周文龍,BOTTAZZI Jean,況光顯,王德遠,羅書文,高占冬,江波,莫貴芬

(1.貴州省山地資源研究所,貴陽 550001; 2.中國地質(zhì)學會洞穴專業(yè)委員會,桂林 541004;3.French Federation of Speleology,Lyon 69002; 4.綏陽雙河洞國家地質(zhì)公園管理處,遵義 563314)

巖溶地區(qū)由于特殊的雙重含水介質(zhì)形成了獨特的二元三維空間地域結(jié)構(gòu)系統(tǒng),不僅表現(xiàn)出奇特的地質(zhì)地貌景觀和過程,而且也具有獨自的水文特性和過程。巖溶發(fā)育過程具有流水侵蝕作用和流水溶蝕作用的雙重特征,除了發(fā)育地表水系外,還發(fā)育有地下水系,其水文過程的運動規(guī)律也與常態(tài)流水地貌系統(tǒng)存在差異,普遍存在地表、地下分水嶺不重合的現(xiàn)象[1-3]。地表分水嶺較為容易劃定,而地下分水嶺常因溶洞調(diào)查的局限性與地下水資源調(diào)查的不完整性導致缺乏足夠的地下空間信息,不易準確劃定地下分水嶺,常常會造成邊界劃定模糊不清。若要在巖溶地區(qū)科學劃定流域邊界,則地表、地下分水嶺必須兼顧。

雙河溶洞群及其地表巖溶景觀構(gòu)成了綏陽雙河洞國家地質(zhì)公園的主體,而雙河洞系統(tǒng)主體部分則絕大部分發(fā)育在池武溪流域內(nèi)。歷經(jīng)30余年的中外聯(lián)合科考,雙河洞區(qū)域地表水系與地下溶洞調(diào)查資料相對翔實,且該流域范圍也足夠大,這就為研究巖溶區(qū)地表-地下二元結(jié)構(gòu)的空間關系提供了絕佳的場所。截至2021年9月,雙河溶洞群已探測洞口353個(其中:連通的78個,未連通的275個)。即雙河洞系統(tǒng)目前由78個洞口相連通,總長度達311.5 km,縱深達665 m,體積達37 658 256 m3,是亞洲第一、世界第四長的溶洞,同時也是世界上最長的白云巖洞系[4]。而其余未連通的275個洞穴總長為131 km,規(guī)模體量不容忽視,成為近年來數(shù)據(jù)增長的主要貢獻源,部分洞道未來仍有與雙河洞系統(tǒng)相連通的可能[5]。針對雙河洞為何成為“世界上最長的白云巖洞系”這一熱點問題,前人研究分別從地層與構(gòu)造控制[6-7]、水文地貌[8-9]、膏巖層的物理化學作用[10]、地熱及其效應[11]等角度提出了諸多觀點,集中反映了雙河洞的重要成因,但某些論斷還未被安全證實。此外,學者們還從雙河洞的發(fā)育演化分期[12-13]、管網(wǎng)模型[14]、工程地質(zhì)力學[15]、地球化學[16-18]、空氣環(huán)境[19]等方面開展了研究,對于理解它的總體發(fā)育特征及其演化過程均有一定的參考價值。但隨著探測活動的持續(xù)推進,如何在雙河洞動態(tài)增長變化中科學劃定綏陽雙河洞國家地質(zhì)公園的邊界?往往是被忽略掉的問題,這將不利于地質(zhì)遺跡的保護與管理,同樣應引起足夠的重視。

數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)是地表形態(tài)高程屬性的數(shù)字化表達,利用流域DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建地表數(shù)字水系模型并提取流域水文特征,已經(jīng)被廣泛地應用到諸如地形特征提取、流域水系分析等眾多數(shù)字地形分析領域,是分布式水文過程模擬的重要基礎。但巖溶地區(qū)水系復雜、河流水系明暗相間、地面河流不連續(xù),采用地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)手段和DEM來構(gòu)建數(shù)字水系存在一定難度[20],需要綜合考慮溶洞發(fā)育對地表水系的影響。因此,現(xiàn)將以雙河溶洞群空間分布為參考,重點對池武溪流域及周邊DEM數(shù)據(jù)進行數(shù)字河網(wǎng)提取與流域分割,來檢驗水文分析在喀斯特地區(qū)的適用性以及明確匯水累積量最佳閾值,并綜合考慮自然與人文因素,在對照現(xiàn)行園區(qū)邊界的基礎上提出初步的優(yōu)化調(diào)整方案,以期為綏陽雙河洞國家地質(zhì)公園保護與管理以及將來繼續(xù)申報世界地質(zhì)公園或世界自然遺產(chǎn)提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況

