（自然地理学专业论文）喀斯特流域水文地貌系统演化研究——以猫跳河流域为例.pdf

贵州师范大学硕士研究生学位论文 摘要 地貌是研究地表形态特征及其成因、演化、内部结构和分布规律 的学科。地貌是在不断变化和发展的。地貌的变化发展受构造运动、 外营力作用和时间三个因素的影响推移，不同的地理环境塑造地貌的 ： 外力也不同。因而地表形成也不一样，可以分为：冰川地貌、冻土地 貌、河流地貌和喀斯特地貌等等。 喀斯特地貌中主要是受水的溶蚀和侵蚀作用共同作用而塑造。对 研究溶蚀地貌形态变化规律把它放在流域内来研究、能很好地解释其 变化，因为在不同流段，侵蚀和溶蚀作用方向以及主导地位也不同塑 造的地貌类型组合方式也不同。在喀斯特地区地下水分为：垂直运动 带、季节变动带、水平运动带以及深层滞水带四个带。河流的不同流 段其四个带动厚度不一样因而塑造的地貌类型也不一样。河流平缓的 流段垂直变动带和季节变动带较薄；地下水主要以水平运动为主，其 地下水位较浅因而地表起伏不以溶蚀平原，孤峰残丘为主。当河流有 一定比降时垂直变动带增厚水平运动转化为垂直运动，径流也出现渗 漏显现地表水转化为地下水。地表开始出现洼地和落水洞同时出现峰 丛洼地以及峡谷等地貌形态。这样使得在同一流域中不同流段地貌发 育处于不同的年龄阶段。 根据猫跳河流域特点分为上、中、下游三段进行研究，运用面积 高程积分分析方法来判断各段各自所处的年龄段，并运用时间序列 中的h u r s t 系数对径流量在整个流域上的演化情况进行分析，为更好 地揭示基面径流一形态之间的关系，对流域的平均峰高趋势面 i 贵州师范大学硕士研究生学位论文 和最低趋势面进行趋势面分析。研究发现在河流上游峰高趋势面基本 一致，而且最低趋势面略有坡降地貌发育处于幼年期，径流演变主要 受降水影响；在中游最高趋势面和最低趋势面在径流方向相对高差愈 来愈大，地貌发育处于壮年( 偏幼) 时期径流量在时空上开始出现减 少趋势说明地表水开始有部分转换为地下水；在下游两趋势面相对高 差越来越大，地貌发育处于壮年期，因受到乌江下切影响径流量仍处 于渗漏之中。在研究流域中发现在幼年期径流变异性很小，说明地表 水作用为主喀斯特发育主要是地表为主；随着河流比降加大河流下 切深度加大河流进入壮年时期径流变异性很大，并且有减少趋势说明 地表水向地下水转换地下喀斯特发育强烈。并通过分析得出喀斯特流 域演化的一些规律。 关键字：喀斯特流域水文地貌猫跳河演化 贵州师范大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t g e o m o r p h i c g e o l o g yi sas c i e n c ew h i c hs t u d i e st h es u r f a c el a n d f o r m s c h a r a c t e r i s t i c sa n di t sf o r m i n gc a u s e s ，e v o l u t i o n ，a n dd i s t r i b u t i o no ft h e i n t e r n a ls t r u c t u r e t h es u r f a c eo ft o p o g r a p h yi si ne v e r - c h a n g i n ga n d d e v e l o p i n g c h a n g e si nt h ed e v e l o p m e n to fl a n d f o r m sa r e i n f l u e n c e db y t e c t o n i cm o v e m e n t ，f o c e sf r o mo u t s i d ea n dt h et i m et h r e ef a c t o r s m e a n w h i l e ，d i f f e r e n tg e o g r a p h i c a ll a n d s c a p e ss h a p e sd i f f e r r e n te x t e r n a l f o r c e s t h u st h ef o r m a t i o no fs u r f a c ei sd i f f e r e n t ，w h i c hc a nb ed i v i d e d i n t o ：g l a c i a lg e o m o r p h o l o g y ，p e r m a f r o s tl a n d f o r m s ，r i v e r sa n dk a r s t 1 a n d f o r m sa n ds oo n k a r s tl a n d f o r m sa r em a i n l ys h a p e db yt h e f u n c t i o n so fw a t e r c o r r o s i o na n de r o s i o n f r o mt h ea s p e c to ft h ef i v e rb a s i n ，t h es t u d yo f m o r p