綏陽雙河洞國家地質公園邊界優化

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.中國地質學會洞穴專業委員會,桂林 541004;3.French Federation of Speleology,Lyon 69002; 4.綏陽雙河洞國家地質公園管理處,遵義 563314)

巖溶地區由于特殊的雙重含水介質形成了獨特的二元三維空間地域結構系統,不僅表現出奇特的地質地貌景觀和過程,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,除了發育地表水系外,還發育有地下水系,其水文過程的運動規律也與常態流水地貌系統存在差異,普遍存在地表、地下分水嶺不重合的現象[1-3]。地表分水嶺較為容易劃定,而地下分水嶺常因溶洞調查的局限性與地下水資源調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成了綏陽雙河洞國家地質公園的主體,而雙河洞系統主體部分則絕大部分發育在池武溪流域內。歷經30余年的中外聯合科考,雙河洞區域地表水系與地下溶洞調查資料相對翔實,且該流域范圍也足夠大,這就為研究巖溶區地表-地下二元結構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,規模體量不容忽視,成為近年來數據增長的主要貢獻源,部分洞道未來仍有與雙河洞系統相連通的可能[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育演化分期[12-13]、管網模型[14]、工程地質力學[15]、地球化學[16-18]、空氣環境[19]等方面開展了研究,對于理解它的總體發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推進,如何在雙河洞動態增長變化中科學劃定綏陽雙河洞國家地質公園的邊界?往往是被忽略掉的問題,這將不利于地質遺跡的保護與管理,同樣應引起足夠的重視。

數字高程模型(digital elevation model,DEM)是地表形態高程屬性的數字化表達,利用流域DEM數據構建地表數字水系模型并提取流域水文特征,已經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。但巖溶地區水系復雜、河流水系明暗相間、地面河流不連續,采用地理信息系統(geographic information system,GIS)手段和DEM來構建數字水系存在一定難度[20],需要綜合考慮溶洞發育對地表水系的影響。因此,現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數據進行數字河網提取與流域分割,來檢驗水文分析在喀斯特地區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,在對照現行園區邊界的基礎上提出初步的優化調整方案,以期為綏陽雙河洞國家地質公園保護與管理以及將來繼續申報世界地質公園或世界自然遺產提供科技支撐。

1 研究區概況

綏陽雙河洞國家地質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 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月園區獲得第三批國家地質公園建設資格(國土資廳函〔2004〕16號),由獨立不相連的公園主園區和溫泉園區構成[21],行政管轄權隸屬于綏陽縣;2015年地質公園修編按照《國家地質公園規劃編制技術要求》(國土資發89號),對原有2004年劃定的公園范圍進行了大幅調整,變為由4個相連景區組成(雙河洞景區、金鐘山景區、讓水景區、溫泉景區)[22],仍隸屬于綏陽縣管轄;2017年申報世界地質公園沿襲了2015年修編的范圍,但未能成功入圍。自2018年起,雙河洞系統就已超越現行地質公園邊界以及縣級行政區界線,園區邊界亟待優化調整。

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。由于受多期地質構造活動的控制,池武溪流域地形切割強烈,溝谷縱橫發育,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育廣泛。

根據1∶20萬正安幅水文地質報告以及1∶25萬正安縣幅建造構造圖等資料[23-24],研究區域地層屬于揚子地層區黔北沉積區西部,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。雙河洞主要發育于上寒武統-下奧陶統婁山關群地層中,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造節理控制,其中以北西向最為發育。從區域構造行跡來看,雙河洞系統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“構造空白區”內(圖1)。

(根據1∶20萬地質圖改繪)

2 材料與方法

2.1 數據來源

在暫不考慮園區邊界以及地區行政界線的前提下,對自然流域的數字河網提取并劃分地表分水嶺是開展邊界優化研究的基礎,故分析數據的選擇范圍要比池武溪地表分水嶺大,最好能將三角形“構造空白區”包含其中。目前已知區域1∶20萬地質圖與雙河溶洞群地圖均采用6°分帶,為兼顧DEM精度、不同源數據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數據6幅(h48e022021、h48e022022、h48e023021、h48e023022、h48e024021、h48e024022),統一采用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據(投影方式為WGS_1984_UTM_Zone_48N),可根據屬性字段拆分為雙河洞系統和未連通洞道。

