绥阳双河洞国家地质公园边界优化

周文龙,BOTTAZZI Jean,况光显,王德远,罗书文,高占冬,江波,莫贵芬

(1.贵州省山地资源研究所,贵阳 550001; 2.中国地质学会洞穴专业委员会,桂林 541004;3.French Federation of Speleology,Lyon 69002; 4.绥阳双河洞国家地质公园管理处,遵义 563314)

岩溶地区由于特殊的双重含水介质形成了独特的二元三维空间地域结构系统,不仅表现出奇特的地质地貌景观和过程,而且也具有独自的水文特性和过程。岩溶发育过程具有流水侵蚀作用和流水溶蚀作用的双重特征,除了发育地表水系外,还发育有地下水系,其水文过程的运动规律也与常态流水地貌系统存在差异,普遍存在地表、地下分水岭不重合的现象[1-3]。地表分水岭较为容易划定,而地下分水岭常因溶洞调查的局限性与地下水资源调查的不完整性导致缺乏足够的地下空间信息,不易准确划定地下分水岭,常常会造成边界划定模糊不清。若要在岩溶地区科学划定流域边界,则地表、地下分水岭必须兼顾。

双河溶洞群及其地表岩溶景观构成了绥阳双河洞国家地质公园的主体,而双河洞系统主体部分则绝大部分发育在池武溪流域内。历经30余年的中外联合科考,双河洞区域地表水系与地下溶洞调查资料相对翔实,且该流域范围也足够大,这就为研究岩溶区地表-地下二元结构的空间关系提供了绝佳的场所。截至2021年9月,双河溶洞群已探测洞口353个(其中:连通的78个,未连通的275个)。即双河洞系统目前由78个洞口相连通,总长度达311.5 km,纵深达665 m,体积达37 658 256 m3,是亚洲第一、世界第四长的溶洞,同时也是世界上最长的白云岩洞系[4]。而其余未连通的275个洞穴总长为131 km,规模体量不容忽视,成为近年来数据增长的主要贡献源,部分洞道未来仍有与双河洞系统相连通的可能[5]。针对双河洞为何成为“世界上最长的白云岩洞系”这一热点问题,前人研究分别从地层与构造控制[6-7]、水文地貌[8-9]、膏岩层的物理化学作用[10]、地热及其效应[11]等角度提出了诸多观点,集中反映了双河洞的重要成因,但某些论断还未被安全证实。此外,学者们还从双河洞的发育演化分期[12-13]、管网模型[14]、工程地质力学[15]、地球化学[16-18]、空气环境[19]等方面开展了研究,对于理解它的总体发育特征及其演化过程均有一定的参考价值。但随着探测活动的持续推进,如何在双河洞动态增长变化中科学划定绥阳双河洞国家地质公园的边界?往往是被忽略掉的问题,这将不利于地质遗迹的保护与管理,同样应引起足够的重视。

数字高程模型(digital elevation model,DEM)是地表形态高程属性的数字化表达,利用流域DEM数据构建地表数字水系模型并提取流域水文特征,已经被广泛地应用到诸如地形特征提取、流域水系分析等众多数字地形分析领域,是分布式水文过程模拟的重要基础。但岩溶地区水系复杂、河流水系明暗相间、地面河流不连续,采用地理信息系统(geographic information system,GIS)手段和DEM来构建数字水系存在一定难度[20],需要综合考虑溶洞发育对地表水系的影响。因此,现将以双河溶洞群空间分布为参考,重点对池武溪流域及周边DEM数据进行数字河网提取与流域分割,来检验水文分析在喀斯特地区的适用性以及明确汇水累积量最佳阈值,并综合考虑自然与人文因素,在对照现行园区边界的基础上提出初步的优化调整方案,以期为绥阳双河洞国家地质公园保护与管理以及将来继续申报世界地质公园或世界自然遗产提供科技支撑。

