基于岩溶水动态模拟的补给面积计算方法

岩溶水系统补给面积的确定是岩溶水文地质调查与研究中的一个难点。基于水均衡原理与水文脉冲函数, 介绍了求取补给面积的计算方法, 并探讨了模型参数的物理意义。选取了广西桂林丫吉试验场岩溶泉、湖北兴山雾龙洞地下河、沪蓉高速峡口隧道集中涌水点3个典型的南方岩溶水系统, 对其水文过程进行模拟, 利用最优模型参数分别求得补给面积, 与其他方法综合确定的补给面积得到了较好的验证。基于岩溶水文过程模拟的补给面积计算方法是对岩溶水系统补给面积求取方法的一种新的补充, 在中小尺度规模的南方岩溶水系统中具有较好的应用前景。      

岩溶多重介质地下水模拟技术及应用进展

由于岩溶发育的极不均匀性和岩溶含水介质的多重介质性等特征, 使得岩溶水系统的地下水运动规律呈现出复杂多变的特点, 在孔隙或微小裂隙含水介质中岩溶水满足达西流, 而在岩溶管道中可能出现非达西运动, 这给岩溶区地下水模拟带来了极大挑战。系统地梳理了岩溶水流和溶质运移模拟的主要方法, 总结了复杂岩溶多重介质系统地下水模拟技术的现状, 并结合我国南方岩溶和北方岩溶各自的特点, 提出岩溶水模型在实际应用中需要关注的要点。主要包括: 需加强野外调查和观测, 提高模型中对岩溶含水介质结构非均质性表征的精度; 进一步深化对岩溶水运动机理的研究, 刻画岩溶多重介质的水流特征以及水交换机理; 针对北方岩溶水系统模拟, 可选择等效连续多孔介质模型, 重在耦合区域分布的岩溶溶孔－裂隙介质中慢速渗流与脉状分布的强径流带快速流; 对于南方岩溶区, 建议考虑建立分布式流域水文模型与能刻画集中管道流多流态变化的多重介质模型的岩溶地下水耦合模型。      

岩溶地下水系统演化的数值模拟

为了研究岩溶地区泉域系统演化过程及对泉流量进行预测,耦合了渗流模型和岩溶动力模型,对均质性和非均质性2
种条件下泉域系统进行了溶蚀演化模拟。从模拟结果上可以看出,均质性泉域系统初期水位变化较小,中后期下降明显,而非均
质性泉域系统初期下降明显,中后期水位稳定;在裂隙张开度方面,非均质模型在相同时段内裂隙张开度的最大值却比均质性模
型要大4~5cm。2个泉域系统的泉流量都经过了初期较小,中后期迅速增大的过程,只是增大的时间和每个时间点的泉流量不
同,非均质性泉域系统增大时间更早,流量更大,可以分别用指数函数和多项式函数来拟合均质性和非均质性泉域系统泉流量过
程曲线。      

三江平原挠力河上游流域水文过程及其驱动力模型研究

以三江平原挠力河上游流域为研究对象,选择年均流量和洪峰流量两个水文参变量,对流域降水、耕地面积和各水文参变量的统计回归分析,分别建立水文过程的单因素模型,用于分析气候变化、土地利用变化对水文过程的影响。在定量区分土地利用变化和气候变化的水文效应基础上,利用最小二乘法建立基于降雨量和耕地面积两种因素的流域水文过程驱动力模型。研究结果表明:(1)1956-1975年间降雨量对水文过程的影响非常显著,之后影响逐渐降低,总体上为气候模型对年均流量的模拟能力高于洪峰流量;(2)流域耕地面积,自1954年以来不断扩张,但未对水文过程产生显著影响,对洪峰流量的影响高于对年均径流的影响;(3)研究区的水文过程驱动力模型的模拟效果较好,相比单因素模型,年均流量和洪峰流量的模拟精度均得到较大提高,RMSE分别为0.5和1.04;对年均流量的模拟精度更高一些,决定性系数为0.933;(4)总体上,研究区水文过程受气候变化的影响程度高于土地利用变化,但土地利用变化对水文过程的影响不容忽视,尤其是对洪峰流量的影响呈增大趋势。     

流域水文模型研究的进展

流域水文模型是对流域上发生的水文过程进行模拟计算的数学模型 ,在水文过程模拟中 ,对流域内的产流 ,坡面汇流以及河道汇流过程的模拟是很重要的。坡面产汇流模型模拟从降水到流域产流和流域坡面汇流的水文子过程 ,河道演进模型模拟河网汇流水文子过程 ,现有的水文模型大多数是没有考虑水文变量和水文参数空间变化的概念性水文模型。随着地理信息技术的发展 ,考虑水文变量和水文参数空间变化的分布式水文模型得到了极大的重视与发展 ,而且 ,遥感技术的发展满足了分布式水文模型对空间信息的需求.     

