喀斯特流域洪、枯水资源化机理与遥感应用模型研究

第1章　绪论 喀斯特地区无论在我国还是在全球其他国家和地区，都是一类主要的生态脆弱区，因而引起了国内外学术界的广泛关注。我国的喀斯特地貌不仅分布广泛，且类型之多为世界罕见。据不完全统计，我国以碳酸盐岩石为物质基础的喀斯特地貌发育总面积达200万km2，其中裸露的碳酸盐类岩石面积约130万km2，约占全国总面积的1/7；埋藏的碳酸盐岩石面积约70万km2。碳酸盐岩石在全国各省份均有分布，以广西、贵州和云南东部地区分布*广。贵州地处我国西南部，东连湖南、南邻广西、西接云南、北濒四川和重庆，位于云贵高原东斜坡地带，全省总面积176167km2，江河湖泊分属长江流域和珠江流域。 贵州作为我国喀斯特面积分布*广的省份之一，其碳酸盐岩出露面积占全省总面积的73%。在喀斯特地区，地表崎岖，地下洞隙纵横交错，水文动态变化剧烈，地表水渗漏严重，地下持水、保水能力差；土层薄、肥力低、植被生长困难、石漠化严重，形成了独*的、脆弱的喀斯特自然景观，严重地制约了喀斯特流域的持水、供水能力。贵州常年受西南季风的影响，降水量丰富(即多年平均降水量达2076.353亿m3)，按一般的理论，其水资源丰富；但贵州很多地方山高谷深，已严重影响了降水的空间分布，并呈现出西南部和东北部地区降水量*大，从西南部向西部、中部及东南部递减，从东北部向北部和东部递减的空间分布格局。全年降水时间分布不均，降水集中在5～9月，占全年降水量的63%，10月至次年4月降水量偏低，仅占全年降水量的27%。由于贵州受地形及经济条件的限制，大量的水资源不能被人们所利用，其中地表水资源1035亿m3(多年平均)，占全年降水量的49.8%，地下水资源274.7亿m3(多年平均)，占全年降水量的13.2%；水资源开发利用难度大，地表水资源总供水量73.22亿m3，占水资源总量的5.59%，地下水资源供水量8.58亿m3，占水资源总量的0.7%。全年水资源利用时间分配不均，5～9月，工业用水占全年用水量的18.59%，农业用水占全年用水量的15.12%，城镇用水占全年用水量的5.23%，农村用水占全年用水量的1.53%；10月至次年4月，工业用水占全年用水量的25.02%，农业用水占全年用水量的20.19%，城镇用水占全年用水量的9.36%，农村用水占全年用水量的4.25%。水资源利用方式不合理，大量水资源被浪费，其中全年总耗水量34.76亿m3，占全年总供水量的34.76%。因此，在贵州喀斯特地区，人类与水资源的矛盾日益突出，尤其是在需水量大的枯水季节，人水矛盾更加突出，已严重制约了贵州经济的发展。如2010年中国西南地区百年一遇的特大旱灾，就发生于需水量大的枯水季节，主要分布在贵州、云南、广西、四川及重庆5个省份。据不完全统计，这次西南大旱5个省份的受灾人数高达6130万人，直接经济损失达236亿元。其中，贵州省的88个县(市)中有86个县(市)不同程度受灾，灾情严重的有54个县(市)、482个乡镇。全省受灾人口达1868.9万人，695.0万人和503.5万头大牲畜饮水困难；农作物受灾面积145.5万hm2，其中成灾93.93万hm2，绝收39.3万hm2。百年一遇的持续旱灾造成全省直接经济损失达112.4亿元，其中农业直接经济损失61.86亿元。贵州地区虽降雨量丰富，但因特殊的喀斯特流域结构，出现了严重的“工程性”缺水。因此，在喀斯特化的贵州地区，要想充分发展经济，赶上并超过经济发达的东部沿海城市，就必须在现有的经济技术条件下，以先进的遥感技术为手段，*大限度地开发利用枯水资源和实现洪水资源化。 遥感是以电磁波与地球表面物质相互作用为基础，探测、分析和研究地球资源与环境，揭示地球表面各要素的空间分布特征与时空变化规律的一门科学技术。