喀斯特流域巖性對地表徑流形態的影響

夏子翔 趙海兵 胡洪麗

摘要 為了解喀斯特地區地層巖性對地表徑流形態產生的影響，以花溪河流域為例，探討研究提取出的實際河流、理論河流與花溪河流域巖性，從而對比得出喀斯特地區巖性對地表徑流形態產生的影響。結果表明，實際的地表徑流比提取的理論徑流長度要短，造成這種數據差異的原因是喀斯特地區典型的巖溶作用與溶洞、地下河的共同作用使地表徑流流失進入地下，且不同巖性下對地表徑流形態產生的影響不同。

關鍵詞 喀斯特流域；地質巖性；水文分析；數字化；地表徑流對比

中圖分類號 P931.5 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）03-0052-03

Abstract In order to know the impacts of stratum lithologies in Karst area on the surface runoff pattern，this paper takes Huaxi River basin as an example to explore and discuss the extracted actual river，theoretical river and lithologies of Huaxi River basin，thus to obtain the impacts of stratum lithologies in Karst area on the surface runoff pattern.The result shows that the actual surface runoff is shorter than the extracted theoretical runoff.The reason for this kind of data difference is that the typical karstification in Karst area as well as the combined action of Karst caves and subterranean rivers make surface runoff wash away into underground，and different lithologies exert different impacts on surface runoff patterns.

Key words Karst river basin；Geological lithology；Hydrological analysis；Digitization；Overland runoff comparison

喀斯特流域可溶性的雙重含水介質以及地表地下二元流場所組成的獨特水文地貌結構及其產生的功能效應，使得其水系發育，水文動態與非喀斯特流域表現出巨大差異[1-2]。數字高程模型是重要的國家基礎地理信息數據，基于ArcGIS數字地形分析的理論、方法與應用，是當今地理學、地貌學界特別是地理信息科學研究的熱點[3]。目前，國內學術界對喀斯特水文的研究成果主要集中在喀斯特地區水資源承載力[4]、植被生態水文效應[5]、枯落物的持水能力[6]、水土流失[7]等方面。然而，關于喀斯特地區地層巖性對地表徑流影響的研究卻鮮見報道。筆者選擇貴陽花溪區喀斯特地區作為研究區域，研究了喀斯特地區巖性對地表徑流形態的影響。

1 資料與方法

1.1 研究區概況 花溪河流域位于貴州省貴陽市花溪區，地處貴陽市南郊，東鄰黔南州龍里縣，西接貴安新區，南連黔南州惠水縣、長順縣，北與南明區、觀山湖區接壤，為長江流域與珠江流域的分水嶺區域。包括溪北社區、清溪社區、貴筑社區、石板鎮、黨武鄉、燕樓鄉、馬場鎮、馬山鄉、巢湖鄉、紅楓湖鎮、麥坪鄉，流域面積為359.8 km2。主要地貌類型為峰叢和巖溶坡立谷，有小部分巖溶平原，具典型的喀斯特溶蝕地貌特征，以灰巖為主，并分布有白云巖、鈣質泥質砂巖和生物屑灰巖互層等。區內有河流51條，總長390 km，水資源總量豐富；花溪水庫、鵝掌水庫等是貴陽市重要的水源保護區；區內有大量人工溝渠等引水工程。

1.2 數據來源與預處理

遙感數據為ALOS衛星10 M空間分辨率數據，遙感影像經過幾何精校正、圖像鑲嵌與色彩匹配等處理[8]；理論河流數據由貴陽市ASTERGDEM 30 m分辨率DEM數據提?。粚嶋H河流數據從貴州省1∶5萬水文地質圖并結合遙感影像中提取；地層巖性數據來源于貴州省1∶5萬水文地質圖。所有數據統一定義為 Albers Conical Equal Area投影，從而保證數據的疊加、對比分析。同時對花溪河流域進行實地調查，結合遙感影像圖、水文地質圖與野外驗證綜合分析判斷提取實際河流。

1.3 研究方法

以花溪河流域DEM數據和1∶5萬水文地質圖數據為基礎，通過數字化和水文分析提取實際河流和理論河流，采用對比研究的方法，根據喀斯特地區地表巖性的特點，分析理論河流與實際河流產生差異的原因。

