巖溶山區(qū)小流域劃分與流域類型探討
——以貴州省盤州市為例

趙 娟，周國富，蔡雄飛，劉春艷，許幼霞，代克志

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.黔西南州水務(wù)局，貴州 興義 562400)

受巖溶作用和人為因素影響，巖溶山區(qū)石漠化問題突出，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，石漠化綜合治理成為巖溶山區(qū)經(jīng)濟建設(shè)和生態(tài)環(huán)境改善的重要舉措[1-4]。相關(guān)研究表明：在石漠化地區(qū)以小流域為基本單元進行石漠化綜合治理成效顯著[5-8]。因此，在巖溶山區(qū)典型區(qū)域進行小流域劃分具有重要意義。目前，國內(nèi)外針對喀斯特地區(qū)小流域劃分的研究相對較少。國內(nèi)學(xué)者基本參照2013年水利部發(fā)布的《小流域劃分及編碼規(guī)范(SL 653—2013) 》，將小流域劃分為完整型、坡面型和區(qū)間型3種類型。林慶等[9]對重慶市忠縣小流域進行劃分得到237條小流域，但無具體分類；陳智虎等[3]以貴州省金沙縣為例，針對小流域劃分結(jié)果與實際地形不符的情況，進行手動修改并將結(jié)果歸并到3種小流域中。巖溶山區(qū)存在大量溶斗、落水洞、盲谷、峰叢和洼地等地貌類型，一系列封閉的洼地或谷地將整條流域分割，形成干谷水系[10]，依托GIS技術(shù)自動提取小流域時，受巖溶山區(qū)特殊地貌影響，通常找不到河流流向，那么小流域劃分時能否按常規(guī)劃分體系將這種流域歸并在標準流域類型中呢？目前很少有人針對這種情況提出質(zhì)疑或解決對策，也未考慮過對這種流域進行單獨分類。

選擇具有典型巖溶特征的盤州市為研究對象，在將小流域劃分為完整型、坡面型和區(qū)間型小流域的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際地貌特征將不符合《小流域劃分及編碼規(guī)范(SL 653—2013)》的小流域進行單獨劃分，旨在滿足巖溶典型區(qū)有針對性地開展水土保持工作。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

盤州市位于貴州省六盤水市西南部，地處滇黔交界處，地理位置104°17′～104°57′E、25°19′～26°17′N，東部與普安相鄰，南部與興義接壤，西部與云南省富源、宣威相連，北部鄰近水城，素有滇黔鎖鑰、川黔要塞之譽，是貴州的西大門。行政上由貴州省直轄、六盤水市代管，現(xiàn)轄14鎮(zhèn)、6街道、7鄉(xiāng)，總面積4 056 km2。2016年末，全市常住人口105.34萬人， 生產(chǎn)總值520.19億元，是全國百強縣之一。

盤州市境內(nèi)地貌屬喀斯特地貌，主要有山地、山地丘陵、壩地和山原4種地貌類型，其中山地占土地總面積的82.40%，山地丘陵占9.22%，壩地占2.43%，山原占5.95%。整體地勢西北高，東南低，中南部隆起。區(qū)域內(nèi)多年平均降水量為1 394.90 mm，降水時間集中，5—10月降水量占全年降水總量的88%左右，其余時間降水量僅占12%左右，季節(jié)性缺水相當嚴重。由于地下通道、暗河等巖溶地貌較發(fā)育，地表徑流多數(shù)滲入地下，蓄水能力差，區(qū)域內(nèi)存在水土不匹配、工程性缺水等問題。地表則受巖性、構(gòu)造等自然因素及人為活動影響，形成大面積裸露基巖，石漠化問題凸顯，生態(tài)環(huán)境脆弱，也是目前貴州省喀斯特石漠化嚴重、分布面積較大的巖溶地區(qū)之一。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要有盤州市1∶5萬地形圖，用于生成DEM數(shù)據(jù)(經(jīng)數(shù)字化處理后空間插值得到)；2016年Landsat8 OLI_TIRS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，作為小流域劃分的輔助依據(jù)。

2 盤州市小流域劃分

2.1 盤州市小流域劃分探討

通過傳統(tǒng)手段自動提取盤州市小流域，會出現(xiàn)劃分結(jié)果與實際不符且比較混亂的情況。這些區(qū)域主要分布有峰叢、峰林、洼地和盲谷等地貌，其中峰林、峰叢成群或分散分布，出現(xiàn)溶斗、落水洞等，流域界線不明顯，在部分地區(qū)出現(xiàn)中間平坦、四周封閉的洼地[11]，無法判斷地表水流方向，自動提取時較大的洼地沒有得到恰當歸并；此外地表水流至落水洞后會形成伏流或地下暗河[3,11]，引起溶洞洞頂坍塌后又轉(zhuǎn)為地上明流，水系網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，自動提取容易出現(xiàn)錯誤。