中国岩溶湿地生态水文过程研究进展

岩溶湿地是广泛分布于岩溶地区的一种特殊的湿地类型.受特殊水文地质结构的控制,岩溶湿地生态系 统的结构和功能与其他湿地类型有着显著差异.基于国内外湿地及岩溶湿地相关研究成果的基础上,阐述了我 国西南岩溶湿地具有上下双层结构、封闭的储蓄水构造、快速的生态水文循环等特点,以及地表水－地下水转化、 生态需水转化的规律和研究方法,分析了人类活动对岩溶湿地水量、水质以及生态系统演化的影响,并总结了岩 溶湿地生态水文模型的研究现状及发展趋势.最后,针对目前岩溶湿地生态水文过程研究中存在的问题,提出在 δ来研究中应加强对岩溶湿地结构及生态水文循环过程的研究、查明人类活动对岩溶湿地产生的影响、构建生态 水文耦合模型等建议.      

硫氧同位素在识别辛安泉域岩溶水SO42-来源中的应用

硫酸盐超标是辛安泉域岩溶水水质恶化的主要现象之一。识别岩溶水中硫酸盐的来源对于全面理解岩溶水水文地球化学过程,合理开发利用和保护岩溶水资源具有重要意义。通过野外水文地质调查、水样采集和水化学同位素测试,采用硫氧双同位素示踪技术,分析识别了辛安泉域岩溶水中硫酸盐的物质来源。研究结果表明,泉域内岩溶水中的硫酸盐主要来源于石膏溶解、地表水渗漏和矿坑水入渗,且以石膏溶解和地表水渗漏混合居多。研究成果为辛安泉域岩溶水资源的保护与合理开发利用提供了重要的环境和水文地质学依据。      

喀斯特地区不同岩土组构对岩溶碳通量的影响

我国南方喀斯特地区岩石裸露率高、土层浅薄且分布不均,这种特殊的岩土组构如何影响水文过程对于准确估算岩溶碳通量具有重要意义。水化学径流法是计算流域尺度岩溶碳通量的常用方法,其中流域面积和流量作为2个重要参数在喀斯特地区往往难以准确获取。在普定喀斯特生态系统观测研究站设计了一组岩土比(1:1和4:1)和一组土层厚度(5,20,100 cm)共计5种岩土组构的模拟试验场。通过一个完整水文年的流量和水化学监测,定量研究了岩石裸露率和土层厚度对水文过程以及岩溶碳通量的影响。研究结果表明,5个模拟试验场岩溶碳通量平均值为(17±3) gC/m2/a,受渗漏量控制,雨季(5-10月)约占95%;岩石裸露率(2组岩土组构之间)对渗漏量的影响可达14%,且随着岩石裸露率增加,入渗系数也相应增加;土层厚度对渗漏量的影响仅在1%~2%之间。此外,对8个野外流域观测数据的分析发现,入渗系数与岩溶碳通量的相关性最为显著,说明入渗系数是喀斯特地区不同岩土组构地质背景影响和控制岩溶碳通量的主要因素,同时这种影响可能随降雨量变化而变化,即入渗系数并非常数。      

