基于depui-boussiwsq的貴州喀斯特地區(qū)枯季徑流退水規(guī)律分析

基于depui-boussiwsq的貴州喀斯特地區(qū)枯季徑流退水規(guī)律分析

貴州省位于中國西南部，是中國南方喀斯特高原的中心山區(qū)。雖然降水較多,但時空分布不均勻且下墊面情況復(fù)雜,使冬春季節(jié)經(jīng)常處于枯水狀態(tài)。因此,研究喀斯特地區(qū)的枯水時空分布及退水規(guī)律對喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)有著重要的意義。選取貴州省內(nèi)長河壩、黃貓村、火石壩、江濱、麥翁、石阡、余慶、下灣等8個子流域為研究對象,選用Depuit-Boussinesq退水方程對各流域退水進(jìn)行模擬,并提取退水指數(shù),然后將退水指數(shù)與從DEM數(shù)據(jù)提取的各種地形因子之間進(jìn)行分析,得到了一些較為實用的成果。1不同流域的退水時間和退水長度選取年個子流域的日平均流量的退水段作退水曲線,將退水過程分為3個階段,然后將3段退水過程分別用Depuit-Boussinesq退水方程進(jìn)行擬合,由此可以得到各個子流域的退水方程,以江濱流域為例擬合結(jié)果見圖1及式(1)。由圖1可以看出,第一段的退水時間都比較快,通常在喀斯特流域被認(rèn)為是管道流的排泄,這段退水時間快而且流量較大;第二段的退水時間比第一段要長一倍左右,此期間的管道或洞穴內(nèi)的水已經(jīng)基本被排干,排泄主要來自連通性較好的喀斯特化裂隙;第三段的退水時間更為持久,比前兩段的總和都要長,表明大裂隙,大管道的水已排完,而來自細(xì)小裂隙系統(tǒng)的喀斯特水已占主要地位由圖2可以看出,針對單個流域來說:第1段退水指數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第2段和第3段,第2段的退水指數(shù)與第3段比較接近。第1段與第3段退水指數(shù)之差也差別很大,可以用“長度”的概念來衡量,這個也是衡量流域調(diào)蓄能力的一個重要指標(biāo)。而針對不同流域來說:第1段退水指數(shù)之間差別較大,從第2段開始差別開始急劇減小,而第3段的退水指數(shù),各個流域基本趨于一致。2數(shù)字高程模型dem主要影響著地形因素影響枯季退水的因素主要包括氣候因素和下墊面因素。氣候因素是指降雨、蒸發(fā)等,下墊面因素包括地形、地貌、巖性、植被等。而在下墊面因素的研究中,以數(shù)字高程模型DEM的利用最為廣泛。因為其可以代表一個流域的地形分布而且還可以根據(jù)DEM提取各種地形因子。例如地形的起伏度、溝谷的切割深度、地表的溝壑密度以及坡度、坡向等因素。這些因素不僅決定了土壤蓄水能力的大小,還對河網(wǎng)水系的發(fā)育及密集程度有著直接的影響。2.1形態(tài)類型的標(biāo)準(zhǔn)差利用數(shù)理統(tǒng)計的方法,將各個流域的地形指數(shù)值分成30段,將地形指數(shù)的平均值及眾數(shù)與第1段的退水指數(shù)進(jìn)行點繪分析(圖3)。從圖3可以看出:地形指數(shù)與退水指數(shù)基本呈正比關(guān)系,反映到物理意義中是ln(α/tanβ)i值較大的單元面積容易達(dá)到飽和而產(chǎn)生坡面流這些單元面積一般位于地形輻合、坡面平緩、坡腳河邊地帶等水平方向透水性差且匯水面積大的部位。在非喀斯特地區(qū),坡度平緩的地方,應(yīng)該是退水較慢的地方,應(yīng)與退水指數(shù)成反比關(guān)系。但是喀斯特流域由于水的溶蝕和侵蝕特征,地表基巖裸露,土壤發(fā)育比較貧瘠,土壤的蓄水能力較差,所以在產(chǎn)流的時候較為迅速,另一方面,地表巖石裸露,匯流的時候阻尼系數(shù)也較小,匯流速度加快。所以導(dǎo)致在貴州喀斯特流域地形指數(shù)與退水指數(shù)之間的關(guān)系是成正比的,這也是喀斯特流域區(qū)別于其他流域的特點。標(biāo)準(zhǔn)差是一種重要的也是常用的離散性特征數(shù),它反映了一批數(shù)據(jù)對其平均數(shù)的離散程度的大小,標(biāo)準(zhǔn)差越大,說明數(shù)據(jù)越分散。