基于GIS 技術(shù)的水庫庫壩區(qū)巖溶發(fā)育特征分析

盧功臣，張 蕊

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，西安712000）

巖溶地區(qū)進(jìn)行水利工程建設(shè)， 在可研階段摸清工作區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育特征， 是工程地質(zhì)調(diào)繪的工作重點， 巖溶發(fā)育對庫區(qū)和主要構(gòu)筑物的防滲與穩(wěn)定意義重大［1］。 常規(guī)工程地質(zhì)調(diào)查以收集區(qū)域地質(zhì)資料和現(xiàn)場調(diào)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(fā)育特征對壩區(qū)等重點部位往往精度不夠， 其次由于水利工程庫壩區(qū)工作范圍大的特點， 巖溶地區(qū)植被茂密且多處于無人區(qū)， 道路通行條件差等多因素造成野外現(xiàn)場調(diào)查工作量大的問題。 遙感解譯手段的應(yīng)用將極大程度的減小全區(qū)域野外調(diào)查的工作量。因此，探索借助遙感等先進(jìn)技術(shù)手段， 綜合傳統(tǒng)調(diào)查方法開展巖溶地質(zhì)調(diào)查顯得十分必要， 對提高水庫工程地質(zhì)測繪、分析及研究工作的效率、工作質(zhì)量有很大的理論和實踐意義。 本文以水庫為例，基于GIS技術(shù)對庫壩區(qū)工程地質(zhì)條件進(jìn)行解譯分析， 研究其巖溶發(fā)育特征，大大提高了調(diào)查的工作效率和工作質(zhì)量，為同類型巖溶地區(qū)工程地質(zhì)調(diào)繪工作提供參考。

1 研究區(qū)基本工程地質(zhì)條件

研究區(qū)處于揚子準(zhǔn)地臺的滇東臺褶帶的曲靖臺褶束， 近場區(qū)對水庫場區(qū)影響較大的主要有小江活動性深大斷裂，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。

庫區(qū)地形高程在1600～2100m之間，區(qū)域內(nèi)水系發(fā)育，河流主要沿北北東向發(fā)育，河谷基本上屬“V”字型谷，下陡上緩，河流彎道多，支溝發(fā)育較大的支流。地貌形態(tài)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(qū)域內(nèi)的巖溶地貌形態(tài)主要表現(xiàn)為侵蝕溶蝕山地、構(gòu)造溶蝕山地以及石芽原野。 庫壩區(qū)河谷中，漫灘和階地不連續(xù)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?zhí)督M（∈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(qū)附近河床及兩側(cè)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(qū)內(nèi)巖層走向340°～30°，傾向250°～300°，傾角7°～30°。呈平緩的單斜地層產(chǎn)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(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文以2016年SPOT7影像數(shù)據(jù)為主要遙感信息源，DEM數(shù)據(jù)采用1∶1萬地形圖數(shù)據(jù)通過數(shù)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(qū)域內(nèi)的基本工程地質(zhì)特征和形態(tài)，因此采用Landsat ETM影像作為輔助數(shù)據(jù)來對構(gòu)造及災(zāi)害進(jìn)行輔助解譯。

2.2 地形數(shù)據(jù)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(zhì)信息和水文地質(zhì)信息、植被類型、土地利用等環(huán)境地質(zhì)信息的分布［3］，故獲取工作區(qū)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?qū)ε卸◣r溶發(fā)育、植被生長情況等有一定輔助作用，一般應(yīng)與坡度、DEM共同進(jìn)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(xiàn)研究區(qū)的三維地形效果，更好地輔助解譯工作。

2.3 GIS數(shù)據(jù)庫及解譯系統(tǒng)構(gòu)建

在GIS地理數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的基礎(chǔ)上， 基于GIS可視化平臺，以DEM、地形陰影及遙感影像為基礎(chǔ)，疊加基礎(chǔ)地理資料、 地質(zhì)資料等相關(guān)信息， 建立工作區(qū)GIS可視化解譯系統(tǒng)，為遙感解譯工作提供綜合的分析平臺。由于GIS多源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為一平面的二維可視化系統(tǒng)， 在表達(dá)空間三維信息時表現(xiàn)出一定的局限性，故本次基于三維GIS平臺Skyline構(gòu)建三維彩色影像系統(tǒng)，作為三維解譯的基礎(chǔ)平臺，主要用于輔助解譯具有三維地形特征的地質(zhì)體。 本次所建立的三維遙感影像解譯系統(tǒng)采用地理坐標(biāo)系為WGS1984，地形數(shù)據(jù)采用由等高線生成的DEM， 遙感影像分別采用SPOT7影像數(shù)據(jù)建立對應(yīng)三維遙感影像解譯系統(tǒng)如圖1，用于進(jìn)行對比分析解譯。

圖1 庫區(qū)三維解譯系統(tǒng)