滇中高原岩溶关键带典型含水系统水化学特征及成因分析

岩溶关键带水文地球化学过程的研究对于科学认识其内部的演化环境与结构特征具有重要意义。岩溶水是水-岩作用后主要的信息载体, 定量分析其水化学特征及成因是揭示岩溶关键带含水系统介质环境与水动力条件的有效手段。以滇中高原岩溶关键带3个典型岩溶含水系统为研究对象, 通过对不同含水系统出露的岩溶泉进行野外采样与室内测试, 综合采用数理统计分析、水化学图解、离子比例系数与水文地球化学模拟等方法, 深入剖析了各含水系统岩溶水水化学组分特征、成因作用和含水层介质特性, 并对关键带中水循环与水化学的内在联系及规律进行了探讨。结果表明: ①HCO₃-、Ca2+是各含水系统岩溶水中含量最高且来源稳定的离子组分, Mg2+是控制各含水系统水化学类型异化的关键因素; ②碳酸盐岩类的岩石风化、矿物溶解是各含水系统内岩溶水化学组分特征的主要成因作用, 岩溶水对华宁水系统含水层的溶蚀作用仍在发生, 阳离子吸附交替与硅酸盐岩类的风化溶解是区域岩溶水中Na+、K+的重要来源; ③区域岩溶的发育强度、岩溶含水层的出露条件及含水介质岩性与连通性共同塑造了滇中高原岩溶关键带不同含水系统地下水化学特性。研究成果丰富了对滇中高原岩溶关键带水文地球化学过程的认识, 为区域岩溶水资源的开发、利用与保护提供基于水化学的证据支撑。      

莱芜市泉河地区岩溶塌陷特征及成因分析

在20世纪80年代以来,莱芜市泉河地区发生多起岩溶塌陷,而且岩溶塌陷的发生具有突发性、重复性。在已有研究成果的基础上通过现场调查,系统总结了莱芜市泉河地区岩溶塌陷特征,即岩溶塌陷的形成与分布在空间上具有方向性,在时间上具有阶段性与集中爆发期。岩溶塌陷发育情况、覆盖层条件和水文动态资料综合分析结果表明,莱芜市泉河地区岩溶塌陷是区内水动力条件的改变造成的。     

A Modified Groundwater Module in SWAT for Improved Streamflow Simulation in a Large,Arid Endorheic River Watershed in Northwest China

Interactions between surface water and groundwater are dynamic and complex in large endorheic river watersheds in Northwest China due to the influence of both irrigation practices and the local terrain. These interactions interchange numerous times throughout the middle reaches, making streamflow simulation a challenge in endorheic river watersheds. In this study, we modified the linear-reservoir groundwater module in SWAT (Soil and Water Assessment Tools, a widely used hydrological model) with a new nonlinear relationship to better represent groundwater processes; we then applied the original SWAT and modified SWAT to the Heihe River Watershed, the second largest endorheic river watershed in Northwest China, to simulate streamflow. After calibrating both the original SWAT model and the modified SWAT model, we analyzed model performance during two periods: an irrigation period and a non-irrigation period. Our results show that the modified SWAT model with the nonlinear groundwater module performed significantly better during both the irrigation and non-irrigation periods. Moreover, after comparing different runoff components simulated by the two models, the results show that, after the implementation of the new nonlinear groundwater module in SWAT, proportions of runoff components changed-and the groundwater flow had significantly increased, dominating the discharge season. Therefore, SWAT coupled with the non-linear groundwater module represents the complex hydrological process in the study area more realistically. Moreover, the results for various runoff components simulated by the modified SWAT models can be used to describe the hydrological characteristics of lowland areas. This indicates that the modified SWAT model is applicable to simulate complex hydrological process of arid endorheic rivers.     

峡口隧道间歇性岩溶涌突水过程及来源解析

岩溶涌突水问题勘察与防治一直是隧道工程建设面临的难题。峡口隧道有着较长的岩溶涌突水历史,为了查明间歇性涌突水来源,探究岩溶水系统结构对涌突水过程的控制作用,综合利用水文地质调查、水文学和水文地球化学等方法对涌突水来源和过程进行了识别与分析。结果表明:在研究区孟家陵一带存在地下水分水岭,北部和南部的地下水分别向响龙洞和峡口洞排泄。在集中涌水事件中,次涌水总量与次降雨量具有显著的线性正相关关系,集中涌水与4条盲沟排水在水文地球化学特征上具有同源性,均来自于隧道北部的岩溶水;在隧道稳定排水期间,右洞北侧盲沟主要排泄隧道北部的岩溶水,其他3处盲沟排水则主要来源于碎屑岩裂隙水;集中涌水点位于峡口岩溶水系统的饱水带附近,强降雨导致隧道上方整体处于充水状态,涌水点截断了岩溶通道的快速流而发生涌突水,并且混合了小比例的基流。在岩溶涌突水问题研究中,综合利用多技术方法和多信息渠道验证可提高涌突水来源分析的准确性。      

