西南岩溶区小流域划分与水文特征分析

2017-05-03朱秀迪王志刚任斐鹏张昕川张平仓

中国水土保持 2017年2期

关键词：径流系数洼地径流

朱秀迪，王志刚，任斐鹏，张昕川，张平仓

(长江科学院水土保持研究所，湖北武汉 430010)

西南岩溶区小流域划分与水文特征分析

朱秀迪，王志刚，任斐鹏，张昕川，张平仓

(长江科学院水土保持研究所，湖北武汉 430010)

岩溶区；小流域划分；径流系数；西南地区

由于存在地表地下双层水文结构，因此岩溶区小流域划分一直是一个难题。选取西南地区岩溶发育的羊鸡冲小流域作为研究对象，综合运用地形分析、水文监测和野外调查等方法，以期合理划分岩溶区小流域。研究结果表明，采用地形分析、水文监测与野外调查相结合的方法划分岩溶区的小流域，能够囊括小流域绝大部分的降雨和径流，更符合闭合小流域的特征，使西南岩溶区小流域的划分更加准确。

小流域是水文及水土流失研究与管理的最佳地域尺度[1]，准确划分小流域对水土保持规划和水利工程设计具有非常重要的支撑作用。准确划分小流域，需要弄清楚地表和地下两个分水线[2]。非岩溶区由于地表地下分水岭基本重合，通常采用地形分析的方法，以地表分水线确定其流域界线[3]。而岩溶区小流域由于碳酸盐岩具有独特的可溶性质，水流不仅可以沿着十分细小的孔隙和裂隙下渗，而且可以通过岩溶地表结构渗入地下，经由地下暗河汇入小流域[4]，致使地表和地下分水线常不重合。岩溶区采用地表分水线确定的小流域常导致水文要素测量、水量平衡计算和水土流失模型出现较大的误差。

目前完善的地下分水岭划分方法甚少，很多研究沿用非岩溶区常用的地形分析的方法划分岩溶区小流域，并且没有对小流域划分的准确性和合理性进行系统的验证分析[5]。目前较合理的地下分水岭划分方法，一是通过同位素示踪法判定[6]，二是运用种子算法及数学形态学法设计的自动化提取算法处理地下水位数据获得[7]。但是这两种方法的基础数据都较难获得，且划分成果只能反映地下分水岭的大致范围，其精准性仍有待验证。因此，准确、合理地划分岩溶区小流域仍需要进一步研究。据此，本研究拟在充分考虑岩溶地下水因素的基础上，综合运用地形分析、水文监测与野外调查等方法，对西南岩溶区典型小流域进行划分，以期为类似地区小流域划分提供方法参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省龙里县麻芝乡。龙里县地处苗岭山脉中段、黔中隆起南缘，属长江与珠江的分水岭地区，岩溶地貌广泛发育；整体地势西南高、东北低、中部隆起，河流顺应地势，自西向东、自南向北注入贵定县境；属北亚热带季风湿润气候区，四季分明，温暖湿润，雨热同季，年平均气温14.8 ℃[8]。研究区羊鸡冲小流域位于台地与丘陵的过渡地带，地势起伏大，属于岩溶中低山丘陵地貌；地表径流依次经三元河、独木河、清水河、乌江最终注入长江；所在区域在地层区划上属泥盆系贵阳-水城分区的凯里小区，上伏地层为高坡场组灰色、暗灰色细至中晶白云岩，下伏地层为蟒山群马鬃岭组灰白色薄至中厚层细粒石英砂页岩；土壤类型主要为黄壤、水稻土和石灰土；原生植被为常绿针阔混交林，优势种为青冈栎、红栲、马尾松[9]。