針對以上小流域提取時存在的問題，筆者參照陳智虎等[3]的方法，將落水洞位置和洼地中心作為流域出水口位置進行單獨劃分，并采取人機交互檢查、野外實地驗證方法，對與實際地形不符的微流域進行手動修改并歸并，歸并后將流域面積大于3 km2的進行單獨劃分。

2.2 小流域提取方法

小流域的自動提取主要依托ArcGIS軟件中的水文分析模塊，參照陳智虎等[3]的提取方法及《小流域劃分及編碼規(guī)范(SL 653—2013)》對盤州市小流域進行劃分。

ArcGIS提取小流域的主要步驟如下：一是將DEM進行填洼預(yù)處理；二是確定水流方向；三是借鑒陳加兵等[12]確定福建省小流域水流方向時的方法，采用GARBRECHT et al.[13]基于坡面徑流模擬方法改進的D8算法；四是采用Fill Accumulation工具確定水流流入該單元格的累積上游柵格單元格數(shù)目(NIP)[14]，通過設(shè)置200、500、1 000格網(wǎng)等不同閾值進行河流網(wǎng)絡(luò)提取，閾值為500格網(wǎng)時所提取的盤縣柵格河網(wǎng)與盤州市實際格網(wǎng)最接近；五是把河流交匯點、洼地中心和落水洞位置作為流域出水口位置進行微流域信息提取，待對所提取的微流域分水線進行檢查后，再按照小流域劃分標準進行微流域歸并。

3 小流域提取結(jié)果

借助ArcGIS軟件及《小流域劃分及編碼規(guī)范(SL 653—2013)》進行劃分，最終得到盤州市有415條小流域(圖1、表1)，其中：完整型小流域243條，占小流域總數(shù)的58.55%；區(qū)間型小流域81條，占19.52%；坡面型小流域6條，占1.45%；其他類型小流域85條，占20.48%。

圖1 盤州市小流域劃分結(jié)果

小流域類型數(shù)量/條平均面積/km2占比/%完整型2437.5258.55區(qū)間型8111.6019.52坡面型65.491.45其他類型8514.5920.48合計415100

在盤州市小流域劃分結(jié)果中，有85條特殊小流域無法劃分到標準流域類型中的任何一類，這85條小流域大部分分布在水流方向不明顯，甚至沒有水流的區(qū)域，地貌類型主要表現(xiàn)為峰叢、峰林、洼地和盲谷。其中，地貌類型為峰林、峰叢的小流域有10條，地貌類型為盲谷的小流域有28條，地貌類型為洼地的小流域有47條(表2)，主要以盲谷、洼地類型為主。

表2 盤州市85條特殊小流域所屬地貌類型

4 盤州市小流域類型特征

完整型、坡面型和區(qū)間型小流域(圖2)按照其溝道匯水特征、出水口位置進行劃分，主要特征分別如下：①完整型小流域。具有明顯的主溝道，分水線能夠完全閉合， 并且只有一個出水口。②坡面型小流域。多條短溝道并排出現(xiàn)，形成面積小于3 km2的羽狀微流域，無法找到明顯的主溝道，無法確認單條短溝道的分水線，只能將水流直接匯入上一級溝道或河流的坡面

圖2 不同類型小流域特征

作為整體小流域。③區(qū)間型小流域。主溝道有一個出水口和一個進水口的區(qū)間河段，分水線不能閉合，兩側(cè)坡面陡峭或者一側(cè)坡面狹長，一側(cè)坡面較緩。④其他類型小流域。特征上，這種流域出水口位置異于以上3種類型，提取時主要以落水洞位置和洼地中心作為出水口，進行再次劃分時需要進行手動修改。地貌類型存在大量的峰林、峰叢、盲谷和洼地，使得地表明流和地下暗河交替出現(xiàn)，導(dǎo)致提取的小流域與其他3種類型不同，需要結(jié)合地形經(jīng)過手動修改和在野外監(jiān)測小流域的水文特征加以驗證。

