三元河、獨(dú)木河、清水河、烏江最終注入長(zhǎng)江；所在區(qū)域在地層區(qū)劃上屬泥盆系貴陽(yáng)-水城分區(qū)的凱里小區(qū)，上伏地層為高坡場(chǎng)組灰色、暗灰色細(xì)至中晶白云巖，下伏地層為蟒山群馬鬃嶺組灰白色薄至中厚層細(xì)粒石英砂頁(yè)巖；土壤類型主要為黃壤、水稻土和石灰土；原生植被為常綠針闊混交林，優(yōu)勢(shì)種為青岡櫟、紅栲、馬尾松[9]。

1.2 研究方法

(1)地形分析與小流域劃分。收集研究區(qū)1∶5萬(wàn)地形圖，采用ArcGIS 10.2軟件逐點(diǎn)內(nèi)插構(gòu)建TIN，生成10 m分辨率的DEM。對(duì)DEM進(jìn)行填洼，在填洼過(guò)程中采用水系分形法[10]，閾值設(shè)定為6 500，以保留巖溶地形特點(diǎn)，最后制成研究區(qū)無(wú)洼地的DEM?；跓o(wú)洼地的DEM，運(yùn)用ArcGIS的Hydrology模塊開(kāi)展數(shù)字地表水文分析[11]，劃分研究區(qū)地表小流域。然后，以水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地表小流域的水文特征進(jìn)行分析，判定小流域劃分的合理性。在小流域及其周邊區(qū)域開(kāi)展地形、水文和巖溶情況調(diào)查，在地形圖上標(biāo)注出溶洞及地下水出口，判別小流域與其附近巖溶洼地之間的水文關(guān)系，對(duì)ArcGIS數(shù)字地表水文分析自動(dòng)生成小流域不合理的地方進(jìn)行修正，獲取更為準(zhǔn)確的小流域分水嶺。

(2)水文觀測(cè)。在小流域內(nèi)開(kāi)闊區(qū)域設(shè)置氣象觀測(cè)場(chǎng)，采用自記雨量計(jì)及雨量筒觀測(cè)日降水量，兩者相互校驗(yàn)。在小流域出口設(shè)置三角測(cè)流堰觀測(cè)地表徑流，測(cè)流堰通過(guò)自記水位計(jì)來(lái)進(jìn)行連續(xù)、自動(dòng)的觀測(cè)與記錄，后由專門(mén)的工作人員負(fù)責(zé)校驗(yàn)、匯總與統(tǒng)計(jì)。本研究根據(jù)2010—2014年的逐日降水和水文觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

徑流深度、徑流系數(shù)計(jì)算公式分別為

(1)

(2)

式中：W為徑流總量，m3；F為流域面積，m2；α為徑流系數(shù)；R為徑流深度，mm；P為降水深度，mm。

2 結(jié)果分析

2.1 地形分析與小流域劃分

將采用ArcGIS軟件Hydrology模塊自動(dòng)生成的羊雞沖小流域記為1號(hào)小流域，面積為2.22 km2。在對(duì)小流域及其附近區(qū)域的地形、水文和巖溶情況的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，羊雞沖小流域的A和B兩個(gè)位置各有一個(gè)溶洞出水口，經(jīng)ArcGIS軟件地形分析發(fā)現(xiàn)它們分別對(duì)應(yīng)一個(gè)巖溶洼地，記為2、3號(hào)。將這兩個(gè)巖溶洼地歸并到羊雞沖小流域中，獲取羊雞沖小流域的地下分水嶺，結(jié)果如圖1所示。小流域總面積為7.68 km2。

圖1 研究區(qū)地表形態(tài)及流域邊界

1號(hào)小流域四周高、中間低，構(gòu)成了一個(gè)封閉的匯水區(qū)，代表羊雞沖小流域的地表分水線，其海拔為1 118～1 615 m，地表溝道的走向順應(yīng)地勢(shì)，徑流自東南流向西北。羊雞沖小流域地下分水線包含1號(hào)小流域和2、3號(hào)巖溶洼地，2、3號(hào)巖溶洼地的海拔分別為1 357～1 615 m和1 360～1 689 m。2、3號(hào)巖溶洼地的海拔明顯高于1號(hào)小流域，兩洼地最低點(diǎn)與1號(hào)小流域最低點(diǎn)海拔分別相差239 m和242 m。2、3號(hào)巖溶洼地的地下河順應(yīng)地勢(shì)，由東南向西北注入1號(hào)小流域，這與整個(gè)龍里縣的地勢(shì)與河流流向相吻合。

2.2 水文要素分析

代表地表匯水區(qū)的1號(hào)小流域的水文特征分析結(jié)果顯示，1號(hào)小流域的徑流系數(shù)較大，變化范圍在0.54～1.39之間，2011、2012、2013年的徑流系數(shù)均大于1(表1)，說(shuō)明羊雞沖小流域地表匯水區(qū)在地下并不封閉，有地下水進(jìn)入地表匯水區(qū)。羊雞沖小流域卡口站常年有地表徑流，并且小流域下伏的蟒山群馬鬃嶺組灰白色薄至中厚層細(xì)粒石英砂頁(yè)巖地層為不透水層，因此進(jìn)入小流域地表匯水區(qū)的地下水最終也出露地表，以地表徑流形式從卡口站流出。

