巖溶地區集水面積的精準探究

高立業，馮德光

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222）

1 問題的提出

取用水工程設計斷面以上的流域面積，一般需要在比例尺適宜的地形圖上，通過繪制地表水分水嶺量取。在巖溶地區，受巖性和地質構造的控制，地表水和地下水匯流存在異向排泄的情形，需要同時繪制地表水分水嶺、地下水分水嶺，才能精準地量取徑流、洪水和泥沙，分析各自所需的集水面積；巖溶地區若無實測水文資料，分水嶺劃分、匯流面積確定則更難。

在無資料地區，若流域面積不精準，由其推算的設計流域徑流、洪水、輸沙量成果會有較大偏差，會影響取用水工程的建設規模、經濟效益和運行安全，也會曲解對流域自然特性的認知。本文以A河為例，進行研究、歸納，以期得到確定集水面積的可行操作流程。

2 巖溶地區集水面積初定

巖溶發育流域地表水分水嶺與地下水分水嶺一般存在不一致情況，需根據水文條件和水文地質條件，合理繪制流域的地表水分水嶺、地下水分水嶺。

2.1 資料分析

根據流域概況、水文氣象、區域地質與工程地質等資料，了解水系的產流匯流水文特性，巖溶洼地、漏斗/落水洞、溶洞/伏流、暗河出口（泉群）和涌水洞分布、地下河系統界線、地下水流向等巖溶地理特性。

2.2 A河巖溶分布

A河為某水系的支流，地處云貴高原中部，河源黃海高程2 600 m，區內海拔高程2 300～2 500 m，屬中山地貌。流域內巖層多為中上石炭系灰巖、白云質灰巖，巖溶發育，地表、地下水明暗交替，河流切割較深。

A河伏流在溶洞1潛入地下經1 km后出露地表；南支河下游落入溶洞2，經約3 km伏流后出露地表，溶洞出口在距離A河匯入口以上100 m的山崖間。巖溶泉有2個：一個在A河溶洞上游約400 m處右岸，另一個在A河與南支河交匯口的左岸。

經實地勘察，上述2個溶洞伏流在枯水季無水下泄河道，可見沒有地下水排泄；2個巖溶泉常年有水溢出地表，為地下水排泄出口。

A河流域水系、主要溶洞伏流和地下水排泄出口，如圖1所示。

圖1 A河流域水系

2.3 初始分水嶺與流域面積

根據1∶1萬及1∶5萬區域地形圖、1∶5萬區域水文地質圖和相關的水文地質調查成果，A河流域碳酸鹽巖大面積出露，巖溶較為發育，落水洞、巖溶洼地分布密度較大，是較為典型的巖溶地下河系統。A河流域所在的水文地質單元邊界清晰，相對封閉，可認為地表分水嶺、地下分水嶺是重合的，集水流域是閉合的。依據地理高程，初步繪制流域地表水與地下水的分水嶺界線，量算初始的流域集水面積為280 km2。

3 水量平衡分析與集水面積核定

分析河流上、下游的水量平衡和相鄰河流之間的水量平衡，是研究無實測流量資料巖溶地區的地表水與地下水分水嶺界線是否重合的有效方法。

3.1 典型斷面流量觀測

（1）地下水排泄分析。A河上游右岸泉1是上游地下水的集中出露點。A河泉1—南支河匯入口河段主要是溶洞1的伏流，該河段因在泉1處之下引水為減水河段，伏流入口、出口在枯水期基本斷流，以此判斷伏流河段溶洞1內的地下水補給量很小；南支河的溶洞2洞內基本無地下水補給。

（2）典型斷面與現場測流。為查明泉1補給范圍、河流之間的水量異向排泄，選取典型河道控制斷面，對A河干、支流的主要地表溪溝和天然泉點進行實地流量統測，并量算測點的集水面積。測流斷面、換算的實測流量模數，如圖2所示。

圖2 測流方案示意

3.2 水量平衡與分水嶺閉合分析

根據測流后編制的區域水文地質調查報告成果，主支流B河的流量模數為2.5 L/（s·km2），通過水量平衡測算泉1的流量為2 375 L/s、按集水面積4 km2估算的流量模數約600 L/（s·km2），南支河伏流溶洞2進口上游處流量模數為2.5 L/（s·km2），A河干流的測流點Q3流量模數為12.1 L/（s·km2），A河干流匯入口的測流點Q4流量模數為11.3 L/（s·km2）。

