岩溶地区集水面积的精准探究

高立业，冯德光

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222）

1 问题的提出

取用水工程设计断面以上的流域面积，一般需要在比例尺适宜的地形图上，通过绘制地表水分水岭量取。在岩溶地区，受岩性和地质构造的控制，地表水和地下水汇流存在异向排泄的情形，需要同时绘制地表水分水岭、地下水分水岭，才能精准地量取径流、洪水和泥沙，分析各自所需的集水面积；岩溶地区若无实测水文资料，分水岭划分、汇流面积确定则更难。

在无资料地区，若流域面积不精准，由其推算的设计流域径流、洪水、输沙量成果会有较大偏差，会影响取用水工程的建设规模、经济效益和运行安全，也会曲解对流域自然特性的认知。本文以A河为例，进行研究、归纳，以期得到确定集水面积的可行操作流程。

2 岩溶地区集水面积初定

岩溶发育流域地表水分水岭与地下水分水岭一般存在不一致情况，需根据水文条件和水文地质条件，合理绘制流域的地表水分水岭、地下水分水岭。

2.1 资料分析

根据流域概况、水文气象、区域地质与工程地质等资料，了解水系的产流汇流水文特性，岩溶洼地、漏斗/落水洞、溶洞/伏流、暗河出口（泉群）和涌水洞分布、地下河系统界线、地下水流向等岩溶地理特性。

2.2 A河岩溶分布

A河为某水系的支流，地处云贵高原中部，河源黄海高程2 600 m，区内海拔高程2 300～2 500 m，属中山地貌。流域内岩层多为中上石炭系灰岩、白云质灰岩，岩溶发育，地表、地下水明暗交替，河流切割较深。

A河伏流在溶洞1潜入地下经1 km后出露地表；南支河下游落入溶洞2，经约3 km伏流后出露地表，溶洞出口在距离A河汇入口以上100 m的山崖间。岩溶泉有2个：一个在A河溶洞上游约400 m处右岸，另一个在A河与南支河交汇口的左岸。

经实地勘察，上述2个溶洞伏流在枯水季无水下泄河道，可见没有地下水排泄；2个岩溶泉常年有水溢出地表，为地下水排泄出口。

A河流域水系、主要溶洞伏流和地下水排泄出口，如图1所示。

图1 A河流域水系

2.3 初始分水岭与流域面积

根据1∶1万及1∶5万区域地形图、1∶5万区域水文地质图和相关的水文地质调查成果，A河流域碳酸盐岩大面积出露，岩溶较为发育，落水洞、岩溶洼地分布密度较大，是较为典型的岩溶地下河系统。A河流域所在的水文地质单元边界清晰，相对封闭，可认为地表分水岭、地下分水岭是重合的，集水流域是闭合的。依据地理高程，初步绘制流域地表水与地下水的分水岭界线，量算初始的流域集水面积为280 km2。

3 水量平衡分析与集水面积核定

分析河流上、下游的水量平衡和相邻河流之间的水量平衡，是研究无实测流量资料岩溶地区的地表水与地下水分水岭界线是否重合的有效方法。

3.1 典型断面流量观测

（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点。A河泉1—南支河汇入口河段主要是溶洞1的伏流，该河段因在泉1处之下引水为减水河段，伏流入口、出口在枯水期基本断流，以此判断伏流河段溶洞1内的地下水补给量很小；南支河的溶洞2洞内基本无地下水补给。

（2）典型断面与现场测流。为查明泉1补给范围、河流之间的水量异向排泄，选取典型河道控制断面，对A河干、支流的主要地表溪沟和天然泉点进行实地流量统测，并量算测点的集水面积。测流断面、换算的实测流量模数，如图2所示。

图2 测流方案示意

3.2 水量平衡与分水岭闭合分析

根据测流后编制的区域水文地质调查报告成果，主支流B河的流量模数为2.5 L/（s·km2），通过水量平衡测算泉1的流量为2 375 L/s、按集水面积4 km2估算的流量模数约600 L/（s·km2），南支河伏流溶洞2进口上游处流量模数为2.5 L/（s·km2），A河干流的测流点Q3流量模数为12.1 L/（s·km2），A河干流汇入口的测流点Q4流量模数为11.3 L/（s·km2）。

