岩溶流域水文模型研究进展

第29卷第11期地理科学进展

Vol.29,No.11岩溶流域水文模型研究进展

蒙海花，王腊春

(南京大学地理与海洋科学学院，南京210093)

摘要：岩溶地区含水介质结构的多重性和岩溶地貌形态的高度复杂性，使岩溶系统的水文效应和水资源的评价与预测一直都成为水文研究的重点和难点。在岩溶含水介质特点和岩溶水文形成过程的基础上,本文着重评述了黑箱模型、概念性模型、物理性模型和分布式水文模型在岩溶水文模拟中的应用。其中黑箱模型包括基于核函数的算法、回归模型、人工神经网络和小波分析；概念性模型包括蓄泄模型和流量过程线衰减函数；物理性模型主要包括达西定律、Darcy-Weisbach方程、有限元法和等效连续多孔介质；分布式水文模型主要是SWMM模型，并分别对各类模型的概念、方法、应用效果以及存在的优缺点等进行了分析。最后指出了研究中存在的一些不足，并就岩溶流域水文模拟的进一步研究提出了相应的建议，这对于解决岩溶区的水资源可持续利用问题有重要意义。关键词：岩溶流域；水文模型；展望

1前言

全球现有岩溶地区面积2200×104km2，约占陆地面积的15%，居住着约10亿人口。集中连片的岩溶主要分布在：欧洲中南部、北美东部和中国西南地区[1]，其中中国境内岩溶区面积达344×104km2，占国土面积的35.93%。岩溶流域内裂隙、洞穴迂回曲折，纵横交错，致使雨水迅速渗漏到地下，难以建库拦蓄雨水，造成很多地区工农业严重缺水，阻碍了经济发展并影响到人民生活，因此研究岩溶流域的水文模拟可以为岩溶水资源开发与生态环境治理提供科学和技术依据。

由溶隙、溶洞及管道等多重介质所构成的岩溶含水系统是一个不断演变的复杂动态系统，其与大气降水、地表水、土壤水之间的水文循环过程复杂，此外岩溶含水介质中的水流具有裂隙流和管道流并存、层流和紊流并存、线性流和非线性流并存、连续流和孤立水体并存的特点，至今还没有一套系统完整的研究模型，能够准确描述岩溶含水介质中水流的流动规律[2]。针对这些问题需从分析岩溶区含水介质不均匀性、三水转化关系和径流形成过程入手，以揭示岩溶区水循环规律，这将使岩溶区水文过程模拟具有实际意义。

收稿日期：2010-01；修订日期：2010-07.

基金项目：国家自然科学基金项目（40571024）。

本文讨论了岩溶流域水文模型国内外研究动态，追溯其研究进展，分析其存在的问题并且展望其发展趋势，总结了这些模型的优缺点。对岩溶流域水文模型的深入研究不仅很有必要而且有一定的理论和应用价值，研究成果可对岩溶山区生态重建规划、生态模式设计提供科学依据。

2岩溶流域水文过程

岩溶流域含水介质有3类：①岩溶发育最为强烈的石灰岩组成的含水介质，以发育管道为主；②岩溶发育较弱的白云岩组成的网状裂隙为主的含水介质；③由岩性不一的可溶岩发育的管道和网状裂隙共同的含水介质。不同含水介质的空间结构控制三水转化和水资源形成过程。发育于含水介质中的地下河常为中小径流的输移通道，地表河仅为雨季暴雨时的排洪通道。岩溶流域由可溶岩组成的非均匀含水介质，构成了特有的二元三维流域空间系统，该系统在岩性和构造控制之下，由水流的差异溶蚀和侵蚀作用产生的地表、地下两子系统组成。地表子系统主要由溶沟、溶隙、石芽、峰丛、天窗、漏斗、溶水洞及溶洼等组成；地下子系统主要由溶洞、管道、伏流及地下河等组成。地表是岩溶

作者简介：蒙海花(1983-)，女，山西朔州人，博士研究生，主要从事水文水资源研究。E-mail:haihuameng@

通讯作者：王腊春，男，教授，博士生导师，主要从事水文水资源研究。E-mail:wang6312@

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径流的形成场和分配场，地下是岩溶径流的输移场和调蓄场。岩溶流域二元三维空间结构系统特征，表征了流域下垫面的“三维”立体性，不同于非岩溶流域的下垫面的“平面性”。因此岩溶含水层的水循环分为2类，一类为管流，主要发生在洞穴和管道；一类称为散流或者基流，主要发生在节理或裂隙中，而且在饱和区遵循达西定律[3]。

3岩溶含水层水文模型研究进展

应用于岩溶含水层的水文模型大体可以分为3类：经验模型或黑箱模型、概念模型、理论或物理模型[4]。这种划分是基于是否考虑输入—输出之间的物理过程，即水文过程是经验性描述、概念性描述还是完全物理描述[5]。3.1经验模型或黑箱模型

系统理论方法的引入为岩溶水径流的形成、转化及水量分配研究提供了有效的工具，它只着眼于输出与输出之间变换函数的建立，不考虑岩溶系统复杂的介质结构及水动力机理，模型中的方程和变量没有物理意义，因而可视其为一个黑箱。黑箱模型是最简单模型，其在岩溶地区应用最多的是核函数、回归模型、人工神经网络和小波分析。3.1.1核函数

Dreiss于1982年[6]根据密苏里州东南部两个岩溶泉的历次暴雨期流量资料，采用反褶积法求得岩溶水系统的核函数(特征因素为瞬时单位过程线)。其中，含水层被概化为输入I(t)(渗透)和输出Q(t)(泉流量)的时间矩系统，输入输出之间用线性

微分方程来表示，通过卷积积分Q(t)=(I×u)(t)来解方程。式中：u(t)表示核函数或响应函数，通过反卷

积获得。

这为核函数分析法在岩溶水系统中的应用和进一步研究奠定了基础。之后，核函数的线性和非线性卷积积分的非预期形式在岩溶水文模拟中得到广泛应用[7-14]。之所以将核函数模型引用到岩溶水系统中，是因为岩溶水系统的结构和地下水的补给，径流和排泄关系是极其复杂的，岩溶水系统具有明显的平滑，阻尼和调蓄能力强，线性时不变特征。因此用一阶线性核函数模型可以描述岩溶水系统接受降水补给—地下径流—泉排泄输出的转换过程。而对一些非线性特征明显，动态变化大的岩溶水系统，应该采用二阶或高阶非线性核函数模

型来模拟[15]。也有学者认为线性统计模型虽然在某些方面模拟准确，但是在枯水期和丰水期模拟效果并不是特别好，而且线性卷积积分的离散形式在岩溶含水层的应用受到质疑，因为对线性和时不变性的假设从来没有完全达到，同时Volterra非线性形式有重大的缺陷而且不适合应用于岩溶含水层，这是因为代表数学解决方案的高阶核没有明确的物理意义和足够的预测能力，尤其是在分析长时间序列时[13]。3.1.2回归模型

自1984年Zaltsberg[16]采用简单回归模型来预测岩溶含水层的水位，之后各种类型的回归模型开始迅速发展。已经提出的岩溶泉水流量拟合及预测的回归模型有简单回归模型、多元回归模型[17-19]、多元回归—残差自回归模型、门限自回归模型[15]。

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