西南喀斯特流域水循環研究進展

石 朋,侯爰冰,馬欣欣,陳 喜,張志才

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098;

2.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京 210098)

“南石(石漠化)北沙(沙漠化)”一直是制約我國西部地區可持續發展的兩大生態環境問題。西南喀斯特地區面積約54萬km2,包括以貴州為中心的廣西、云南 、四川、湖南、湖北 、廣東 、江西、重慶八省(市),是全球三大喀斯特集中分布區中連片裸露碳酸鹽巖面積最大的區域。該區內山地面積大,降水豐沛,土層淺薄,可溶巖成土速率緩慢,水土流失危險度高,屬非地帶性的脆弱生態帶[1]。同時,該區內人口達1億多,貧困人口相對集中,人地矛盾非常突出。坡地植被一旦被破壞,土壤侵蝕作用將會加劇,往往導致薄土層全部流失,造成嚴重的石漠化,水分、養分調蓄能力迅速降低。目前的石漠化土地面積已達 17萬 km2,占該區喀斯特面積的 31%,近2000萬人的生存環境受到嚴重威脅。更嚴重的是,石漠化面積還在不斷擴大,不僅使土地生產力下降,地表植被覆蓋率銳減,系統水源涵養能力削弱,地表水源枯竭,更造成土地資源喪失,糧食減產。另外,該區地處長江和珠江兩大水系的上游,一旦生態屏障崩潰,將嚴重危及中國半壁江山的生態安全。因此,西南喀斯特流域水循環研究一直是國家的科研重點。

1 西南喀斯特流域的水文特性

1.1 喀斯特流域的空間結構特征

由可溶巖組成的非均質含水介質,構成了巖溶喀斯特流域所特有的二元三維空間結構系統。該系統在水流侵蝕和溶蝕的雙重作用下,由地表、地下 2個子系統構成,其中,地表子系統包括溶溝、溶隙、峰叢、天窗、漏斗及落水洞等;地下子系統則主要由溶洞、管道、伏流及地下河等組成。地表成為喀斯特徑流中的發生場和分配場,地下則成為喀斯特徑流中的輸送場和調蓄場,而最終會通過地表河或地下河以較大的落差匯入江河。在巖溶系統的整個發展過程中,3種結構的巖溶含水層或含水體系得到了普遍認可,分別是:①細小結構體系,以封閉的空隙占優勢;②粗大結構體系,以基本上未封閉的空隙占優勢;③復活體系。因此,喀斯特流域在結構上有4個基本特性[2],即不均一的雙重含水介質結構、二元流場形態結構、三維空間地域結構以及功能上的耗散結構。

1.2 喀斯特流域的地貌水文效應

長期以來,人們對喀斯特流域不同于常態的水文和地貌問題做了大量的研究工作,但大多只側重于單方面的研究。水文問題和地貌問題之間有著十分密切的聯系,從長的時間尺度來看,喀斯特水是喀斯特地貌演化的直接動力;而從短的時間尺度來看,地貌形態幾乎是穩定的,流域內不同的地貌組合是導致區內特殊水文過程的根本動因。近年來,國內外的一些學者也認識到這一點,并注重于水文地貌系統的研究,把喀斯特流域的水文地貌看作是一個相互作用、相互影響、互為因果的有機系統,不但從水的角度出發考慮地貌問題,同時也從地貌的角度出發研究水文現象,進而促進了水文學和地貌學的交叉學科——水文地貌學的興起。

整個喀斯特流域地貌大系統中除了有構造地貌系統、巖石地貌系統和氣候地貌系統外,還有水文地貌系統。水文與地貌這兩大要素之間相互制約、相互影響,一方面在不同的水文條件下,發育了不同的喀斯特地貌;另一方面,不同的喀斯特地貌也制約著不同的水文過程。

在喀斯特地貌系統中,不同的水文過程作用往往使喀斯特系統在時空上表現出不同的水文地貌效應(如以水流侵蝕為主的地貌結構或以水流溶蝕為主的地貌結構);與此相應的,喀斯特地貌的多樣性和差異性必然也會導致流域水文過程不同。一般來說,喀斯特流域地貌結構對水體過程的作用可歸納為3類:蓄水作用、滯水作用和導水作用。表層溶蝕裂隙的入滲強度大、厚度小,往往表現為滯水作用;在峰林平原、峰林盆地中,土層厚度較大,具有較強的蓄水作用;而諸如地表、地下河及谷地等,則往往表現為導水作用。

