基于探地雷達(dá)的地下水土流失研究

付　磊，白　晶

(貴州省水土保持技術(shù)咨詢研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550002)

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基于探地雷達(dá)的地下水土流失研究

付磊，白晶

(貴州省水土保持技術(shù)咨詢研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550002)

探地雷達(dá)；表層巖溶帶；水土流失；西南山區(qū)

西南山區(qū)地下水土流失是水土流失的重要途徑之一，而表層巖溶帶是整個(gè)地表物質(zhì)、生物遷移和轉(zhuǎn)化最活躍的部分，是地表水土物質(zhì)遷移的主要通道。利用探地雷達(dá)對(duì)研究區(qū)內(nèi)表層巖溶帶發(fā)育狀況開展實(shí)測(cè)調(diào)查，初步構(gòu)建喀斯特坡耕地表層巖溶帶結(jié)構(gòu)特征、發(fā)育狀況勘測(cè)方法，為判別喀斯特地區(qū)地下水土流失方式與途徑提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以期為西南山區(qū)水土流失治理、水土資源優(yōu)化配置，以及石漠化生態(tài)恢復(fù)等相關(guān)工程措施方案制訂提供科學(xué)依據(jù)。

我國(guó)西南山區(qū)基巖以可溶性碳酸鹽巖為主，在亞熱帶季風(fēng)氣候條件下巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，形成地表、地下雙重水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)水土流失過(guò)程和泥沙物質(zhì)遷移產(chǎn)生重要影響，造成獨(dú)特的徑流過(guò)程和土壤侵蝕特征[1-3]，以地下水土流失最為典型[4]。

從山區(qū)水流蓄滯特點(diǎn)來(lái)看，地表非飽和帶包括土壤層、表層巖溶帶、傳輸帶。西南山區(qū)土壤淺薄，石漠化嚴(yán)重，土壤層往往缺失或瘠??；傳輸帶位于非飽和帶下部，與飽和帶相接，裂隙發(fā)育較差，容水性與滲透性顯著減弱；表層巖溶帶是連接地表與深部可溶巖石的紐帶，是巖溶地區(qū)水分與養(yǎng)分賦存和遷移的重要空間，是影響巖溶地貌發(fā)育、巖溶流域水分養(yǎng)分循環(huán)和生態(tài)環(huán)境的重要因素，從生態(tài)環(huán)境角度，表層巖溶帶是地下生物寄存的主要場(chǎng)所，是巖溶植被生長(zhǎng)所需水分和養(yǎng)分的重要來(lái)源。我國(guó)對(duì)喀斯特山區(qū)表層巖溶帶的相關(guān)研究仍處于起步階段，受技術(shù)手段與研究方法的限制，難以對(duì)表層巖溶帶的發(fā)育狀況進(jìn)行定量研究，對(duì)于次地表表層巖溶帶發(fā)育狀況(裂隙方向、張開度、頻度等)與地表地形發(fā)育特征的關(guān)系也未明確，因此難以探求喀斯特流域主要的水土流失過(guò)程與途徑。本研究利用探地雷達(dá)對(duì)貴州省黔西縣金蘭鎮(zhèn)猴場(chǎng)村表層巖溶帶發(fā)育狀況開展實(shí)測(cè)調(diào)查，初步構(gòu)建喀斯特坡地表層巖溶帶結(jié)構(gòu)特征、發(fā)育狀況勘測(cè)方法，為判別水土流失方式與途徑提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以期為喀斯特地區(qū)水土流失治理、水土資源優(yōu)化配置，以及石漠化生態(tài)恢復(fù)等相關(guān)工程措施方案制訂提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省黔西縣金蘭鎮(zhèn)猴場(chǎng)村，地理坐標(biāo)E106°02′45.0″、N26°52′6.5″，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均氣溫14.2 ℃，年均降水量1 087.5 mm，平均海拔1 390 m，相對(duì)高差95 m，地勢(shì)起伏較大，坡度多在15°～25°之間。在大地構(gòu)造上位于上揚(yáng)子地塊滇東—黔中隆起東部，處于揚(yáng)子地塊南緣，與華南造山帶相鄰。出露的地層主要有泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、古近系、第四系，以二疊系和三疊系分布最為廣泛。土壤類型以黃色石灰土為主(46%)，還有棕色和黑色石灰土(35%)、粗骨土(11%)和水稻土(8%)。土壤pH值黃色石灰土為5.64～7.02，棕色和黑色石灰土為6.98～7.66，水稻土為6.52～7.06。植被中喬木層主要有馬尾松、柏木、刺槐等，草本層主要有五節(jié)芒、狗尾草等，區(qū)內(nèi)共有植物49科72屬85種。

