分布式水文模型在西南岩溶地区的应用前景（贾晓青,杜欣,陈植华）

时间：2022-02-24 15:14:32 浏览量：次

摘要: 由于西南岩溶地区含水介质的多重性和高度复杂性，岩溶地下河系统水资源的评价与预测一直是需要解决的重点与难点。运用传统的水文地质方法来实现地下河流域水资源定量评价，无论在理论、方法和技术手段等方面都遇到了挑战。在对西南岩溶地区水文地质条件分析的基础上，评价了传统的流域水文模型应用于西南岩溶地下河系水量评价取得的成果及其局限性，并根据岩溶地下河和地表水在分布、变化等多方面的相似性，阐述了通过将岩溶地下河和表层岩溶带的概化，对分布式水文模型地下水径流模块进行改进，并对该模型在西南岩溶地下河水资源评价的可行性和应用前景进行展望。

关键词: 岩溶地下河;分布式水文模型;水量评价;应用

中图分类号: P333 文献标识码: A

1 概述

我国是世界上岩溶面积最大、分布最广的国家，主要分布在以贵州为中心的滇黔桂湘鄂川渝地区，其中，西南地区碳酸盐岩地层的分布面积114万km2 ，其中出露面积78万km2［1］，面积约占全国岩溶面积的15.97%［2］，而水资源的开发利用量却仅有8%～15%。西南岩溶地区降水丰富，水资源总量大，但由于特殊的地质背景和环境特征，导致水资源赋存和分布规律十分复杂，开发利用难度大，水资源问题成为制约地区经济发展的关键因素。作为岩溶地区水资源赋存空间场所，岩溶地下河系统岩溶水是当地水资源开发利用的主要、甚至是唯一的对象。除了水资源问题外，岩溶地下河往往是控制当地洪涝灾害的咽喉，因此，准确掌握地下河系统水资源量大小关系到西南喀斯特地区水资源合理利用及生态环境保护这两个与社会发展、人民生活水平密切相关的主题。

2 西南岩溶地下河系统特征

在西南裸露岩溶地区，大气降水和地表水通过岩溶地表深入地下转化为地下水，地下水对岩溶地下结构不断地进行建造和改造，逐渐形成岩溶通道（管道、洞穴、裂隙相互连通），并有序地构成岩溶地下河系［3］。岩溶地下河系统是由岩溶管道、岩溶洞穴、岩溶裂隙、岩溶裂缝和岩溶孔隙等多种岩溶空隙介质体（通常以岩溶管道和岩溶洞穴等为主）组成的多重复合体系，具有高度的非均质性，地下河的水流运动常呈现出达西流与非达西流并存的现象［4］。岩溶地下河系的结构类型有单管型、树枝型、网络型和复合型等;在剖面上，岩溶地下河系有单层型、阶梯型和多层型等。岩溶地下河系水力动态特征一般是山区岩溶地下河系变化大，平原岩溶地下河系变化小。岩溶地下河系的形成和演化是在环境中进行的，其主干的空间展布和内部水体贮存、传输、转换等规律的变化受多种因素控制，其自身的独特结构，具有两大功能:外部功能，对所处环境外水体的区域调控作用;内部功能，对所处环境内水体的局部汇集作用［3］。

地下河系统特殊的结构决定了岩溶水补径排条件、分布、埋藏和运移具有以下特征［4～6］ :地下河系统之间水位差异变化大，水循环速度较快，补给排泄迅速，一般没有统一区域地下水位，系统储存调节能力弱，难以区分补给资源、储存资源，与大气降水、地表水、土壤水之间的水文循环过程复杂。岩溶地下河流域的产流模式可概括为蓄满产流模式，因介质结构的复杂，径流成分多样。汇流可分为层流汇流和紊流汇流，其中通过岩溶管道的汇流形成了岩溶流域出口最主要的水量。岩溶地下河的形态结构和地表河流具有一定的相似性，符合地表水系的发育、形成和演化遵循霍顿定律。地下河水量动态变化特征与地表水流具有很好的相似性，都具有流量大、流速快、比降大的特点。随着岩溶地下河流域面积的增大，地表和地下分水岭的不一致性相对于流域面积越来越小，而且流域的枯、洪水特性也越来越接近非岩溶区流域。因此，运用传统的水文地质方法来实现地下河流域水资源定量评价，无论在理论、方法和技术手段等方面都遇到了挑战。

