劉樹林，馬德君，鄧立中，葉江耀

(1．重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，重慶401121;2．重慶市地勘局南江工程地質(zhì)水文地質(zhì)隊，重慶401147)

基于GIS的表層巖溶泉出露條件研究

劉樹林1，馬德君1，鄧立中2，葉江耀2

(1．重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，重慶401121;2．重慶市地勘局南江工程地質(zhì)水文地質(zhì)隊，重慶401147)

表層帶巖溶水的賦存相對均勻，露頭多，分布位置高，開發(fā)利用難度低，對解決西南巖溶石山地區(qū)人畜飲水具有十分重要的作用。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用GIS強大的空間分析功能與敏感性系數(shù)法相結(jié)合，選取10表層巖溶泉個影響因子進行敏感性研究。確定了研究區(qū)各影響因子最利于表層巖溶泉出露的數(shù)值區(qū)間，為進一步表層巖溶水資源評價和開發(fā)利用規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。

表層巖溶泉;影響因素;敏感性

以重慶市雙河巖溶片區(qū)表層帶巖溶水調(diào)查為基礎(chǔ)，研究表層巖溶泉的出露條件，為解決西南巖溶石山地區(qū)農(nóng)村人畜飲水問題，具有重要的現(xiàn)實意義，同時也為表層帶巖溶水的開發(fā)與研究提供參考。

1 分析方法與原理

1．1評價因子的選擇

根據(jù)已有研究成果，地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、降雨、土壤、植被等因素，已為大多數(shù)研究者接受并采用。土壤、植被、降雨主要影響表層巖溶泉動態(tài)和調(diào)蓄能力［1］。地形地貌、地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造是影響表層巖溶泉形成的內(nèi)在因素，而這方面的定量研究未見報道，本文通過大量的調(diào)查和統(tǒng)計，將以上因子進行進一步細化和深化:地層巖性按照巖組劃分，地質(zhì)構(gòu)造劃分為巖層傾角、向斜距離、斷裂帶距離，地形地貌劃分為:高程、坡度、坡向和坡型，增加巖溶發(fā)育強度和地形濕度指數(shù)共計10個表層帶巖溶水影響因子。

1．2敏感性系數(shù)法的定義及計算方法

根據(jù)表層巖溶泉的水文地質(zhì)特性，在進行表層巖溶泉影響因素分析時，將表層巖溶泉按點狀考慮，即按照公式(1)計算表層巖溶泉的敏感性。

式中SCi——某種影響因子的第i類因素的敏感性;

DensClassi——表層巖溶泉點在i類影響因素中出現(xiàn)的頻率;

DensMap——所有該類泉點總頻率。

SCi值為正表示敏感程度，值越大，敏感性越高，該段有利于表層巖溶泉的發(fā)育;SCi值為負表示不敏感程度，值越小，越不敏感，越不利于表層巖溶泉的發(fā)育。SCi為零表示敏感性與區(qū)域整體水平相似。在計算時，在GIS中將每個因子數(shù)據(jù)層與表層巖溶泉數(shù)據(jù)層進行疊加，計算因子層中每一類數(shù)據(jù)中出現(xiàn)頻率，然后根據(jù)式(1)計算該數(shù)據(jù)的SCi值，從而定量確定因子內(nèi)部各個級別的敏感性［2］。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市東南烏江北岸武隆縣雙河鄉(xiāng)，屬川東褶皺束，地處七曜山深大斷裂北西部，為間互型巖溶區(qū)，年平均氣溫11．2℃，年降雨量1 200 mm。南北長11．5 km，東西寬6．7 km，面積77．7 km2。以二疊系、三疊系碳酸鹽巖為主碳酸巖巖面積75．72 km2，占研究區(qū)總面積的97．46%，非碳酸巖區(qū)面積1．97 km2，占2．54%。出露表層巖溶泉74個，各類巖溶地質(zhì)點68個。石柱向斜和轎子溪正斷層從工作穿過。石柱向斜顯示為向西突出的緊束型弧形構(gòu)造，核部為三疊系嘉陵江組，兩翼為大冶組、二疊系長興組地層。