1.2 研究方法

(1)地形分析与小流域划分。收集研究区1∶5万地形图，采用ArcGIS 10.2软件逐点内插构建TIN，生成10 m分辨率的DEM。对DEM进行填洼，在填洼过程中采用水系分形法[10]，阈值设定为6 500，以保留岩溶地形特点，最后制成研究区无洼地的DEM。基于无洼地的DEM，运用ArcGIS的Hydrology模块开展数字地表水文分析[11]，划分研究区地表小流域。然后，以水文监测数据对地表小流域的水文特征进行分析，判定小流域划分的合理性。在小流域及其周边区域开展地形、水文和岩溶情况调查，在地形图上标注出溶洞及地下水出口，判别小流域与其附近岩溶洼地之间的水文关系，对ArcGIS数字地表水文分析自动生成小流域不合理的地方进行修正，获取更为准确的小流域分水岭。

(2)水文观测。在小流域内开阔区域设置气象观测场，采用自记雨量计及雨量筒观测日降水量，两者相互校验。在小流域出口设置三角测流堰观测地表径流，测流堰通过自记水位计来进行连续、自动的观测与记录，后由专门的工作人员负责校验、汇总与统计。本研究根据2010—2014年的逐日降水和水文观测数据进行统计分析。

径流深度、径流系数计算公式分别为

(1)

(2)

式中：W为径流总量，m3；F为流域面积，m2；α为径流系数；R为径流深度，mm；P为降水深度，mm。

2 结果分析

2.1 地形分析与小流域划分

将采用ArcGIS软件Hydrology模块自动生成的羊鸡冲小流域记为1号小流域，面积为2.22 km2。在对小流域及其附近区域的地形、水文和岩溶情况的调查中发现，羊鸡冲小流域的A和B两个位置各有一个溶洞出水口，经ArcGIS软件地形分析发现它们分别对应一个岩溶洼地，记为2、3号。将这两个岩溶洼地归并到羊鸡冲小流域中，获取羊鸡冲小流域的地下分水岭，结果如图1所示。小流域总面积为7.68 km2。

图1 研究区地表形态及流域边界

1号小流域四周高、中间低，构成了一个封闭的汇水区，代表羊鸡冲小流域的地表分水线，其海拔为1 118～1 615 m，地表沟道的走向顺应地势，径流自东南流向西北。羊鸡冲小流域地下分水线包含1号小流域和2、3号岩溶洼地，2、3号岩溶洼地的海拔分别为1 357～1 615 m和1 360～1 689 m。2、3号岩溶洼地的海拔明显高于1号小流域，两洼地最低点与1号小流域最低点海拔分别相差239 m和242 m。2、3号岩溶洼地的地下河顺应地势，由东南向西北注入1号小流域，这与整个龙里县的地势与河流流向相吻合。

2.2 水文要素分析

代表地表汇水区的1号小流域的水文特征分析结果显示，1号小流域的径流系数较大，变化范围在0.54～1.39之间，2011、2012、2013年的径流系数均大于1(表1)，说明羊鸡冲小流域地表汇水区在地下并不封闭，有地下水进入地表汇水区。羊鸡冲小流域卡口站常年有地表径流，并且小流域下伏的蟒山群马鬃岭组灰白色薄至中厚层细粒石英砂页岩地层为不透水层，因此进入小流域地表汇水区的地下水最终也出露地表，以地表径流形式从卡口站流出。

表1 2010—2014年羊鸡冲小流域水文要素情况

代表地下汇水区的1号小流域和2、3号洼地的水文特征分析结果显示，地下汇水区径流系数变化范围为0.19～0.50，平均值为0.30，说明羊鸡冲小流域地下汇水区可以囊括比地表汇水区更多的降雨和径流，相对于地表汇水区闭合性更好。

3 讨论

从西南岩溶区典型小流域羊鸡冲小流域的划分过程中发现，岩溶区划分的小流域是否闭合强烈地受控于岩溶地形和地质条件，并且需要监测小流域的水文特征加以验证。因此，从地形、地质和小流域水文特征几个方面对岩溶区小流域划分加以讨论。

3.1 地形对岩溶区小流域划分的影响

羊鸡冲及其类似的位于贵州东部南北向构造带西缘及东西向构造的黔中隆起横跨反接与重叠地区的小流域，岩溶发育处在青年期，具有明显的地表地下双层结构，溶蚀作用强烈，地下河发育较广泛，地下结构往往为主体结构[4]，准确划分地下汇水区对该区域水文、水土保持研究和水利工程建设具有重要意义。