綏陽雙河洞國家地質(zhì)公園位于貴州省遵義市綏陽縣與正安縣交界處,地理坐標范圍:東經(jīng) 107°10′28.495 2″～107°21′26.992 8″、北緯28°10′13.900 8″～28°21′14.940 0″,距遵義市73 km、貴陽市239 km。2004年3月園區(qū)獲得第三批國家地質(zhì)公園建設資格(國土資廳函〔2004〕16號),由獨立不相連的公園主園區(qū)和溫泉園區(qū)構(gòu)成[21],行政管轄權(quán)隸屬于綏陽縣;2015年地質(zhì)公園修編按照《國家地質(zhì)公園規(guī)劃編制技術要求》(國土資發(fā)89號),對原有2004年劃定的公園范圍進行了大幅調(diào)整,變?yōu)橛?個相連景區(qū)組成(雙河洞景區(qū)、金鐘山景區(qū)、讓水景區(qū)、溫泉景區(qū))[22],仍隸屬于綏陽縣管轄;2017年申報世界地質(zhì)公園沿襲了2015年修編的范圍,但未能成功入圍。自2018年起,雙河洞系統(tǒng)就已超越現(xiàn)行地質(zhì)公園邊界以及縣級行政區(qū)界線,園區(qū)邊界亟待優(yōu)化調(diào)整。

池武溪是芙蓉江上游的二級支流,是一條主要由地下河、泉水補給的地表河流,全長約12 km,相對高差50 m,坡降4.2‰,總體呈NW-SE流向。雙河洞就主要發(fā)育在池武溪近岸伏流地帶,地表水大多通過漏斗、落水洞以及巖層節(jié)理裂隙潛入或滲入地下,最終匯入池武溪成為其重要的補給源。由于受多期地質(zhì)構(gòu)造活動的控制,池武溪流域地形切割強烈,溝谷縱橫發(fā)育,空間展布多為NE向和NW向,且相對高差大,海拔高度在600～1 700 m,最高峰金鐘山海拔1 714.3 m,總體呈現(xiàn)出由西北向東南逐漸降低的地勢格局,峰叢洼地、峰叢谷地和峰叢峽谷等喀斯特地貌發(fā)育廣泛。

根據(jù)1∶20萬正安幅水文地質(zhì)報告以及1∶25萬正安縣幅建造構(gòu)造圖等資料[23-24],研究區(qū)域地層屬于揚子地層區(qū)黔北沉積區(qū)西部,出露早古生界寒武系、奧陶系、志留系、晚古生界二疊系、中生界三疊系以及新生界第四系地層。以寒武系和奧陶系半局限海臺地相碳酸鹽巖廣泛發(fā)育,缺失泥盆系、石炭系,致使二疊系地層超覆于下古生界地層之上為其主要沉積特征,第四系零星分布。雙河洞主要發(fā)育于上寒武統(tǒng)-下奧陶統(tǒng)婁山關群地層中,該下覆地層為一套可見多層石膏的白云巖,地層產(chǎn)狀較為平緩,傾向NNE-NEE,平均傾角約為7°,洞道走向則嚴格受北東和北西向兩組構(gòu)造節(jié)理控制,其中以北西向最為發(fā)育。從區(qū)域構(gòu)造行跡來看,雙河洞系統(tǒng)就處在由黃魚江復背斜、土坪復向斜和正安斷裂帶等3條主要褶皺帶所圍成的略呈三角形相對上升的“構(gòu)造空白區(qū)”內(nèi)(圖1)。

(根據(jù)1∶20萬地質(zhì)圖改繪)