遥感过程是一个信息传递过程，一个从地表信息(多维、无限、连续的真实体)到遥感信息(二维、有限、离散化的模拟信息)的数据获取及成像过程。遥感成像过程十分复杂，经历从辐射源—大气层—地球表面—大气层—探测器等一系列复杂过程，这一过程中的每个环节都受到多种因素的干扰，需要对这些过程进行定量描述，即遥感建模。遥感模型大体可分为遥感反演模型和遥感应用模型两种。目前国内外对遥感应用模型的研究主要有土壤含水量遥感应用模型、水体叶绿素含量遥感应用模型、水体悬浮物含量遥感应用模型、植被覆盖度遥感应用模型、地表区域水分蒸发-蒸腾量遥感应用模型、湖泊水色遥感参数获取、水稻叶面积指数和叶绿素含量的遥感估算模型、太湖悬浮物遥感应用模型、森林覆盖度遥感应用模型、农作物遥感应用模型、植物含水量遥感应用模型、地表温度参数遥感应用模型等。 本书从系统论的角度，首先探讨喀斯特流域的结构与功能，分析喀斯特枯水径流与洪水径流特征，提出枯水资源化与洪水资源化的概念；其次，根据地物赋水光谱特征，提取喀斯特流域赋水遥感信息，分析喀斯特枯水资源影响因素，探讨洪水资源化机理，建立喀斯特流域赋水遥感反演模型；*后，根据灰色理论原理，计算喀斯特枯水资源与洪水资源，对喀斯特水资源的承载力进行综合评价。因此，本研究能为很好地掌握水资源时空分布以及合理开发利用水资源提供一定的理论指导，对缓解或抑制喀斯特干旱具有重要的指导意义。 第2章　喀斯特流域结构、功能与喀斯特枯水、洪水 2.1　喀斯特及喀斯特流域 喀斯特一词原是南斯拉夫伊斯特里亚(Istria)半岛上石灰岩高原的地名，即石头之意。它是指具有一种特殊水文现象和特殊地貌现象的地形，其水文和地貌的特性就在于具有地表地下水系塑造的地貌。科学家把对可溶性岩石以化学或生物过程为主，以机械过程为辅的破坏和改造作用的水文现象称为喀斯特水文作用，由这种作用产生的地下管道称为喀斯特洞穴，它们统称为喀斯特。在可溶岩广泛分布的地区，喀斯特作用明显，喀斯特地貌广泛发育，其水文特征受地表、地下喀斯特系统影响显著的流域，称为喀斯特流域。一般在喀斯特地区，有喀斯特发育的流域都可以称为喀斯特流域。本研究所指的喀斯特流域是指由特殊的含水介质(可溶岩双重含水介质)和具有特殊的流域边界(地表、地下双重分水岭)、独*的地貌-水系结构及水文动态过程耦合的地域综合体。根据其水量平衡划分为：盈水流域、亏水流域和平衡流域。 2.2　喀斯特流域结构 2.2.1　喀斯特流域结构类型 根据系统论的观点，结构就是一种不同要素的组合，不同的组合形式形成不同的结构类型。本研究在前人研究流域地貌系统的基础上提出喀斯特流域结构的概念并将其分为两个大类和六个亚类(图2-1)。 图2-1　喀斯特流域结构分类图 1. 喀斯特流域形态结构 1)形状结构 喀斯特流域的形状结构是指流域边界不同形状的组合，其形状可划分为长条形、椭圆形、扇形和圆形等。而流域边界控制了流域系统洪、枯水的形成和运动范围，由于存在形状的几何相似性和划分的模糊性问题，所以对流域形状结构的研究应该着重于流域边界几何参数的确定。许多学者已经对流域边界参数作了大量的定量描述，认为其中常用的有：形状系数、紧度系数、流域圆度、流域狭长度、曲度、拉长度和流域的不对称系数。可以根据研究区的特点和研究目的选择特定的几何参数来对流域边界进行描述。 2)线状结构 水系是流域线状结构的表现，是不同大小、不同数量、不同长度河段的组合。由于水系在发育过程中受到气候、流域原始坡度、岩性、地质构造和地貌历史的影响，其形式各种各样，如放射状水系、辐合状水系、树枝状水系、平行水系、格状水系、倒钩式水系、直角状水系、羽状水系等。喀斯特流域的线状形态结构按其水文功能主要表现为干谷水系、地表水系和地下水系，并有其自身的运动和演化规律。 3)面状结构 面状结构是指流域内不同起伏状况地表在空间上的组合，这种地表的不同空间组合形式构成了流域内不同的地貌类型。