基于GIS 技术的水库库坝区岩溶发育特征分析

卢功臣，张 蕊

（陕西省水利电力勘测设计研究院，西安712000）

岩溶地区进行水利工程建设， 在可研阶段摸清工作区域内岩溶发育特征， 是工程地质调绘的工作重点， 岩溶发育对库区和主要构筑物的防渗与稳定意义重大［1］。 常规工程地质调查以收集区域地质资料和现场调查为主要工作手段， 需投入大量的人力物力。 然而仅通过收集资料分析岩溶发育特征对坝区等重点部位往往精度不够， 其次由于水利工程库坝区工作范围大的特点， 岩溶地区植被茂密且多处于无人区， 道路通行条件差等多因素造成野外现场调查工作量大的问题。 遥感解译手段的应用将极大程度的减小全区域野外调查的工作量。因此，探索借助遥感等先进技术手段， 综合传统调查方法开展岩溶地质调查显得十分必要， 对提高水库工程地质测绘、分析及研究工作的效率、工作质量有很大的理论和实践意义。 本文以水库为例，基于GIS技术对库坝区工程地质条件进行解译分析， 研究其岩溶发育特征，大大提高了调查的工作效率和工作质量，为同类型岩溶地区工程地质调绘工作提供参考。

1 研究区基本工程地质条件

研究区处于扬子准地台的滇东台褶带的曲靖台褶束， 近场区对水库场区影响较大的主要有小江活动性深大断裂，区域构造稳定性较差。

库区地形高程在1600～2100m之间，区域内水系发育，河流主要沿北北东向发育，河谷基本上属“V”字型谷，下陡上缓，河流弯道多，支沟发育较大的支流。地貌形态以侵蚀溶蚀的低中山为主，可见夷平面和两级剥蚀面，剥蚀、夷平面近南北向分布。

区域内的岩溶地貌形态主要表现为侵蚀溶蚀山地、构造溶蚀山地以及石芽原野。 库坝区河谷中，漫滩和阶地不连续分布在河曲凸岸。出露地层在近坝库段河床以下主要为龙王庙组（∈1l），水库两岸岸坡则主要出露双龙潭组（∈2s）地层，其中龙王庙组（∈1l）属于纯碳酸盐岩类岩组，可溶性强；坝址区附近河床及两侧岸坡底部主要出露地层为陡坡寺组下段（∈2d），为碎屑岩与碳酸盐岩互层状分布的不纯碳酸盐岩岩组。 库区内岩层走向340°～30°，倾向250°～300°，倾角7°～30°。呈平缓的单斜地层产状。岩层走向基本与河流走向小角度相交，大致为顺向河谷。

2 研究区基础数据库的建立

2.1 数据来源

本文以2016年SPOT7影像数据为主要遥感信息源，DEM数据采用1∶1万地形图数据通过数字化提取生成。 由于Landsat ETM图像有7个波段，波谱信息资源丰富， 能较好较全面的反映区域内的基本工程地质特征和形态，因此采用Landsat ETM影像作为辅助数据来对构造及灾害进行辅助解译。

2.2 地形数据分析

（1）坡度分析。坡度在一定程度上决定了岩溶等工程地质信息和水文地质信息、植被类型、土地利用等环境地质信息的分布［3］，故获取工作区的坡度图能够很好地辅助解译工作。

（2）坡向分析。 坡向指斜坡倾斜的方位角。 坡向对判定岩溶发育、植被生长情况等有一定辅助作用，一般应与坡度、DEM共同进行辅助分析［3］。

（3）地形阴影。 地形阴影中灰度值反映光照值，值大为高地，值小为洼地。在DEM或影像图中叠加地形阴影，可以更直观地展现研究区的三维地形效果，更好地辅助解译工作。

2.3 GIS数据库及解译系统构建

在GIS地理数据库构建的基础上， 基于GIS可视化平台，以DEM、地形阴影及遥感影像为基础，叠加基础地理资料、 地质资料等相关信息， 建立工作区GIS可视化解译系统，为遥感解译工作提供综合的分析平台。由于GIS多源数据库系统为一平面的二维可视化系统， 在表达空间三维信息时表现出一定的局限性，故本次基于三维GIS平台Skyline构建三维彩色影像系统，作为三维解译的基础平台，主要用于辅助解译具有三维地形特征的地质体。 本次所建立的三维遥感影像解译系统采用地理坐标系为WGS1984，地形数据采用由等高线生成的DEM， 遥感影像分别采用SPOT7影像数据建立对应三维遥感影像解译系统如图1，用于进行对比分析解译。

图1 库区三维解译系统

3 工程地质条件解译分析

3.1 地形解译

利用DEM数据对调查区地形进行分析， 包括边坡角分布分析、倾向分析、地形阴影分析，由此可定量地了解岸坡的地势状况。首先基于GIS可视化平台对工程区地形数据利用插值算法获取三角网模型TIN，然后在TIN算法基础上采用线性、双线性内插法建成数字高程模型， 然后利用三维数字高程模型基于GIS可视化平台计算获取研究区斜坡的坡度和坡向，如图2～图3，地形阴影解译则通过模拟太阳光照强度来展示地形的起伏效果， 从而在二维地图上展现出三维地表的形态如图4，图中地形阴影中灰度值范围为0～255，代表光照值，光照值大为高地，值小的为洼地。