1.3.1 實際河流長度的提取。

利用ArcGIS軟件將地質圖中的河流、湖泊、地質線進行空間數字化，包括shp格式文件的建立、投影的建立、實際河流、水庫、泉眼的數字化；利用ArcGIS軟件計算實際河流的長度，來獲得花溪區流域的實際河流及其基本屬性。

1.3.2 理論河流長度的提取。

利用ArcGIS軟件中的水文分析模塊提取地表水流徑流模型的水流方向、洼地深度、匯流累積量、河流長度、河流網絡（河流網絡的分級等）及對研究區的流域進行分割等[9-12]。通過上述基本水文因子的提取與基本水文分析，提取出研究區域的理論河流[13-14]，在通過ArcGIS軟件計算出理論河流的長度，最終完成水文分析，得到花溪區的理論河流數據及其基本屬性（圖1）。

1.3.3 地質巖性的提取。利用ArcGIS軟件將水文地質圖進行地層巖性的數字化，并且編輯不同巖層的面積、屬性字段，以獲得花溪河流域的地質巖性圖。

2 結果與分析

2.1 實際河流狀況

研究區實際河流長376 926 m；整個流域河流方向為東北方向；有花溪水庫、松柏山水庫、凱掌水庫、汪官水庫、狗洞水庫；有泉點90余個（圖2）。

2.2 理論河流狀況

研究區理論河流有476 669 m；整個流域河流方向東北方向；無法判斷出水庫與泉眼（圖3）。

2.3 實際河流與理論河流的對比

2.3.1 形態。

從圖2、3可以看出，理論河流與實際河流的形態存在明顯差異，從形態上來看，理論河流比實際存在的河流多；理論河流有很多較小的支流，實際河流中沒有較多支流，但有明顯的水庫湖泊。

2.3.2 巖性分區。

（1）巖性分布。

研究流域大部分屬于喀斯特地區，河流的分布在各種巖組區別很大，見圖4、5。

由表1可知，研究區的地質結構是由巖性為安順組、大冶組、花溪組、下三疊、長興組、吳家坪組、貴陽組、自流井、茅口組、青龍組、三橋組+二橋組構成，研究區的巖性主要為白云巖、灰巖為主，其中白云巖、灰巖皆為可溶性巖石[15-16]。

（2） 不同地層巖性的河流?？傮w來說，研究流域內河流主要流經安順組、大冶組、花溪組、下三疊組。其中，茅口組、青龍組、三橋組+二橋組無河流流過；研究流域內自然河流比理論河流長，總共長99 743 m。具體比較情況如下：安順組理論河流比實際河流長51 745 m；大冶組理論河流比實際河流長44 221 m；花溪組理論河流比實際河流短14 990 m；下三疊組理論河流比實際河流長33 120 m；長興組理論河流比實際河流長1 804 m；貴陽組理論河流比實際河流短3 633 m；自流井組理論河流比實際河流短7 629 m（表2）。茅口組、青龍組、三橋組+二橋組無河流。

3 結論與討論

（1）實際河流和提取的理論河流之所以存在差異，主要是因為研究流域具有喀斯特地區的巖溶作用與溶洞、地下河等，使得研究流域的支流河流水流失嚴重，這種流失導致水流無法進行有效的匯集形成河流；而提取理論河流并未考慮喀斯特地區的巖溶作用，無上述流失情況。這就導致了理論提取的河流比實際提取的河流長，進一步發現喀斯特地區地質巖性的差異會導致地表實際河流與理論河流的差異。

（2）通過對不同巖性區域理論河流和實際河流的對比分析，發現兩者主要在河流形態、長度、數量上存在明顯差異，自然河流無論從數量上還是長度上都比理論河流數量少。從長度上看，依次為安順組、大冶組、花溪組、三下疊、長興組、吳家坪組、貴陽組、自流井、茅口組、青龍組、三橋組+二橋組；從形態上看，三橋組、二橋組無地表河流，安順組、大冶組河流減少嚴重。

（3）喀斯特地區的地質巖性會導致實際河流與理論河流的差異，使得在進行喀斯特地區水文分析時需考慮地層巖性對河流的影響。然而由于區位、降雨量、人工開發的差異，使得喀斯特地區實際河流與理論河流的差異可能還存在一些其他情況，這有待進一步研究。

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