因而喀斯特流域的面状形态结构可通过地表的不同地貌类型来表现，例如，峰丛洼地和峰林溶原即为地表形态面状结构的两种不同表现。我们可以通过地表形态径流强度系数(地貌水文参数)来定量刻画流域面状结构的水文特征。 2. 喀斯特流域介质结构 1)岩石组成结构 岩石是喀斯特流域系统的物质组成部分，在喀斯特地区分布了广泛的碳酸盐岩，构成了喀斯特流域系统中的一个子系统。在这个子系统中各种岩石都具有自身的特性，从而控制流水溶蚀和侵蚀作用，使得喀斯特流域表现出自身的结构特征，也就是说岩性不同喀斯特流域的结构也就不同。从喀斯特流域的整体看，在岩性构造控制下，由于运动水的差别溶蚀和侵蚀在岩石内部形成了大量的次生溶孔、溶隙和溶道(溶管和溶洞系统)，构成了喀斯特流域的地下通道，形成了地下水系；另外，还影响着岩溶裂隙的发育程度和规模，导致排水通道和透水性的差异，使喀斯特流域形成了不均一的双重含水介质结构。 2)植被分布结构 植被影响水文过程、促进降雨再分配、影响土壤水分运动，是喀斯特流域系统的有机组成部分。在流域中，各种植被类型形成多个子系统，组合在一起构成了植被结构，植被结构和该系统中的其他要素结合在一起构成流域。在喀斯特地区，受地形多样、地表起伏大、坡度大等的影响，植被对水文过程的影响也较大，植被结构表现出了与流域水文更为密切的关系。 3)土层覆盖结构 流域土层是指分布在流域上的，具有一定规模的未固结沉积物。这些沉积物通常覆盖在基岩的表面，来源于母岩原地风化形成的表层土、风化壳，或是在河流动力顺坡移动等作用下从异地搬运形成的松散沉积物。由于下伏有低渗透率岩石(通常这些沉积物渗透率较下层岩石大2～3个数量级)，土层有时可确定为一个相对独立的水文地质单元。土层是喀斯特流域系统的组成部分，也是作为一个子系统存在于喀斯特流域中，与岩石系统、植被系统、地貌形态系统等相互协同构成流域。鉴于土层分布的空间结构受地貌、地势、地面坡度及物质组成的影响，使得喀斯特地区大部分流域内土层浅薄，零星分布，形成了岩溶地区独*的土层覆盖结构。 2.2.2　喀斯特流域结构特征 任何系统都有其特定的结构，结构是指系统中诸要素之间的关系及其内在的组织形式。系统的结构作用于输入系统的物质流、能量流和信息流，使系统产生特定的功能。不仅如此，物质、能量、信息流在系统中的作用、运动和传递同样使得喀斯特流域结构在空间和时间上表现出从发育、形成到演化有规律的运动，呈现了自身的特点。 1. 不均一的双重含水介质结构 在喀斯特流域，广泛分布着碳酸盐岩的非均质含水体，水文运动在岩性的控制作用下发育了大量次生的溶孔、裂隙和洞道子系统，形成了一个复杂的、有机联系的、在空间上分布不均一的贮水空间系统，并产生了不同的贮水形式、水流运动状态和水力学特性。 2. 二元流场形态结构 喀斯特流域发育形成了地表和地下两个水系、两个分水岭和两个流域。在流场上地表、地下两个流域常呈复杂的边界不重合关系，但又通过水力联系构成一个密不可分的整体，在宏观流场上表现为一个二元形态结构。近年通过对喀斯特流域特性的深入研究，发现正是由于此结构导致产生了亏水流域和盈水流域。 3. 三维空间地域结构 喀斯特流域在空间上是一个三维空间。该系统单元内物质、能量的传递过程是在三维空间内进行的，如水流传输、三水转化及水文循环等。 4. 功能上的耗散结构 喀斯特流域是一个非线性时变的开放系统，在功能上表现出耗散结构的特征，即它是远离平衡态，不断与外界环境进行物质、能量和信息交换的系统，并且在负熵流的作用下通过系统内部各要素的联合协同作用产生自组织过程，使流域从一种低级状态转变为一种高级有序的状态。 2.3　喀斯特流域功能 系统的结构和功能是系统的两个基本概念，结构反映了系统内部各要素的组成关系，功能反映了系统内部各要素之间的活动关系。两者从不同方面规定了系统内部各要素之间的联系。系统结构作用于一切输入系统的物