據此分析，第一特征是：從流量模數看，A河干流下游的2個測流點以上流域的流量模數12.1與11.3 L/（s·km2）是協調、合理的，說明干流下游2個測點之間河段水量基本沒有異向補給，這也符合流域多年平均降雨量、徑流深上游略大的水文特性。A河水文地質單元相對封閉，經過進一步調查、測流和水文地質分析，A河上游的地下水流向、地下水系統邊界基本確認，可斷定地表分水嶺、地下分水嶺是重合的，流域的集水面積是閉合的。

第二特征是：B河Q1點2.5 L/（s·km2）、南支河Q2點2.5 L/（s·km2）、泉1點600 L/（s·km2）的流量模數，與A河干流下游的流量模數呈現顯著的不協調，B河Q1點、南支河Q2點的流量模數偏小，泉1點的流量模數偏大（詳見表1），這說明泉1點的地下水水源補給范圍遠大于本身的4 km2，有其他區域地下水、地表水的異向補給。而B河、南支河的流量模數偏小，表明其產流異向補給泉1。可見，泉1是B河上游與南支河上游的水資源量集中排泄出口。

表1 A河典型控制斷面流量模數分析L（/s·km2）

綜上，因A河干流上游地下水系統內巖溶發育，地表水與地下水水力聯系緊密，難以準確劃分支流的地下水系統邊界，但該地下水系統的水資源均流入A河干流下游測流點的匯水區內。因此，A河干流的地表水與地下水分水嶺是重疊閉合的，B河、南支河的地表水與地下水分水嶺界線是不一致的。

3.3 核定集水面積

依據地理高程，繪制合理的地表水和地下水的分水嶺界線，量算A河流域集水面積為323 km2（閉流區10 km2），其中A河溶洞以上的集水面積174 km2、南支河溶洞伏流出口以上集水面積108 km2。

測流核定的A河流域面積323 km2與初始量算的280 km2相比增大15%，與原統計的流域面積410 km2相比減小21%，詳見表2。可見，A河流域地表水、地下水分水嶺的精準劃分對集水面積取值的影響是很顯著的，也是十分重要的，這將使得設計流域的徑流、洪水、輸沙量成果更加合理、可靠。

表2 A河河口集水面積對比

南支河的溶洞伏流以上區域，地下水分水嶺不閉合，地表水、地下水分水嶺不重疊。在溶洞伏流河段，設計斷面的徑流、洪水、泥沙分析應采用不一致的計算面積，徑流計算面積應扣除地下水異向排泄的范圍。

A河流域地表水與地下水的分水嶺范圍界線，如圖3所示。

圖3 A河流域地表水與地下水的分水嶺范圍界線

4 巖溶地區集水面積確定的科學途徑

巖溶發育的流域，地表水分水嶺與地下水分水嶺存在不一致情況，確定河道設計斷面的集水面積，需要采用的科學途徑如下。

（1）收集流域概況、水文氣象、區域地質資料，了解水系的產匯流水文特性、巖溶分布、地下水流向和地下河系統界線等巖溶地理特性。

（2）進行水文地質調查，了解區域地表分水嶺以內地下水的外流水量、滲漏入口或洼地、外流范圍以及出露口位置、排泄流量。

（3）對流出區的各個河道控制斷面同時施測流量，扣減上下游不均勻降雨量的影響，計算外流量、外流范圍。

（4）對流入區的地下水出露點施測排泄量，計算外區域流入的水量、集水面積本區域自產的水量、集水面積。同時，明確涌水洞、落水洞汛期向河道泄水、枯水季節向洞內落水的特性。

（5）分析補給、排泄的水量是否平衡及不平衡的原因。

（6）繪制地表水分水嶺、地下水分水嶺，確定集水面積。

（7）確定設計斷面的集水面積后，可進行徑流、洪水和泥沙的計算工作。

5 結語

（1）無水文資料的巖溶地區，需要明晰產匯流特性、地理地貌等邊界條件，通過分析水文條件和水文地質條件，同時測流，科學精準地確定集水面積，這是河道徑流、洪水和泥沙計算合理的重要基礎。

（2）在有地下水量外流的河流上建設水利工程，應確定河段流量模數合理的下邊界控制斷面。