呂艷萍 ，姜應(yīng)兵 ，高濟(jì)元 ，蔡忠賢

（1.中國(guó)石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；2中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

巖溶小流域［1］是自然溝壑和兩側(cè)山坡形成的集水區(qū)。鑒于水文學(xué)相關(guān)行業(yè)發(fā)展需要，2013年，我國(guó)水利部發(fā)布了SL 653—2013《小流域劃分及編碼規(guī)范》，將小流域劃分為完整型小流域、區(qū)間型小流域、坡面型小流域［2］。該劃分方案在隨后的研究中逐步得到了補(bǔ)充和完善［3-4］。小流域的研究是20世紀(jì)地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)不斷發(fā)展后出現(xiàn)的，利用數(shù)字高程模型（DEM）劃分小流域，對(duì)數(shù)字流域的建設(shè)、水土流失的治理具有重要意義［5-9］。

塔河油田西部斜坡區(qū)發(fā)育了較為復(fù)雜的碳酸鹽巖溶縫洞儲(chǔ)集體［10-13］，且自西向東呈現(xiàn)明顯差異性［14-15］。碳酸鹽巖的溶蝕作用是喀斯特地貌發(fā)育的基本特征，巖溶水在不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)及不同階段，其運(yùn)動(dòng)和分布樣式對(duì)巖溶儲(chǔ)層的發(fā)育起到了推動(dòng)作用［16-18］。因此，為了認(rèn)識(shí)巖溶儲(chǔ)層的差異性分布規(guī)律，對(duì)巖溶水文網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其分區(qū)評(píng)價(jià)的研究極其重要。前人在塔河地區(qū)古水文恢復(fù)的基礎(chǔ)上，認(rèn)識(shí)到塔河主體區(qū)存在地表-地下雙重水系結(jié)構(gòu)［19-24］，明確了塔河地區(qū)東西部巖溶地表水系結(jié)構(gòu)存在顯著差異［25］。然而，塔河地區(qū)巖溶水文條件分區(qū)評(píng)價(jià)方面的認(rèn)識(shí)尚淺。

古巖溶小流域的劃分是實(shí)現(xiàn)巖溶古水文結(jié)構(gòu)分區(qū)評(píng)價(jià)的重要途徑。由于DEM數(shù)據(jù)和高分辨率遙感影像用于當(dāng)今地表巖溶小流域的劃分，無(wú)法運(yùn)用在古巖溶小流域的區(qū)域劃分中，同時(shí)古巖溶小流域的研究也尚未見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道。因此，本文提出借用小流域劃分思想，利用三維地震資料，通過(guò)恢復(fù)古地貌、古水系，開(kāi)展不同小流域內(nèi)水文條件的分區(qū)評(píng)價(jià)，這對(duì)認(rèn)識(shí)研究區(qū)巖溶縫洞型儲(chǔ)層的發(fā)育及其分布規(guī)律具有一定的指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

塔河油田奧陶系碳酸鹽巖油藏位于塔里木盆地北部阿克庫(kù)勒鼻狀凸起的南部，東、南、西方分別接壤草湖凹陷、滿(mǎn)加爾凹陷和哈拉哈塘凹陷，發(fā)育類(lèi)型豐富的巖溶地貌和巖溶古水系［21，24-25］。

研究區(qū)主要經(jīng)歷了加里東中期—海西早期的多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。其中，志留系覆蓋區(qū)以東經(jīng)歷加里東晚期—海西早期持續(xù)的巖溶改造，巖溶作用影響強(qiáng)度大，在長(zhǎng)期大氣淡水淋漓風(fēng)化作用下，發(fā)育有典型的河流型巖溶地貌。在構(gòu)造抬升的作用下，自南向北上奧陶統(tǒng)地層呈上傾尖滅［26-29］。

