岩溶流域水文模型研究进展(2)

袁道先等于1996年提出的桂林丫吉模型是该种方法中研究较为成功的代表[35]，“丫吉模型”在水

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箱模型的基础上改进了水箱结构。管道接受地表径流直接补给及上层包气带上部的流量补给；裂隙流与管道流有水量交换，这与实际水文过程是比较相符的。之后，连续线性或非线性水库被广泛用来描述不同岩溶含水层在径流形成中的作用[36-40]，各水库是通过简单的转移方程联系起来，水库填满和排空就是把降雨转化为径流的过程，这些模型的结果一般是基于生成函数和转移函数。

水库模型优点是可以考虑含水层不同部分的功能，融合干流水系中的高流量，记住每一个水库的前期的水头和模拟流动力学的主要步骤。该模型在一定程度上克服了岩溶水运动的紊流特征带来的问题，可以较方便地模拟出各调蓄层内部以及各调蓄层之间任意时间段的调蓄量的变化，大体能刻画岩溶管道的地下水动态。总之，这类模型模拟无资料地区的水文过程比较理想，但是不能得到水位波动的区域化信息。3.2.2流量过程线衰减函数

流量过程线衰减函数法是基于Maillet开发的假设变化，其中水文过程曲线的退水曲线和含水层的水力学参数有连贯指数响应关系[41]。出流量Q=

cH,而连续性方程是Qdt=AdH，其中c是一个常数，

H是水库水位，A是水库面积，解微分方程得到：

Q(t)=Q0e

-a(t-t0)

(2)

式中：

Q0表示在时间t0时的泉流量；a=c/A。这个模型可以扩展为包括表征管道和含水层基质的泄流的多指数回归响应模型(随着变量a的变化特征曲线在不断变化)，其中，最大衰减系数a1代表管道快速补给的流量；最小衰减系数ai反映从低渗透率的裂隙中补给管道的基流。相关系数a不仅取决于含水层的水力特性，而且取决于整个含水层的面积和形态，管网的高水力传导能力，主要反映含水系统中控制流量衰减的不同类型含水介质[30]。这类模型一般对模拟缺乏数据的实例比较理想，但是不能模拟水位功能。

除了上述两类主要适用于岩溶流域的概念性水文模型外，集总式模型在岩溶流域也得到广泛应用[42-46]（图1）。集总式模型特点是结构简单、所需数据要求相对较低、计算方便，这是由于对水文过程、输入变量、边界条件的概化和对流域特征空间变异性的忽略。

概念性水文模型使用一系列相互串联或并联

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地理科学进展29卷1

图1岩溶流域集总式水文模型流程图[46]

Fig.1Aflowchartfortheintegratedhydrologicalmodelforthebasinsinthekarstareas

的存储单元来模拟流域上发生的水文过程，偏重于系统的总体特性及功能，对系统的结构和水动力特征定量研究不够，其参数没有明确的物理意义。尺度问题是限制其应用的一个重要问题，流域内部气候的空间变化使其很难应用于较大的流域。3.3理论模型或者物理性模型

物理性模型是指依据水流的连续方程和动量方程来求解水流在流域的时间和空间变化规律，需要确定真实的水动力和地理参数，这需要大量的水文、地理和地质调查来获得模型的输入资料。受水文过程的复杂性、下垫面的多变以及人类对水文过程认识的限制，目前尚没有任何一种模型能够完全描述实际的水文物理过程，而是或多或少地基于一定的假设。Eisenlohr等首先提出根据含水介质中层流和紊流的水动力条件来模拟基质中的散流和管道中的管流[30]。一种方法为双重连续法，其中管道流和基质流遵守达西定律，但是基质流的水力传导性高[47]。另一种方法是管流遵循Darcy-Weisbach方程[48]。两种方法都需要描述水流在管道和基质中的流动状况，模型对流域结构需求很高，而且需要率定的参数很多。此后，有限元法被广泛应用于多重介质中[30,49-50]，Eisenlohr[30]指出如果对系统的地理结构和水力特征有足够的了解，则使用有限元模