h o l o g i c a lc h a n g e so fl a n d f o r m ss o l u t i o nc a nw e l le x p l a i nt h er u l eo f c h a n g e s b e c a u s ea td i f f e r e n tf l o wr o w s ，t h er o l eo fe r o s i o na n dc o r r o s i o n a sw e l la st h ed o m i n a n tp o s i t i o nt os h a p et h el a n d s c a p ea r ea l s od i f f e r e n t ， t y p e so fc o m b i n a t i o na r ea l s od i f f e r e n t g r o u n d w a t e ri nk a r s ta r e a sa r e d i v i d e di n t o ：w i t hv e r t i c a lm o v e m e n t ，w i t hs e a s o n a lc h a n g e s ，w i t ht h e l e v e lo fe x e r c i s e ，a sw e l la sf o u rw i t hs t a g n a n td e e pw a t e r d i f f e r e n tr i v e r f l o ww i t hf o u rd i f f e r e n tt h i c k n e s s e ss h a p e sv a r i o u st y p e so ft o p o g r a p h y g e n t l e l yf l o w i n gr i v e rw i t hv e r t i c a la n ds e a s o n a lc h a n g e sa r ew i t ht h i n c h a n g e s ；s h a l l o wg r o u n d w a t e rl e v e l sw h i c hi sm a i n l yf l o w i n g o r i e n t ea r e u p sa n dd o w n s ，s ot h es u r f a c eo fl a n d f o r md o e sn o tf e a t u r ea sc o r r o s i o n v 贵州师范大学硕士研究生学位论文 i np l a i na n di s o l a t e dp e a k ，h i l lr e s i d u e s w h e nt h er i v e ri sw i t hs l i d e s ，t h e v e r t i c a lg r a d i e n tc h a n g e sb e c o m i n gt h i c k ，t h el e v e lo fe x e r c i s et u r n si n t o av e r t i c a lm o v e m e n t r u n o f fa l s ol e a k si n t o g r o u n d w a t e r ，s u r f a c eo f w a t e rt u r n si n t od e e p e rw a t e r s u r f a c eo fl a n d f o r mb e g i n st oa p p e a r ，a t t h es a m et i m e ，s w a l l o wh o l ea n dd e p r e s s i o na sw e l la st h ec a n y o n ，s u c h a sc l u s t e rs h a p el a n d f o r m s i tm a k e st h es a m ef l o w i n gw a t e rw i t h d i f f e r e n tf l o wb a s i nt o p o g r a p h yi si nd i f f e r e n ta g e so fd e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a o t i a or i v e rb a s i nw h i c hi s d i v i d e di n t ou p p e r ，m i d d l ea n dl o w e r ，t h es t u d ya d o p t st h ea r e aa n a l y s i s e l e v a t i o np o i n t st od e t e r m i n ew h i c hs e c t i o n so ft h e i rr e s p e c t i v ea g e s ， m e a n w h i l e ，u s i n gt i m