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

在暫不考慮園區(qū)邊界以及地區(qū)行政界線的前提下,對自然流域的數(shù)字河網(wǎng)提取并劃分地表分水嶺是開展邊界優(yōu)化研究的基礎,故分析數(shù)據(jù)的選擇范圍要比池武溪地表分水嶺大,最好能將三角形“構(gòu)造空白區(qū)”包含其中。目前已知區(qū)域1∶20萬地質(zhì)圖與雙河溶洞群地圖均采用6°分帶,為兼顧DEM精度、不同源數(shù)據(jù)空間投影方式以及覆蓋范圍,本研究選擇1∶5萬標準分幅DEM數(shù)據(jù)6幅(h48e022021、h48e022022、h48e023021、h48e023022、h48e024021、h48e024022),統(tǒng)一采用6°分帶,以便后期的空間分析。雙河溶洞群平面地圖采用2021年繪制的最新矢量數(shù)據(jù)(投影方式為WGS_1984_UTM_Zone_48N),可根據(jù)屬性字段拆分為雙河洞系統(tǒng)和未連通洞道。

2.2 數(shù)據(jù)處理

運用ArcGIS軟件對上述6幅DEM數(shù)據(jù)進行拼接與孔洞修復,再調(diào)用Hydrology tools模塊進行水文分析,提取研究區(qū)數(shù)字河網(wǎng)并劃分河流等級、去除偽節(jié)溝及集水流域邊界修正等。根據(jù)研究區(qū)范圍確定比例尺,并確保地表-地下空間信息能夠在ArcGIS軟件平臺進行空間分析,雙河洞平面地圖經(jīng)投影轉(zhuǎn)換后統(tǒng)一采用Xian_1980_GK_Zone_18投影坐標系(6°分帶)。

3 結(jié)果與討論

3.1 地表流域劃分與雙河洞空間展布

顯而易見,基于填洼的巖溶區(qū)數(shù)字河網(wǎng)特征必然與真實河網(wǎng)存在一定的差異。那么,以差異為突破口,是否可以建立巖溶區(qū)地表-地下“二元結(jié)構(gòu)”之間的關聯(lián)呢?而確定匯流累積量閾值是開展數(shù)字河網(wǎng)特征研究的基礎[25-26],對集水流域進行分割是確定地表流域界線的關鍵。

3.1.1 匯流累積量閾值確定

數(shù)字河網(wǎng)提取由于受DEM精度、地形復雜度、溝谷網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)特征及模擬方法的制約,存在很大的隨意性和主觀性。錯誤地使用其他地貌類型適用的匯流累積量閾值將會得到大量的偽水道,直接影響到生成的水系、溝壑的詳細程度以及子流域的劃分數(shù)目,需結(jié)合地貌空間分異設置不同的閾值[15]。池武溪流域及周邊主體為巖溶地貌,就不能簡單地套用黃土高原等常態(tài)地貌閾值。因此,分別模擬設定200、400、500、600、800、1 000、1 200、1 400、1 500、1 600 m2共10個閾值進行研究區(qū)數(shù)字河網(wǎng)提取,并逐一與1∶5萬真實水系進行比對(圖2),再參照遙感影像圖等以及野外實地考察驗證,認為在1∶5萬DEM精度下設定1 000 m2的匯流累積量閾值模擬出的數(shù)字水系與真實水系一致性高,但模擬水系因填洼處理后明顯要比真實水系河網(wǎng)密度高,在天坑處差異尤為明顯。后文分析將沿用這一閾值參數(shù)進行河流分級與流域分割。

圖2 不同匯流累積量閾值模擬水系與真實水系比較

3.1.2 地表流域分割與雙河洞空間展布

根據(jù)上文確定好的匯流累積量閾值進行流域分割,空間疊加雙河溶洞群空間展布范圍來大致框定所涉及的地表流域,由此可直觀地發(fā)現(xiàn)(圖3)。

(1)雙河洞系統(tǒng)至少地跨池武溪、猛溪溝2個地表分水嶺,雖北部只有少許洞道跨越至猛溪溝流域,但仍足以反映地表-地下分水嶺不重合這一事實。而根據(jù)此前在楓香樹河流域讓水壩邊緣的大洞-水洞進行的兩次示蹤試驗,已證實與池武溪流域的大魚泉之間有水力聯(lián)系,由此推斷雙河洞系統(tǒng)的補給排泄范圍應更大,至少還應該包括西南側(cè)的楓香樹河流域。

