岩溶山区小流域划分与流域类型探讨<br/>——以贵州省盘州市为例

岩溶山区小流域划分与流域类型探讨
——以贵州省盘州市为例

2019-02-15周国富蔡雄飞刘春艳许幼霞代克志

中国水土保持 2019年2期

赵娟，周国富，蔡雄飞，刘春艳，许幼霞，代克志

(1.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州贵阳 550025； 2.黔西南州水务局，贵州兴义 562400)

受岩溶作用和人为因素影响，岩溶山区石漠化问题突出，生态环境极其脆弱，石漠化综合治理成为岩溶山区经济建设和生态环境改善的重要举措[1-4]。相关研究表明：在石漠化地区以小流域为基本单元进行石漠化综合治理成效显著[5-8]。因此，在岩溶山区典型区域进行小流域划分具有重要意义。目前，国内外针对喀斯特地区小流域划分的研究相对较少。国内学者基本参照2013年水利部发布的《小流域划分及编码规范(SL 653—2013) 》，将小流域划分为完整型、坡面型和区间型3种类型。林庆等[9]对重庆市忠县小流域进行划分得到237条小流域，但无具体分类；陈智虎等[3]以贵州省金沙县为例，针对小流域划分结果与实际地形不符的情况，进行手动修改并将结果归并到3种小流域中。岩溶山区存在大量溶斗、落水洞、盲谷、峰丛和洼地等地貌类型，一系列封闭的洼地或谷地将整条流域分割，形成干谷水系[10]，依托GIS技术自动提取小流域时，受岩溶山区特殊地貌影响，通常找不到河流流向，那么小流域划分时能否按常规划分体系将这种流域归并在标准流域类型中呢？目前很少有人针对这种情况提出质疑或解决对策，也未考虑过对这种流域进行单独分类。

选择具有典型岩溶特征的盘州市为研究对象，在将小流域划分为完整型、坡面型和区间型小流域的基础上，根据实际地貌特征将不符合《小流域划分及编码规范(SL 653—2013)》的小流域进行单独划分，旨在满足岩溶典型区有针对性地开展水土保持工作。

1 研究区及数据源

1.1 研究区概况

盘州市位于贵州省六盘水市西南部，地处滇黔交界处，地理位置104°17′～104°57′E、25°19′～26°17′N，东部与普安相邻，南部与兴义接壤，西部与云南省富源、宣威相连，北部邻近水城，素有滇黔锁钥、川黔要塞之誉，是贵州的西大门。行政上由贵州省直辖、六盘水市代管，现辖14镇、6街道、7乡，总面积4 056 km2。2016年末，全市常住人口105.34万人，生产总值520.19亿元，是全国百强县之一。

盘州市境内地貌属喀斯特地貌，主要有山地、山地丘陵、坝地和山原4种地貌类型，其中山地占土地总面积的82.40%，山地丘陵占9.22%，坝地占2.43%，山原占5.95%。整体地势西北高，东南低，中南部隆起。区域内多年平均降水量为1 394.90 mm，降水时间集中，5—10月降水量占全年降水总量的88%左右，其余时间降水量仅占12%左右，季节性缺水相当严重。由于地下通道、暗河等岩溶地貌较发育，地表径流多数渗入地下，蓄水能力差，区域内存在水土不匹配、工程性缺水等问题。地表则受岩性、构造等自然因素及人为活动影响，形成大面积裸露基岩，石漠化问题凸显，生态环境脆弱，也是目前贵州省喀斯特石漠化严重、分布面积较大的岩溶地区之一。

1.2 数据来源

研究数据主要有盘州市1∶5万地形图，用于生成DEM数据(经数字化处理后空间插值得到)；2016年Landsat8 OLI_TIRS卫星数据，作为小流域划分的辅助依据。

2 盘州市小流域划分

2.1 盘州市小流域划分探讨

通过传统手段自动提取盘州市小流域，会出现划分结果与实际不符且比较混乱的情况。这些区域主要分布有峰丛、峰林、洼地和盲谷等地貌，其中峰林、峰丛成群或分散分布，出现溶斗、落水洞等，流域界线不明显，在部分地区出现中间平坦、四周封闭的洼地[11]，无法判断地表水流方向，自动提取时较大的洼地没有得到恰当归并；此外地表水流至落水洞后会形成伏流或地下暗河[3,11]，引起溶洞洞顶坍塌后又转为地上明流，水系网络复杂，自动提取容易出现错误。

针对以上小流域提取时存在的问题，笔者参照陈智虎等[3]的方法，将落水洞位置和洼地中心作为流域出水口位置进行单独划分，并采取人机交互检查、野外实地验证方法，对与实际地形不符的微流域进行手动修改并归并，归并后将流域面积大于3 km2的进行单独划分。

2.2 小流域提取方法

小流域的自动提取主要依托ArcGIS软件中的水文分析模块，参照陈智虎等[3]的提取方法及《小流域划分及编码规范(SL 653—2013)》对盘州市小流域进行划分。