1.3 喀斯特流域的地下水運動特征

在我國,西南地區的喀斯特巖溶介質比北方地區的具有更強的非均質性和各向異性。大氣降水和地表水通過巖溶地表滲入地下轉化為地下水,對巖溶地下結構不斷進行改造,從而逐漸形成巖溶通道(管道、洞穴等),并有序構成巖溶地下河系[3]。在這樣的地下河系統中,水流以管道流為主,巖溶管道或地下河構成地下徑流的主干。在2個管道流之間,地下水在層理、節理和溶孔中運動,此時的運動狀態與一般的滲流相似。管道流由于流動阻力小,流速非常大。據有關資料[4]統計,一般情況下地下河發育區的巖溶水流速枯水期為 8.64～17.28km/d,平水期為17.28～ 43.20km/d,洪水期為 43.20～ 129.60km/d,極端流速可達172.80km/d,可見在管道流或地下河發育區的地下水運動已不符合達西定律。此外,巖溶地下河系統中還包含巖溶裂隙、巖溶裂縫和巖溶孔隙等多種介質體,形成了一個多重的復合體系,具有高度的非均質性,使得地下河系統中的水流運動常呈現出達西流與非達西流并存的現象[5],這也為如何準確描述巖溶地下水的運動規律增加了困難。

2 喀斯特流域水循環的研究方法

2.1 流域水文模型方法

過去對巖溶喀斯特流域的水循環過程往往偏重于定性研究,直到 20世紀90年代以后才陸續出現一些針對巖溶流域水循環過程定量研究的水文模型。我國西南巖溶流域具有特殊的二元三維地質結構的極其復雜的地下河系統。在長期風化侵蝕作用下,喀斯特流域中大量的裂隙、溶溝、漏斗、天窗和落水洞使得其水文循環極其復雜。降雨時,地面徑流通過這些大型管道迅速進入地下成為地下徑流,使一次雨洪過程中地下徑流占較大比重,這與非巖溶流域的特征不同,加之多重復合體系的多種水流運動介質體及達西流與非達西流并存的現象,給巖溶流域建立水文模型帶來相當的困難。

目前在巖溶喀斯特地區建立的水文模型大體可概括為以下3類:

第1類通過對在非巖溶流域上成功使用的概念性集總式流域水文模型進行適度改造,使其在一定程度上能夠適用于巖溶地區。如袁道先[6]在水箱模型的基礎上開發出的桂林“丫吉模型”是最早在西南巖溶地區成功建立的流域水文模型之一。此類模型[7-12]雖然在模型構建時對流域進行了一定的單元劃分,但由于對水文過程、輸入變量及邊界條件的概化,對流域空間變異性的忽略,以及對喀斯特流域產匯流空間分布的不明確,使得該類模型從嚴格意義上說仍屬于黑箱模型,且在實際應用中存在諸多問題。當將此類集總式模型應用于地形地貌空間變異性高度發育的喀斯特流域時,會發現模型與客觀實際嚴重偏離,從而影響模型的計算精度和可信程度。

第2類是結合灰色理論、分形方法及人工神經網絡等現代數學方法所建立起來的數理統計模型[13-14]。束龍倉等[15]將門限自回歸模型與小波BP神經網絡相結合應用于后寨河流域出口流量的預測;石朋等[16-17]基于線性矩法和MK等方法分析了貴州巖溶流域徑流過程的年度和季節變化、洪枯水變化規律及其演變的空間特征;陳宏峰等[18]利用BP人工神經網絡建立了湖南洛塔河地區表層巖溶泉的徑流預測模型等。以數學方法為基礎的數理統計模型往往需要大量長系列的歷史觀測資料,然而,我國西南巖溶流域處于經濟發展相對落后的地區,除少數試驗流域近年來在國家重大研究項目的資助下開展了一些連續觀測外,大部分地區資料匱乏甚至無資料,從而使統計模型在理論上難以獲得支撐。由于此類方法缺乏必要的物理基礎,所建模型用于模擬尚可,用于預測則存在較大的不確定性,因此在巖溶水文循環研究中很難有進一步發展的空間。