(2)雙河溶洞群的跨越范圍則更廣,最北端的天寶洞地處金鐘山以北區(qū)域,猜測與雙河洞系統(tǒng)連接可能性小,可暫不予以考慮。

(3)東側(cè)的譚家溝流域是池武溪與猛溪溝兩大支流匯入芙蓉江的必經(jīng)之路,在河流等級劃分上與楓香樹河流域具有對等關系,且匯善谷溫泉景區(qū)位于其中,在發(fā)育成因上可能與雙河洞系統(tǒng)具備一定的關聯(lián)[11],此前一直是作為雙河洞國家地質(zhì)公園不可分割的一部分。綜上所述,可將園區(qū)邊界范圍縮小至池武溪、猛溪溝、楓香樹河與譚家溝4個地表流域。

3.2 雙河洞與園區(qū)、行政邊界關系

現(xiàn)已大致明確雙河洞與研究區(qū)地表分水嶺范圍之間的空間分布關系,那么它們與現(xiàn)行地質(zhì)公園邊界以及行政區(qū)界線之間的關系如何呢?

同樣對現(xiàn)行綏陽雙河洞國家地質(zhì)公園范圍、縣級行政邊界以及雙河溶洞群及其主要涉及的地表分水嶺進行空間疊加后綜合分析,可明顯發(fā)現(xiàn)(圖4)。

圖4 雙河洞與現(xiàn)行地質(zhì)公園及行政區(qū)邊界空間關系

(1)雙河洞系統(tǒng)西北端(2018年探測連通了堆窩洞)已跨越溝谷延伸至正安縣土坪鎮(zhèn)石志村境內(nèi),也一舉突破了現(xiàn)行地質(zhì)公園東南界,且仍在繼續(xù)增長。

(2)跨越縣界必然導致現(xiàn)有行政管轄存在一定的盲區(qū),不利于園區(qū)的保護與管理。

(3)現(xiàn)行的地質(zhì)公園東南界則幾乎以縣級行政區(qū)來劃定,單純以行政區(qū)劃界也必然會割裂自然地表流域的完整性。

(4)雙河溶洞群擴展范圍則更廣,北部和西部尚存在較多的未連通洞道,是潛在拓展的增長來源。

綜上,無論是從現(xiàn)行地質(zhì)公園邊界抑或是從行政管轄權(quán)來考量,均已不能滿足核心地質(zhì)遺跡在保護與管理上的需求。在園區(qū)邊界上,應根據(jù)探測進程適時動態(tài)調(diào)整范圍;在行政管轄上,則應盡快對綏陽雙河洞國家地質(zhì)公園管理處提級賦予市級管理權(quán),由綏陽、正安兩縣共管。

3.3 雙河洞系統(tǒng)發(fā)育界限預判

雙河洞系統(tǒng)是園區(qū)的核心地質(zhì)遺跡,相較于其他地表巖溶景觀,在發(fā)育范圍上具有一定的不確定性[14]。因此,盡可能科學預判其發(fā)育界限,對于優(yōu)化定界至關重要。根據(jù)雙河洞系統(tǒng)四至量測,東西向延伸7.7 km、南北向延伸9.5 km。那么,能拓展延伸的平面范圍是多大呢?

(1)東面是斷層,雙河洞系統(tǒng)中已知最低點的出水口大魚泉位于該斷層的西北方向。在目前已知的勘探狀態(tài)下,推測它被平行于該斷層1～2 km處的裂縫堵塞,基本上可認作是發(fā)育的東側(cè)界線。

(2)西南為讓水坡立谷(圖5),其邊緣的大洞-落水洞地下河橫穿臺原至大魚泉。根據(jù)水文地質(zhì)圖識別與實地調(diào)查,該坡立谷南緣有許多泉點,這表明坡立谷下覆的寒武系地層中缺乏排泄管道,可認作為雙河洞系統(tǒng)西側(cè)擴展的可靠界線。

圖5 讓水坡立谷地表分水嶺擴展概覽

(3)在東北幾乎與讓水坡立谷平行相距約 6 km 的池武溪坡立谷(圖6),池武溪構(gòu)成了一條不可逾越的鴻溝,絕大多數(shù)洞穴出水口或泉點幾乎都分布在右岸,但大魚泉的出水口卻在左岸,發(fā)育界線相對模糊。根據(jù)巖層產(chǎn)狀判斷,池武溪左岸上覆奧陶系地層之下可能有潛水位洞穴發(fā)育,并很有可能發(fā)育在寒武系地層中。

(4)對于西北邊界,因過于復雜,目前還不能明確判定。從近幾年的探測進程來看,該區(qū)域未連通洞道較多且在不斷增長,并入至雙河洞系統(tǒng)的潛力巨大,是未來探測的重點區(qū)域。