通过分析可知，河流沟谷处坡度明显较大，而西部区域因发育河流较多，坡度也普遍较陡。研究区域内整体西部较陡，中南部和东北部地区较缓。

图2 研究区域坡度

图4 研究区域地形阴影

3.2 地层岩性解译

本次解译主要基于地形纹理特征与影像色调特征， 初步将研究区域的地层按可溶性划分为可溶性岩与非可溶性岩，在区域内可溶性岩主要为石灰岩。湿热地区的石灰岩常构成独特的岩溶地貌， 如深切的狭谷，高耸山脊及残丘、溶蚀洼地、落水洞等，这些地貌纹理特征成为解译石灰岩的重要标志。另外，石灰岩一般呈偏浅色调， 但当石灰岩表面风化呈褐色时，在航空像片上呈深色调，加上湿热地区石灰岩的溶蚀洼地、 漏斗等被淋滤残积土所充填， 且多为耕地，在解译图像上表现为斑点状图案，成为解译石灰岩的另外一个突出标志。通过地层岩性遥感解译，研究区碳酸盐岩主要分布在库坝区中部如图5， 其在ETM融合图像上呈现灰色、淡黄色色调，植被也较为发育。

图5 碳酸盐岩分布

3.3 地质构造

本次区域内断层解译主要通过色调和水系特征进行综合分析。其中从色调来看，断层出现位置色调出现明显异常带；从水系特征来看，多表现为河流出现被切割或错移等现象，水体突然由宽变窄，出现断头河、对口河、钓钩河，一些河流岸界呈较长的直线或折线状，一系列河流在某条线上出现异常，例如数条河流沿某一方向同时发生弯折， 或突然变宽或变窄，或在某区间均出现曲流，或沿某一方内突然发生下跌，形成瀑布等。 通过解译，库区地质构造线方向以近南北向和近东西向为主， 其中南北向断层沿上坝址近河谷方向发育，走向约N10°E，为推测断层，性质不明； 近东西向断层位于面板坝坝轴线左岸上游沿冲沟发育，走向N37°E，为推测断层，延伸长度约350m，穿过河床在右岸尖灭，性质不明。 两条断层在库坝区上游冲沟位置斜交如图6。

图6 研究区域解译的主要断层构造

3.4 岩溶遥感解译

溶蚀洼地形态上表现为封闭状负地形，根据地形等高线资料，提取地形数据，进行洼地分析，由研究区域等高线生成DEM文件， 在ArcGIS中计算出DEM数据中的洼地区域， 深色的区域是可能的洼地区域，并在三维系统进行对比验证，确定岩溶洼地36处如表1，洼地多分布于1750～1850m高程范围内，洼地面积达几千平方米至数万平方米。

落水洞是在遥感影像中为呈深灰-灰黑色调的小圆斑，如图7，然而溶蚀洼地底部的落水洞，往往无法直接观察到小孔穴， 主要是因为四周生长植被而把小孔穴遮挡， 解译过程中溶蚀洼地的底部出现灌木草丛，则可确定其为落水洞，通过遥感解译确定落水洞25处。

图7 研究区域洼地、落水洞分布

表1 研究区域内岩溶洼地统计表

4 库坝区岩溶发育规律分析

影响岩溶发育的主要因素包括岩性、 构造及地下水循环活动等［5］，通过遥感解译，分析库坝区地形、地层岩性、地质构造条件，建立库坝区综合工程地质GIS数据库，对岩溶特征统计分析研究，库坝区内岩溶发育强烈，其中溶蚀洼地发育36处，多分布在平缓山顶部位；落水洞发育25处，库坝区岩溶发育特征如下。

（1）研究区域内岩溶发育强烈，通过遥感解译分析，库区岩溶现象主要为溶蚀洼地和落水洞。溶蚀洼地多分布在平缓山顶部位， 落水洞一般分布在洼地的边缘基岩出露部位，构成地表水下渗的通道。

（2）地层岩性中可溶岩的发育程度直接控制库坝区岩溶的分布发育， 分析发现岩溶分布与可溶岩地层的走向基本一致。 其中左岸区由于可溶岩直接出露，溶蚀洼地和落水洞分布较多，并且一处洼地内分布多个落水洞；右岸区岩溶发育较弱，岩溶洼地和溶洞等均极为少见。

5 结语

本次工作采用现代GIS、 遥感等空间技术并结合工程地质分析原理和灾害评价分析相结合的手段，研究库区分析库坝区地形、地层岩性、地质构造等主要工程地质问题，建立了库坝区综合工程地质GIS数据库对岩溶特征统计分析研究，可以看出，基于现代GIS、遥感等空间技术的应用，对提高水库岩溶工程地质调查测绘的分析及研究工作的效率、工作质量有很大的理论和实践意义，为后续现场调查验证和分析评估提供有效的基础数据和工作重点索引。