表1 2010—2014年羊雞沖小流域水文要素情況

代表地下匯水區(qū)的1號(hào)小流域和2、3號(hào)洼地的水文特征分析結(jié)果顯示，地下匯水區(qū)徑流系數(shù)變化范圍為0.19～0.50，平均值為0.30，說(shuō)明羊雞沖小流域地下匯水區(qū)可以囊括比地表匯水區(qū)更多的降雨和徑流，相對(duì)于地表匯水區(qū)閉合性更好。

3 討 論

從西南巖溶區(qū)典型小流域羊雞沖小流域的劃分過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，巖溶區(qū)劃分的小流域是否閉合強(qiáng)烈地受控于巖溶地形和地質(zhì)條件，并且需要監(jiān)測(cè)小流域的水文特征加以驗(yàn)證。因此，從地形、地質(zhì)和小流域水文特征幾個(gè)方面對(duì)巖溶區(qū)小流域劃分加以討論。

3.1 地形對(duì)巖溶區(qū)小流域劃分的影響

羊雞沖及其類似的位于貴州東部南北向構(gòu)造帶西緣及東西向構(gòu)造的黔中隆起橫跨反接與重疊地區(qū)的小流域，巖溶發(fā)育處在青年期，具有明顯的地表地下雙層結(jié)構(gòu)，溶蝕作用強(qiáng)烈，地下河發(fā)育較廣泛，地下結(jié)構(gòu)往往為主體結(jié)構(gòu)[4]，準(zhǔn)確劃分地下匯水區(qū)對(duì)該區(qū)域水文、水土保持研究和水利工程建設(shè)具有重要意義。

羊雞沖小流域的地表匯水區(qū)1號(hào)小流域地表徑流的流向和2、3號(hào)巖溶洼地地下水流的流向均順應(yīng)小流域的地勢(shì)，自東南流向西北。這說(shuō)明巖溶區(qū)地表水和地下水的流向在一定程度上仍受控于地形，地形仍然是影響巖溶區(qū)小流域劃分的重要影響因素。通過(guò)對(duì)巖溶區(qū)地表形態(tài)的分析可以初步確定河流流向，以及地表匯水區(qū)與相鄰巖溶洼地之間的匯流關(guān)系。本研究中發(fā)現(xiàn)羊雞沖小流域附近存在較多的巖溶洼地，這是巖溶地區(qū)常見(jiàn)的一種由溶蝕作用形成的負(fù)地形，這種封閉的地形使洼地沒(méi)有地表排水口，降雨通過(guò)土壤，巖溶孔、裂隙，落水洞等最終匯入地下暗河，隨著地形與地勢(shì)順勢(shì)流向流域出口，在流域最低點(diǎn)排出。

3.2 地質(zhì)條件對(duì)巖溶區(qū)小流域劃分的影響

在長(zhǎng)期無(wú)降雨的情況下，羊雞沖小流域出水口仍有長(zhǎng)流水，流量通常穩(wěn)定在0.004 m3/s左右，表明該小流域有穩(wěn)定的地下水供給。流域內(nèi)的水并未完全沿巖溶孔隙和裂隙滲漏到地下更深處，這說(shuō)明羊雞沖小流域下面應(yīng)該存在不透水或透水性較差的地層。經(jīng)地質(zhì)圖查證，羊雞沖小流域所在的區(qū)域下伏地層為蟒山群馬鬃嶺組灰白色薄至中厚層細(xì)粒石英砂頁(yè)巖，巖性致密，滲透率為1×10-13～2×10-9md。頁(yè)巖滲透率非常小，可視為不透水層，保證了水源不會(huì)滲漏到更深的地下，并且在一定條件下可以出露到地表。因此，在劃分類似區(qū)域的小流域時(shí)，要充分調(diào)查研究區(qū)域的地質(zhì)條件，以保證劃分的小流域可以囊括匯水區(qū)內(nèi)絕大部分的降雨和徑流。

3.3 流域面積對(duì)巖溶區(qū)小流域劃分的影響

隨著流域面積增大，河流切割含水層的數(shù)量增多，地下徑流補(bǔ)給也會(huì)相對(duì)豐沛[12]，因此在烏江流域內(nèi)徑流系數(shù)存在隨流域面積增大而增大的一般規(guī)律。如：羊雞沖小流域所屬的烏江水系流域面積為8.79萬(wàn)km2，徑流系數(shù)為0.50，烏江支流清水河流域面積為8 499.6 km2，徑流系數(shù)為0.48；龍里縣境內(nèi)各河流的流域面積為110.7～693.7 km2，徑流系數(shù)為0.410～0.509，羊雞沖小流域面積為7.68 km2，徑流系數(shù)為0.30；還有類似區(qū)域的陳旗小流域6種不同類型徑流小區(qū)面積684～2 890 m2，監(jiān)測(cè)到的徑流系數(shù)為0.01%～12.81%[13]，小于羊雞沖小流域的徑流系數(shù)。