3 传统流域水文模型应用的局限性

流域水文模型主要有3种类型:黑箱式、集总式和分布式。从早期的只考虑输入、输出的黑箱模型发展到以概化参数的方式考虑水文过程的集总式模型，再发展到具有物理基础的分布式模型，流域水文模型在模型的结构、物理基础、与现代技术的融合及模型的精度等方面都得到了很大的改善和发展。

早期的水文模型多为黑箱模型，把流域看成黑箱，只有输入和输出，忽略了流域内部的水文过程，无法应于其它流域，当流域内部发生变化时也不能再使用原来的模型参数，需对模型参数重新率定。由于水文地质条件在空间上的不均，水文过程在时间和空间上复杂多变，岩溶地区监测资料相对贫乏，在岩溶地区建立流域水文模型存在实际困难。建立黑箱模型需要同时段流域的输入（一般为流域降水）和输出（一般为流域出口断面流量）的长时间序列数据。理论上，建立黑箱模型所使用的观测数据序列越长、精度越高，那么模型对流域内水文过程宏观规律的概括就越接近实际。然而除了曾经有过重大科研项目投入的地区以外，西南岩溶地区是资料贫乏的地区，有些甚至是无资料地区［5］。因此，这些都限制了黑箱模型的应用且难以保证数据的精确度和正确性。

集总式模型结构简单、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。而当集总式模型应用到西南岩溶区时，由于岩溶流域的降水径流过程十分复杂，流域的下垫面因素（如土壤结构、地形差异、地表覆盖等）及人类的活动等对径流的过程都会产生影响，集总参数的概念性水文模型不能很好地解释流域的产汇流物理机制，无法描述影响径流要素的空间分异性，不能较好地解决变化环境中的水文水资源问题，在评估和监测流域的径流过程和水资源量的动态变化规律方面显得无能为力。另外，尺度问题也是限制模型应用的一个重要问题，流域内部气候的空间变化也使得集总参数模型很难应用于较大的流域［7］。

20世纪70年代以来，国内外许多学者试图避开岩溶水系统复杂的介质结构及水动力机理来研究岩溶地下河系。如严启坤［8］（1988）根据桂林寨底地下河水文与水文地质条件，建立了一个模拟非岩溶地表水与岩溶地下水相互转化的流域模型，并应用于寨底地下河流域模型预报。缪韧，林三益等［9］研制了非均匀下垫面岩溶流域水文模型来描述不同下垫面条件的各种径流成份及其运动与变化规律，并将该模型应用于羊昌河流域取得了较为满意的成果。由于这些方法主要是对系统总体特性及功能描述，仅涉及岩溶水系统的输入输出现象而不涉及物理机制、背景条件及影响因素，故属于概念性的集总参数模型，参数物理意义不太明确，多解性明显。岩溶水系统不仅具有分散性输入和集中性输出的特点，而且空间结构也表现出强烈的非均质性、输入在空间分散性和不均匀性等等，运用集总参数的概念性水文模型与系统实际的性质和行为非常不匹配，因此基于集总参数的模型应用范围和功能有限，特别是在强调水循环规律研究、注重岩溶水系统对人为活动水文响应的当前，就更需要一种能够基于岩溶水运动物理过程的数学模式来描述和模拟岩溶水系统的水文循环过程。

