我国南方岩溶面积分布广,岩溶发育程度高,岩溶水系统结构复杂,岩溶水资源的时空分布差异极大,传统的岩溶水资源评价方法遭遇瓶颈。因此,本文从刻画南方典型岩溶水系统的结构特征出发,揭示岩溶水循环的物理机制,构建岩溶水循环的数学模型,最终服务于南方岩溶水资源评价。一、认识与刻画岩溶水系统的空间结构是揭示岩溶水循环机制的前提与基础。岩溶水循环的物理机制包括岩溶水输入-输出过程中的补给、调蓄、响应及排泄等环节的相互转化机制。本文通过水文地质测绘、水文地质钻探、地下水示踪试验、水化学和同位素等技术手段,对香溪河流域典型岩溶水系统的介质结构进行刻画,辨识其水动力特征,得出如下几点认识:1.香溪河岩溶流域内既存在裂隙-管道集中排泄型的岩溶水系统,也存在以溶蚀裂隙含水介质为主的分散排泄型岩溶水系统。以研究区的黄粮岩溶槽谷区为例,刻画了集中排泄型岩溶水系统的物理结构概念模型。大气降雨在南方岩溶区的补给存在两种方式:一是通过地表岩溶洼地、落水洞等集中灌入式补给;二是通过溶蚀裂隙分散渗入式补给。丰水期,集中灌入式补给形成的快速流,平均实际流速为209~841m/h,其溶质运移过程符合对流扩散原理。区内地下岩溶管道发育极为复杂,上寒武统娄山关组地层中的水平岩溶层十分发育,连通性好;而穿层的垂向岩溶带则构成了几个岩溶泉的主径流通道,形成“单源多汇”和“多源单汇”的复杂结构模式。2.在古夫宽缓向斜区,调查发现存在区域层次的岩溶水系统,构建了多级岩溶水系统的概念模型。本文确定了研究区δ18O的高度梯度为-2.4‰/km,通过计算岩溶水的补给高程,揭示了不同层次典型岩溶水系统的循环深度。利用线性水库模型和大气降水的同位素序列,计算得出典型局部岩溶水系统的地下水平均滞留时间为230天,区域岩溶水系统的地下水平均滞留时间大于2年;大气降水的同位素输入信号在区域岩溶水系统中被大幅滤波,而局部岩溶水系统的输出序列对输入信号具有明显的响应。在区域岩溶水系统中,水岩相互作用充分,Mg2+浓度高、Mg/Ca比值大、矿化度高,甚至出现地下水中18O与围岩发生交换的现象。二、利用气象、水文等长期观测数据,定量分析了岩溶水循环各环节中的水量转化关系,探索水量评价方法,为岩溶水循环物理概念模型的提出和数学模型的构建奠定了基础。基于水均衡理论和流量衰减理论开展了分析论证,得出如下几点结论:1.区内局部岩溶水系统对降雨事件的响应十分灵敏且迅速。据对四个岩溶泉多次降雨响应事件的统计,水文过程的平均响应时间为4.0~7.5小时,电导率的平均响应时间为5.9~10.3小时,电导率的响应峰值总是出现在流量峰值之后。岩溶水的流量衰减呈现出多段衰减的规律,表明含水介质具有高度非均质性。洪峰状态下,管道快速流的贡献比例高达75%;而在整个洪峰衰减过程中,裂隙水构成含水层储水量的主体,占比达70%以上。2.完善了基于流量衰减理论的次降水补给系数的计算方法。以雾龙洞流域为例,次降水补给系数与次降水量为正相关关系,计算得出区内平均有效补给次降水量的阈值为7.1mm。次降水量超过有效补给次降水量阈值以后,最先以渗入式分散补给为主,当次降水量达到超渗产流以后,则出现灌入式集中补给。季风气候区的降水年内分布极不均匀,导致补给系数也存在明显的季节差异。研究区内的月均补给系数变化范围为0.07~0.62,最大值出现在丰水期,最小值出现在枯水期;年均降水补给系数为0.48。3.提出了岩溶水系统调蓄量和调蓄系数的概念及计算方法。年调蓄量为一年内每月均衡期内储存量(或释放量)的总和;年调蓄系数为年径流量中参与调蓄的比例。根据气候分带和岩溶发育特征的差异,选择了中美三个典型岩溶流域进行定量对比分析。在降水分布集中、流域坡度大、岩溶发育程度高的岩溶水系统内,径流转化能力强,但调蓄能力弱。溶蚀裂隙介质是岩溶水系统对地下水进行调蓄的主要媒介,岩溶裂隙介质比例高的岩溶水系统具有更强的调蓄能力。三、基于对岩溶水系统结构和岩溶水循环机制的刻画和分析,构建了适用于南方岩溶水循环的物理概念模型和数学模型,实现对岩溶水文过程的模拟。1.南方岩溶水系统内部的多重介质形成了岩溶水的多级次径流通道,导致了岩溶水的响应与输出呈现出多脉冲过程迭加的特点。基于水文脉冲函数和水均衡原理,推导出降雨-径流理论数学模型,该模型在雾龙洞流域的水文过程模拟中得到成功应用。2.确定了研究区陆面实际蒸散发量与水面蒸发量的折算系数为0.5,年内陆面实际蒸散发量分布曲线被嵌入模型中,用于计算次降水事件的前期需水量。陆面蒸散发模块对水文过程模拟起到良好的滤波效果。3.分别对日步长和时步长径流过程进行了模拟与对比,日步长模拟的最优模型参数M值为0.022×10-3m2/s,τ值为0.8天;时步长模拟的最优M值为0.0195×10-3m2/s,τ值为0.85天。日步长和时步长均能较好地模拟水文过程的时间变化,但时步长能更准确地捕捉到洪峰时刻和峰值数量。模拟时间步长小于岩溶水系统的理论响应时间(2τ/3)时,模拟效果更佳。4.模型集总式参数τ值综合反映了岩溶水系统的规模尺度与含水介质特征,而M值取决于τ值和补给面积,该降雨-径流模型适用于模拟中小尺度规模、水文过程响应灵敏的南方岩溶水系统。结合最优模型参数M值和τ值,该模型可用于估算南方岩溶水系统的补给面积。本文的主要创新之处体现在:(1)刻画了南方岩溶区典型岩溶水系统的结构模式,揭示了“单源多汇”的复杂径流模式和区域岩溶水流系统的存在;(2)提出了岩溶水系统调蓄量和调蓄系数的概念和计算方法,为南方岩溶水资源评价提供了新思路;(3)提出了适用于南方中小规模岩溶水系统的降雨-径流模型,探讨了岩溶水系统响应参数τ的物理意义,该模型在南方岩溶区的水资源评价和洪水预测工作中有广泛的应用前景与参考价值。