此外，有研究表明徑流系數(shù)與流域內(nèi)碳酸鹽巖面積的比例呈負(fù)相關(guān)[14]。整個(gè)貴州省碳酸鹽巖的分布面積占全省面積的61.9%[15]，貴州省大部分地區(qū)的徑流系數(shù)在0.45～0.55之間。羊雞沖小流域碳酸鹽巖分布面積占流域面積的90%以上，徑流系數(shù)0.30也較其他地區(qū)低，符合徑流系數(shù)與流域內(nèi)碳酸鹽巖面積比例呈負(fù)相關(guān)的規(guī)律。因此，綜合采用地形分析、水文監(jiān)測(cè)與野外調(diào)查等方法劃分的羊雞沖小流域更加合理，可以囊括整個(gè)匯水區(qū)絕大部分的降雨和徑流。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究以貴州省龍里縣典型巖溶區(qū)的羊雞沖小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于1∶5萬(wàn)地形圖，利用ArcGIS的Hydrology模塊提取地表小流域和巖溶洼地地表分水線，通過(guò)野外調(diào)查和地質(zhì)、水文數(shù)據(jù)判斷地表小流域和巖溶洼地之間的水文關(guān)系，最終劃定羊雞沖小流域地表、地下分水線。采用這種方法劃定的小流域更加合理，可以囊括整個(gè)匯水區(qū)絕大部分的降雨和徑流，并且符合巖溶區(qū)徑流系數(shù)隨流域面積的增大而增大、與流域內(nèi)碳酸鹽巖面積的比例呈負(fù)相關(guān)這兩個(gè)一般規(guī)律。

該研究成果對(duì)位于貴州東部南北向構(gòu)造帶西緣及東西向構(gòu)造的黔中隆起橫跨反接與重疊地區(qū)，巖溶發(fā)育處在青年期，具有明顯的地表、地下雙層結(jié)構(gòu)，地下河發(fā)育較廣泛，地下結(jié)構(gòu)為主體結(jié)構(gòu)的區(qū)域的小流域劃分具有一定的借鑒意義。

[1] 趙珂,夏清清.以小流域?yàn)閱卧某鞘兴臻g體系生態(tài)規(guī)劃方法——以州河小流域內(nèi)的達(dá)州市經(jīng)開(kāi)區(qū)為例[J].中國(guó)園林,2015,31(1):41-45.

[2] 吳浩東,胡建平,許保海,等.巖溶區(qū)非閉合流域年徑流估算方法探討[J].水資源保護(hù),2005,21(1):21-23.

[3] 沈冰,黃紅虎.水文學(xué)原理[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008:262.

[4] 郭純青.中國(guó)巖溶生態(tài)水文學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,2007:67.

[5] 陳偉燕.喀斯特小流域的自動(dòng)提取及分類體系的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)[D].北京:中國(guó)科學(xué)院大學(xué),2013:84.

[6] 牛光亮,馬致遠(yuǎn),侯光才,等.關(guān)于鄂爾多斯盆地白堊系地下水分水嶺的探討[J].煤田地質(zhì)與勘探,2005,33(1):55-57.

[7] 潘云,宮輝力,李小娟,等.地下水空間特征自動(dòng)化提取方法研究[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào),2007,12(8):1489-1494.

[8] 貴州省龍里縣地方志編纂委員會(huì).龍里縣志[M].貴陽(yáng):貴州人民出版社,1995:8-12.

[9] 貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)局.貴州省區(qū)域地質(zhì)志[M].北京:地質(zhì)出版社,1987:46-47.

[10] 楊邦,任立良.集水面積閾值確定方法的比較研究[J].水電能源科學(xué),2009,27(5):11-14.

[11] 湯國(guó)安,楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程[M].1版.北京:科學(xué)出版社,2006:480.

[12] 王紅亞,呂明輝.水文學(xué)概論[M].北京:北京大學(xué)出版社,2007:78.

[13] 彭韜,王世杰,張信寶,等.喀斯特坡地地表徑流系數(shù)監(jiān)測(cè)初報(bào)[J].地球與環(huán)境,2008,36(2):125-129.

[14] 吳夏懿,張志才.貴州省巖溶地區(qū)年徑流系數(shù)受下墊面影響的分析[J].水電能源科學(xué),2014,32(5):6-9.

[15] 李宗發(fā).貴州喀斯特地貌分區(qū)[J].貴州地質(zhì),2011,28(3):177-181.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41101191，41201269)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0502300)；長(zhǎng)江科學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(CKSF2012052/TB)

S157

C

1000-0941(2017)02-0025-03

朱秀迪(1992—)，女，湖北十堰市人，碩士研究生，主要從事水土保持、流域侵蝕產(chǎn)沙與調(diào)控研究；通信作者王志剛(1981—)，男，湖北棗陽(yáng)市人，高級(jí)工程師，博士，主要從事土壤地理、土壤侵蝕研究。

2016-10-21