1.2研究方法

(1)基本原理。探地雷達(dá)的基本原理是基于高頻電磁波理論，工作方式是以寬頻帶、短脈沖的電磁波形式，由地面通過(guò)發(fā)射天線T送入地下，經(jīng)地下地層或目的體反射返回地面，被另一天線R所接收。雷達(dá)圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負(fù)峰分別以黑、白色表示，或者以灰階或彩色表示，這樣同相軸或等灰線、等色線即可形象地表示地下反射界面。通過(guò)分析電磁波的時(shí)頻、振幅特征，就可判別地質(zhì)體的展布形態(tài)和性質(zhì)，從而達(dá)到表層巖溶帶勘測(cè)的目的。

(2)設(shè)備軟件。本次研究采用的是瑞典MALA公司的RAMAC/GPR高精度探地雷達(dá)，使用Reflexw2D雷達(dá)影像分析軟件對(duì)所測(cè)剖面線圖像進(jìn)行濾波分析和影像解譯。

(3)測(cè)量方法。人工攜帶瑞典RAMAC/GPR高精度探地雷達(dá)主機(jī)、50 MHz繩狀天線、手持GPS等設(shè)備按設(shè)計(jì)線路進(jìn)行測(cè)量，每間隔0.5 m進(jìn)行一次雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄。在對(duì)表層巖溶帶發(fā)育厚度進(jìn)行探測(cè)的同時(shí)，人工記錄剖面線編號(hào)及其位置坐標(biāo)、巖石裸露率、植被覆蓋度等相關(guān)信息。

(4)試驗(yàn)路線。路線要涵蓋不同地層巖性、地貌部位、地形特征、土地利用與植被覆蓋等區(qū)域。綜合以上情況，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選了6條剖面線開展探測(cè)工作，線路總長(zhǎng)約4 km，線路具體情況見表1。

表1　剖面線編號(hào)及其位置坐標(biāo)

(5)數(shù)據(jù)分析與解譯。以研究區(qū)航測(cè)數(shù)據(jù)、雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)、GPS點(diǎn)位數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，使用Reflexw2D雷達(dá)影像分析軟件對(duì)所測(cè)剖面的雷達(dá)圖像進(jìn)行濾波分析和影像解譯，濾波處理過(guò)程包括了一維濾波(去直流漂移)、靜校正(移動(dòng)開始時(shí)間)、增益(能量衰減)、二維濾波(抽取平均道)、一維濾波(巴特沃斯帶通濾波)、二維濾波(滑動(dòng)平均)等。經(jīng)過(guò)上述步驟后，將最終的數(shù)據(jù)進(jìn)行層位追蹤，以10 m為間距，導(dǎo)出表層巖溶帶發(fā)育厚度值的報(bào)表數(shù)據(jù)，最終得出表層巖溶帶的發(fā)育情況數(shù)據(jù)。

2　結(jié)果與分析

2.1表層巖溶帶發(fā)育厚度

使用Reflexw2D雷達(dá)影像分析軟件對(duì)所測(cè)剖面線圖像進(jìn)行濾波分析和影像解譯后，6條剖面線結(jié)果見圖1。

(a)01(b)02

(c)03(d)04

(e)05(f)06

圖16條剖面線解譯圖

(1)剖面線01和02。處于山腳，土地利用現(xiàn)狀為坡耕地，坡度5°～15°，基本處于同一等高線上，地層巖性為喀斯特石灰?guī)r，表層巖溶帶發(fā)育較厚，普遍發(fā)育深度8～10 m。

(2)剖面線03。處于山腳，土地利用現(xiàn)狀依次為坡耕地(基巖出露率<10%)、裸巖地(基巖出露率>50%)、坡耕地(基巖出露率<10%)，坡度5°～15°，高程變化約有10 m，地層巖性為喀斯特石灰?guī)r。坡耕地地下表層巖溶帶發(fā)育深度8～10 m，與剖面線01和02一致。在該剖面線中段距起點(diǎn)50～80 m處出現(xiàn)裸巖地，表層巖溶帶發(fā)育深度陡然增大，最深處為距起點(diǎn)60～70 m處，發(fā)育深度達(dá)25 m。

