岩溶流域水文模型研究进展(3)

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，而且受测量技术的限制，一些水文过程和边界条件并不确定。因此，模型中做的假设性假设，导致模型并不一定能反映真实岩溶水文过程。

综上所述，目前的方法进行岩溶水资源定量评价都具有一定的局限性。它们无法反映岩溶流域水资源形成的完整过程，更不能完全反映岩溶水资源形成的各个要素的作用，特别是以流域为单元的岩溶水资源评价时，这些方法在理论、方法和技术手段等方面都遇到了挑战。5.2模型展望

岩溶流域由于结构的复杂性、径流成分多样性，对岩溶流域的水文模拟还有很多方面需要突破。作者认为需要在以下6个方面着重开展研究：

(1)如何让集总式模型更接近客观实际，提高模型的准确度和可靠度，是集总式模型在岩溶地区应用需要解决的主要问题。

(2)受制于岩溶发育程度和特点的区域差异，具体岩溶水文模型的建立一般难于推广，通过加大对不同地区、各种类型的岩溶含水层的定量分析、比较研究和总结，以系统的科学论和方法论为指导，利用先进的技术方法手段，将有可能建立可应用的专门岩溶流域水文模型。

(3)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，对人类活动对流域水文状况和水资源等多方面的影响敏感，可以用于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，运用GIS、RS的新技术获取流域分布式参数，提高分布式水文模型的在岩溶地区的应用具有十分重要的价值。

(4)参数优化问题。通过对几种典型类型的岩溶流域建立模型，通过率定参数和验证过程，建立一种经验性的参数数据库，这样的数据库对于无监测资料区域的模型建模时参数的移用有很重要的意义。

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(5)岩溶流域水文模型的径流模拟只是基本功能，要建立水资源评价模型，以及耦合环境、生态的水文响应将是未来研究的一个重要方向。

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