1 研究区概况

绥阳双河洞国家地质公园位于贵州省遵义市绥阳县与正安县交界处,地理坐标范围:东经 107°10′28.495 2″～107°21′26.992 8″、北纬28°10′13.900 8″～28°21′14.940 0″,距遵义市73 km、贵阳市239 km。2004年3月园区获得第三批国家地质公园建设资格(国土资厅函〔2004〕16号),由独立不相连的公园主园区和温泉园区构成[21],行政管辖权隶属于绥阳县;2015年地质公园修编按照《国家地质公园规划编制技术要求》(国土资发89号),对原有2004年划定的公园范围进行了大幅调整,变为由4个相连景区组成(双河洞景区、金钟山景区、让水景区、温泉景区)[22],仍隶属于绥阳县管辖;2017年申报世界地质公园沿袭了2015年修编的范围,但未能成功入围。自2018年起,双河洞系统就已超越现行地质公园边界以及县级行政区界线,园区边界亟待优化调整。

池武溪是芙蓉江上游的二级支流,是一条主要由地下河、泉水补给的地表河流,全长约12 km,相对高差50 m,坡降4.2‰,总体呈NW-SE流向。双河洞就主要发育在池武溪近岸伏流地带,地表水大多通过漏斗、落水洞以及岩层节理裂隙潜入或渗入地下,最终汇入池武溪成为其重要的补给源。由于受多期地质构造活动的控制,池武溪流域地形切割强烈,沟谷纵横发育,空间展布多为NE向和NW向,且相对高差大,海拔高度在600～1 700 m,最高峰金钟山海拔1 714.3 m,总体呈现出由西北向东南逐渐降低的地势格局,峰丛洼地、峰丛谷地和峰丛峡谷等喀斯特地貌发育广泛。

根据1∶20万正安幅水文地质报告以及1∶25万正安县幅建造构造图等资料[23-24],研究区域地层属于扬子地层区黔北沉积区西部,出露早古生界寒武系、奥陶系、志留系、晚古生界二叠系、中生界三叠系以及新生界第四系地层。以寒武系和奥陶系半局限海台地相碳酸盐岩广泛发育,缺失泥盆系、石炭系,致使二叠系地层超覆于下古生界地层之上为其主要沉积特征,第四系零星分布。双河洞主要发育于上寒武统-下奥陶统娄山关群地层中,该下覆地层为一套可见多层石膏的白云岩,地层产状较为平缓,倾向NNE-NEE,平均倾角约为7°,洞道走向则严格受北东和北西向两组构造节理控制,其中以北西向最为发育。从区域构造行迹来看,双河洞系统就处在由黄鱼江复背斜、土坪复向斜和正安断裂带等3条主要褶皱带所围成的略呈三角形相对上升的“构造空白区”内(图1)。

(根据1∶20万地质图改绘)

2 材料与方法

2.1 数据来源

在暂不考虑园区边界以及地区行政界线的前提下,对自然流域的数字河网提取并划分地表分水岭是开展边界优化研究的基础,故分析数据的选择范围要比池武溪地表分水岭大,最好能将三角形“构造空白区”包含其中。目前已知区域1∶20万地质图与双河溶洞群地图均采用6°分带,为兼顾DEM精度、不同源数据空间投影方式以及覆盖范围,本研究选择1∶5万标准分幅DEM数据6幅(h48e022021、h48e022022、h48e023021、h48e023022、h48e024021、h48e024022),统一采用6°分带,以便后期的空间分析。双河溶洞群平面地图采用2021年绘制的最新矢量数据(投影方式为WGS_1984_UTM_Zone_48N),可根据属性字段拆分为双河洞系统和未连通洞道。

2.2 数据处理

运用ArcGIS软件对上述6幅DEM数据进行拼接与孔洞修复,再调用Hydrology tools模块进行水文分析,提取研究区数字河网并划分河流等级、去除伪节沟及集水流域边界修正等。根据研究区范围确定比例尺,并确保地表-地下空间信息能够在ArcGIS软件平台进行空间分析,双河洞平面地图经投影转换后统一采用Xian_1980_GK_Zone_18投影坐标系(6°分带)。

3 结果与讨论

3.1 地表流域划分与双河洞空间展布

显而易见,基于填洼的岩溶区数字河网特征必然与真实河网存在一定的差异。那么,以差异为突破口,是否可以建立岩溶区地表-地下“二元结构”之间的关联呢?而确定汇流累积量阈值是开展数字河网特征研究的基础[25-26],对集水流域进行分割是确定地表流域界线的关键。