標(biāo)準(zhǔn)差的計算公式采用如式(2)。式中:S———流域地形指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差;Xi———每個網(wǎng)格的地形指數(shù);X———流域的平均地形指數(shù);n———網(wǎng)格數(shù)目。反映到流域的性質(zhì)上來,標(biāo)準(zhǔn)差越大,說明流域的地貌類型越豐富多樣,產(chǎn)流面積在空間上更加不均勻,產(chǎn)流機制也更為多樣性。從圖4可以看出,地形指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差對流域的退水有著極大的影響。標(biāo)準(zhǔn)差比較大的兩個流域都有一種巖石成分超過了50%,且流域巖性類型比較少,而且地貌類型比較單一。由此也能說明,巖性成分種類少,地貌類型較單一,對流域的產(chǎn)匯流有較大的影響。2.2流域特征坦化分析從國外研究成果來看,無論該地區(qū)的地質(zhì)條件如何復(fù)雜,流域面積都是影響枯季退水的一個重要因素。本文研究中,選取流域的面積在185～2500km2之間,因為流域面積過大會將流域的其他特征坦化,不易表現(xiàn)出流域的特點。由圖5可以看出,流域面積越大,退水指數(shù)越小。這是因為面積大匯流時間就會變長,相應(yīng)的退水過程也會變的比較坦化。而且流域面積大,流域的蓄水能力也會加強,對來水具有很強的調(diào)節(jié)能力,由圖2可以看出,各個流域的退水指數(shù)第1段與第3段之差各不相同,這也是反映一個流域的調(diào)蓄作用的重要指標(biāo),通過圖5流域面積與退水指數(shù)及第1,3段退水指數(shù)之差可以看出,流域面積越大的,其第1,3段退水指數(shù)之差就越小。也說明了流域面積大其退水曲線一般都比較平緩,而流域面積小的,退水曲線第一段都比較快。2.3地表破裂程度溝壑密度(gullydensity)是指在一個特定的區(qū)域內(nèi),地表單位面積內(nèi)溝壑的總長度。溝壑密度是反映當(dāng)?shù)貧夂颉⒌刭|(zhì)、地貌的一個基本指標(biāo),同時也是地形發(fā)育階段、降水量或地勢高差、土壤滲透能力和地表抗蝕能力的重要特征值,對于枯季退水而言,地表支離破碎程度越大,對枯季時期基流的釋放越有利。將溝壑密度與退水指數(shù)點繪成圖6,可以看出退水指數(shù)與溝壑密度基本呈正比例關(guān)系,溝壑密度越大,地表支離破碎程度越高,退水指數(shù)也就越大。破碎的地面必然起伏不平,多斜坡。這樣一方面使地表物質(zhì)穩(wěn)定性降低,另一方面易形成地表徑流。溝壑密度越大,地面徑流和土壤沖刷越快,溝蝕發(fā)展越快。3bfi的估算作用基流指數(shù)BFI(baseflowindex)對枯季退水研究至關(guān)重要。其包括年平均基流量和長期日平均基流量。Lvovich首先介紹了這個概念,英國水文研究所于1980年進(jìn)一步健全了這個概念。Beran和Gustard把其當(dāng)作可靠性指標(biāo),將它表示為基流量和總流量的比值。Gustard等人用全部觀測期的年資料來估算BFI。在地下水產(chǎn)流較大的流域,BFI值可能接近于1,但對季節(jié)性河流來說,BFI值可能等于0。Smakhtin和Watkins列出了一些河流的BFI特征值。BFI也可以很好地反映地形學(xué)對枯水的影響,它廣泛地應(yīng)用于一些區(qū)域的枯水研究。本文采用數(shù)字濾波法分割基流,得出的基流指數(shù)與退水指數(shù)的關(guān)系,如圖所示。從圖可看出基流指數(shù)與退水指數(shù)成反比的關(guān)系,原因之一可能是因為基流指數(shù)大的流域其含水介質(zhì)的溶通性較好,具備大量的次生溶孔、溶隙和溶道,從而構(gòu)成了一個復(fù)雜的、有機結(jié)合的、空間分布不均一的貯水空間?；蛘呤橇饔騼?nèi)有大型的洞穴或溶盆起到一個小蓄水體的作用,對枯季的退水具有補充的作用。所以說基流指數(shù)大的流域其特點是具有很強的調(diào)蓄能力。