第3類是非巖溶流域上適用的分布式/半分布式水文模型,嘗試將其應用于巖溶流域。與集總式模型不同,分布式模型能夠同時考慮流域水文過程和植被、土壤、地形地貌等地理因素的時空變異性及其對水文過程的影響,一些固有的自然地理要素往往被作為模型要素加以考慮,因此,分布式模型能夠較好地描述流域內細部的水文過程。任啟偉[19]在SWAT模型基礎上改建的刁江半分布式模型可視為分布式模型在我國西南喀斯特流域上的有益嘗試。張志才等[20]在DHSVM模型基礎上所建立的巖溶試驗流域分布式模型以及蒙海花等[21]基于落水洞所構建的一個半分布式水文模型也有一定的計算精度。在建模理論上分布式水文模型是適用于復雜條件下的西南喀斯特流域的,但也存在一些亟待解決的問題:①巖溶產流模式的確定。由于表層巖溶帶的存在使得巖溶流域的產流模式明顯不同于非巖溶流域的產流模式[22-24],表層巖溶帶裂隙率高,滲透性好,地表徑流只出現在連續降雨且雨強極大的降雨過程中[25]。因此,需要明確表層巖溶帶在降水入滲補給和產流中的作用[26-27]。②復雜下墊面條件的模型描述。落水洞等巖溶洼地往往是地表水快速匯集進入地下水系的連接處[28]。分布式水文模型根據DEM采用填洼法進行柵格匯流演算,不能將該模型直接照搬到喀斯特流域,而應在喀斯特地貌識別基礎上建立地表與地下水水系的連接關系。③巖溶徑流成分及匯流路徑的確定。目前柵格型匯流主要根據地形坡度進行計算,而產生于表層巖溶帶的水流不僅受地形影響,還取決于巖溶裂隙帶滲透系數的各向異性。因此,喀斯特產匯流受喀斯特地貌、土壤、喀斯特裂隙及地表和地下水系控制,目前尚無可直接套用或引用的模式,需要在詳細調查、巖溶水動態加密監測基礎上開展深入研究[29]。④下墊面空間異質性導致的尺度效應問題。基于小尺度建立的物理模型及數值解在流域尺度上由于維數災、參數災,增加了模型的不確定性,降低了模型的適用性。需要關注從基本尺度得到的基本規律如何應用到流域及區域尺度上。就目前而言,分布式模型在喀斯特地區的應用尚不多見,仍需要更多的實踐檢驗。

2.2 室內外試驗方法

針對西南喀斯特流域下墊面條件的高度空間異質性,眾多學者開始關注不同類型下墊面條件的水文特性,從而開展了大量的室內外試驗。此類試驗大體上可歸納為2類:一是對局地水文地質參數的求證;二是對地表以下水流路徑的探測。

在水文地質參數的求證方面,章程等[30-31]通過野外溶蝕試片法證明了不同土地利用類型下溶蝕量存在顯著差異性,同時還利用多參數自動記錄儀探討了巖溶泉的水位、水溫等與降雨的響應關系;張志才等[32]利用時域反射儀測定山體不同位置在不同植被覆蓋條件下的土壤含水率,分析了喀斯特峰叢山體土壤水的空間分布規律及其影響因素;劉延惠等[33]在巖溶流域設置徑流小區,通過實地觀測分析不同植被類型下巖溶地表徑流的差異;王臘春等[34]通過脈沖試驗和降雨天然脈沖分析,論述了后寨河流域巖溶水水文特征與流域貯水結構、地質地貌結構的相互關系,以及裂隙流與管道流的轉化關系。魯程鵬等[35]利用電導率與溶質濃度的正相關關系,在示蹤試驗基礎上提出一套估算地下水流速及含水層滲透系數的方法;鄧振平等[36]采用弱酸性紅A熒光燃料類試劑作為示蹤材料,分析了巖溶落水洞和地下河出口的連通性,以及地下分水嶺的分布特征。上述試驗研究對非均一含水介質巖溶水運動研究及巖溶水文模擬具有一定的參考意義,但考慮到喀斯特流域的特殊情況,這些試驗的結論是否具有代表性,能否在流域尺度上加以推廣值得商榷。

在地表以下水流路徑的探測方面,目前國內尚少有此方面的研究性論文,現有的方法仍是以水文地質鉆探方法為主。此類方法工程量較大,在一般的研究流域難以實施。近年來,連續電導率剖面儀及地質雷達的出現在一定程度上提高了效率,但同時仍存在一些問題。以RH-4型連續電導率剖面儀為例,其在地表以下 10～500m能夠精細地反演地下情況,但自地表至地表以下10m為其探測盲區,而這10m范圍恰恰是西南喀斯特流域中表層巖溶帶強烈發育的區段。再如地質雷達,其優點是靈活便攜,且能在各種復雜地形條件下正常使用,但缺點是易受干擾,外界微弱的電磁信號即會影響其工作結果。此外,地表土層厚度、土壤含水量等均會影響其探測結果,而對于探測結果的反演也是見仁見智,并無嚴格統一的標準,這樣一來,對一些細小的或由破碎巖石構成的地下水流通道,往往難以被識別出來。