3.4 園區(qū)優(yōu)化定界方案

園區(qū)優(yōu)化定界方案能否適應不斷增長的雙河洞系統(tǒng)擴張?并如何進行適時動態(tài)調(diào)整?均需從科研角度超前研判,不宜劃定得過大或過小,應綜合考慮自然與人文因素。雙河洞系統(tǒng)是園區(qū)邊界劃定的重點參考,但不容忽視雙河溶洞群中未連通洞段的意義,是未來雙河洞系統(tǒng)延伸的潛在增量。因此,整體考慮雙河溶洞群的發(fā)育趨勢也是優(yōu)化定界的關鍵。如前文所述,2015年公園東側(cè)界線即為綏陽與正安兩縣縣界,單純以行政區(qū)界線來劃定必然會割裂自然界線的完整性。從流域完整性與系統(tǒng)性考慮,雖巖溶區(qū)“二元結(jié)構(gòu)”常導致地表-地下分水嶺存在不重合的現(xiàn)象,但以地表分水嶺進行劃界仍是最廣泛應用的理論依據(jù)。因此,在暫未明確雙河洞系統(tǒng)發(fā)育界限的情況下,以地表分水嶺劃分為依據(jù),結(jié)合地下溶洞空間展布,提出劃定池武溪、猛溪溝、楓香樹河以及譚家溝4個地表流域范圍作為園區(qū)下一輪邊界調(diào)整的參考,并適時根據(jù)徑流的補-給-排關系、河流流量水文變化、隔水層邊界、地表-地下分水嶺范圍、雙河溶洞群探測進程、行政區(qū)劃等因素不斷優(yōu)化定界。

截至2021年9月,美國猛犸洞(長度676 km、縱深124 m)以絕對優(yōu)勢長期霸榜世界最長溶洞,它在地下分水嶺或者園區(qū)邊界劃定方面有無可借鑒的經(jīng)驗呢?猛犸洞自1981年以來就開展了超過500次的示蹤試驗,由此明確了猛犸洞系統(tǒng)地下分水嶺的范圍,更加強了對該區(qū)域水文和地貌演化的理解[27-30]。相較于雙河洞已開展的寥寥數(shù)次連通試驗,要明確劃分地下分水嶺、科學完整劃定園區(qū)邊界,未來的工作仍顯得任重而道遠。待條件成熟,雙河洞國家地質(zhì)公園還將繼續(xù)申報世界地質(zhì)公園或世界自然遺產(chǎn),優(yōu)化定界工作必將是重要的一環(huán)。

4 結(jié)論與展望

(1)以雙河洞空間分布為參考,運用ArcGIS水文分析工具提取池武溪流域及周邊數(shù)字河網(wǎng),認為在1∶5萬DEM精度下設定1 000 m2的匯流累積量閾值模擬出的數(shù)字水系與真實水系一致性高,但模擬水系密度要高于真實水系。

(2)通過流域分割,運用ArcGIS空間分析工具疊加雙河洞系統(tǒng)與地表分水嶺,發(fā)現(xiàn)雙河洞系統(tǒng)跨越池武溪地表分水嶺,直觀反映了地表-地下分水嶺不重合的現(xiàn)象。

(3)雙河洞系統(tǒng)已超越現(xiàn)行地質(zhì)公園邊界以及縣級行政區(qū)界線,核心地質(zhì)遺跡保護與管理存在真空地帶。在園區(qū)邊界上,應根據(jù)探測進程適時動態(tài)調(diào)整;在行政管轄上,則應盡快對綏陽雙河洞國家地質(zhì)公園管理處提級賦予市級管理權(quán)。

(4)在地下分水嶺不易確定的前提下,提出以地表分水嶺劃分為依據(jù),結(jié)合雙河洞系統(tǒng)發(fā)育界限預判,暫劃定池武溪、猛溪溝、楓香樹河以及譚家溝4個地表流域范圍作為園區(qū)下一輪邊界調(diào)整的參考,并適時根據(jù)徑流的補-給-排關系、河流流量水文變化、隔水層邊界、地表-地下分水嶺范圍、雙河溶洞群探測進程、行政區(qū)劃等因素不斷優(yōu)化定界。

(5)未來應加強雙河洞區(qū)域的示蹤試驗,更加明確地下分水嶺范圍,以期更加科學、完整地劃定園區(qū)邊界。