ArcGIS提取小流域的主要步骤如下：一是将DEM进行填洼预处理；二是确定水流方向；三是借鉴陈加兵等[12]确定福建省小流域水流方向时的方法，采用GARBRECHT et al.[13]基于坡面径流模拟方法改进的D8算法；四是采用Fill Accumulation工具确定水流流入该单元格的累积上游栅格单元格数目(NIP)[14]，通过设置200、500、1 000格网等不同阈值进行河流网络提取，阈值为500格网时所提取的盘县栅格河网与盘州市实际格网最接近；五是把河流交汇点、洼地中心和落水洞位置作为流域出水口位置进行微流域信息提取，待对所提取的微流域分水线进行检查后，再按照小流域划分标准进行微流域归并。

3 小流域提取结果

借助ArcGIS软件及《小流域划分及编码规范(SL 653—2013)》进行划分，最终得到盘州市有415条小流域(图1、表1)，其中：完整型小流域243条，占小流域总数的58.55%；区间型小流域81条，占19.52%；坡面型小流域6条，占1.45%；其他类型小流域85条，占20.48%。

图1 盘州市小流域划分结果

小流域类型数量/条平均面积/km2占比/%完整型2437.5258.55区间型8111.6019.52坡面型65.491.45其他类型8514.5920.48合计415100

在盘州市小流域划分结果中，有85条特殊小流域无法划分到标准流域类型中的任何一类，这85条小流域大部分分布在水流方向不明显，甚至没有水流的区域，地貌类型主要表现为峰丛、峰林、洼地和盲谷。其中，地貌类型为峰林、峰丛的小流域有10条，地貌类型为盲谷的小流域有28条，地貌类型为洼地的小流域有47条(表2)，主要以盲谷、洼地类型为主。

表2 盘州市85条特殊小流域所属地貌类型

4 盘州市小流域类型特征

完整型、坡面型和区间型小流域(图2)按照其沟道汇水特征、出水口位置进行划分，主要特征分别如下：①完整型小流域。具有明显的主沟道，分水线能够完全闭合，并且只有一个出水口。②坡面型小流域。多条短沟道并排出现，形成面积小于3 km2的羽状微流域，无法找到明显的主沟道，无法确认单条短沟道的分水线，只能将水流直接汇入上一级沟道或河流的坡面

图2 不同类型小流域特征

作为整体小流域。③区间型小流域。主沟道有一个出水口和一个进水口的区间河段，分水线不能闭合，两侧坡面陡峭或者一侧坡面狭长，一侧坡面较缓。④其他类型小流域。特征上，这种流域出水口位置异于以上3种类型，提取时主要以落水洞位置和洼地中心作为出水口，进行再次划分时需要进行手动修改。地貌类型存在大量的峰林、峰丛、盲谷和洼地，使得地表明流和地下暗河交替出现，导致提取的小流域与其他3种类型不同，需要结合地形经过手动修改和在野外监测小流域的水文特征加以验证。

4.1 盲谷-洼地型小流域的特征

4.1.1 盲谷-洼地型小流域的地貌特征

小流域划分过程中有85条其他类型小流域与完整型、坡面型和区间型小流域特征相异,为方便后期石漠化治理和生态环境的维护，根据汇水特征和出水口位置，将这85条命名为盲谷-洼地型小流域。因盲谷(断头河)或大片洼地单独存在却不见河流，且这些盲谷和洼地所在流域面积大于3 km2，与邻近水系不存在主流或干流的关系，所以只能以落水洞位置和洼地中心作为流域出水口单独划分。

盲谷-洼地型小流域主要地貌特征如下：①峰丛、峰林地区。在卫星影像上呈锥状或单斜状，发育着溶洞和地下河，山坡陡峭，岩石裸露，石牙、溶沟纵横交错，低洼处分布众多溶斗、落水洞和洼地，河流不明显，分水线模糊，如图3(a)所示。②洼地、盲谷地区。四周有峰丘包围形成的封闭洼地，在卫星影像上形如藕形、花瓣形；河流流入地下落水洞后，地下河前端谷底出现岩壁，原河谷自然分为两段，河谷形如封闭的死胡同，地表则呈现出没有谷口的情况，如图3(b)、(c)。

4.1.2 岩溶山区盲谷-洼地型小流域数量、水文特征及治理思路

岩溶山区存在大量的峰丛、峰林、洼地和盲谷，单个面积较小，连续性差，原生态环境封闭，但是以落水洞位置或洼地中心作为流域出水口能划分出有别于常规类型且分水线闭合的小流域，这类小流域受所在流域地质及岩溶作用影响，提取出的数量较大。

从小流域的水文特征看，盲谷-洼地型小流域水文特征与常规小流域相比，存在较大差异。主要表现为：降雨通过土壤、岩溶孔、裂隙、落水洞后形成典型的岩溶地下河系统、地表与地下交叉河流系统[15]，洼地成为河流的主要排泄区。明显的垂直性差异使得地表山高坡陡、无水少土，洼地易涝易淤，遇强降雨时，降水将峰丛部分的土壤、碎屑物质在极短时间内搬运到洼地，淤积于地表，而坡上积水面积小，汇流时间短，导致排水不畅，短时形成洪涝灾害等现象[16]。