朱秀迪，王志剛，任斐鵬，張昕川，張平倉

(長江科學(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

(長江科學(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象，綜合運(yùn)用地形分析、水文監(jiān)測和野外調(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，并且沒有對小流域劃分的準(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)測與野外調(diào)查等方法，對西南巖溶區(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，屬長江與珠江的分水嶺地區(qū)，巖溶地貌廣泛發(fā)育；整體地勢西南高、東北低、中部隆起，河流順應(yīng)地勢，自西向東、自南向北注入貴定縣境；屬北亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，四季分明，溫暖濕潤，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地與丘陵的過渡地帶，地勢起伏大，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、烏江最終注入長江；所在區(qū)域在地層區(qū)劃上屬泥盆系貴陽-水城分區(qū)的凱里小區(qū)，上伏地層為高坡場組灰色、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DEM進(jìn)行填洼，在填洼過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)無洼地的DEM?；跓o洼地的DEM，運(yùn)用ArcGIS的Hydrology模塊開展數(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)測數(shù)據(jù)對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。在小流域內(nèi)開闊區(qū)域設(shè)置氣象觀測場，采用自記雨量計(jì)及雨量筒觀測日降水量，兩者相互校驗(yàn)。在小流域出口設(shè)置三角測流堰觀測地表徑流，測流堰通過自記水位計(jì)來進(jìn)行連續(xù)、自動(dòng)的觀測與記錄，后由專門的工作人員負(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號小流域，面積為2.22 km2。在對小流域及其附近區(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)它們分別對應(yīng)一個(gè)巖溶洼地，記為2、3號。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，徑流自東南流向西北。羊雞沖小流域地下分水線包含1號小流域和2、3號巖溶洼地，2、3號巖溶洼地的海拔分別為1 357～1 615 m和1 360～1 689 m。2、3號巖溶洼地的海拔明顯高于1號小流域，兩洼地最低點(diǎn)與1號小流域最低點(diǎn)海拔分別相差239 m和242 m。2、3號巖溶洼地的地下河順應(yīng)地勢，由東南向西北注入1號小流域，這與整個(gè)龍里縣的地勢與河流流向相吻合。

2.2 水文要素分析

代表地表匯水區(qū)的1號小流域的水文特征分析結(jié)果顯示，1號小流域的徑流系數(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號小流域和2、3號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)方面對巖溶區(qū)小流域劃分加以討論。

3.1 地形對巖溶區(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號小流域地表徑流的流向和2、3號巖溶洼地地下水流的流向均順應(yīng)小流域的地勢，自東南流向西北。這說明巖溶區(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。通過對巖溶區(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有地表排水口，降雨通過土壤，巖溶孔、裂隙，落水洞等最終匯入地下暗河，隨著地形與地勢順勢流向流域出口，在流域最低點(diǎn)排出。

3.2 地質(zhì)條件對巖溶區(qū)小流域劃分的影響

在長期無降雨的情況下，羊雞沖小流域出水口仍有長流水，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)粒石英砂頁巖，巖性致密，滲透率為1×10-13～2×10-9md。頁巖滲透率非常小，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

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ο?，基?∶5萬地形圖，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。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41101191，41201269)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0502300)；長江科學(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，湖北棗陽市人，高級工程師，博士，主要從事土壤地理、土壤侵蝕研究。

2016-10-21