2.2 數據處理

運用ArcGIS軟件對上述6幅DEM數據進行拼接與孔洞修復,再調用Hydrology tools模塊進行水文分析,提取研究區數字河網并劃分河流等級、去除偽節溝及集水流域邊界修正等。根據研究區范圍確定比例尺,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,雙河洞平面地圖經投影轉換后統一采用Xian_1980_GK_Zone_18投影坐標系(6°分帶)。

3 結果與討論

3.1 地表流域劃分與雙河洞空間展布

顯而易見,基于填洼的巖溶區數字河網特征必然與真實河網存在一定的差異。那么,以差異為突破口,是否可以建立巖溶區地表-地下“二元結構”之間的關聯呢?而確定匯流累積量閾值是開展數字河網特征研究的基礎[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

數字河網提取由于受DEM精度、地形復雜度、溝谷網絡的結構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目,需結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個閾值進行研究區數字河網提取,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,由此可直觀地發現(圖3)。

(1)雙河洞系統至少地跨池武溪、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系,由此推斷雙河洞系統的補給排泄范圍應更大,至少還應該包括西南側的楓香樹河流域。

(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域,猜測與雙河洞系統連接可能性小,可暫不予以考慮。

(3)東側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,且匯善谷溫泉景區位于其中,在發育成因上可能與雙河洞系統具備一定的關聯[11],此前一直是作為雙河洞國家地質公園不可分割的一部分。綜上所述,可將園區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、行政邊界關系

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

同樣對現行綏陽雙河洞國家地質公園范圍、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,可明顯發現(圖4)。

圖4 雙河洞與現行地質公園及行政區邊界空間關系

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

(2)跨越縣界必然導致現有行政管轄存在一定的盲區,不利于園區的保護與管理。

(3)現行的地質公園東南界則幾乎以縣級行政區來劃定,單純以行政區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,無論是從現行地質公園邊界抑或是從行政管轄權來考量,均已不能滿足核心地質遺跡在保護與管理上的需求。在園區邊界上,應根據探測進程適時動態調整范圍;在行政管轄上,則應盡快對綏陽雙河洞國家地質公園管理處提級賦予市級管理權,由綏陽、正安兩縣共管。

3.3 雙河洞系統發育界限預判

雙河洞系統是園區的核心地質遺跡,相較于其他地表巖溶景觀,在發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育界限,對于優化定界至關重要。根據雙河洞系統四至量測,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,基本上可認作是發育的東側界線。

(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。根據水文地質圖識別與實地調查,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西側擴展的可靠界線。

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),池武溪構成了一條不可逾越的鴻溝,絕大多數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,發育界線相對模糊。根據巖層產狀判斷,池武溪左岸上覆奧陶系地層之下可能有潛水位洞穴發育,并很有可能發育在寒武系地層中。

(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,該區域未連通洞道較多且在不斷增長,并入至雙河洞系統的潛力巨大,是未來探測的重點區域。

3.4 園區優化定界方案

園區優化定界方案能否適應不斷增長的雙河洞系統擴張?并如何進行適時動態調整?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。雙河洞系統是園區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,是未來雙河洞系統延伸的潛在增量。因此,整體考慮雙河溶洞群的發育趨勢也是優化定界的關鍵。如前文所述,2015年公園東側界線即為綏陽與正安兩縣縣界,單純以行政區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性考慮,雖巖溶區“二元結構”常導致地表-地下分水嶺存在不重合的現象,但以地表分水嶺進行劃界仍是最廣泛應用的理論依據。因此,在暫未明確雙河洞系統發育界限的情況下,以地表分水嶺劃分為依據,結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下一輪邊界調整的參考,并適時根據徑流的補-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、行政區劃等因素不斷優化定界。

截至2021年9月,美國猛犸洞(長度676 km、縱深124 m)以絕對優勢長期霸榜世界最長溶洞,它在地下分水嶺或者園區邊界劃定方面有無可借鑒的經驗呢?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地下分水嶺的范圍,更加強了對該區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次連通試驗,要明確劃分地下分水嶺、科學完整劃定園區邊界,未來的工作仍顯得任重而道遠。待條件成熟,雙河洞國家地質公園還將繼續申報世界地質公園或世界自然遺產,優化定界工作必將是重要的一環。

4 結論與展望

(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字河網,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與地表分水嶺,發現雙河洞系統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象。

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

(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,結合雙河洞系統發育界限預判,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下一輪邊界調整的參考,并適時根據徑流的補-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、行政區劃等因素不斷優化定界。

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