西南岩溶流域产汇流规律的分布式模拟方法研究

目前流域水文模型在非岩溶地区的应用比较广泛，且近年来分布式水文模型得到了迅速的发展，成为水文科学的热点研究问题之一。但是，在西南岩溶地区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，使得传统的集总式流域水文模型不再适用于岩溶地区水循环问题的研究。在弄清岩溶与岩溶水之间关系的基础上，把分布式水文模型引入喀斯特流域的水文模拟中，将是喀斯特水文模型发展的方向。项目拟尝试从新的途径进行探索，建立复杂下垫面条件及特殊地质单元的模型描述方法，建立"土壤＋表层岩溶带"的复合蓄满产流模式，利用同位素进行地下径流路径的识别与径流成分的划分，开发出适用于岩溶地区的分布式流域水文模型。研究成果可为岩溶流域水文循环过程机理的研究提供一个平台，也为今后岩溶地区生态系统的恢复与重建提供一定的技术支撑。

基于野外实验、室内建模及理论推导，着重于机理研究，开展了岩溶环境下大量的实验研究，基于这些实验结果，构建了描述岩溶环境下水流运动的分布式物理模型和数学模型，为岩溶流域水文循环过程机理的研究提供了一个平台和依据，主要工作及成果如下:(1) 岩溶实验区内水文、气象观测及水文地质参数确定: 利用生态水文观测站在流域内5个样地内进行气象、穿透雨、土壤水观测。通过分析地表径流、表层岩溶泉、流域出口地下河径流变化规律，揭示喀斯特流域水循环特征，并为建立流域水文模型奠定基础，申请国家发明专利一项; 通过野外调查，统计分析了流域内典型剖面裂隙发育特征。采用探地雷达在流域内三座山体上进行探测，分析土壤及表层岩溶带发育厚度。利用渗透系数原位试验，测定了土壤及表层岩溶裂隙渗透系数。运用稳定同位素技术，在流域内采集坡面集雨池、坡脚泉、落水洞及流域地下暗河出口共180个水样，分析汛期和枯季不同径流成分所占比例，以揭示该流域的不同径流成分汇集至地下水暗河的贡献比例。(2) “地表＋岩隙＋地下”的三层立体岩溶汇流模式的建立：提出了一种“土壤＋表层岩溶带”的复合蓄满产流模式。针对不同类型的单元格，采用不同的计算方法。考虑到岩溶流域大量存在的管道、裂隙，设计了一种“地表＋岩隙＋地下”的三层立体汇流模式。地表汇流仍以地形为主要控制因素；岩隙汇流考虑岩石裂隙的发育程度及裂隙走向；地下汇流则兼顾地下暗河的影响作用。此外，针对岩溶流域特有的天窗、落水洞等地貌单元，在建立一种新的模型识别方法的基础上，提出了适宜的汇流计算模式。(3) 岩溶流域分布式水文模型的初步建立:以嵌套包含后寨河流域的三叉河流域为研究对象初步建立了一个简单的岩溶流域分布式水文模型。模型结构中分别考虑了降雨、植被截留、蒸散发、下渗、产流、汇流等物理过程，同时对一些特殊地质单元如天窗、落水洞等进行了特殊处理。模型主要分析了喀斯特区域表层岩溶带的产汇流物理过程。通过对日尺度的径流过程计算，率定期和验证期的效果均比较满意。