基于GIS 技術的水庫庫壩區巖溶發育特征分析

盧功臣，張 蕊

（陜西省水利電力勘測設計研究院，西安712000）

巖溶地區進行水利工程建設， 在可研階段摸清工作區域內巖溶發育特征， 是工程地質調繪的工作重點， 巖溶發育對庫區和主要構筑物的防滲與穩定意義重大［1］。 常規工程地質調查以收集區域地質資料和現場調查為主要工作手段， 需投入大量的人力物力。 然而僅通過收集資料分析巖溶發育特征對壩區等重點部位往往精度不夠， 其次由于水利工程庫壩區工作范圍大的特點， 巖溶地區植被茂密且多處于無人區， 道路通行條件差等多因素造成野外現場調查工作量大的問題。 遙感解譯手段的應用將極大程度的減小全區域野外調查的工作量。因此，探索借助遙感等先進技術手段， 綜合傳統調查方法開展巖溶地質調查顯得十分必要， 對提高水庫工程地質測繪、分析及研究工作的效率、工作質量有很大的理論和實踐意義。 本文以水庫為例，基于GIS技術對庫壩區工程地質條件進行解譯分析， 研究其巖溶發育特征，大大提高了調查的工作效率和工作質量，為同類型巖溶地區工程地質調繪工作提供參考。

1 研究區基本工程地質條件

研究區處于揚子準地臺的滇東臺褶帶的曲靖臺褶束， 近場區對水庫場區影響較大的主要有小江活動性深大斷裂，區域構造穩定性較差。

庫區地形高程在1600～2100m之間，區域內水系發育，河流主要沿北北東向發育，河谷基本上屬“V”字型谷，下陡上緩，河流彎道多，支溝發育較大的支流。地貌形態以侵蝕溶蝕的低中山為主，可見夷平面和兩級剝蝕面，剝蝕、夷平面近南北向分布。

區域內的巖溶地貌形態主要表現為侵蝕溶蝕山地、構造溶蝕山地以及石芽原野。 庫壩區河谷中，漫灘和階地不連續分布在河曲凸岸。出露地層在近壩庫段河床以下主要為龍王廟組（∈1l），水庫兩岸岸坡則主要出露雙龍潭組（∈2s）地層，其中龍王廟組（∈1l）屬于純碳酸鹽巖類巖組，可溶性強；壩址區附近河床及兩側岸坡底部主要出露地層為陡坡寺組下段（∈2d），為碎屑巖與碳酸鹽巖互層狀分布的不純碳酸鹽巖巖組。 庫區內巖層走向340°～30°，傾向250°～300°，傾角7°～30°。呈平緩的單斜地層產狀。巖層走向基本與河流走向小角度相交，大致為順向河谷。

2 研究區基礎數據庫的建立

2.1 數據來源

本文以2016年SPOT7影像數據為主要遙感信息源，DEM數據采用1∶1萬地形圖數據通過數字化提取生成。 由于Landsat ETM圖像有7個波段，波譜信息資源豐富， 能較好較全面的反映區域內的基本工程地質特征和形態，因此采用Landsat ETM影像作為輔助數據來對構造及災害進行輔助解譯。

2.2 地形數據分析

（1）坡度分析。坡度在一定程度上決定了巖溶等工程地質信息和水文地質信息、植被類型、土地利用等環境地質信息的分布［3］，故獲取工作區的坡度圖能夠很好地輔助解譯工作。

（2）坡向分析。 坡向指斜坡傾斜的方位角。 坡向對判定巖溶發育、植被生長情況等有一定輔助作用，一般應與坡度、DEM共同進行輔助分析［3］。

（3）地形陰影。 地形陰影中灰度值反映光照值，值大為高地，值小為洼地。在DEM或影像圖中疊加地形陰影，可以更直觀地展現研究區的三維地形效果，更好地輔助解譯工作。

2.3 GIS數據庫及解譯系統構建

在GIS地理數據庫構建的基礎上， 基于GIS可視化平臺，以DEM、地形陰影及遙感影像為基礎，疊加基礎地理資料、 地質資料等相關信息， 建立工作區GIS可視化解譯系統，為遙感解譯工作提供綜合的分析平臺。由于GIS多源數據庫系統為一平面的二維可視化系統， 在表達空間三維信息時表現出一定的局限性，故本次基于三維GIS平臺Skyline構建三維彩色影像系統，作為三維解譯的基礎平臺，主要用于輔助解譯具有三維地形特征的地質體。 本次所建立的三維遙感影像解譯系統采用地理坐標系為WGS1984，地形數據采用由等高線生成的DEM， 遙感影像分別采用SPOT7影像數據建立對應三維遙感影像解譯系統如圖1，用于進行對比分析解譯。

圖1 庫區三維解譯系統

3 工程地質條件解譯分析

3.1 地形解譯

利用DEM數據對調查區地形進行分析， 包括邊坡角分布分析、傾向分析、地形陰影分析，由此可定量地了解岸坡的地勢狀況。首先基于GIS可視化平臺對工程區地形數據利用插值算法獲取三角網模型TIN，然后在TIN算法基礎上采用線性、雙線性內插法建成數字高程模型， 然后利用三維數字高程模型基于GIS可視化平臺計算獲取研究區斜坡的坡度和坡向，如圖2～圖3，地形陰影解譯則通過模擬太陽光照強度來展示地形的起伏效果， 從而在二維地圖上展現出三維地表的形態如圖4，圖中地形陰影中灰度值范圍為0～255，代表光照值，光照值大為高地，值小的為洼地。

