基于示踪辅助模型的西南喀斯特小流域水流特征解析及模拟研究

In the China Southwest Karst area, there are many different sizes of fractures and conduits, and the hydrological system is complex, including multi-medium flows such as soil Darcy flow, Karst fissure flow, underground conduit flow, and open channel flow. Adoption of the conventional hydrological observations and models is difficult to analyze the Karst multi-medium hydological characteristics. This project chooses a small experimental Karst watershed as the typical research area, and plans to frequently measure the concentration of hydro-chemical and isotopic tracers based on the conventional hydrological observations, develop tracer-aided models to analyze the hydrological characteristics using the tracing data, and combine with hydrological models to analyze the hydrological and hydrodynamic characteristics (such as storage capability, runoff components and residence time ) of the Karst multi-medium system, and meanwhile, build a model calibration method based on the multi-source observations to improve the model performance and reduce the uncertainty of simulation results, for the hydrological forecast, water resources assessment and management in the Karst area.

我国西南喀斯特地区具有不同大小裂隙、管道等导水介质，水流系统复杂，包含土壤达西流、岩溶裂隙流、地下河管道流、明渠流等多重水流，采用常规水文观测及模型难以充分解析该地区多重介质水流特征。本项目拟以喀斯特实验小流域为典型研究区，在水文常规观测基础上，增加水化学、同位素等示踪剂浓度高频监测，发展利用示踪信息描述水流特征的示踪辅助模型，并与水文模型相结合，解析喀斯特流域多重介质的储蓄能力、径流成分、滞蓄时间等水文、水动力特征，同时发展基于多源观测信息的模型率定方法，以提高喀斯特水文模型性能并降低模拟结果的不确定性，为喀斯特地区水文预报、水资源评估及管理等提供有效工具。

喀斯特流域具有极强的非均质各向异性，包含不同大小裂隙、管道等多种介质，水流系统复杂，同时存在土壤达西流、岩溶裂隙流、地下管道流等多重水流，违背了流域封闭性、流场连续性等常用假设，极大地增加了喀斯特水文的研究难度。本项目以喀斯特实验小流域为典型研究区，在水文常规观测基础上，采用自主研发的自动水样采集器高频监测了水流中的水化学元素浓度及同位素丰度；同时，发展了高密度电法、电磁感应法等地球物理勘探方法，揭示了山坡泉形成机理，探明了自流井附近地下结构，结合氢氧同位素信息，解析了喀斯特典型流域水流路径，进而发现了喀斯特流域地下水线性退水规律，构建了基于水箱结构的水文模型，并开发了喀斯特示踪辅助―水文模型，同时利用实测数据检验了该模型，并估计了山坡水、洼地裂隙水、基质水的水龄变化；最后，提出了距离基础目标函数的统一形式，并发展了基于贝叶斯理论的模型多目标率定方法，该方法避免了加权求和法中权重选择问题，减少了水文模型的不确定性，提高了模拟结果的可靠性。本项目研究成果为喀斯特地区水文预报、水资源评估及管理等提供了有效工具。