2 小流域劃分

2.1 劃分原則

2013年，國(guó)家水利部發(fā)布了SL 653—2013《小流域劃分及編碼規(guī)范》，本次劃分方案主要依據(jù)此規(guī)范，同時(shí)考慮研究區(qū)的古地貌和古水系發(fā)育特征，明確以下劃分原則：1）小流域應(yīng)該以自然地貌地形為劃分基礎(chǔ)，盡可能保證小流域形態(tài)結(jié)構(gòu)完整；2）小流域的面積不宜過(guò)大或者過(guò)小，應(yīng)該控制在30～50 km2，特殊情況下也不宜小于3 km2或者大于100 km2；3）小流域由1個(gè)或多個(gè)微流域歸并而成，微流域最小面積以0.1～1.0 km2為宜；4）小流域邊界應(yīng)該與各流域邊界無(wú)縫連接，不應(yīng)該橫跨上級(jí)流域；5）小流域劃分應(yīng)充分考慮地表匯水關(guān)系，保證上下游匯水關(guān)系的正確性；6）在劃分小流域時(shí)，應(yīng)建立流域拓?fù)潢P(guān)系和地表水系拓?fù)潢P(guān)系；7）小流域劃分結(jié)果應(yīng)覆蓋整個(gè)劃分區(qū)域，小流域面積之和應(yīng)等于該區(qū)域總面積。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

精準(zhǔn)的三維地震數(shù)據(jù)是研究得到準(zhǔn)確結(jié)論的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)集尺寸為25 m×25 m，地震頻帶為5～55 Hz，主頻率為55 Hz，深度為5 650～6 700 m。

在刻畫(huà)地表古水系的過(guò)程中，主要運(yùn)用了精細(xì)相干分析、古地貌恢復(fù)技術(shù)、趨勢(shì)面識(shí)別分析技術(shù)和RGB（紅、綠、藍(lán)色）混頻技術(shù)［30-32］。 精細(xì)相干技術(shù)是利用Landmark軟件對(duì)三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行計(jì)算產(chǎn)生本征值相干體，呈現(xiàn)出連續(xù)的弱相干屬性，可識(shí)別水系延伸方向和形態(tài)。由于不整合面上相鄰的斷裂和河道之間會(huì)存在差異性，可以通過(guò)精細(xì)相干技術(shù)刻畫(huà)差異點(diǎn)的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。趨勢(shì)面識(shí)別技術(shù)同樣是利用Landmark軟件中網(wǎng)格平滑處理功能，將原層位平滑成趨勢(shì)面層位，再通過(guò)2個(gè)層位相減，負(fù)值代表洼地，正值代表殘丘。古地貌恢復(fù)技術(shù)通過(guò)精細(xì)解釋不整合面，突出其起伏情況，地表連續(xù)的負(fù)地形代表水系結(jié)構(gòu)?；祛l分色技術(shù)是融合互不重疊的高、中、低頻段，利用混合后的色彩數(shù)據(jù)體進(jìn)行地表古水系的識(shí)別和刻畫(huà)。

2.3 古巖溶地表水系識(shí)別

以塔河西部斜坡區(qū)T74界面精細(xì)相干屬性圖、T74界面趨勢(shì)面分析圖、T74頂面古地貌恢復(fù)圖、T74界面RGB混頻屬性圖為底圖進(jìn)行古地表水系恢復(fù)。因?yàn)椴煌瑢傩詫?duì)識(shí)別不同地質(zhì)背景情況下的地表古水系相應(yīng)地有所差異，因此，通過(guò)多種地球物理屬性聯(lián)合識(shí)別地表古水系的方法較為可靠。對(duì)于主干水系的識(shí)別，4種方法得出的底圖皆較為敏感，可較為清晰地展現(xiàn)主干水系的延伸方向和宏觀分布。對(duì)于細(xì)小的分支水系結(jié)構(gòu)，RGB混頻屬性圖是最為敏感的，能較為清楚地展示水系的細(xì)微特征，如AD23井和S94井附近。同時(shí)，細(xì)小分支水系的識(shí)別還綜合了古地貌恢復(fù)圖和趨勢(shì)面分析圖，主要依據(jù)正負(fù)地形的分布及其對(duì)地表水系的約束方面來(lái)進(jìn)行判識(shí)。