3 表層巖溶泉出露條件分析

3．1地層巖性

表層巖溶泉的出露與巖石性質(zhì)密切相關(guān)，其影響因素包括巖石的成分、節(jié)理裂隙的發(fā)育程度、巖石易溶礦物含量等，見表1。

表1 地層巖性敏感性計算結(jié)果

從表1可以看出，三疊系下統(tǒng)大冶組一、四段(T1d1、T1d2)為頁巖、鈣質(zhì)頁巖，未發(fā)育表層巖溶泉外，其他碳酸鹽巖地層均有分布。其中質(zhì)純的三疊系下統(tǒng)嘉陵江組一段(T1j1)、大冶組三段(T1d3)對表層巖溶泉的發(fā)育不敏感;而三疊系下統(tǒng)大冶組二段(T1d2)含泥質(zhì)灰?guī)r敏感性較高，有利于表層巖溶泉的發(fā)育;二疊系長興組(P3c)盡管碳酸鹽巖巖質(zhì)較純，但因出露位置位于槽谷底部，有利于表層巖溶水的補給，而對表層巖溶泉的發(fā)育敏感。

3．2地層傾角

研究表明［3］，巖層傾角平緩的碳酸鹽巖類地層，巖溶化作用強烈，利于大氣降水的入滲，表層巖溶水系統(tǒng)的規(guī)模較大;巖層傾角陡的碳酸鹽巖類地層多呈緊密的條帶狀，巖溶化程度相對較弱，因而表層巖溶帶的發(fā)育規(guī)模一般較小，也不利于表層巖溶水的富集，見表2。

表2 地層傾角敏感性計算結(jié)果

通過野外調(diào)查的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)，采用克里金法進行插值，即可得全區(qū)地層傾角分布柵格，從表2可以看出，當巖層傾角＜20(°)時，明顯有利于表層巖溶泉的發(fā)育;而地層傾角＞20(°)時，地下水可能沿層面向下運移，表層溶帶得不到充分發(fā)育，而對表層巖溶泉的發(fā)育具有不敏感。

3．3斷裂構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造的影響主要是通過裂隙發(fā)育程度來控制巖溶的發(fā)育從而影響表層巖溶泉的出露，見表3。

表3 斷裂構(gòu)造敏感性計算結(jié)果

從表3可以看出距離斷層帶1 km范圍內(nèi)對表層巖溶泉的發(fā)育具有抑制作用，特別是斷裂帶500范圍內(nèi)不敏感性最差，而1～1．5 km后有利于表層巖溶泉的發(fā)育。斷層附近明顯不利于表層巖溶泉的發(fā)育，這是由于斷裂帶附近裂隙發(fā)育，這些裂隙破壞了巖體的完整性，可溶性巖層之間連通性增強，有利于大氣降水的入滲溶蝕向深部徑流，故其表層巖溶泉出露少。斷層距離＞1．5 km之后可能表層巖溶泉的發(fā)育受其他因素影響，而不具有較強的規(guī)律性。

3．4向斜構(gòu)造

向斜在形成過程中在軸部附近受到強烈擠壓，裂隙發(fā)育密度大，延伸長，有利于地表水的下滲，同時兩翼表層巖溶水沿層面向軸部運移，見表4。

表4 向斜構(gòu)造敏感性計算結(jié)果

在研究區(qū)用向斜軸線以200 m為間距進行緩沖，計算其敏感性，從表4可以明顯看出，向斜軸部400 m范圍內(nèi)，對表層巖溶泉的發(fā)育敏感，而大于400 m之后向斜對表層巖溶泉不敏感，不利于表層巖溶泉的發(fā)育。