4 分布式水文模型及其在岩溶地区的应用

分布式水文模型又称为具有物理基础的分布式水文模型，是当今水文科学研究的热点和前沿。它主要是指那些依据物理学原理，包括质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，以及流域产汇流特性，推导出相互关联的描述流域降雨产流、饱和带和非饱和带水流运动，以及产输沙过程的微分方程组［4］。分布式水文模型基于地理要素对水文过程的作用机理，把流域内的自然地理要素特性和水文特征的部分看作一个独立的个体，根据水文过程的形成机理计算流域内不同部分的水文过程，再根据空间分布格局和水文过程机理，将流域不同部分的水文过程联合起来得到流域水文过程。因此，分布式水文模型能够准确刻画流域内影响因素变化所产生的水文效应，能够预测和评价人类活动对流域水文状况和水资源等多方面的影响［10］，诸如预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响，如面源污染、土壤侵蚀等。因此，探索分布式水文模型模拟岩溶水系统的各种水文响应具有十分重要的价值。

分布式水文模型集成了GIS、遥感和DEM等新技术，模型的结构与传统的水文模型有较大的不同，它着重考虑基本单元之间或子流域之间的水平联系，这种联系决定了模型的总体结构［7］。

与集总式水文模型相比较，分布式水文模型主要有以下特点［4］ :

（1）具有物理基础，模型结构严谨，参数意义明确，可以利用常规理论描述各水文要素随时空的变化过程;

（2）可以结合GIS、RS等高新技术，获取更为详细的与实际更相符合的基础数据资料;

（3）模型建立在DEM基础上，因此可以及时地反映人类活动和下垫面因素的变化对流域水文过程的影响。

可以说，分布式水文模型对水文过程的时空变化有更加详细，或者从某种意义上说是更为准确的描述，因此它是当今水文研究和发展的前沿和方向。由于岩溶产流特征与陆地水文具有不容忽视的相似性，岩溶流域产流模式与流域地貌形态结构的密切相关，鉴于此，可以考虑将先进的地表水流域模拟技术—基于DEM的分布式流域水文模型，运用至地下河系统的刻画与模拟。目前，已经有学者将分布式水文模型应用于岩溶地区的水文模拟。然而岩溶地区地下水流复杂，不同于一般的非岩溶区的下垫面结构，对水文要素的空间变异性及水文单元的相互联系恰恰考虑不足，因此，直接将分布式水文模型应用于岩溶地区水文模拟难以取得理想结果，必须应充分考虑岩溶水的特点，采取有效的方法来消除其影响，建立适宜于岩溶地区的分布式水文模型。例如，针对岩溶流域空间非均质性强烈，对岩溶微观结构难以调查清楚的特点，可以将岩溶地下河流域概化成多重、套合的空间结构，将降雨、蒸发及各种参数精确分配到各个子流域，避免整个流域采用统一均值问题，使得已获信息利用最大化，增强模型的分布性特点，在充分考虑岩溶流域的径流物理机制、背景条件及影响因素的同时，正确分析岩溶水资源的形成;而对于西南岩溶地区特有的表层岩溶带特殊介质结构，可以考虑将其概化为大量发育的垂向裂隙的特殊土层，通过多孔介质的渗透系数及土层厚度等参数反映其特征。

目前，国内在这方面的研究主要有:2006年5月，任启伟在SWAT模型基础上建立了刁江流域的半分布式水文模型［5，6］。模型结构中，将流域离散为相互耦合的岩溶子流域，考虑子流域对流域总的响应过程，子流域内部又划分成无耦合关系的岩溶水文响应单元。模型结构上分为水循环的陆面部分和水面部分。陆面部分控制着子流域内主河道水的输入，水面部分完成地下河或地表河的汇流输出。模型特别考虑了岩溶流域特殊结构，采用指数衰减方程刻画表层岩溶带的调蓄过程，应用线性水库刻画浅层岩溶裂隙网络的调蓄作用，并用马斯京根法概算地下河汇流过程。利用GIS、RS技术提取了流域内水文气象、地形、土壤、土地利用等模型所需要的参数。参照地下河和地表河系分布结构将流域分为97个子流域，311个水文响应单元。以流域内15个站点1982～1985年的逐日降水观测数据作为输入，模拟流域的日径流过程。模拟值与实测值对比显示，模型对丰水期的流量，特别是对于洪峰具有较好的拟合性，模拟总体效果比较理想。