es e r i e so ft h eh u r s tc o e f f i c i e n to fr u n o f ft oa n a l y z e t h ee v o l u t i o no fb a s i n w i d e i no r d e rt ob e t t e rr e v e a lt h er e l a t i o n s h i p a m o n gb a s es u r f a c e ，r u n o f fa n dt h em o r p h o l o g yo ft h eb a s i n ，t h ea v e r a g e p e a kh e i g h tt r e n ds u r f a c ea n dt h el o w e s tt r e n ds u r f a c ei sa n a l y z e df r o m p e s p e c t i v eo ft r e n ds u r f a c e i ti s f o u n dt h a tp e a kh e i g h ta tt h eu p p e r r e a c h e so fr i v e ra r eb a s i c a l l ya tt h es a m et r e n ds u r f a c e ，a n dt h el o w e s t t r e n ds u r f a c et o p o g r a p h y s l i g h tg r a d i e n t i si nt h e e a r l yc h i l d h o o d d e v e l o p m e n ta sw e l la st h ee v o l u t i o ni sm a i n l ya f f e c t e db yp r e c i p i t a t i o n r u n o f fi m p a c t ；t r e n ds u r f a c ea tt h em i d d l er e a c h e so ft h eh i g h e s ta n dt h e l o w e s tt r e n ds u r f a c er u n o f fa tt h ed i r e c t i o no ft h er e l a t i v eh e i g h tb e c o m e s g r e a td i f f e r e n c e s d e v e l o p m e n ti nt h e i rp r i m eg e o m o r p h o l o g y ( d a v i d p a r t i a l ) d u r i n gt h er u n - u pi ns p a c ea n dt i m eb e g i n st od e c l i n e ，w h i c h v i 贵州师范大学硕士研究生学位论文 s h o w st h a tt h e r ei ss o m es u r f a c ew a t e rc o n v e r t i n gt o g r o u n d w a t e r ； d i f f e r e n c e sa l eg r e a tb e t w e e nt w ot r e n d si nl o w e rr u n o f f , i nt h e i ra d u l t p e r i o do fl a n d f o r m s ，s i n c et h ec u t t i n go fw u ji a n gm a k e s nt h er u n o f f l e a k i n g i ti sf o u n df r o mt h es t u d y w a t e r s h e dr u n o f fv a r i a b i l i t yi ss m a l la t v e r ye a r l yc h i l d h o o d ；w h i c hs h o w st h a tk a r s td e v e l o p m e n tp l a y sm a j o r r o l ei nt h ea f f e c to fw w a t e rs u r f a c e ；w i t hm o r eo b v i o u ss l i d e ，d e e p e r c u t t i n g ，t h er i v e ri n c r e a s e si t sv a r i a b i l t yw h e nr u n o f fe n t e r st h ea d u l t p e r i o d ，a n dt h e r e i sad e c r e a s e ，w h i c hd e m o n s t r a t e sk a r s td e v e l o p s s t r o n g l yi nt h ec o n v e r s i o no fs u r f