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

小流域劃分過程中有85條其他類型小流域與完整型、坡面型和區(qū)間型小流域特征相異,為方便后期石漠化治理和生態(tài)環(huán)境的維護，根據(jù)匯水特征和出水口位置，將這85條命名為盲谷-洼地型小流域。因盲谷(斷頭河)或大片洼地單獨存在卻不見河流，且這些盲谷和洼地所在流域面積大于3 km2，與鄰近水系不存在主流或干流的關(guān)系，所以只能以落水洞位置和洼地中心作為流域出水口單獨劃分。

盲谷-洼地型小流域主要地貌特征如下：①峰叢、峰林地區(qū)。在衛(wèi)星影像上呈錐狀或單斜狀，發(fā)育著溶洞和地下河，山坡陡峭，巖石裸露，石牙、溶溝縱橫交錯，低洼處分布眾多溶斗、落水洞和洼地，河流不明顯，分水線模糊，如圖3(a)所示。②洼地、盲谷地區(qū)。四周有峰丘包圍形成的封閉洼地，在衛(wèi)星影像上形如藕形、花瓣形；河流流入地下落水洞后，地下河前端谷底出現(xiàn)巖壁，原河谷自然分為兩段，河谷形如封閉的死胡同，地表則呈現(xiàn)出沒有谷口的情況，如圖3(b)、(c)。

4.1.2 巖溶山區(qū)盲谷-洼地型小流域數(shù)量、水文特征及治理思路

巖溶山區(qū)存在大量的峰叢、峰林、洼地和盲谷，單個面積較小，連續(xù)性差，原生態(tài)環(huán)境封閉，但是以落水洞位置或洼地中心作為流域出水口能劃分出有別于常規(guī)類型且分水線閉合的小流域，這類小流域受所在流域地質(zhì)及巖溶作用影響，提取出的數(shù)量較大。

從小流域的水文特征看，盲谷-洼地型小流域水文特征與常規(guī)小流域相比，存在較大差異。主要表現(xiàn)為：降雨通過土壤、巖溶孔、裂隙、落水洞后形成典型的巖溶地下河系統(tǒng)、地表與地下交叉河流系統(tǒng)[15]，洼地成為河流的主要排泄區(qū)。明顯的垂直性差異使得地表山高坡陡、無水少土，洼地易澇易淤，遇強降雨時，降水將峰叢部分的土壤、碎屑物質(zhì)在極短時間內(nèi)搬運到洼地，淤積于地表，而坡上積水面積小，匯流時間短，導(dǎo)致排水不暢，短時形成洪澇災(zāi)害等現(xiàn)象[16]。

圖3 盲谷-洼地型小流域地貌特征

從治理思路和措施布置看，盲谷-洼地型小流域內(nèi)耕地資源質(zhì)量差，分布分散，土壤貧瘠，與水分不相匹配，在不同的區(qū)域出現(xiàn)水多土少或者土多水少的現(xiàn)象，嚴重制約著現(xiàn)有土地的開發(fā)利用和社會經(jīng)濟發(fā)展。對于這類小流域，在治理思路和措施布置上，要有別于常規(guī)小流域。

5 結(jié)果與討論

(1)根據(jù)劃分結(jié)果，盤州市共有小流域415條，其中完整型小流域243條、區(qū)間型小流域81條、坡面型小流域6條、盲谷-洼地型小流域85條。

(2)巖溶山區(qū)受巖溶地貌影響，河網(wǎng)分布與其他地區(qū)有較大差異，水流方向混亂，提取時可以落水洞位置和洼地中心為流域出口單獨劃分出分水線閉合的小流域。在盤州市小流域劃分過程中，將按標準劃分之外的85條小流域單獨劃分為盲谷-洼地型小流域，有利于因地施策制定措施，為石漠化防治提供指導(dǎo)。

(3)盲谷-洼地型小流域受大量峰叢、峰林、盲谷和洼地地質(zhì)及巖溶作用影響，提取出的數(shù)量較大，其水文特征與常規(guī)小流域相比，存在較大差異。該種小流域內(nèi)耕地資源質(zhì)量差，分布分散，土壤貧瘠，與水分不相匹配，在治理思路和措施布置上，要有別于常規(guī)小流域。

(4)選取典型巖溶山區(qū)進行小流域劃分研究，驗證了《小流域劃分及編碼規(guī)范》(SL 653—2013)不完全適用于巖溶山區(qū)的小流域劃分，應(yīng)對其進行修編，增加“盲谷-洼地型”小流域。

(5)針對巖溶山區(qū)中存在的峰叢、峰林、洼地和盲谷地貌類型，劃分時應(yīng)疊加地形圖和衛(wèi)星影像進行手動修改，地形復(fù)雜區(qū)域應(yīng)進行野外實地驗證。