喀斯特流域岩性对地表径流形态的影响

夏子翔 赵海兵 胡洪丽

摘要 为了解喀斯特地区地层岩性对地表径流形态产生的影响，以花溪河流域为例，探讨研究提取出的实际河流、理论河流与花溪河流域岩性，从而对比得出喀斯特地区岩性对地表径流形态产生的影响。结果表明，实际的地表径流比提取的理论径流长度要短，造成这种数据差异的原因是喀斯特地区典型的岩溶作用与溶洞、地下河的共同作用使地表径流流失进入地下，且不同岩性下对地表径流形态产生的影响不同。

关键词 喀斯特流域；地质岩性；水文分析；数字化；地表径流对比

中图分类号 P931.5 文献标识码 A 文章编号 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场所组成的独特水文地貌结构及其产生的功能效应，使得其水系发育，水文动态与非喀斯特流域表现出巨大差异[1-2]。数字高程模型是重要的国家基础地理信息数据，基于ArcGIS数字地形分析的理论、方法与应用，是当今地理学、地貌学界特别是地理信息科学研究的热点[3]。目前，国内学术界对喀斯特水文的研究成果主要集中在喀斯特地区水资源承载力[4]、植被生态水文效应[5]、枯落物的持水能力[6]、水土流失[7]等方面。然而，关于喀斯特地区地层岩性对地表径流影响的研究却鲜见报道。笔者选择贵阳花溪区喀斯特地区作为研究区域，研究了喀斯特地区岩性对地表径流形态的影响。

1 资料与方法

1.1 研究区概况 花溪河流域位于贵州省贵阳市花溪区，地处贵阳市南郊，东邻黔南州龙里县，西接贵安新区，南连黔南州惠水县、长顺县，北与南明区、观山湖区接壤，为长江流域与珠江流域的分水岭区域。包括溪北社区、清溪社区、贵筑社区、石板镇、党武乡、燕楼乡、马场镇、马山乡、巢湖乡、红枫湖镇、麦坪乡，流域面积为359.8 km2。主要地貌类型为峰丛和岩溶坡立谷，有小部分岩溶平原，具典型的喀斯特溶蚀地貌特征，以灰岩为主，并分布有白云岩、钙质泥质砂岩和生物屑灰岩互层等。区内有河流51条，总长390 km，水资源总量丰富；花溪水库、鹅掌水库等是贵阳市重要的水源保护区；区内有大量人工沟渠等引水工程。

1.2 数据来源与预处理

遥感数据为ALOS卫星10 M空间分辨率数据，遥感影像经过几何精校正、图像镶嵌与色彩匹配等处理[8]；理论河流数据由贵阳市ASTERGDEM 30 m分辨率DEM数据提取；实际河流数据从贵州省1∶5万水文地质图并结合遥感影像中提取；地层岩性数据来源于贵州省1∶5万水文地质图。所有数据统一定义为 Albers Conical Equal Area投影，从而保证数据的叠加、对比分析。同时对花溪河流域进行实地调查，结合遥感影像图、水文地质图与野外验证综合分析判断提取实际河流。

1.3 研究方法

以花溪河流域DEM数据和1∶5万水文地质图数据为基础，通过数字化和水文分析提取实际河流和理论河流，采用对比研究的方法，根据喀斯特地区地表岩性的特点，分析理论河流与实际河流产生差异的原因。

1.3.1 实际河流长度的提取。

利用ArcGIS软件将地质图中的河流、湖泊、地质线进行空间数字化，包括shp格式文件的建立、投影的建立、实际河流、水库、泉眼的数字化；利用ArcGIS软件计算实际河流的长度，来获得花溪区流域的实际河流及其基本属性。

1.3.2 理论河流长度的提取。

利用ArcGIS软件中的水文分析模块提取地表水流径流模型的水流方向、洼地深度、汇流累积量、河流长度、河流网络（河流网络的分级等）及对研究区的流域进行分割等[9-12]。通过上述基本水文因子的提取与基本水文分析，提取出研究区域的理论河流[13-14]，在通过ArcGIS软件计算出理论河流的长度，最终完成水文分析，得到花溪区的理论河流数据及其基本属性（图1）。

1.3.3 地质岩性的提取。利用ArcGIS软件将水文地质图进行地层岩性的数字化，并且编辑不同岩层的面积、属性字段，以获得花溪河流域的地质岩性图。

2 结果与分析

2.1 实际河流状况

研究区实际河流长376 926 m；整个流域河流方向为东北方向；有花溪水库、松柏山水库、凯掌水库、汪官水库、狗洞水库；有泉点90余个（图2）。

2.2 理论河流状况

研究区理论河流有476 669 m；整个流域河流方向东北方向；无法判断出水库与泉眼（图3）。

2.3 实际河流与理论河流的对比

2.3.1 形态。

从图2、3可以看出，理论河流与实际河流的形态存在明显差异，从形态上来看，理论河流比实际存在的河流多；理论河流有很多较小的支流，实際河流中没有较多支流，但有明显的水库湖泊。

2.3.2 岩性分区。

（1）岩性分布。

研究流域大部分属于喀斯特地区，河流的分布在各种岩组区别很大，见图4、5。

由表1可知，研究区的地质结构是由岩性为安顺组、大冶组、花溪组、下三叠、长兴组、吴家坪组、贵阳组、自流井、茅口组、青龙组、三桥组+二桥组构成，研究区的岩性主要为白云岩、灰岩为主，其中白云岩、灰岩皆为可溶性岩石[15-16]。

（2） 不同地层岩性的河流。总体来说，研究流域内河流主要流经安顺组、大冶组、花溪组、下三叠组。其中，茅口组、青龙组、三桥组+二桥组无河流流过；研究流域内自然河流比理论河流长，总共长99 743 m。具体比较情况如下：安顺组理论河流比实际河流长51 745 m；大冶组理论河流比实际河流长44 221 m；花溪组理论河流比实际河流短14 990 m；下三叠组理论河流比实际河流长33 120 m；长兴组理论河流比实际河流长1 804 m；贵阳组理论河流比实际河流短3 633 m；自流井组理论河流比实际河流短7 629 m（表2）。茅口组、青龙组、三桥组+二桥组无河流。

3 结论与讨论

（1）实际河流和提取的理论河流之所以存在差异，主要是因为研究流域具有喀斯特地区的岩溶作用与溶洞、地下河等，使得研究流域的支流河流水流失严重，这种流失导致水流无法进行有效的汇集形成河流；而提取理论河流并未考虑喀斯特地区的岩溶作用，无上述流失情况。这就导致了理论提取的河流比实际提取的河流长，进一步发现喀斯特地区地质岩性的差异会导致地表实际河流与理论河流的差异。

（2）通过对不同岩性区域理论河流和实际河流的对比分析，发现两者主要在河流形态、长度、数量上存在明显差异，自然河流无论从数量上还是长度上都比理论河流数量少。从长度上看，依次为安顺组、大冶组、花溪组、三下叠、长兴组、吴家坪组、贵阳组、自流井、茅口组、青龙组、三桥组+二桥组；从形态上看，三桥组、二桥组无地表河流，安顺组、大冶组河流减少严重。

（3）喀斯特地区的地质岩性会导致实际河流与理论河流的差异，使得在进行喀斯特地区水文分析时需考虑地层岩性对河流的影响。然而由于区位、降雨量、人工开发的差异，使得喀斯特地区实际河流与理论河流的差异可能还存在一些其他情况，这有待进一步研究。

参考文献

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