a c ew a t e rt og r o u n d w a t e r t t h er u l e so f k a r s tb a s i n se v o l u t i o ni sa s l oc o n c l u d e dt h r o u g ht h es t u d y k e y w o r d s ： k a r s tb a s i n ；h y d r o l o g yg e o m o r p h o l o g y ；e v o l u t i o n ： m a o t i a or i v e r v i l 贵州师范大学研究生学位论文 学位论文原创性声明和关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 ： 所取得的成果。除文中已经注明引用和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人或集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 男韦 砂7 引月尹日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州师范大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权贵州师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编学位论文。 同时 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密论文在解密后适用本授权声明) 论文作者签名：罗社导师签名： 耳f 乙 砷年多月，o 日 贵州师范人学硕士研究生学位论文 第一章前言 地貌研究的对象是地表存在的各种地貌体，它们是内外营力综合作用下不断 发展与演化的产物。因此，地质营力是决定地貌特征的主导因素，当一个或几个 地质营力在一定范围内持续作用足够长的时间后，地表即可形成该地质营力所控 制的特定地貌形态，所以地貌可以看成是营力、时间、原始地形和物质组成的函 数。那么当一个或几个地质营力长时间作用于一定地域时，这个地域范围内的地 貌体或地貌综合体可以看成一个系统，称为地貌系统。 1 8 9 9 年美国地貌学家w m 台维斯提出“地理循环”学说，从而奠定了地 貌学基础他把地形发育分为3 个阶段：幼年期、壮年期和老年期，并且在构造 运动作用下，可以进入下一个循环。把地理循环过程划分为“侵蚀循环 、“风蚀 循环 、“冰蚀循环 等几类。实际上他把不同营力形成的地貌看成一个系统，以 动态和发展的观点解释地貌的成因和演化过程。他认为，“循环学说主要内容即 是长期而有序的发展 。地貌的演化是构造、营力和时间的函数。一个地域在某 种营力作用下，随着时间的推移，其地表形态和地貌景观是有规律的发展的，是 可知的。他反对当时一些学者认为地貌学只能靠观察、描述和概括来发展的观点， 指出：“由于对想象、创造演绎和其它足以达到合理解释的思想方法使用不当， 地理学长期受损害”。所以他认为“地理循环”含有很“理论 的气氛。实质上 他已经把某种营力长期作用下的地区作为“系统”进行研究。虽然当时还不可能 提出系统论的思想，但他已把地貌景观作为一个整体研究其过程。台维斯的地理 循环学说把构造营力割裂开来，以一个地区迅速抬升到一定高度后随后即停止作 为地貌发育的起点，然后地貌景观在单纯外营力作用下发展演化。当地貌演化过 程中迅速抬升时，地貌景观发展的连续被打断，开始新的一个旋回的地理循环， 由于台维斯的循环学说把构造营力过程简单化，德国w 彭克提出了“山麓剥蚀 面 理论，他认为山坡面是内外力共同作用的结果，可以通过山坡地形分析，确 定地壳运动的方向和速度。w 彭克的理论实际上把坡地作为一个整体，研究其 发展演化过程，并且同时考虑了内外营力两种作用，可以说，台维斯和彭克是首 贵州师范大学硕士研究生学位论文 先以系统的观点研究地貌发育历史的学者，大大推动了地貌学的前进。但是台维 斯和彭克的理论具有强烈的推理和演绎色彩，其理论本身并没有提供有效的地貌 研究手段。应用他们的理论进行地貌实际研究时，并不能获得大量地貌演化信息， 只能概括地定性地描述地貌特征。 自二十世纪五十年代以来，许多地貌学家开始探索地貌研究定量化的方法， 试图定量地描述地貌演化过程。到8 0 年代，一些地貌学家开始把地貌单元看成 一个系统，综合考虑所用影响地貌发育的因素，确定地貌系统中物质和能量的交 换过程，预测未来发展趋势。1 9 5 2 年美国地貌学家斯揣勒提出面积高程分析 法( t h ea r e a a l t i t u d ea n a l y s i s ) 定量化，即：当高程积分曲线值s o 6 时为幼年期地形；0 3 5 s 0 6 为壮年期；s o 3 5 为老年期。1 9 6 3 年c u l l i n g 提出坡面泥流运动的数学方程。1 9 7 3 年夏姆首先提出地貌阈值认为“地貌系统 演化过程中，某一要素量值的变化达到一定限度时，会使整个系统发生突变，这 个极限值称为地貌阈值，也叫地貌临界值。