据此分析，第一特征是：从流量模数看，A河干流下游的2个测流点以上流域的流量模数12.1与11.3 L/（s·km2）是协调、合理的，说明干流下游2个测点之间河段水量基本没有异向补给，这也符合流域多年平均降雨量、径流深上游略大的水文特性。A河水文地质单元相对封闭，经过进一步调查、测流和水文地质分析，A河上游的地下水流向、地下水系统边界基本确认，可断定地表分水岭、地下分水岭是重合的，流域的集水面积是闭合的。

第二特征是：B河Q1点2.5 L/（s·km2）、南支河Q2点2.5 L/（s·km2）、泉1点600 L/（s·km2）的流量模数，与A河干流下游的流量模数呈现显著的不协调，B河Q1点、南支河Q2点的流量模数偏小，泉1点的流量模数偏大（详见表1），这说明泉1点的地下水水源补给范围远大于本身的4 km2，有其他区域地下水、地表水的异向补给。而B河、南支河的流量模数偏小，表明其产流异向补给泉1。可见，泉1是B河上游与南支河上游的水资源量集中排泄出口。

表1 A河典型控制断面流量模数分析L（/s·km2）

综上，因A河干流上游地下水系统内岩溶发育，地表水与地下水水力联系紧密，难以准确划分支流的地下水系统边界，但该地下水系统的水资源均流入A河干流下游测流点的汇水区内。因此，A河干流的地表水与地下水分水岭是重叠闭合的，B河、南支河的地表水与地下水分水岭界线是不一致的。

3.3 核定集水面积

依据地理高程，绘制合理的地表水和地下水的分水岭界线，量算A河流域集水面积为323 km2（闭流区10 km2），其中A河溶洞以上的集水面积174 km2、南支河溶洞伏流出口以上集水面积108 km2。

测流核定的A河流域面积323 km2与初始量算的280 km2相比增大15%，与原统计的流域面积410 km2相比减小21%，详见表2。可见，A河流域地表水、地下水分水岭的精准划分对集水面积取值的影响是很显著的，也是十分重要的，这将使得设计流域的径流、洪水、输沙量成果更加合理、可靠。

表2 A河河口集水面积对比

南支河的溶洞伏流以上区域，地下水分水岭不闭合，地表水、地下水分水岭不重叠。在溶洞伏流河段，设计断面的径流、洪水、泥沙分析应采用不一致的计算面积，径流计算面积应扣除地下水异向排泄的范围。

A河流域地表水与地下水的分水岭范围界线，如图3所示。

图3 A河流域地表水与地下水的分水岭范围界线

4 岩溶地区集水面积确定的科学途径

岩溶发育的流域，地表水分水岭与地下水分水岭存在不一致情况，确定河道设计断面的集水面积，需要采用的科学途径如下。

（1）收集流域概况、水文气象、区域地质资料，了解水系的产汇流水文特性、岩溶分布、地下水流向和地下河系统界线等岩溶地理特性。

（2）进行水文地质调查，了解区域地表分水岭以内地下水的外流水量、渗漏入口或洼地、外流范围以及出露口位置、排泄流量。

（3）对流出区的各个河道控制断面同时施测流量，扣减上下游不均匀降雨量的影响，计算外流量、外流范围。

（4）对流入区的地下水出露点施测排泄量，计算外区域流入的水量、集水面积本区域自产的水量、集水面积。同时，明确涌水洞、落水洞汛期向河道泄水、枯水季节向洞内落水的特性。

（5）分析补给、排泄的水量是否平衡及不平衡的原因。

（6）绘制地表水分水岭、地下水分水岭，确定集水面积。

（7）确定设计断面的集水面积后，可进行径流、洪水和泥沙的计算工作。

5 结语

（1）无水文资料的岩溶地区，需要明晰产汇流特性、地理地貌等边界条件，通过分析水文条件和水文地质条件，同时测流，科学精准地确定集水面积，这是河道径流、洪水和泥沙计算合理的重要基础。

（2）在有地下水量外流的河流上建设水利工程，应确定河段流量模数合理的下边界控制断面。