黄陵背斜东北翼岩溶水系统特征及其对引调水隧洞工程的影响

陵背斜东北翼地层以碳酸盐岩和碎屑岩相间的组合形式出现,碳酸盐岩分布区岩溶发育强烈,岩溶突涌水是该区地下工程建设的重要影响因素。以某重大引调水工程黄陵背斜段为研究对象,综合采用岩溶水文地质调查、示踪试验、水文地球化学等多种方法对研究区岩溶水系统特征及隧洞突涌水条件进行了识别和分析。结果表明:区内存在4个子含水系统,垂向上构成了透水性强-弱相间的结构,发育了浅部快速循环、中间快速循环和深部慢速循环的多级水流系统,断裂构成各子含水系统间发生水力交换的垂向通道。工程输水隧洞主体在深部灯影组(Z₂dn)和天河板组-石龙洞组(∈₁t+sl)子含水系统中穿越,岩溶发育总体较弱,但在穿越店垭断裂时存在导通上部娄山关组-南津关组(∈₃l-O₁n)强岩溶子含水系统而发生较大规模高压突涌水的可能。施工支洞穿越∈₃l-O₁n子含水系统中白龙洞水流系统的排泄区,遭遇管道式突涌水事故的风险高。多种水文地质方法的联合解译可提高识别岩溶水系统特征和突涌水条件的精度。      

康定北部高原构造岩溶发育特征与地下水径流带识别

受自然环境和技术方法制约，青藏高原岩溶发育演化和岩溶地下水循环特征研究相对薄弱，制约了青藏高原碳酸盐岩区的经济发展、民生设施建设和地质灾害防治。通过野外地质测量，岩溶地下水、地表水和大气降水水化学和同位素特征分析，泉水流量动态，水均衡计算和物探等技术方法，系统分析了四川省康定市北郊碳酸盐岩分布区的岩溶发育特征，识别了岩溶径流通道和岩溶大泉主要补给来源。结果表明:康定市北郊碳酸盐岩分布于高山峡谷地貌类型区，可溶岩地层分布、岩溶发育程度和岩溶水补给、径流、排泄均受构造控制，可溶岩与非可溶岩接触带和活动断裂附近的岩溶发育程度较强。岩溶水呈管道流径流，主要以岩溶大泉形式集中排泄，泉流量约1.5×104 m3/d且动态较为稳定。通过水文地质条件分析，识别出研究区存在通化组岩溶水径流带和雅拉河断裂岩溶水径流带。水化学-同位素数据、岩溶泉流量动态和水均衡计算结果显示，雅拉河河水是岩溶大泉的主要补给源，岩溶地下水主要沿雅拉河断裂岩溶水径流带径流并集中排泄。      

黄陵穹隆周缘岩溶水流系统特征及成因

岩溶水流系统特征研究有助于地下水资源的合理评价和开发利用。借鉴水文学的研究方法，统计并量化了典型岩溶水流系统的空间特征以及其水文动态响应、温度场和电导率特征。划分了扇状、树枝状、平行状、梳状4种地下水系来综合反映岩溶水流系统的地表-地下岩溶特征，前两者主管道垂直于地层走向，构造裂隙起汇水作用，后两者主管道平行于地层走向，层面裂隙起汇水作用。黄陵穹隆西北翼、西翼和南翼以平行状和树枝状为主，东翼和北翼则以扇状水系和平行状水系为主。不同地下水系结构的形成及区域差异与含水系统和水系的空间关系和级次性密切相关，并表现出不同的动态特征。扇状和平行状岩溶水流系统对降雨响应最为敏感，而梳状水系岩溶水流系统响应和衰减过程最慢；基于岩溶地下水温度与出露高程和循环深度显著相关的关系建立了鄂西山区地下水温度线。这一基础性研究可为岩溶地下水流系统研究和当地工程实践提供一定的理论支持。      

山东省苍山县小阎庄铁矿矿区东部水文地质特征研究

通过地球物理勘探、水文地质调查、钻孔和抽水试验,结合区域水文、气象、地质和水文地质等资料,求得了矿体上部盖层裂隙岩溶水水文地质参数,且对裂隙岩溶水水量进行了计算;以"大井法"为主对矿坑涌水量进行了预测,基本查明了矿区东部的水文地质特征;阐述自然条件下裂隙岩溶水对基岩裂隙水的补给微弱;当水动力条件发生改变时,易造成盖层裂隙岩溶水下渗溃入坑道,对下部矿体的开采将产生较大威胁。     