1 9 6 2 年里奥普和拜恩在研究地貌系 统演化过程的数学描述与热传导方程相似，于是提出地貌熵的概念与方程。喀斯 特地貌学自2 0 世纪初由a g r u n d 及c v i j i c 运用d a v i s 理论建立了喀斯特地貌循 环理论以来。除了在溶蚀作用过程和机理的研究上有重大进展，与溶蚀作用相关 的气候地貌学，地貌发育理论运用落后于流域地貌研究水平，8 0 年代末w w h i t e 的石灰岩地区地貌学和水文学( 1 9 8 8 ) 和d c f o r d 及w p w i l lj a m s 和著的 喀斯特水文学与地貌学( 1 9 8 9 ) 。总结了过去喀斯特研究的重要成果，算是给 喀斯特水文与地貌画了一个完美的句号。杨明德等著的喀斯特流域水文地貌系 统主要从喀斯特流域研究、水文地貌场双效应分析及数学模型的建造、水文预 测的地貌学方法进行探讨。初步奠定了喀斯特水文地貌学的基本理论和方法。喀 斯特地貌中主要是受水的溶蚀和侵蚀作用共同作用而塑造。喀斯特峰丛洼地发育 到一定阶段其几何形态并不随时间的演进而变化。喀斯特流域地貌的演化不出现 如w m d a v i s 的地貌循环理论所描述时间的进程被刻画在地形连续变化的几何 形态上，从这个集合形态上即能正确无误地推断时间的进程，就像时钟指针的相 对几何位置即可读出时间一样，去判定地貌发育年龄( 阶段) 。因为推动喀斯 特流域地貌发育的最积极最活跃具有能量的喀斯特水，具有地表、地下两个水系， 地表、地下两个流域，地表、地下两个分水岭，因而有着不同的结构形式，从而 2 贵州师范大学硕士研究生学位论文 控制着不同的地域单元和地貌类型5 觚3 7 瑚瑚j 们。在不同流段侵蚀和溶蚀作用方 向以及主导地位也不同塑造的地貌类型组合方式也不同。因此，研究溶蚀地貌形 态变化规律把它放在流域内来研究能很好地解释其变化。 本文运用喀斯特流域水文地貌学的理论、方法【2 l 】对贵州猫跳河流域喀斯特 地貌进行研究。将流域分为上、中、下游并对其地貌组合类型运用面积- - - - b 高程 分析法( t h ea r e a - - - a l t i t u d ea n a l y s i s ) 对其发展时期进行判别，同时用时间 序列分析方法对河流径流在整个流域的演化进行分析。本文的研究思路及方法 ( 图1 ) ，从流域水文地貌角度对喀斯特地貌成因进行分析。系统地对喀斯特流 域由上游到下游的地貌演化和径流在时空上的演化整体进行研究分析。运用趋势 面分析方法揭示流域基面径流形态相关性，从流域的角度对地貌由上游到下 游的地貌演化进行论述，从一个系统的角度去认识和解释贵州猫跳河流域喀斯特 地貌的演化。 图1 本研究思路 3 贵州师范大学硕士研究生学位论文 第二章喀斯特流域水文地貌系统性质 第一节流域水文地貌系统涵义 喀斯特流域是指特殊的含水介质( 可溶性岩双重含水介质) 由特殊的流域边 界( 地表、地下双重分水岭) 、独特的地貌一水系结构及水文动态过程的地域综 合体。用系统观点和方法来认识喀斯特流域，把这个特定的研究对象视为一个系 统，杨明德把这个系统定义为：在特定的流域边界条件约束下，一组结构有序和 功能互补的水文地貌要素集合，且会随时间的推进，而处于有序动态变化的一个 三维空间地域系统。 第二节喀斯特流域的基本特性 喀斯特流域与正常流域特别是湿润地区的常态流域相比，其流域空间结 构、水系发育形成、地貌景观组成、水文动态规律都有鲜明的差别，这种差异 正是由于喀斯特流域系统独特的结构和产生的功能效应所致，根据杨明德等前 辈们对若干典型喀斯特流域和试验场的研究表明：一个喀斯特流域通常具有以 下特征。一、不均一的可溶性双重含水介质结构。喀斯特流域系统在物质组成 上是可溶岩特别是广泛存在的碳酸盐的非均质含水介质体。即在岩性和构造控 制下，由于含侵蚀性的c 0 2 及运动着的水电差别溶蚀作用，形成了大量的次生 空溶隙和溶道( 溶道和溶洞系统) ，从而构成了一个复杂的、有机结合的，在 空间上分布不均一的储水空间系统，并产生了不同的储水形式，水流状态、水 力学特征的裂隙流和管道流共存与一个含水介质系统中，而且这两种不同性质 的水流，不仅在流场中水力联系密切，而且表现出有方向性的相互补给、相互 调节的功能、如在枯水期或平水期，水流充满整个管道，并产生水头差时又会 按水头差方向补给周围的裂隙、孔隙水。这就导致喀斯特水在流域空间介质中 运动、传输和转换不同于非喀斯特流域的物质结构特性。二、三维空间二元流 4 贵州师范大学硕士研究生学位论文 场形态结构。 喀斯特流域在宏观流场上表现为一个二元形态结构，即喀斯特流域在整体 上具有调控流域水文过程的地表、地下两套地貌结构场，并形成地表、地下两个 水系，地表、地下两个分水岭，地表地下两个流域，在流场上这两个流域又常呈 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。地表、地 下两个流域系统的不闭合性使流域形成：亏水流域、盈水域、平衡水域( 杨明德， 1 9 8 2 、1 9 9 2 ) 。喀斯特流域在空间上又是一个三维空间地域结构体。