3 工程地質(zhì)條件解譯分析

3.1 地形解譯

利用DEM數(shù)據(jù)對調(diào)查區(qū)地形進(jìn)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(qū)地形數(shù)據(jù)利用插值算法獲取三角網(wǎng)模型TIN，然后在TIN算法基礎(chǔ)上采用線性、雙線性內(nèi)插法建成數(shù)字高程模型， 然后利用三維數(shù)字高程模型基于GIS可視化平臺計算獲取研究區(qū)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(xiàn)出三維地表的形態(tài)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(qū)域因發(fā)育河流較多，坡度也普遍較陡。研究區(qū)域內(nèi)整體西部較陡，中南部和東北部地區(qū)較緩。

圖2 研究區(qū)域坡度

圖4 研究區(qū)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(diào)特征， 初步將研究區(qū)域的地層按可溶性劃分為可溶性巖與非可溶性巖，在區(qū)域內(nèi)可溶性巖主要為石灰?guī)r。濕熱地區(qū)的石灰?guī)r常構(gòu)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?guī)r的重要標(biāo)志。另外，石灰?guī)r一般呈偏淺色調(diào)， 但當(dāng)石灰?guī)r表面風(fēng)化呈褐色時，在航空像片上呈深色調(diào)，加上濕熱地區(qū)石灰?guī)r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(xiàn)為斑點狀圖案，成為解譯石灰?guī)r的另外一個突出標(biāo)志。通過地層巖性遙感解譯，研究區(qū)碳酸鹽巖主要分布在庫壩區(qū)中部如圖5， 其在ETM融合圖像上呈現(xiàn)灰色、淡黃色色調(diào)，植被也較為發(fā)育。

圖5 碳酸鹽巖分布

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

本次區(qū)域內(nèi)斷層解譯主要通過色調(diào)和水系特征進(jìn)行綜合分析。其中從色調(diào)來看，斷層出現(xiàn)位置色調(diào)出現(xiàn)明顯異常帶；從水系特征來看，多表現(xiàn)為河流出現(xiàn)被切割或錯移等現(xiàn)象，水體突然由寬變窄，出現(xiàn)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(xiàn)異常，例如數(shù)條河流沿某一方向同時發(fā)生彎折， 或突然變寬或變窄，或在某區(qū)間均出現(xiàn)曲流，或沿某一方內(nèi)突然發(fā)生下跌，形成瀑布等。 通過解譯，庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)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(fā)育，走向約N10°E，為推測斷層，性質(zhì)不明； 近東西向斷層位于面板壩壩軸線左岸上游沿沖溝發(fā)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(zhì)不明。 兩條斷層在庫壩區(qū)上游沖溝位置斜交如圖6。

圖6 研究區(qū)域解譯的主要斷層構(gòu)造

3.4 巖溶遙感解譯

溶蝕洼地形態(tài)上表現(xiàn)為封閉狀負(fù)地形，根據(jù)地形等高線資料，提取地形數(shù)據(jù)，進(jìn)行洼地分析，由研究區(qū)域等高線生成DEM文件， 在ArcGIS中計算出DEM數(shù)據(jù)中的洼地區(qū)域， 深色的區(qū)域是可能的洼地區(qū)域，并在三維系統(tǒng)進(jìn)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(nèi)，洼地面積達(dá)幾千平方米至數(shù)萬平方米。

落水洞是在遙感影像中為呈深灰-灰黑色調(diào)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(xiàn)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(qū)域洼地、落水洞分布

表1 研究區(qū)域內(nèi)巖溶洼地統(tǒng)計表

4 庫壩區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律分析

影響巖溶發(fā)育的主要因素包括巖性、 構(gòu)造及地下水循環(huán)活動等［5］，通過遙感解譯，分析庫壩區(qū)地形、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造條件，建立庫壩區(qū)綜合工程地質(zhì)GIS數(shù)據(jù)庫，對巖溶特征統(tǒng)計分析研究，庫壩區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育強烈，其中溶蝕洼地發(fā)育36處，多分布在平緩山頂部位；落水洞發(fā)育25處，庫壩區(qū)巖溶發(fā)育特征如下。

（1）研究區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育強烈，通過遙感解譯分析，庫區(qū)巖溶現(xiàn)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(gòu)成地表水下滲的通道。

（2）地層巖性中可溶巖的發(fā)育程度直接控制庫壩區(qū)巖溶的分布發(fā)育， 分析發(fā)現(xiàn)巖溶分布與可溶巖地層的走向基本一致。 其中左岸區(qū)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(nèi)分布多個落水洞；右岸區(qū)巖溶發(fā)育較弱，巖溶洼地和溶洞等均極為少見。

5 結(jié)語

本次工作采用現(xiàn)代GIS、 遙感等空間技術(shù)并結(jié)合工程地質(zhì)分析原理和災(zāi)害評價分析相結(jié)合的手段，研究庫區(qū)分析庫壩區(qū)地形、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等主要工程地質(zhì)問題，建立了庫壩區(qū)綜合工程地質(zhì)GIS數(shù)據(jù)庫對巖溶特征統(tǒng)計分析研究，可以看出，基于現(xiàn)代GIS、遙感等空間技術(shù)的應(yīng)用，對提高水庫巖溶工程地質(zhì)調(diào)查測繪的分析及研究工作的效率、工作質(zhì)量有很大的理論和實踐意義，為后續(xù)現(xiàn)場調(diào)查驗證和分析評估提供有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和工作重點索引。