3.1.1 汇流累积量阈值确定

数字河网提取由于受DEM精度、地形复杂度、沟谷网络的结构特征及模拟方法的制约,存在很大的随意性和主观性。错误地使用其他地貌类型适用的汇流累积量阈值将会得到大量的伪水道,直接影响到生成的水系、沟壑的详细程度以及子流域的划分数目,需结合地貌空间分异设置不同的阈值[15]。池武溪流域及周边主体为岩溶地貌,就不能简单地套用黄土高原等常态地貌阈值。因此,分别模拟设定200、400、500、600、800、1 000、1 200、1 400、1 500、1 600 m2共10个阈值进行研究区数字河网提取,并逐一与1∶5万真实水系进行比对(图2),再参照遥感影像图等以及野外实地考察验证,认为在1∶5万DEM精度下设定1 000 m2的汇流累积量阈值模拟出的数字水系与真实水系一致性高,但模拟水系因填洼处理后明显要比真实水系河网密度高,在天坑处差异尤为明显。后文分析将沿用这一阈值参数进行河流分级与流域分割。

图2 不同汇流累积量阈值模拟水系与真实水系比较

3.1.2 地表流域分割与双河洞空间展布

根据上文确定好的汇流累积量阈值进行流域分割,空间叠加双河溶洞群空间展布范围来大致框定所涉及的地表流域,由此可直观地发现(图3)。

(1)双河洞系统至少地跨池武溪、猛溪沟2个地表分水岭,虽北部只有少许洞道跨越至猛溪沟流域,但仍足以反映地表-地下分水岭不重合这一事实。而根据此前在枫香树河流域让水坝边缘的大洞-水洞进行的两次示踪试验,已证实与池武溪流域的大鱼泉之间有水力联系,由此推断双河洞系统的补给排泄范围应更大,至少还应该包括西南侧的枫香树河流域。

(2)双河溶洞群的跨越范围则更广,最北端的天宝洞地处金钟山以北区域,猜测与双河洞系统连接可能性小,可暂不予以考虑。

(3)东侧的谭家沟流域是池武溪与猛溪沟两大支流汇入芙蓉江的必经之路,在河流等级划分上与枫香树河流域具有对等关系,且汇善谷温泉景区位于其中,在发育成因上可能与双河洞系统具备一定的关联[11],此前一直是作为双河洞国家地质公园不可分割的一部分。综上所述,可将园区边界范围缩小至池武溪、猛溪沟、枫香树河与谭家沟4个地表流域。

3.2 双河洞与园区、行政边界关系

现已大致明确双河洞与研究区地表分水岭范围之间的空间分布关系,那么它们与现行地质公园边界以及行政区界线之间的关系如何呢?

同样对现行绥阳双河洞国家地质公园范围、县级行政边界以及双河溶洞群及其主要涉及的地表分水岭进行空间叠加后综合分析,可明显发现(图4)。

图4 双河洞与现行地质公园及行政区边界空间关系

(1)双河洞系统西北端(2018年探测连通了堆窝洞)已跨越沟谷延伸至正安县土坪镇石志村境内,也一举突破了现行地质公园东南界,且仍在继续增长。

(2)跨越县界必然导致现有行政管辖存在一定的盲区,不利于园区的保护与管理。

(3)现行的地质公园东南界则几乎以县级行政区来划定,单纯以行政区划界也必然会割裂自然地表流域的完整性。

(4)双河溶洞群扩展范围则更广,北部和西部尚存在较多的未连通洞道,是潜在拓展的增长来源。

综上,无论是从现行地质公园边界抑或是从行政管辖权来考量,均已不能满足核心地质遗迹在保护与管理上的需求。在园区边界上,应根据探测进程适时动态调整范围;在行政管辖上,则应尽快对绥阳双河洞国家地质公园管理处提级赋予市级管理权,由绥阳、正安两县共管。

3.3 双河洞系统发育界限预判

双河洞系统是园区的核心地质遗迹,相较于其他地表岩溶景观,在发育范围上具有一定的不确定性[14]。因此,尽可能科学预判其发育界限,对于优化定界至关重要。根据双河洞系统四至量测,东西向延伸7.7 km、南北向延伸9.5 km。那么,能拓展延伸的平面范围是多大呢?