而調(diào)蓄能力強的流域流量過程線是比較均勻坦化的,其退水指數(shù)并不會很高,所以,退水指數(shù)與基流指數(shù)之間是呈反比關(guān)系的。4流域地質(zhì)指數(shù)法喀斯特地區(qū)巖性是很重要的一個指標(biāo)。本文采用了貴州省1∶175萬水文地質(zhì)圖做底圖,該圖將貴州省內(nèi)巖石成分按照含水巖組及富水程度進(jìn)行劃分利用將流域面積與水文地質(zhì)圖進(jìn)行疊加后對其進(jìn)行數(shù)字化,并對每種巖石成分所占的比例進(jìn)行計算,應(yīng)用Wright提出的地質(zhì)指數(shù)的概念,將各種地質(zhì)巖石根據(jù)透水性質(zhì)予以量化,在一個流域范圍內(nèi),按其不同巖類相對應(yīng)的水文地質(zhì)指數(shù)所占面積,進(jìn)行加權(quán)計算得到該流域面積的綜合水文地質(zhì)指數(shù),然后與退水指數(shù)進(jìn)行比較,如圖8所示。由圖8可以看出,除了1號點和2號點外,其他點群基本呈正比關(guān)系?？λ固亓饔騼?nèi),各流域樣區(qū)內(nèi)的巖性基本是碳酸巖、碳酸巖夾碎屑巖、碎屑巖夾碳酸巖等,巖性與構(gòu)造決定了巖石孔隙、裂隙、溶隙發(fā)育狀況,影響含水層的給水性、透水性等物理性質(zhì)從而制約枯季退水速度的快慢和時間的長短。5不同主要地貌類型流域退水指數(shù)的聚類分析研究中采用了貴州省1∶150萬水文地質(zhì)圖做底圖,該圖紙將貴州省內(nèi)地貌按照喀斯特發(fā)育程度分為溶蝕類型、溶蝕-侵蝕類型、侵蝕-溶蝕類型和非喀斯特類型。利用ArcGIS將流域面積與喀斯特地貌圖進(jìn)行疊加后對其進(jìn)行數(shù)字化,并對每種地貌成分所占的比例進(jìn)行計算,得到各個流域的喀斯特地貌圖和喀斯特地貌比例。由于喀斯特地貌具有其復(fù)雜性和不規(guī)律性,所以不能用指數(shù)形式來進(jìn)行量化,研究中采用系統(tǒng)聚類法來說明喀斯特地貌對流域退水的影響。王在高等曾用該法對喀斯特流域進(jìn)行劃分,但是并沒有加入地表高程和地表切割深度等地形指標(biāo),而這兩項指標(biāo)也是地形地貌的一個重要體現(xiàn)。按照系統(tǒng)聚類法的基本思想:首先,將8個流域看成8類,然后按照性質(zhì)最接近的兩類合并成一個新類,這樣得到7類流域,再從7類中找出性質(zhì)最接近的兩類加以合并,變成6類,如此繼續(xù)下去,直到所有流域都合并為同一類為止。將上述過程畫成聚類圖,根據(jù)它便可以決定分多少類,每類各有什么樣的流域,結(jié)果見表1。由表1可以看出:(1)非喀斯特流域比例高的流域(第4類)平均退水指數(shù)要大于喀斯特流域(第2類和第類這個可能是因為喀斯特地區(qū)由于其巖石裂隙的發(fā)育比較發(fā)達(dá),表面形態(tài)特征多樣,溶洞、洼地的數(shù)量要遠(yuǎn)大于非喀斯特比例高的流域。而這些地貌特征對匯流的速度會產(chǎn)生一定的阻礙作用,所以會導(dǎo)致其退水指數(shù)較小。而第1類地形的退水指數(shù)偏高可能是因為長河壩流域受到人類活動影響而退水指數(shù)偏高,導(dǎo)致總體平均指數(shù)高。(2)山地為主的流域退水指數(shù)要大于以洼地、谷地為主的流域。這個可能是因為山地為主的流域其流域總體坡度較陡峭,降雨到達(dá)地面后匯流速度比較快導(dǎo)致的。(3)各種地貌類型比較平均的流域,其退水指數(shù)最小。這是因為沒有一個主要地貌類型占主導(dǎo)因素,其它多種地貌并存的情況下,其產(chǎn)流、匯流的機制比較復(fù)雜、多元化。導(dǎo)致其流域的調(diào)蓄能力比較強,所以退水指數(shù)也比較小。6退水指數(shù)與基流指數(shù)的關(guān)系(1)在地形因子中,退水指數(shù)與地形指數(shù)的關(guān)系比較密切。地形指數(shù)基本與退水指數(shù)成正比例關(guān)系。因為地形指數(shù)不僅反映出了一個流域的地勢是否平坦,還反映了流域的產(chǎn)匯流的特性,所以退水指數(shù)也是一個內(nèi)容很豐富