型可以很好的模拟这个系统的水文特征。等效连续多孔介质(EMP)方法被也被广泛应用，它是半物理半概念单连续模型，模型的基本假设是裂隙内部紧密联系而且属于高渗透区域，管道和裂隙被概化为原生孔隙，忽略孔隙的尺度差异。

到目前为止，岩溶含水层物理模型的研究都基于Darcy或者Darcy-Weisbach方程。Darcy方程应用于含水层的饱和基质中水流，但是对于能否模拟管道系统的出口泉的流量还值得商榷。Dar-cy-Weisbach方程应用于紊流压力流，但是管道系统中的水流并不是都是加压的，当含水层的水位低时，一些管道中的水流可能是自由表面流。

物理性模型可用于非均质及复杂边界的区域，可以刻画系统的水文地质背景条件改变、考虑人工干扰因素的影响，从理论上讲是最为理想的一种方法。但在岩溶流域可能是困难的，因为有关的物理参数(土壤、植被、裂缝、管道、溶洞)的详细和量化信息常常是不可见的。而且这类模型不能应用在岩溶大尺度区域上，因为岩溶含水层的空间异质性较大，对于大尺度的区域不可能获得所有需要的数据和他们的空间分布。一些研究也表明高参数流域模型与简单，少参数模型相比较有时包含更多的信息是没必要的，其结果很少或没有改进。

11期蒙海花等：岩溶流域水文模型研究进展

4分布式岩溶水文模型

近年来，随着计算机、空间、遥感和地理信息系统等技术在水文模拟中的应用，给流域水文模拟的研究提供了新的思路，分布式水文模型正是在这种背景下提出的。

分布式水文模型因为能够考虑流域内水文要素的时空变异，能够反映流域各处地形、土壤、植被、土地利用和降水等的空间分布特征，在弄清岩溶与岩溶水之间关系的基础上，把分布式水流域文模型引入岩溶流域的水文模拟中，将是岩溶流域水文模型的发展方向。目前，已经有学者将分布式和半分布式水文模型应用于岩溶地区的水文模拟中，如地表水模型HEC-HMS、HSPF、SWAT[51-52]、WetSpa[53]、TOPMODEL[54]、管道流模型SWMM[55-61]以及Fe-Flow等，其中应用最多的是SWMM模型。

岩溶管道水文系统的特征与SWMM模型结构有一定的相似性，应用SWMM对以管道为主的岩溶泉域降雨径流的模拟是合适的，多集中于地表水的入渗损失、地表产流模拟和参数敏感性分析，而且对于分析流域下垫面变化引起的生态、环境效应具有重要的参考作用。但分布式模型的建立需要对实际水文过程有十分深入的理解，对地形、地貌、地质、植被、土壤、气象等基本要素资料的要求也比较严格，而这对于岩溶地区比较困难。同时，该模型还存在很多不足之处，如对暴雨的径流响应明显，陡涨陡落，基流补给比例较小，入渗模型估算的产流偏大[62]，参数的设置较多，且一些参数不能反映岩溶含水介质的特征。

5模型存在的问题和展望

5.1岩溶流域水文模型模拟面临的问题

由于岩溶水文过程在时间和空间上复杂多变，岩溶实测资料相对贫乏，在岩溶流域建立流域水文模型存在实际困难，以下是岩溶流域水文模型存在的问题：

(1)在地表水与地下水之间耦合、管道流和扩散流之间相互作用的具体机制、以及人类活动对水文过程的影响作用等方面的研究比较欠缺，对能准确表达岩溶含水层特点的有效参数如孔隙度、渗透速率及水力参数较难获取。

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(2)岩溶区域水文过程和流域特征空间变异性十分明显，而集总式模型忽略了水文过程、输入变量、边界条件的概化和流域特征空间变异性。

(3)分布式水文模型在建模理论上是适用于具有复杂条件的岩溶地区的，就目前而言，分布式水文模型在岩溶地区的应用还不多，需要更多的实践经验进行完善。

(4)模型的真实性问题。由于岩溶水文现象的复杂性，而且受测量技 …… 此处隐藏：3178字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……