將屬性響應(yīng)結(jié)果在平面進(jìn)行勾勒繪制，得出塔河西部斜坡區(qū)水系平面分布圖。將識(shí)別的水系圖疊至趨勢(shì)面分析圖上可以看出，主干水系吻合度較好，整體上，水系識(shí)別效果較好。根據(jù)識(shí)別結(jié)果可以看出，塔河西部斜坡區(qū)地表水系十分發(fā)育，可識(shí)別出10條主干水系（R1—R10）（見(jiàn)圖 1a）。該區(qū)地表水系總體上自北向南匯流；同時(shí)，地表水系整體呈不對(duì)稱(chēng)性，與西側(cè)相比，主干水系東側(cè)的分支水系明顯更多；此外，塔河西部斜坡區(qū)巖溶地表水系的蛇曲化嚴(yán)重，特別是R4，R8，R9。

圖1 塔河西部斜坡區(qū)水系分布及水系剖面

2.4 古巖溶地表水系驗(yàn)證

為驗(yàn)證屬性提取及水系解釋的可靠性，通過(guò)截取橫跨古地表水系的地震剖面，得到塔河西部斜坡區(qū)水系解釋地震剖面（見(jiàn)圖1b），并在平面圖上標(biāo)注橫切線(xiàn)與水系交點(diǎn)（見(jiàn)圖1中P1—P12）。地震剖面顯示，各個(gè)點(diǎn)位均有不同程度的深淺切割特征，有明顯“下拉”現(xiàn)象，證明此處確有河谷存在。其中P1，P3，P7點(diǎn)位為識(shí)別出的主干水系，在地震剖面上也可明顯看出其切割程度相對(duì)于其他點(diǎn)位較大，呈深V形，進(jìn)一步證明了水系識(shí)別的可靠性相對(duì)較高。

3 小流域劃分結(jié)果

Strahler［33］在1957年創(chuàng)建的河流分級(jí)方法是將流域內(nèi)最小的支流作為一級(jí)河道，2個(gè)一級(jí)河道匯流形成二級(jí)河道，2個(gè)二級(jí)河道匯合后成為三級(jí)河道。據(jù)此，將塔河西部斜坡區(qū)古水系結(jié)構(gòu)進(jìn)行河道分級(jí)（見(jiàn)圖2）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中—下奧陶統(tǒng)尖滅線(xiàn)以北的巖溶斜坡區(qū)古地表水網(wǎng)十分發(fā)達(dá)，發(fā)育一級(jí)至五級(jí)水系。

近年來(lái)，隨著母聯(lián)開(kāi)關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，其性能逐漸滿(mǎn)足短路等電力系統(tǒng)故障的保護(hù)要求，DNV船級(jí)社于2015年4月頒布的DNV GL-OTG-10中DP-Classed Vessels with Closed Bus-Tie(s)相關(guān)指導(dǎo)手冊(cè)提出新的電力系統(tǒng)母線(xiàn)結(jié)構(gòu)—母聯(lián)閉合型母線(xiàn)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得電力系統(tǒng)能夠更加合理地分配電能，能有效節(jié)約電能。[10]同時(shí),手冊(cè)還指出對(duì)傳統(tǒng)DP-3等級(jí)下的船舶可以通過(guò)結(jié)構(gòu)升級(jí)，安裝相應(yīng)的母聯(lián)開(kāi)關(guān)，使電力系統(tǒng)形成閉環(huán)母線(xiàn)結(jié)構(gòu)。

圖2 塔河西部斜坡區(qū)地表巖溶小流域劃分結(jié)果

地表分水嶺控制了流域產(chǎn)匯流特征，主要沿高殘丘發(fā)育?；谥小聤W陶統(tǒng)頂界趨勢(shì)面分析圖，識(shí)別相對(duì)正地形的發(fā)育部位，并以連續(xù)的正地形頂部連線(xiàn)為依據(jù)識(shí)別不同級(jí)次的巖溶地表分水嶺。主干分水嶺所圍限的區(qū)域?yàn)橹鞲伤悼刂频膸r溶亞流域、次級(jí)分水嶺所圍限的區(qū)域?yàn)榇渭?jí)水系控制的巖溶小流域。研究區(qū)內(nèi)大型分水嶺控制流域的邊界，將水系分割為不同的流域系統(tǒng)，其中主干水系可以穿越小流域分水嶺，無(wú)法穿越流域分水嶺。塔河西部斜坡區(qū)古地表河網(wǎng)整體呈現(xiàn)從北至南匯流的水系格局。

