论文部分内容阅读
岩溶水文系统受地表和地下各种形态岩溶空间发育的影响,入渗强烈而缺乏地表水,地下水丰富,是一个多重介质并存的含水层。其水流具有裂隙流和管道流并存;层流与紊流并存;线性流与非线性流并存;连续水流与孤立水体并存的特点。因而,很难准确描述岩溶含水介质中水流的运动规律。作为岩溶地表、地下水集中排泄通道的岩溶泉,常被作为饮用水源,其动态变化是区域水文特点的综合反应。因而,深入研究其对环境要素的响应机制、建立水文应用模型,以及探讨人类活动对其水文过程的影响,具有重要的理论与实践意义。本研究选择重庆市金佛山山顶的水房泉岩溶小流域系统为例,通过野外实地调查及测量、利用水文观测、水化学、入渗及示踪试验等技术方法,确定泉域的范围、地下水力结构及地下水流的特点,在此基础上建立泉域的水文概念模型:利用研究区地形图,借助地理信息系统软件及野外试验,获取建立定量模型所需的特征参数,基于SWMM(Storm Water ManagementModel),选取不同强度的降雨进行时间序列的模拟以定量揭示岩溶泉流量变化的内在机制。经过初步研究,得到以下认识:(1)岩溶含水层的特殊性决定了研究技术方法的特殊性。本研究通过多组定性及定量示踪试验及分析,初步确定了流域边界,表明落水洞与泉口之间存在管道流的地下水力特点,为模型概化和水文模型的建立提供了基础依据。(2)土壤入渗试验表明,由于岩溶含水介质的极不均一性及地表土层发育厚度的巨大差异,入渗速率的空间差异很大,为40～360mm/h,远远超出了一般土壤的参数值范围。本文通过校正,使得美国水土保持所SCS(Soil Conservation Service)的径流曲线数入渗模型在岩溶区的应用较符合实际观测。(3)岩溶含水介质的不均匀性可以用多个不同性质的子流域等效多孔介质含水层来表达,以反映岩溶含水层水力特点的空间差异。(4)SWMM模型可以用于存在管道流的岩溶水文过程的模拟。通过选取暴雨和中小强度的降雨的不同时间序列的水文过程模拟,结果表明暴雨时段用于校正(Ⅰ)和验证(Ⅱ)的模拟误差为1.7%和6.9%,效率系数为0.99和0.91;中小强度降雨时段用于校正(Ⅲ)和验证(Ⅳ)的模拟误差为3.4%和2.8%,效率系数为0.88和0.99。其中,暴雨时段用于验证(Ⅱ)的模拟序列表明,受人类活动对下垫面的影响,径流洪峰被削减滞后,模拟效果较差;中小强度降雨(Ⅲ)因在同一个月有两场降雨,而模型只能输入一个相同的UH(单位水文)参数,导致模拟效果较差。(5)水房泉岩溶水文系统是扩散流制约衰减过程的系统。通过对模拟的不同径流总量占出流总量比例的计算分析表明,系统存在管道流,但来自溶隙、孔隙、上部包气带表层岩溶泉的地下水入流GWI(Ground Water Inflow)补给占主导;其次为通过无明显入口的落水洞、大裂隙及竖井等渗流补给的直接雨水径流RDⅡ(Rain Dependent Infiltration &Inflow)和干季入流DWI(Dry Weather Inflow)的补给;来自有明显入流的落水洞的地表径流(Runoff)补给量在总出流中所占比例最少。说明水房泉具有较强的自我调蓄功能。总体来讲,地表径流(Runoff)和直接雨水补给(RDⅡ)比例在暴雨降雨期间最大,随着流量衰减,其所占比例下降,而地下水(GWI)和干季入流(DWI)比例随之增加。中小强度降雨因雨强较小而降雨时间持久,地表径流(Runoff)所占比例更小,而地下水(GWI)所占比例较暴雨时段大。对水房泉域不同条件水文过程的数值模拟揭示了岩溶水文系统对环境要素的具体反馈机制,为建立岩溶小流域水文模型提供了一定参考。