即喀斯特流 域系统的物质、能量转化和迁移，如水流传输，三水转化，溶质的侵蚀、搬运、 转化、沉积是在从上游到下游，从分水岭到河谷，从地表到流域侵蚀基面以下一 定深度的一个三维空间界面一喀斯特结构系统中进行的，而且由于这个界面 位置上的空间组合效应，无论其结构的水文功能响应状态还是其水文动态过程， 地表水、地下水的相互转化，在于、支流或流段都有地域差异，因为水系的次序 等级不同，流段不同，组成其子系统的元素如地质构造、地貌形态，水文地质结 构、水系形态在空间结构上造成基面一径流一形态响应有差别，从而产生不同 的功能效应。 例如：在中国南方已被揭示的流域两种河流纵剖面形态一正常型和反常 型，由于其子系统构成及流域结构上的差异，无论其地貌景观组合和分布序列， 还是水系结构形态、水文动态和流域地貌演化方向都不同。 第三节喀斯特流域水文地貌系统 河系它具有一定的分枝结构和独特的流通功能，将流域的各个部分，联结成 一个有机的整体。按河系的结构、功能特点，可以将其概化为三个地带【1 1 。其中 第一带，基本上是上游地区，主要为地貌物质的产出地带；第二带大体上属于中 游段，主要是地貌物质流段传送地带；第三带为河流下游段，为地貌物质流段扩 散与滞留地带。下游河口区对全河系的控制性因素主要有侵蚀基面和地壳运动， 上游对全河系的控制性因素主要有气候条件、地质组成、地壳运动和土地利用等。 这些控制性交量对流域施加影响，流域地貌必将发生效应。这种效应是通过地貌 过程来实现的。事实上，这里所指的地貌过程，除了上述流水作用过程外，还包 括崩塌、滑坡、蠕动等作用在内地重力地貌过程；包括溶蚀、崩解等作用在内的 贵州师范大学硕士研究生学位论文 风化作用过程；以及包括风力侵蚀( 有的地区还有冰流侵蚀) 与堆积作用在内的 泥沙运动过程。在这里，如从宏观的角度考虑，则流域过程一反应系统可构想为 流域几何形态子系统、地表控制性变量子系统、岩屑覆盖层子系统和流域地貌过 程子系统等有机的组合。所谓过程反应系统，就是指流域内动力作用过程与地 表形态做出相应回报，两者之间互相联系的种功能性质的系统。从系统结构和 组成要素的角度看，它包含地表物质形态要素，又包括动力条件要素，以及有这 种要素所决定的地貌过程强度要素。 在喀斯特流域地貌系统中，水流作用是最主要的。水流作用地貌，地貌约束 水流，两者构成了互相反馈的系统，杨明德描述喀斯特流域水文地貌系统如( 图 2 ) 所示。鉴于喀斯特流域水的多变性，流域地貌必将做出调整，因此，动力作 用形态，形态反映动力的性质。其中，在喀斯特流域地貌系统中河流的纵剖面形 态和径流量以及水力梯度与流域地貌过程各个变量之间的反馈作用，直接体现了 系统的过程反应关系。 图2 喀斯特流域水文地貌系统框图( 杨明德1 9 9 8 ) 6 贵州师范大学硕：b 研究生学位论文 第三章喀斯特流域水文及地貌演化 第一节喀斯特流域地貌演化模式 1 9 世纪末，美国地貌学家w m da v i s 根据达尔文进化论的思想，提 出了地理循环理论，认为地貌构造、营力和时间的函数，根据这三个变量的组 合变化，把地貌发育分为幼年、壮年和老年期三个阶段的发育模式，并将地 貌的演化序列纳入到循环的概念中。由于看到da v i s 把构造营力简单化的缺 陷，德国地貌学家w p e n c k 提出了“山麓剥蚀面”理论，他认为山坡坡面 是内外营力共同作用的结果，可以通过山坡坡形的分析，来确定地壳运动的 方向和速度。但是，da v i s 和p e n c k 的理论有强烈的推理和演绎色彩，没有 地貌学提供有效的研究手段和量化方法。现代地貌学研究的许多研究方法和 成就是在常态的流水地貌研究中获得的，对于喀斯特流域地貌的发育演化方 面的工作显得相对薄弱。2 0 世纪初，a g r u n d 和j c v i j i c 在da v i s 地理循 环理论基础上，建立了喀斯特地貌循环演化模式。他们认为喀斯特地貌的发 育也可以分为幼年、壮年和老年期三个阶段，每个阶段的地貌有较大的差别。 2 0 世纪5 0 年代以来，以美国地貌学家s t r a n h l e r 为代表的地貌学家们开始应 用系统论的方法来探索地貌的定量化研究，对d a v i s 关于地貌发育的幼年期、 壮年期和老年期的临界地貌阈值和地貌熵进行深入的探讨( 表1 ) 。 7 贵州师范大学硕士研究生学位论文 表1 侵蚀流域发育阶段的定量指标表( 据陆中臣，1 9 9 1 ) 河谷纵剖面侵蚀流域演化 河谷纵演 s t r a n l a r 演化阶剖面抛形态指化高程积 信息熵曲线形信息熵 段物线形数阶分值 状 态段 下游上 n 0 6 0 i 凹 期 深切回 上凸n o 1 9 3 老 均衡剖年下凹 s o 3 5 0 4 0 0 下凹 n 1 面期 期 第二节喀斯特流域水文时空演化 喀斯特水在空间分布上的不均一性，是喀斯特水文最基本特征之一，不均一 性主要归因于含水介质内部空间在三维空间上的非均质性和水文联系的各向异 性。袁道先( 1 9 7 9 ) 对喀斯特的不均一性研究后划分了三种类型：( 1 ) 极不均一 的；在一定地区以单管道和单溶道存在时，富水性差异很大，各点富水性最大最 小值相差2 0 倍，有时降深达1 0 0 米时，仍未表现出水力联系。( 2 ) 不均一的； 大部分控制水点，富水性最大最小差异值5 - - - 2 0 倍各点间虽有水力联系，但仍然 8 贵州师范人学硕士研究生学位论文 有明显的各向异性，当管道有一定程度外延，支流支管道发育水力联系有所加强 时，则有明显的方向性。