根據(jù)劃分結(jié)果，塔河西部斜坡區(qū)一共劃分出10個(gè)亞流域，亞流域中細(xì)分為43個(gè)小流域，其中包括23個(gè)完整型小流域和20個(gè)區(qū)間型小流域、無(wú)坡面型小流域。研究工區(qū)主要以三級(jí)水系和四級(jí)水系控制的小流域?yàn)橹鳎夹×饔蝾?lèi)型的81.4%。其中，按照水系分級(jí)思路，進(jìn)一步將小流域分成二級(jí)水系控制的完整型小流域6個(gè)，三級(jí)水系控制的完整型小流域17個(gè)，三級(jí)水系控制的區(qū)間型小流域7個(gè)，四級(jí)水系控制的區(qū)間型小流域11個(gè)，五級(jí)水系控制的區(qū)間型小流域2個(gè)。

4 小流域分布特征

由于喀斯特流域水文地貌系統(tǒng)具有二元流場(chǎng)、三維空間水文地貌的特點(diǎn)，降雨在產(chǎn)生徑流的過(guò)程中受到2種類(lèi)型的調(diào)儲(chǔ)［34］，一種是地表和地下三維空間中的線(xiàn)性水網(wǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)蓄，另一種是裂縫構(gòu)成的流域系統(tǒng)雙重含水介質(zhì)體的調(diào)蓄。后者的發(fā)育程度與巖性、構(gòu)造及地貌類(lèi)型有關(guān)，本文暫不討論；前者可以通過(guò)徑流強(qiáng)度系數(shù)和水網(wǎng)密度等水文學(xué)參數(shù)來(lái)反映其調(diào)蓄作用強(qiáng)弱。因此，筆者認(rèn)為水道平均密度和河網(wǎng)平均密度等描述水網(wǎng)結(jié)構(gòu)的參數(shù)可以代表工區(qū)匯水能力和喀斯特作用強(qiáng)弱。匯水能力同時(shí)也會(huì)影響地表水向地下水轉(zhuǎn)化的過(guò)程，當(dāng)匯水能力強(qiáng)時(shí)，地表水資源量大，相應(yīng)地，喀斯特作用也就越強(qiáng)。其中，水道平均密度是指單位面積內(nèi)水道條數(shù)，地表河網(wǎng)平均密度是指單位面積內(nèi)河道長(zhǎng)度之和。為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)巖溶小流域的水文發(fā)育條件，對(duì)上述2項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行定量化計(jì)算（見(jiàn)圖3）。

統(tǒng)計(jì)不同小流域水道平均密度數(shù)值，其范圍為0.38～4.25條/km2，在亞流域Ⅳ和Ⅵ的完整型小流域范圍內(nèi)數(shù)值相對(duì)較高，集中位于D8分水嶺兩側(cè)區(qū)域以亮色表示，最高值位于工區(qū)東部的小流域Ⅵ-C3；在亞流域Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ所有類(lèi)型的小流域以及Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅷ，Ⅸ等的區(qū)間型小流域范圍內(nèi)數(shù)值相對(duì)較小，集中分布在工區(qū)中西部的區(qū)域以暗色表示，其中，最小值位于工區(qū)西部的小流域Ⅲ-C1內(nèi)（見(jiàn)圖3a），最高值和最低值空間位置的展布規(guī)律也反映了工區(qū)東西側(cè)水系發(fā)育的強(qiáng)弱程度。

地表河網(wǎng)平均密度為824.34～2 631.73 m/km2，在亞流域Ⅳ和Ⅵ的完整型小流域范圍內(nèi)數(shù)值相對(duì)較大，最高值位于工區(qū)東部區(qū)間型小流域Ⅷ-I4；在亞流域Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅶ，Ⅸ等亞流域以及Ⅳ，Ⅵ，Ⅷ等區(qū)間型小流域范圍內(nèi)數(shù)據(jù)相對(duì)較小，最小值為工區(qū)北部區(qū)間型小流域Ⅳ-I2（見(jiàn)圖3b）。從整體來(lái)看，最大值、最小值的空間分布特征與水道平均密度相似，均呈現(xiàn)東部數(shù)值高、西部數(shù)值低的特征。