(3)剖面線04。處于山腰至山腳，土地利用現(xiàn)狀為坡腳坡耕地(基巖出露率<10%)、裸巖地(基巖出露率>50%)，坡度5°～15°，高程變化約有10 m，地層巖性為喀斯特石灰?guī)r。該剖面線起點(diǎn)至距起點(diǎn)40 m處，土地利用現(xiàn)狀為坡耕地，地下表層巖溶帶發(fā)育深度為8～10 m。距起點(diǎn)40 m處至終點(diǎn)，土地利用現(xiàn)狀為裸巖地，地下表層巖溶帶發(fā)育深度一般為10～20 m，最高達(dá)30 m。

(4)剖面線05。位置處于山腰，土地利用現(xiàn)狀為裸巖地(基巖出露率>50%)、坡腳坡耕地(基巖出露率<10%)，坡度5°～15°，基本處于同一等高線上，地層巖性為喀斯特石灰?guī)r。線路穿過(guò)研究區(qū)內(nèi)一處地下溶洞(甘龍洞)，位于剖面線起點(diǎn)至距起點(diǎn)50 m處，自地表向下垂向深度25 m左右可見溶洞洞腔[圖1(e)中圓圈標(biāo)示處]。受溶洞發(fā)育影響，該剖面線距起點(diǎn)50～150 m經(jīng)過(guò)裸巖地時(shí)，表層巖溶帶發(fā)育較雜亂，深度不一，局地最深達(dá)30 m[圖1(e)中直線標(biāo)示處]；經(jīng)過(guò)坡耕地時(shí)發(fā)育規(guī)則化，表層巖溶帶發(fā)育深度為8～10 m。

(5)剖面線06。位置處于山腰，剖面線位于當(dāng)?shù)卮逭瘍?nèi)，土地利用現(xiàn)狀為建設(shè)用地，坡度小于5°，基本處于同一等高線上，地層巖性為碎屑巖地層?；鶐r裂隙發(fā)育度低，基巖破碎帶深度不到3 m，與喀斯特石灰?guī)r地區(qū)形成了鮮明對(duì)比。

2.2不同表層巖溶帶結(jié)構(gòu)地質(zhì)雷達(dá)圖像解譯

(1)裂隙。圖2是裂隙解譯圖像(本章節(jié)除含水裂隙外，圖2(a)為利用雷達(dá)采集軟件Groundvision直接得到的原始圖像，圖2(b)為利用Reflexw軟件將原始圖像處理后得到的解譯圖像，解譯圖像去除了基準(zhǔn)線以上無(wú)效圖像內(nèi)容)。從雷達(dá)圖像可以看出，雷達(dá)波在裂隙附近出現(xiàn)了連續(xù)的反射波界面，反射界面明顯，反射面附近波幅顯著增強(qiáng)。經(jīng)開挖證實(shí)，信號(hào)增強(qiáng)前方有一條與隧道中心線呈大角度斜交的壓性節(jié)理面，并貫穿整個(gè)隧道斷面，雷達(dá)信號(hào)解譯結(jié)果與實(shí)際情況吻合。

(a)原始圖像 (b)Reflexw軟件解譯圖像

圖2裂隙解譯圖像

(2)含水裂隙。圖3是一含水裂隙的雷達(dá)圖像(采集軟件Groundvision直接得到的圖像)，其中圖3(a)為點(diǎn)測(cè)得到的圖像，圖3(b)為連續(xù)探測(cè)得到的圖像。從雷達(dá)圖像可以看出，點(diǎn)測(cè)和連續(xù)探測(cè)結(jié)果基本一致。探測(cè)時(shí)為千枚狀板巖，有少量滲水，從圖像可以看出，洞穴前方地質(zhì)情況可分為左、中、右三個(gè)部分。經(jīng)開挖證實(shí)，左側(cè)圍巖完整性相對(duì)較好，中間有一夾層，右側(cè)節(jié)理裂隙較發(fā)育并有少量滴水。