3．5坡型

地形曲率是地形表面幾何形態(tài)和地學(xué)建模的基本變量之一。凸坡中心地勢比四周高，不利于地表水的入滲;凹坡在平面上表示為匯聚地形，有利于地表水入滲，同時也有利于土壤和植被的發(fā)育。采用arcgis對研究區(qū)的坡型進行分析，并按(1)式進行計算，結(jié)果見表5，凸坡的SCi為負表明凸形坡對表層巖溶發(fā)育程度不敏感，不利于表層巖溶泉的發(fā)育。凹坡的SCi值為正，表明凹形坡有利于表層巖溶泉的發(fā)育。

表5 坡型敏感性計算結(jié)果

3．6坡向

坡向表示斜坡面的走向，其值分布范圍為0(°)～360(°)。根據(jù)陳曉利的研究表明不同斜坡坡向的太陽輻射強度等條件不同，影響了蒸發(fā)量、植被覆蓋、坡面侵蝕等諸多因素，從而影響了表層巖溶帶的發(fā)育。根據(jù)該區(qū)DEM提取的研究區(qū)坡向分布［4］，計算結(jié)果見表6，研究區(qū)內(nèi)利于表層巖溶泉發(fā)育的方向為東、南東、南和西部，這些方向代表了北半球的陽坡向，這充分說明了坡向?qū)Ρ韺訋r溶泉的發(fā)育有重要的影響，而這些影響因素是通過影響植被的發(fā)育來直接影響表層巖溶泉的發(fā)育;表中的“上”代表平面，一般是山頂面或者溝谷底部部位，一般是補給區(qū)或者排泄區(qū)底部，該區(qū)不利于表層巖溶泉的發(fā)育。

表6 坡向敏感性計算結(jié)果

3．7高程

蘭恒星等認為高程會對集水區(qū)面積有一定的影響，同時不同的高程范圍具有不同的植被類型和植被覆蓋度。從而間接造成表層巖溶泉的發(fā)育。通過研究區(qū)DEM，進行高程重分類，并按式(1)進行計算，結(jié)果見表7，可以直觀反應(yīng)高程與表層巖溶泉空間分布之間的聯(lián)系:高程小于1 500 m時，有利于表層巖溶泉的發(fā)育，當小于1 300 m時最有利于表層巖溶泉的發(fā)育;當高程大于1 500 m時，不利于表層巖溶泉的發(fā)育。整體上講高程對表層巖溶泉的影響，表現(xiàn)為隨著高程的增加而發(fā)育程度降低。

表7 高程敏感性計算結(jié)果

3．8坡度

坡度對地表水、地下水的徑流和排泄有重要的影響，從而影響表層巖溶帶的發(fā)育、表層巖溶泉的分布和動態(tài)。根據(jù)研究區(qū)DEM，利用Arcgis柵格工具，提取出研究區(qū)地形坡度的基本資料后，進行敏感性計算，見表8，計算結(jié)果直觀的反應(yīng)了不同坡度對表層巖溶泉的影響:地形坡度＜20(°)時候，敏感性較高，這可能由于地形坡度較緩時，有利于降雨的入滲而有利于表層巖溶泉的發(fā)育;當?shù)匦纹露龋?0(°)時，降雨后多以地表徑流形式快速排泄，而不利于表層巖溶泉的形成。

表8 坡度敏感性計算結(jié)果

3．9地形濕度指數(shù)

地形濕度指數(shù)實際上可以認為是一種對徑流路徑長度、產(chǎn)流面積等的定量描述，因而也是對流域中各點潛在(理論)土壤水分含量和徑流產(chǎn)生潛在能力的量化。從坡頂?shù)胶影叮匦螡穸戎笖?shù)隨匯流面積的擴大及坡度的減小而增加。根據(jù)研究區(qū)DEM計算得本區(qū)地形濕度指數(shù)，然后計算得到研究區(qū)地形濕度指數(shù)敏感性計算結(jié)果，見表9。