3 喀斯特水循環研究的發展方向

3.1 巖溶環境下產流過程的研究

巖溶流域特殊的地質結構使得其下墊面條件不同于非巖溶流域。表層巖溶帶的存在使其包氣帶結構更為復雜。那么,如何在此類特殊包氣帶條件下探討其產流機制和產流模式,將是未來巖溶流域水循環研究的一個重點。盡管已有的研究表明,巖溶流域雖土層淺薄,但仍屬蓄滿產流模式,但此種蓄滿不僅僅是土壤的蓄滿,同時需要考慮表層巖溶帶的蓄滿,而表層巖溶帶內的水流運移儲存方式又不同于土壤,那么,如何構建出這種“土壤+表層巖溶帶”的復合蓄滿產流模式將是一個難點。

3.2 巖溶環境下匯流過程的研究

巖溶地下河系統中的水流運動常呈現出達西流與非達西流并存且地表河與地下河交替出現的情況。對于這種復雜的水流情態,如何通過合理的數學物理方法加以描述將是巖溶環境下匯流過程研究的主要難點。在此類環境下,除非在某些重點區域進行鉆井等強化觀測,對于大部分地區,由于難以確定邊界條件,傳統的水動力學方法顯然不再適用,如單純使用線性水庫進行演算,則又回歸到黑箱模型中。因此,如何在其中找到一個合適的切入點顯得尤為重要。目前,將分形技術用于模擬復雜的地下河系統與管道裂隙系統并概化出理想地下河系統響應函數是一種有益的嘗試。

3.3 喀斯特流域水循環過程的量化研究

由于水文模型能夠給出流域降雨徑流的變化過程,因此,在喀斯特流域開展流域水文模型研究仍將是今后的主要研究內容之一。但水文模型的研究方法需要與研究側重點相適應,如研究重點在于考慮較大尺度上流域或區域的水資源量問題,則宜采用結構簡單又不完全失其物理意義的概念性集總式水文模型;當以面積較小的試驗流域為研究對象,重點關注巖溶水循環過程的具體細節時,需要構建分布式巖溶流域水文模型,通過劃分網格或代表性單元,盡可能真實地反映降雨徑流的時空變化。考慮到目前的具體情況,采用一些半分布式模型并加以改進,也不失為一種折中的方法。

3.4 喀斯特流域的地貌水文學研究

地貌水文學研究在非巖溶流域中一直是地貌學家和水文學家都十分關注的領域,而在巖溶流域中,此方面的研究更值得重點關注。不同的巖溶地貌類型及特殊地質單元,諸如峰叢、峰林、天窗、落水洞等,對產流和匯流都會造成巨大的影響。如果能夠建立某種模式,通過地形地貌來確定不同巖溶類型下的產匯流特征,對于巖溶環境下的水循環研究將具有劃時代的意義。

3.5 喀斯特流域的生態系統研究

喀斯特空間變異性及地表-地下雙重結構對水文-生態鏈接具有重要控制作用。近年來,人類非理性的活動對西南喀斯特山地生態水文格局的破壞十分嚴重,地表生態水文過程已經喪失了協調發展的趨勢。因此,選擇西南喀斯特典型流域,針對地貌、植被高度空間異質性和地表-地下雙重結構水文地質特征研究流域尺度的水循環動力過程對生態環境的影響,對喀斯特流域生態系統的恢復和重建具有重要意義,勢必將成為未來重點研究內容之一。

3.6 新技術新方法的應用研究

盡管現有的地質雷達、連續電導率剖面儀等設備應用于巖溶流域時還存在諸多問題,但弄清巖溶地下管道的具體位置及其連接情況,對于研究巖溶地下水的運移具有十分重要的意義。因此,在上述儀器設備基礎上,進一步開發適用于巖溶地下勘探的新技術新方法顯得尤為重要。隨著3S技術的不斷進步,將3S技術應用到巖溶流域特殊地質結構的識別,可能是今后一個值得關注的發展方向。

4 結 語

西南巖溶流域地處我國長江和珠江兩大水系的上游,具有重要的生態和環境意義,巖溶流域水循環研究對于該地區的環境保護和可持續發展具有十分重要的意義。在總結現有國內外學者對我國西南巖溶流域水循環相關研究的基礎上,指出了目前研究中存在的一些問題,并對未來可能的研究方向提出了一些淺見。

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