( 3 ) 相对均一性；在一定范围内，大多数控制水点，富 水性最大最小值之差小于5 倍，各方向上的水力联系加强，向异性减弱，故有统 一地下水位。 由于喀斯特水不均一性是一个三维空间上反映，上述的不均一性着重反映了 二维空间上( 水平方向上) 的变化，同样在垂直方向上喀斯特也有不均一性。正 t一 因为含水介质内部空间在三维空间上的非均质性和水文联系的各向异性；所以， 在喀斯特流域径流过程中，随着水道比降、地质结构不同而表现不同的水文特性。 在流域系统中不同的水文特征塑造了不同的喀斯特地貌，同时不同的喀斯特地貌 反作用于喀斯特水文如此循环。在河流比降不同的流段中地表水和地下水的水力 联系程度也不一样，因此，喀斯特河流在径流方向上地表水与地下水互相转换的 程度也不一样，所以在喀斯特流域中经常出现明暗流交替出现。 在喀斯特地区，大多数地表水通过各种裂隙和孔隙进入岩体内部，成为地下 水流。这种存在岩体可溶性岩石内的一切地下水总称为喀斯特水。喀斯特水的运 动形式有多种，其中包括沿孔隙运动的孑l 隙水，沿裂隙运动的裂隙水，沿管道运 动的管道水以及沿溶洞运动的溶洞水等。有些喀斯特水以垂直下渗为主，另一些 则以水平流动为主。有的呈自由水面，亦有承压状态的。虽然喀斯特水的运动形 式多种多样，但它们之间是互相联系的，而且具有垂直分带的特点。被大河深切 的喀斯特地块，喀斯特水的运动状态可以分为四个带( 图3 ) ： 第一、垂直渗透带：该带位于地面以下至丰水期潜水面以上。这里平时水少， 只是在雨季或融雪季节才有大量水流。水的运动是沿重力方向，由地面下渗流的。 该带厚度取决于潜水面的位置，而潜水面的高低又决定于主河谷水面位置。在地 壳上升到高原区，主河谷迅速下切，潜水面随之下降，该带的厚度便会增大，如 我国黔南桂西北地区，此带厚度达数百米，以至千米以上。在地壳沉降区，主河 谷水面和潜水面相应上升，该带厚度也就减薄。在垂直渗入带内多生成垂直性的 洞穴。 第二、季节变动带：位于丰水期潜水面与枯水期潜水面之间的地带，它受季 节性水位的影响十分明显。在雨季或融雪季节，潜水面上升，此时地下水作水平 方向流动。在干季，潜水面下降，地下水则作垂直方向流动。由此可见，该带水 9 贵州师范大学硕士研究生学位论文 流是由水平运动与垂直运动二者交替出现的。这种情况有利于垂直的和水平的地 下溶洞的发育。 第三、水平流动带：该带是在枯水期潜水面一下，直到谷底补给河流喀斯特 水的深处为止。因此它的下限比河床底部还深。这带地下水常年存在，水流总是 排入河谷，流动方向接近水平，并且具有自由水面。但是谷底深处，地下水具有 承压性，故水流向上。当它出露于地表时成为上升泉。水平流动带有着活跃的水 质交替和混合，所以喀斯特是的溶蚀力较强，可以形成规模较大的水平溶洞。 第四、深部滞流带：位于水平流动带之下，其下限可能很深。由于深部岩层 的喀斯特化程度很差，水流极为缓慢，甚至停滞，水质交替也很弱，喀斯特作用 不明显。该带水流具有承压性，水流方向不受主河谷影响，而向远处构造盆地或 减压带排泄，如果喀斯特岩体接近海边，水流甚至可从海底涌出。滞流带内发育 的地貌只有水量不多的蜂窝状小洞穴，如我国南方和渤海地区己发现地下数十米 至千米深处的喀斯特溶洞。 河流 带 动带 动带 _ 深部滞留带 图3 喀斯特水的垂直分布 第三节喀斯特河流结构空间上的演化 喀斯特流域地貌发育演化又是在二元结构的三维空间体中进行的。也就是 说在这个由上游至下游，由分水岭至排泄基准面以下一定深度，这一空间几何体 中进行的。其发育演化是在流域的不同地段、不同流域边界条件下，地表水和地 l o 贵州师范大学硕士研究生学位论文 下水相互转换塑造不同的地貌类型。贵州喀斯特流域大量资料分析表明有三种基 本结构类型，杨n y j 德, 1 4 0 ( 1 9 8 5 ) 研究贵州高原喀斯特地貌结构及演化规律时把 贵州河流分为：正常型、反常型、阶梯型。 3 1 正常型 控制流域内河流纵剖面是一种正常的凹形曲线，坡降由上游到下游变小， 河谷横剖面上游狭窄宽，汇入干流的地下河也具有同等纵剖面特征。垂直渗流带 厚度及喀斯特地下水的埋藏深度由上游往下游、由分水岭向河谷减小( 图4 ) 所 示。因此，控制的地貌类型由溶牙、溶沟洼地漏斗( 幼年期) 一峰丛洼地峰丛、 峰林( 壮年期) 一峰林盆地或溶原变化( 老年期) 。 3 2 反常型 控制河流的主干河道纵剖面为凸形曲线，且常以河谷裂点为界( 裂点处多 以瀑布，跌水常见) ，其上多为宽谷段，其下则多为峡谷段，上、下游喀斯特地 貌结构有明显的差别由图2 所示。上游宽谷段河流比降小，常在2 0 以下，谷宽 水缓，阶地和河漫滩发育较好，由分水岭到河谷，地表支流的纵剖面比降由上游 往下游逐渐减小，地下水的埋藏深度由上游到下游汇口由大变小，甚至会出现潭、 湖，水系时明时暗交替出现。喀斯特发育程度很高，但排泄基准面以下喀斯特带 深度不大，甚至形成具有水力联系的喀斯特网状水系，喀斯特发育不均一性相对 较d , p n ( 图5 ) 所示。 3 3 阶梯型 由上游到下游，河流的干流纵剖面缓坡降与陡坡降段交替呈梯状如( 图6 ) 所示。