表9 地形濕度指數(shù)敏感性計算結(jié)果

根據(jù)表9，表層巖溶泉的發(fā)育隨著濕度指數(shù)的增加而增加，且為正相關(guān)關(guān)系。

3．10巖溶發(fā)育強度

通過研究區(qū)落水洞、洼地和暗河天窗等做密度分析后計算敏感性系數(shù)見表10，可以看出，當巖溶發(fā)育密度為0～2個/km2時，不利于表層巖溶泉的發(fā)育;當巖溶發(fā)育密度為2～8個/km2時，有利于表層巖溶泉的發(fā)育，并具有明顯的增強作用;當巖溶發(fā)育密度大于8個/km2時，即巖溶發(fā)育強度高時，不再發(fā)育表層巖溶泉。

表10 巖溶發(fā)育密度敏感性計算結(jié)果

4 結(jié)論

在表層巖溶泉調(diào)查統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，利用GIS對10個影響因子進行敏感性計算，得出研究區(qū)內(nèi)有利于表層巖溶泉出露的條件。

1)地層巖性:從地層來看，質(zhì)純的二疊系中統(tǒng)大冶組三段、嘉陵江組碳酸鹽巖不利于表層巖溶泉的發(fā)育;不純的二疊系中統(tǒng)大冶組二段有利于表層巖溶泉的發(fā)育。

2)地質(zhì)構(gòu)造:巖層傾角＜20(°)時，有利于表層巖溶泉的發(fā)育;構(gòu)造帶附近裂隙發(fā)育程度高、延伸長不利于表層巖溶泉的發(fā)育。

3)地形地貌:陽坡、凹型坡有利于表層巖溶泉的發(fā)育;高程越低越利于表層巖溶泉的發(fā)育;坡度＜20(°)有利于表層巖溶泉的發(fā)育。

4)地形濕度指數(shù)對表層巖溶泉的影響，表現(xiàn)為地形濕度指數(shù)越大越利于表層巖溶泉的發(fā)育。

5)巖溶發(fā)育密度2～8個/km2時，是表層巖溶泉的有利地段。

［1］覃小群，蔣忠誠．表層巖溶帶及其水循環(huán)的研究進展與發(fā)展方向［J］．中國巖溶，2005，24(3):250－254．

［2］蔣忠誠．中國南方表層巖溶帶的特征及形成機理［J］．熱帶地理，1998，18(4):322－326．

［3］李林立．西南典型巖溶區(qū)生態(tài)環(huán)境對表層巖溶水調(diào)蓄功能的影響研究［D］．重慶:西南大學(xué)，2009．

［4］張彩霞．基于DEM的地形濕度指數(shù)提取與應(yīng)用研究［D］．楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009．

A Study of Epikarst Spring on GIS with Exposed Condition

LIU Shulin1，MA Dejun1，DENG Lizhong2，YE Jiangyao2
(1．Chongqing Communications Planning Survey＆Design Institute，Chongqing 401121，China; 2．Nanjiang Hydrogeological and Engineering Geological Party，Chongqing Geological Prospecting Bureau，Chongqing 401147，China)

Epikarst water in outcrop，distribution of high utilization with low degree of difficulty，is very important to solve west-south karst mountain，where it has the role of drinking water for human beings and animals．．This paper，based on field investigation，makes full use of powerful spatial analysis function and sensitivity coefficient method of GIS．The sensitivity factors of 10 surface karst springs were selected．The numerical range of the influencing factors in the area which is most favorable to the outcrop karst spring is determined，as lays the foundation for the further evaluation and development and utilization of karst water resources．

Epikarst spring;Influence factors;Sensitivity

P641

B

10．14101/j．cnki．issn．1002－4336．2017．01．050

2017－01－08

劉樹林(1984－)，男，四川瀘州人，工程師，研究方向:水文地質(zhì)、工程地質(zhì)勘查和設(shè)計，手機:15023396879，E-mail:liushulin119@126．com．