巖溶地區(qū)集水面積的精準(zhǔn)探究

高立業(yè)，馮德光

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222）

1 問題的提出

取用水工程設(shè)計(jì)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(qū)，受巖性和地質(zhì)構(gòu)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(shí)繪制地表水分水嶺、地下水分水嶺，才能精準(zhǔn)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(qū)若無(wú)實(shí)測(cè)水文資料，分水嶺劃分、匯流面積確定則更難。

在無(wú)資料地區(qū)，若流域面積不精準(zhǔn)，由其推算的設(shè)計(jì)流域徑流、洪水、輸沙量成果會(huì)有較大偏差，會(huì)影響取用水工程的建設(shè)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行安全，也會(huì)曲解對(duì)流域自然特性的認(rèn)知。本文以A河為例，進(jìn)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(qū)集水面積初定

巖溶發(fā)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(jù)水文條件和水文地質(zhì)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(jù)流域概況、水文氣象、區(qū)域地質(zhì)與工程地質(zhì)等資料，了解水系的產(chǎn)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(tǒng)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(qū)內(nèi)海拔高程2 300～2 500 m，屬中山地貌。流域內(nèi)巖層多為中上石炭系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，巖溶發(fā)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(jīng)1 km后出露地表；南支河下游落入溶洞2，經(jīng)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(gè)：一個(gè)在A河溶洞上游約400 m處右岸，另一個(gè)在A河與南支河交匯口的左岸。

經(jīng)實(shí)地勘察，上述2個(gè)溶洞伏流在枯水季無(wú)水下泄河道，可見沒有地下水排泄；2個(gè)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(jù)1∶1萬(wàn)及1∶5萬(wàn)區(qū)域地形圖、1∶5萬(wàn)區(qū)域水文地質(zhì)圖和相關(guān)的水文地質(zhì)調(diào)查成果，A河流域碳酸鹽巖大面積出露，巖溶較為發(fā)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(tǒng)。A河流域所在的水文地質(zhì)單元邊界清晰，相對(duì)封閉，可認(rèn)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(jù)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(wú)實(shí)測(cè)流量資料巖溶地區(qū)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(cè)

（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(diǎn)。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(nèi)的地下水補(bǔ)給量很??；南支河的溶洞2洞內(nèi)基本無(wú)地下水補(bǔ)給。

（2）典型斷面與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流。為查明泉1補(bǔ)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(duì)A河干、支流的主要地表溪溝和天然泉點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地流量統(tǒng)測(cè)，并量算測(cè)點(diǎn)的集水面積。測(cè)流斷面、換算的實(shí)測(cè)流量模數(shù)，如圖2所示。

圖2 測(cè)流方案示意

3.2 水量平衡與分水嶺閉合分析

根據(jù)測(cè)流后編制的區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告成果，主支流B河的流量模數(shù)為2.5 L/（s·km2），通過水量平衡測(cè)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(shù)約600 L/（s·km2），南支河伏流溶洞2進(jìn)口上游處流量模數(shù)為2.5 L/（s·km2），A河干流的測(cè)流點(diǎn)Q3流量模數(shù)為12.1 L/（s·km2），A河干流匯入口的測(cè)流點(diǎn)Q4流量模數(shù)為11.3 L/（s·km2）。

據(jù)此分析，第一特征是：從流量模數(shù)看，A河干流下游的2個(gè)測(cè)流點(diǎn)以上流域的流量模數(shù)12.1與11.3 L/（s·km2）是協(xié)調(diào)、合理的，說明干流下游2個(gè)測(cè)點(diǎn)之間河段水量基本沒有異向補(bǔ)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(zhì)單元相對(duì)封閉，經(jīng)過進(jìn)一步調(diào)查、測(cè)流和水文地質(zhì)分析，A河上游的地下水流向、地下水系統(tǒng)邊界基本確認(rèn)，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(diǎn)2.5 L/（s·km2）、南支河Q2點(diǎn)2.5 L/（s·km2）、泉1點(diǎn)600 L/（s·km2）的流量模數(shù)，與A河干流下游的流量模數(shù)呈現(xiàn)顯著的不協(xié)調(diào)，B河Q1點(diǎn)、南支河Q2點(diǎn)的流量模數(shù)偏小，泉1點(diǎn)的流量模數(shù)偏大（詳見表1），這說明泉1點(diǎn)的地下水水源補(bǔ)給范圍遠(yuǎn)大于本身的4 km2，有其他區(qū)域地下水、地表水的異向補(bǔ)給。而B河、南支河的流量模數(shù)偏小，表明其產(chǎn)流異向補(bǔ)給泉1?？梢姡?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(shù)分析L（/s·km2）

綜上，因A河干流上游地下水系統(tǒng)內(nèi)巖溶發(fā)育，地表水與地下水水力聯(lián)系緊密，難以準(zhǔn)確劃分支流的地下水系統(tǒng)邊界，但該地下水系統(tǒng)的水資源均流入A河干流下游測(cè)流點(diǎn)的匯水區(qū)內(nèi)。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(jù)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(qū)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(cè)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(tǒng)計(jì)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(zhǔn)劃分對(duì)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(shè)計(jì)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(duì)比

南支河的溶洞伏流以上區(qū)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(shè)計(jì)斷面的徑流、洪水、泥沙分析應(yīng)采用不一致的計(jì)算面積，徑流計(jì)算面積應(yīng)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(qū)集水面積確定的科學(xué)途徑

巖溶發(fā)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(shè)計(jì)斷面的集水面積，需要采用的科學(xué)途徑如下。

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

（2）進(jìn)行水文地質(zhì)調(diào)查，了解區(qū)域地表分水嶺以內(nèi)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(duì)流出區(qū)的各個(gè)河道控制斷面同時(shí)施測(cè)流量，扣減上下游不均勻降雨量的影響，計(jì)算外流量、外流范圍。

（4）對(duì)流入?yún)^(qū)的地下水出露點(diǎn)施測(cè)排泄量，計(jì)算外區(qū)域流入的水量、集水面積本區(qū)域自產(chǎn)的水量、集水面積。同時(shí)，明確涌水洞、落水洞汛期向河道泄水、枯水季節(jié)向洞內(nèi)落水的特性。

（5）分析補(bǔ)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(shè)計(jì)斷面的集水面積后，可進(jìn)行徑流、洪水和泥沙的計(jì)算工作。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）無(wú)水文資料的巖溶地區(qū)，需要明晰產(chǎn)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(zhì)條件，同時(shí)測(cè)流，科學(xué)精準(zhǔn)地確定集水面積，這是河道徑流、洪水和泥沙計(jì)算合理的重要基礎(chǔ)。

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