索立涛，万军伟［11］等在充分考虑岩溶地区水文要素的空间异质性及各水文单元之间的相互联系的基础上，结合TOPMODEL模型的结构特点，对模型进行了改进。该改进模型在子流域中采用TOPMODEL模型作产流计算，根据河道的不同属性推求汇流时间，建立汇流模型，增强了模型的分布性，解决了由于岩溶地区地下河的存在无法使用TOPMODEL模型的问题。作者将此改进模型应用于鄂西蛤蟆颈水库控制流域进行模拟研究，得到了较为满意的模拟结果。

5 展望

随着计算机技术、遥感技术及其它交叉学科的发展，分布式水文模型的开发及应用所需的单元水文物理机制与大量的流域空间分布数据信息得到了有力的技术支持，使其所揭示的水文物理过程越来越接近客观世界，水文模拟技术也趋向于将水文模型（包括数学物理模型、概念性模型和系统理论模型）与数字高程模型（DEM）相结合，同地理信息系统（GIS）与遥感（RS）集成。作为构成GIS的基础数据，DEM为提取许多流域水文特征参数信息，如坡度、坡向、汇流网络、流域界线等提供了实效而便捷的途径。因此，基于DEM的分布式水文模型逐步成为现代水文模拟技术研究的热点，代表了水文模型的最新发展方向。基于流域径流机理的岩溶流域分布式水文模型，从描述岩溶地区降雨—产流—汇流的水循环机制出发，结合影响产流、汇流的背景条件（如地形因素、土壤性质、土地利用类型和表征表层岩溶带水动力学特征等），可以定量研究地下河系统的水循环模式，反映了地下河流域的空间结构变化，表达了地下河流域径流的完整过程。因此，基于分布式水文模型定量研究岩溶地下河系不仅可以解决西南岩溶地下河流域的水量评价难题，而且对于分析流域下垫面的变化引起的生态、环境效应具有重要的参考作用。

参考文献:

［1］袁丙华，毛郁.西南岩溶石山地区地下水资源.水文地质工程地质，2001，（5）:46～48.

［2］李阳兵，候建筠，谢德林.中国西南岩溶生态研究进展.地理科学，2002，22（3）.

［3］郭纯青.中国岩溶地下河系及其水资源.水文地质工程地质，2001，（5）:43～45.

［4］郭琳，陈植华.岩溶地区地下河系统水资源定量评价的问题与出路.中国岩溶，2006，25（1）:1～6.

［5］赵旭峰，陈植华，周天智.流域水文模型在西南岩溶地区应用中的发展现状及展望.水资源研究，2007，28（2）:7～9.

［6］任启伟.基于改进SWAT模型的西南岩溶流域水量评价方法研究.武汉:中国地质大学，2006.

［7］杨书娟，杨胜天，梁虹等.喀斯特地区分布式水文模型研究.贵州师范大学学报（自然科学版），2004，22（3）:1～4.

［8］郝芳华，孙峰，张建永.官厅水库流域非点源污染研究进展.地学前缘，2002，9（2）:385～36.

［9］万超，张思聪.基于GIS的潘家口水库面源污染负荷计算.水力发电学报，2003，（2）:62～68.

［10］陈曦，夏军.三工河流域分布式水文模型研究.干旱区地理，2003，26（4）:305～308.

［11］索立涛，万军伟，卢学伟.TOPMODEL模型在岩溶地区的改进与应用.中国岩溶，2007，26（1）:67～70.

作者简介: 贾晓青，女，中国地质大学（武汉）研究生院，副编审。

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