通過分析可知，河流溝谷處坡度明顯較大，而西部區域因發育河流較多，坡度也普遍較陡。研究區域內整體西部較陡，中南部和東北部地區較緩。

圖2 研究區域坡度

圖4 研究區域地形陰影

3.2 地層巖性解譯

本次解譯主要基于地形紋理特征與影像色調特征， 初步將研究區域的地層按可溶性劃分為可溶性巖與非可溶性巖，在區域內可溶性巖主要為石灰巖。濕熱地區的石灰巖常構成獨特的巖溶地貌， 如深切的狹谷，高聳山脊及殘丘、溶蝕洼地、落水洞等，這些地貌紋理特征成為解譯石灰巖的重要標志。另外，石灰巖一般呈偏淺色調， 但當石灰巖表面風化呈褐色時，在航空像片上呈深色調，加上濕熱地區石灰巖的溶蝕洼地、 漏斗等被淋濾殘積土所充填， 且多為耕地，在解譯圖像上表現為斑點狀圖案，成為解譯石灰巖的另外一個突出標志。通過地層巖性遙感解譯，研究區碳酸鹽巖主要分布在庫壩區中部如圖5， 其在ETM融合圖像上呈現灰色、淡黃色色調，植被也較為發育。

圖5 碳酸鹽巖分布

3.3 地質構造

本次區域內斷層解譯主要通過色調和水系特征進行綜合分析。其中從色調來看，斷層出現位置色調出現明顯異常帶；從水系特征來看，多表現為河流出現被切割或錯移等現象，水體突然由寬變窄，出現斷頭河、對口河、釣鉤河，一些河流岸界呈較長的直線或折線狀，一系列河流在某條線上出現異常，例如數條河流沿某一方向同時發生彎折， 或突然變寬或變窄，或在某區間均出現曲流，或沿某一方內突然發生下跌，形成瀑布等。 通過解譯，庫區地質構造線方向以近南北向和近東西向為主， 其中南北向斷層沿上壩址近河谷方向發育，走向約N10°E，為推測斷層，性質不明； 近東西向斷層位于面板壩壩軸線左岸上游沿沖溝發育，走向N37°E，為推測斷層，延伸長度約350m，穿過河床在右岸尖滅，性質不明。 兩條斷層在庫壩區上游沖溝位置斜交如圖6。

圖6 研究區域解譯的主要斷層構造

3.4 巖溶遙感解譯

溶蝕洼地形態上表現為封閉狀負地形，根據地形等高線資料，提取地形數據，進行洼地分析，由研究區域等高線生成DEM文件， 在ArcGIS中計算出DEM數據中的洼地區域， 深色的區域是可能的洼地區域，并在三維系統進行對比驗證，確定巖溶洼地36處如表1，洼地多分布于1750～1850m高程范圍內，洼地面積達幾千平方米至數萬平方米。

落水洞是在遙感影像中為呈深灰-灰黑色調的小圓斑，如圖7，然而溶蝕洼地底部的落水洞，往往無法直接觀察到小孔穴， 主要是因為四周生長植被而把小孔穴遮擋， 解譯過程中溶蝕洼地的底部出現灌木草叢，則可確定其為落水洞，通過遙感解譯確定落水洞25處。

圖7 研究區域洼地、落水洞分布

表1 研究區域內巖溶洼地統計表

4 庫壩區巖溶發育規律分析

影響巖溶發育的主要因素包括巖性、 構造及地下水循環活動等［5］，通過遙感解譯，分析庫壩區地形、地層巖性、地質構造條件，建立庫壩區綜合工程地質GIS數據庫，對巖溶特征統計分析研究，庫壩區內巖溶發育強烈，其中溶蝕洼地發育36處，多分布在平緩山頂部位；落水洞發育25處，庫壩區巖溶發育特征如下。

（1）研究區域內巖溶發育強烈，通過遙感解譯分析，庫區巖溶現象主要為溶蝕洼地和落水洞。溶蝕洼地多分布在平緩山頂部位， 落水洞一般分布在洼地的邊緣基巖出露部位，構成地表水下滲的通道。

（2）地層巖性中可溶巖的發育程度直接控制庫壩區巖溶的分布發育， 分析發現巖溶分布與可溶巖地層的走向基本一致。 其中左岸區由于可溶巖直接出露，溶蝕洼地和落水洞分布較多，并且一處洼地內分布多個落水洞；右岸區巖溶發育較弱，巖溶洼地和溶洞等均極為少見。

5 結語

本次工作采用現代GIS、 遙感等空間技術并結合工程地質分析原理和災害評價分析相結合的手段，研究庫區分析庫壩區地形、地層巖性、地質構造等主要工程地質問題，建立了庫壩區綜合工程地質GIS數據庫對巖溶特征統計分析研究，可以看出，基于現代GIS、遙感等空間技術的應用，對提高水庫巖溶工程地質調查測繪的分析及研究工作的效率、工作質量有很大的理論和實踐意義，為后續現場調查驗證和分析評估提供有效的基礎數據和工作重點索引。