(1)东面是断层,双河洞系统中已知最低点的出水口大鱼泉位于该断层的西北方向。在目前已知的勘探状态下,推测它被平行于该断层1～2 km处的裂缝堵塞,基本上可认作是发育的东侧界线。

(2)西南为让水坡立谷(图5),其边缘的大洞-落水洞地下河横穿台原至大鱼泉。根据水文地质图识别与实地调查,该坡立谷南缘有许多泉点,这表明坡立谷下覆的寒武系地层中缺乏排泄管道,可认作为双河洞系统西侧扩展的可靠界线。

图5 让水坡立谷地表分水岭扩展概览

(3)在东北几乎与让水坡立谷平行相距约 6 km 的池武溪坡立谷(图6),池武溪构成了一条不可逾越的鸿沟,绝大多数洞穴出水口或泉点几乎都分布在右岸,但大鱼泉的出水口却在左岸,发育界线相对模糊。根据岩层产状判断,池武溪左岸上覆奥陶系地层之下可能有潜水位洞穴发育,并很有可能发育在寒武系地层中。

(4)对于西北边界,因过于复杂,目前还不能明确判定。从近几年的探测进程来看,该区域未连通洞道较多且在不断增长,并入至双河洞系统的潜力巨大,是未来探测的重点区域。

3.4 园区优化定界方案

园区优化定界方案能否适应不断增长的双河洞系统扩张?并如何进行适时动态调整?均需从科研角度超前研判,不宜划定得过大或过小,应综合考虑自然与人文因素。双河洞系统是园区边界划定的重点参考,但不容忽视双河溶洞群中未连通洞段的意义,是未来双河洞系统延伸的潜在增量。因此,整体考虑双河溶洞群的发育趋势也是优化定界的关键。如前文所述,2015年公园东侧界线即为绥阳与正安两县县界,单纯以行政区界线来划定必然会割裂自然界线的完整性。从流域完整性与系统性考虑,虽岩溶区“二元结构”常导致地表-地下分水岭存在不重合的现象,但以地表分水岭进行划界仍是最广泛应用的理论依据。因此,在暂未明确双河洞系统发育界限的情况下,以地表分水岭划分为依据,结合地下溶洞空间展布,提出划定池武溪、猛溪沟、枫香树河以及谭家沟4个地表流域范围作为园区下一轮边界调整的参考,并适时根据径流的补-给-排关系、河流流量水文变化、隔水层边界、地表-地下分水岭范围、双河溶洞群探测进程、行政区划等因素不断优化定界。

截至2021年9月,美国猛犸洞(长度676 km、纵深124 m)以绝对优势长期霸榜世界最长溶洞,它在地下分水岭或者园区边界划定方面有无可借鉴的经验呢?猛犸洞自1981年以来就开展了超过500次的示踪试验,由此明确了猛犸洞系统地下分水岭的范围,更加强了对该区域水文和地貌演化的理解[27-30]。相较于双河洞已开展的寥寥数次连通试验,要明确划分地下分水岭、科学完整划定园区边界,未来的工作仍显得任重而道远。待条件成熟,双河洞国家地质公园还将继续申报世界地质公园或世界自然遗产,优化定界工作必将是重要的一环。

4 结论与展望

(1)以双河洞空间分布为参考,运用ArcGIS水文分析工具提取池武溪流域及周边数字河网,认为在1∶5万DEM精度下设定1 000 m2的汇流累积量阈值模拟出的数字水系与真实水系一致性高,但模拟水系密度要高于真实水系。

(2)通过流域分割,运用ArcGIS空间分析工具叠加双河洞系统与地表分水岭,发现双河洞系统跨越池武溪地表分水岭,直观反映了地表-地下分水岭不重合的现象。

(3)双河洞系统已超越现行地质公园边界以及县级行政区界线,核心地质遗迹保护与管理存在真空地带。在园区边界上,应根据探测进程适时动态调整;在行政管辖上,则应尽快对绥阳双河洞国家地质公园管理处提级赋予市级管理权。

(4)在地下分水岭不易确定的前提下,提出以地表分水岭划分为依据,结合双河洞系统发育界限预判,暂划定池武溪、猛溪沟、枫香树河以及谭家沟4个地表流域范围作为园区下一轮边界调整的参考,并适时根据径流的补-给-排关系、河流流量水文变化、隔水层边界、地表-地下分水岭范围、双河溶洞群探测进程、行政区划等因素不断优化定界。

(5)未来应加强双河洞区域的示踪试验,更加明确地下分水岭范围,以期更加科学、完整地划定园区边界。