缓坡段一般比降在2 一4 以下，谷宽水缓，阶地相对发育，而陡坡段常 达7 一3 5 或更大，河谷深切，多为峡谷，两者交界处多形成瀑布，跌水或连 续急滩，甚至出现天生桥( 河流的裂点) 。主支流关系表现为协和流与不协和流 并存，地表河在陡坡降段形成很大的坡降，甚至伏流；有的构成了裂点，而存在 缓坡降段注入的支流也叫平缓，水力坡降也较小。相应的地下支流在陡坡降段也 形成地下裂点，而缓坡降段汇入的地下支流坡降也比较缓。 海拔 高度 海拔 箍度 图4 正常型流域水文地貌结构剖面图 河长 海拔 高j 耋 图5 反常型流域水文地貌剖面图国 螺q 6 笪鬯9 ， ，l ih ，- ，、 ，、1 毒拳锭埭l 崤椿丛l辑婪l醵姥l 蝇椿 丘 l 爷埭 l 簪蟋l 答地i蛰地 = ! 墼x 磊：。生币 罂 l 掣l _ l 圳 图6 阶梯型流域水文地貌结构剖面图国 酱 诵f * 以上篓鼍篇篇一黑曩 东锦、江、，沅笔爹二= 誉尝篓篓j 篓嘉i 爵梯型为主。 常型为主；在黔南、黔西南、南、北盘江及其一、一瑷又训w m 一”。 一一 杨明德1 9 8 6 1 2 贵州师范大学硕士研究生学位论文 第四章喀斯特流域水文地貌系统分析方法 第一节喀斯特流域地貌系统时空演变定量分析 流域地貌的发育是伴随着外力对地表物质的侵蚀、搬运、堆积作用而进行 的。d a v i s 认为流域地貌的发育是分阶段的，但如何选取适当的方法来对发育阶 段进行量化分析，一直是地貌学的理论难题之一。d a v i s 的地理循环的理论对地 貌发育阶段的研究停留在定性描述阶段，2 0 世纪5 0 年代，美国理论地貌学家 a n s t r a n l e r 提出了流域高程分析法，通过在地形图上量算流域内每一根等 高线以上控制的面积并建立其和流域高程间的关系曲线面积高程曲线，并 对该曲线进行积分，根据积分值的大小确定流域地貌的发育阶段，成功地解决了 用定量的方法来刻划流域地貌发育阶段的问题。后来，我国学者艾南山【l 】等提出 的地貌系统的信息熵理论、陆中臣【1 4 】等提出的侵蚀积分曲线实际上都是流域高 程分析法在我国的新发展。 流域高程分析法的思路是：任一流域的地貌发育阶段，可以用反映地表物质 相对侵蚀量面积高程积分曲线来表示。具体作法为：在流域的等高线地形 图上，量出每一条等高线以上的面积( a ) ，再量出每一条等高线与流域最低点的 高差( h ) ，设流域的全面积为a ，最高点与最低点问的高差为h ，分别以x = a a 和y = h h 为横坐标和纵坐标( x 、y ) 的值域均在【0 ，1 1 ，根据流域地形图上实测 的( x 、y ) 坐标对，绘出曲线：y = f ( x ) 即流域的面积- 高程曲线( 图7 ) 积 分曲线图为： 贵州师范大学硕上研究生学位论文 一、 = 、 h 图7 面积高程曲线所反映的地貌发育阶段 当：1 、s 0 6 时，流域的地表物质被剥蚀掉4 0 以下地貌崎岖为幼年期；2 、 o 3 5 s 0 6 时，地势起伏达到最大地貌类型最复杂为壮年期；3 、s 0 5 时，表示序列具有正持续性，未来的变化趋势与现在的变化趋势相同；当 h 0 5 时，相关函数值c ( f ) 0 ，正相关；当h 0 5 时，相关函数c ( f ) 0 ，负相关。相关函数值越趋近与o ，序列的相关性越不明 显，序列过去变化趋势对未来变化趋势的影响越小；相关函数值越接近于l 或1 ， 序列是相关性越强，序列过去变化趋势对未来变化趋势的影响越大。正是这种相 关性，破环了序列的随机性使得序列发生了变异，即序列的一些主要统计特征值 如均值、变差系数、偏态系数、自相关系数在整个时期内发生了变化。因此，序 列的h u r s t 系数及序列相关函数值能对序列的变异情况进行识别。 第三节喀斯特流域演变的水文地貌系统响应 3 1 地貌形态的演化 在流域地貌的演化中，水文、地貌系统相互作用，水动力条件的变化必 然会影响到地貌形态的变化，而改变后的地貌格局又进一步促进水动力条件 的变化。对喀斯特流域而言，在幼年期，整个流域的地形起伏不大，显得相 对平缓，河系比较完整，切割较浅，岩溶现象主要在地表发育，宽缓的分水 岭上出现许多石芽和溶沟以及少数漏斗。到壮年期后，岩溶主要向地下发展， 漏斗落水洞、干谷、盲谷、溶蚀洼地广泛发育，地表水几乎完全被它们吸收 转为地下水，原来的地表水系消失，而在地下发育河系，只有一些主要河流 存在于地表。进一步发育，地面开始接近侵蚀基准面，岩溶发育主要由地下 形态向地表形态转化，地表发育出现大量的溶蚀盈地、谷地和峰林，地下河 的顶板开始崩塌，出现大量的天窗、天生桥。最后地面高程接近侵蚀基准面， 可溶岩下伏的不透水岩层广泛出露，地下河的顶板完全坍塌地下河成为地表 河，地表水又重新发育起来，并出现广泛的泛滥平原，形成起伏缓和的岩溶 准平原，这就是老年期地貌。当下一次构造抬升时，老年期地貌又进入下一 1 7 贵州师范人学硕+ 研究生学位论文 轮的循环演化中。 上述理论模式是建立在地壳经过一次抬升就长期处于稳定前提的。实际 上，在地壳频繁变动区，喀斯特流域水文地貌演化常因构造抬升或下沉而经 常被打断，从而出现不同时期的地貌叠置发育复杂情形。尽管如此，研究喀 斯特流域地貌的发育阶段问题，有助于认识在不同发育阶段的流域水文、地 貌条件及其对流域系统的影响。 3 2 径流场和岩溶侵蚀基准面的演化 随着喀斯特流