岩溶洼地内涝蓄水量与不同级次裂隙对溶质迁移影响的室内实验与模拟

岩溶洼地在西南地区分布广泛,岩溶地下水为当地居民生产和生活的主要水源,研究岩溶洼地内涝条件下裂隙系统中的溶质迁移及响应规律可为峰丛洼地区岩溶地下水的污染防控提供科学依据。基于相似原理构建了岩溶洼地-裂隙系统物理模型,采用对流-弥散模型和脉冲响应模型对溶质迁移过程进行了模拟分析,探讨了不同级次裂隙和内涝蓄水量大小对溶质迁移的影响。结果表明:大裂隙作为优先水流通道,对溶质迁移起主要的控制作用;小裂隙对溶质迁移起暂时储存和缓慢释放的调蓄作用,其溶质迁移的叠加过程使总出口溶质迁移的"拖尾"效应更加明显;随着内涝蓄水量的增加,稀释作用增强,导致溶质峰值质量浓度降低、溶质质量浓度回归至本底值的时间延长、延缓释放溶质的质量增加。该物理模型是对复杂岩溶洼地系统内污染物迁移研究的一种新探索,其模拟结果进一步深化了对洼地内涝条件下面源污染物在岩溶水系统中迁移规律的认识。      

隔档式构造区岩溶地下水流系统多级次嵌套结构的水化学识别

川东隔档式构造区岩溶地下水流系统表现出多级次嵌套结构的特征, 之前主要是定性的水文地质条件分析, 缺乏来自水化学方面的量化依据。利用41个浅层和19个深层岩溶水样的水化学资料开展分析, 发现浅层岩溶水为HCO₃-Ca·Mg型,ρ(Mg2+)较低, 深层岩溶水为SO₄-Ca·Mg型且ρ(Mg2+)明显偏高, 说明地下水在岩溶含水层中的滞留时间与ρ(Mg2+)具有正变关系。对典型剖面地下水流系统的分析表明, 优先采用ρ(Mg2+)来评价地下水滞留时间, 将地下水排泄点ρ(Mg2+)小于20, 50 mg/L分别作为划分局部-中间、中间-区域水流系统的依据。浅层岩溶水受地貌作用控制明显, 其中浅切沟谷泉点为局部地下水流系统的排泄点, 深切沟谷泉点一般属于中间或区域流动系统的排泄点。ρ(Mg2+)反映了泉水循环的滞留时间, 也能够反映钻孔所揭露的深循环特征。这种水化学识别方法可为相似岩溶区识别地下水流系统的多级次嵌套结构提供参考。      

Hydrological modelling in the anthroposphere: predicting local runoff in a heavily modified high-alpine catchment

Hydrological models within inflow forecasting systems for high-alpine hydropower reservoirs can provide valuable information as part of a decision support system for the improvement of hydropower production or flood retention. The information, especially concerning runoff, is however rarely available for the calibration of the hydrological models used. Therefore, a method is presented to derive local runoff from secondary information for the calibration of the model parameters of the rainfallrunoff model COSERO. Changes in water levels in reservoirs, reservoir outflows, discharge measurements at water intakes and in transport lines are thereby used to derive the local, “natural” flow for a given sub-catchment. The proposed method is applied within a research study for the ÖBB Infrastructure Railsystem division in the Stubache catchment in the central Austrian Alps. Here, the ÖBB operates the hydropower scheme “Kraftwerksgruppe Stubachtal”, which consists of 7 reservoirs and 4 hydropower stations. The hydrological model has been set up considering this human influences and the high natural heterogeneity in topography and land cover, including glaciers. Overall, the hydrological model performs mostly well for the catchment with highest NSE values of 0.78 for the calibration and 0.79 for the validation period, also considering the use of homogeneous parameter fields and the uncertainty of the derived local discharge values. The derived runoff data proved to be useful information for the model calibration. Further analysis, examining the water balance and its components as well as snow cover, showed satisfactory simulation results. In conclusion, a unique runoff dataset for a small scale high-alpine catchment has been created to establish a hydrological flow prediction model which in a further step can be used for improved and sustainable hydropower management.