羊鸡冲小流域的地表汇水区1号小流域地表径流的流向和2、3号岩溶洼地地下水流的流向均顺应小流域的地势，自东南流向西北。这说明岩溶区地表水和地下水的流向在一定程度上仍受控于地形，地形仍然是影响岩溶区小流域划分的重要影响因素。通过对岩溶区地表形态的分析可以初步确定河流流向，以及地表汇水区与相邻岩溶洼地之间的汇流关系。本研究中发现羊鸡冲小流域附近存在较多的岩溶洼地，这是岩溶地区常见的一种由溶蚀作用形成的负地形，这种封闭的地形使洼地没有地表排水口，降雨通过土壤，岩溶孔、裂隙，落水洞等最终汇入地下暗河，随着地形与地势顺势流向流域出口，在流域最低点排出。

3.2 地质条件对岩溶区小流域划分的影响

在长期无降雨的情况下，羊鸡冲小流域出水口仍有长流水，流量通常稳定在0.004 m3/s左右，表明该小流域有稳定的地下水供给。流域内的水并未完全沿岩溶孔隙和裂隙渗漏到地下更深处，这说明羊鸡冲小流域下面应该存在不透水或透水性较差的地层。经地质图查证，羊鸡冲小流域所在的区域下伏地层为蟒山群马鬃岭组灰白色薄至中厚层细粒石英砂页岩，岩性致密，渗透率为1×10-13～2×10-9md。页岩渗透率非常小，可视为不透水层，保证了水源不会渗漏到更深的地下，并且在一定条件下可以出露到地表。因此，在划分类似区域的小流域时，要充分调查研究区域的地质条件，以保证划分的小流域可以囊括汇水区内绝大部分的降雨和径流。

3.3 流域面积对岩溶区小流域划分的影响

随着流域面积增大，河流切割含水层的数量增多，地下径流补给也会相对丰沛[12]，因此在乌江流域内径流系数存在随流域面积增大而增大的一般规律。如：羊鸡冲小流域所属的乌江水系流域面积为8.79万km2，径流系数为0.50，乌江支流清水河流域面积为8 499.6 km2，径流系数为0.48；龙里县境内各河流的流域面积为110.7～693.7 km2，径流系数为0.410～0.509，羊鸡冲小流域面积为7.68 km2，径流系数为0.30；还有类似区域的陈旗小流域6种不同类型径流小区面积684～2 890 m2，监测到的径流系数为0.01%～12.81%[13]，小于羊鸡冲小流域的径流系数。

此外，有研究表明径流系数与流域内碳酸盐岩面积的比例呈负相关[14]。整个贵州省碳酸盐岩的分布面积占全省面积的61.9%[15]，贵州省大部分地区的径流系数在0.45～0.55之间。羊鸡冲小流域碳酸盐岩分布面积占流域面积的90%以上，径流系数0.30也较其他地区低，符合径流系数与流域内碳酸盐岩面积比例呈负相关的规律。因此，综合采用地形分析、水文监测与野外调查等方法划分的羊鸡冲小流域更加合理，可以囊括整个汇水区绝大部分的降雨和径流。

4 结语

本研究以贵州省龙里县典型岩溶区的羊鸡冲小流域为研究对象，基于1∶5万地形图，利用ArcGIS的Hydrology模块提取地表小流域和岩溶洼地地表分水线，通过野外调查和地质、水文数据判断地表小流域和岩溶洼地之间的水文关系，最终划定羊鸡冲小流域地表、地下分水线。采用这种方法划定的小流域更加合理，可以囊括整个汇水区绝大部分的降雨和径流，并且符合岩溶区径流系数随流域面积的增大而增大、与流域内碳酸盐岩面积的比例呈负相关这两个一般规律。

该研究成果对位于贵州东部南北向构造带西缘及东西向构造的黔中隆起横跨反接与重叠地区，岩溶发育处在青年期，具有明显的地表、地下双层结构，地下河发育较广泛，地下结构为主体结构的区域的小流域划分具有一定的借鉴意义。

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