(a)點(diǎn)測(cè)原始圖像(b) 連續(xù)探測(cè)原始圖像

圖3含水裂隙解譯圖像

(3)斷層。圖4是斷層解譯圖像。從圖像可以看出，洞穴前方有明顯的強(qiáng)反射存在，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，重復(fù)性極好，圖像特征為界面反射強(qiáng)烈，反射面波幅增強(qiáng)，反射波同相軸的連線為破碎帶的位置。經(jīng)開挖證實(shí)，其下部為一條壓性小斷層破碎帶和兩條節(jié)理面相交，斷層走向與中心線交角接近90°，解譯結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。

(a)原始圖像 (b)Reflexw軟件解譯圖像

圖4斷層解譯圖像

(4)溶洞。圖5是溶洞解譯圖像。從雷達(dá)圖像可以看出，探測(cè)面前方有明顯異常存在，其界面反射較為雜亂，結(jié)合地質(zhì)狀況，推斷前方為溶洞。后經(jīng)開挖證實(shí)，探測(cè)面前方為一夾少量黏土的溶洞。

(5)軟弱夾層。圖6為軟弱夾層解譯圖像。從雷達(dá)圖像可以看出，洞穴前方有明顯強(qiáng)反射存在，經(jīng)反復(fù)探測(cè)，重復(fù)性極好。從圖像可以看出，界面反射強(qiáng)烈，連續(xù)性較好，16 m之后基本無(wú)反射波信號(hào)。結(jié)合地質(zhì)觀察及地質(zhì)勘查資料，推斷洞穴前方為煤層，經(jīng)開挖證實(shí)，解譯結(jié)果正確。

(a)原始圖像 (b)Reflexw軟件解譯圖像

圖5溶洞解譯圖像

(a)原始圖像 (b)Reflexw軟件解譯圖像

圖6軟弱夾層解譯圖像

3　結(jié)　論

(1)喀斯特地區(qū)地下水土流失是水土流失的重要途徑之一，而表層巖溶帶是地表水土物質(zhì)遷移的主要通道，對(duì)地下水土流失影響較大。本研究初步構(gòu)建和探討了使用探地雷達(dá)勘測(cè)地下表層巖溶帶的方法，利用探地雷達(dá)可以對(duì)表層巖溶帶的發(fā)育程度、深度及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘測(cè)，為進(jìn)一步分析和定量測(cè)量地下水土流失的程度、路徑等提供了科學(xué)的依據(jù)。

(2)了解表層巖溶帶的發(fā)育情況，就可以進(jìn)一步研究小流域內(nèi)水土物質(zhì)的遷移路徑和轉(zhuǎn)移方式，分析其土壤小生境的生物學(xué)特性，進(jìn)一步與地形地貌、地層巖性、土壤生產(chǎn)力等特征相耦合，為喀斯特地區(qū)小流域水土流失綜合治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)在小型水利水保工程建設(shè)中，可以利用表層巖溶帶發(fā)育情況初步確定地下徑流的路徑，從而更合理地布設(shè)工程，使得水資源的利用更加合理和充分，進(jìn)一步解決喀斯特地區(qū)工程性缺水問(wèn)題。

[1] 袁道先,劉再華,蔣忠誠(chéng),等.碳循環(huán)與巖溶地質(zhì)環(huán)境[M].北京:科學(xué)出版社,2003:20-21.

[2] 曹建華,袁道先,章程,等.受地質(zhì)條件制約的中國(guó)西南巖溶生態(tài)系統(tǒng)[J].地球與環(huán)境,2004,36(1):1-8.

[3] 王臘春,蒙?；?張兆干,等.貴州典型巖溶小流域水文水資源研究[M].北京:科學(xué)出版社,2010:65-68.

[4] 張信寶,王世杰,賀秀斌,等.碳酸鹽巖風(fēng)化殼中的土壤蠕滑與巖溶坡地的土壤地下漏失[J].地球與環(huán)境,2007,35(3):202-206.

(責(zé)任編輯李楊楊)

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201401050)；貴州省水利廳科技項(xiàng)目(KT201408)

P631;S157.1

A

1000-0941(2016)08-0052-04

付磊(1985—)，男，貴州畢節(jié)市人，工程師，碩士，主要從事水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)、方案編制、監(jiān)測(cè)等工作。

2016-06-15