由此可知：1）塔河西部斜坡區(qū)內(nèi)東部亞流域的匯水強(qiáng)度明顯高于西部；2）亞流域范圍內(nèi)完整型小流域的匯水強(qiáng)度高于區(qū)間型小流域；3）亞流域Ⅳ和Ⅵ的完整型小流域具有相對(duì)較強(qiáng)的匯水能力，為儲(chǔ)層巖溶的發(fā)育提供了較好的條件。

5 小流域地質(zhì)意義

喀斯特流域系統(tǒng)在物質(zhì)組成上是可溶巖，特別是廣泛存在的碳酸鹽巖的非均質(zhì)含水介質(zhì)體，在含侵蝕的CO2及運(yùn)動(dòng)的水的溶蝕和侵蝕作用下，會(huì)形成大量的次生溶孔、溶隙和巖溶管道系統(tǒng)，在相同水質(zhì)情況下，匯水能力越強(qiáng)的地區(qū)喀斯特作用越明顯［17，35］。 因此，對(duì)巖溶小流域進(jìn)行劃分，以能代表匯水強(qiáng)度的參數(shù)來(lái)判斷喀斯特作用的強(qiáng)弱是可行的。對(duì)巖溶亞流域進(jìn)行小流域的劃分后，將有獨(dú)立集水區(qū)的小流域作為評(píng)價(jià)單元，預(yù)測(cè)表層巖溶儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)。

一級(jí)表層巖溶發(fā)育帶代表著地表河網(wǎng)密度和水道平均密度數(shù)值均較高的區(qū)域（見(jiàn)圖4），主要分布在亞流域Ⅵ的完整型小流域區(qū)域，小部分分布在亞流域Ⅳ和Ⅷ的完整型小流域區(qū)域，代表著古地表匯水能力較強(qiáng)、喀斯特作用較強(qiáng)的區(qū)域，同時(shí)也為表層巖溶儲(chǔ)層最有可能發(fā)育的區(qū)域。二級(jí)表層巖溶發(fā)育帶代表著地表河網(wǎng)密度和水道平均密度兩者有一個(gè)為高值或兩者均為中值的小流域，代表著古地表匯水能力和喀斯特作用一般的區(qū)域，集中分布在工區(qū)中部和東部地區(qū)，環(huán)繞包圍著一級(jí)表層巖溶發(fā)育帶。三級(jí)表層發(fā)育巖溶帶代表著匯水能力和喀斯特作用均較弱的地區(qū)，表層巖溶帶發(fā)育的可能性也相對(duì)較低，主要分布在斜坡區(qū)西部亞流域Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，以及亞流域Ⅳ，Ⅵ所控制的區(qū)間型小流域的范圍內(nèi)。

圖4 塔河西部斜坡區(qū)預(yù)測(cè)表層巖溶儲(chǔ)層發(fā)育帶

6 結(jié)論

1）塔河西部斜坡區(qū)發(fā)育10條地表主干水系，整體上自北向南匯流，并呈現(xiàn)出不對(duì)稱(chēng)和蛇曲化的水系平面網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。

2）塔河西部斜坡區(qū)可劃分出10個(gè)亞流域和43個(gè)小流域。其中，巖溶小流域包括23個(gè)完整型小流域和20個(gè)區(qū)間型小流域，未識(shí)別出坡面型小流域。

3）塔河西部斜坡區(qū)東西部地表水文特征差異顯著，東部水系網(wǎng)絡(luò)更為發(fā)達(dá)、匯水能力更強(qiáng)，反映了該區(qū)巖溶作用更加強(qiáng)烈。

4）塔河西部斜坡區(qū)亞流域Ⅳ和Ⅵ中的完整型小流域具有最有利的匯水條件，可能是表層巖溶儲(chǔ)層發(fā)育的有利區(qū)。