基于SWMM的巖溶泉域水文過(guò)程的模擬研究——以重慶金佛山水房泉為例.pdf

1、巖溶水文系統(tǒng)受地表和地下各種形態(tài)巖溶空間發(fā)育的影響，入滲強(qiáng)烈而缺乏地表水，地下水豐富，是一個(gè)多重介質(zhì)并存的含水層。其水流具有裂隙流和管道流并存；層流與紊流并存；線(xiàn)性流與非線(xiàn)性流并存；連續(xù)水流與孤立水體并存的特點(diǎn)。因而，很難準(zhǔn)確描述巖溶含水介質(zhì)中水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 作為巖溶地表、地下水集中排泄通道的巖溶泉，常被作為飲用水源，其動(dòng)態(tài)變化是區(qū)域水文特點(diǎn)的綜合反應(yīng)。因而，深入研究其對(duì)環(huán)境要素的響應(yīng)機(jī)制、建立水文應(yīng)用模型，以及探討人類(lèi)活動(dòng)對(duì)

2、其水文過(guò)程的影響，具有重要的理論與實(shí)踐意義。 本研究選擇重慶市金佛山山頂?shù)乃咳獛r溶小流域系統(tǒng)為例，通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查及測(cè)量、利用水文觀測(cè)、水化學(xué)、入滲及示蹤試驗(yàn)等技術(shù)方法，確定泉域的范圍、地下水力結(jié)構(gòu)及地下水流的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上建立泉域的水文概念模型；利用研究區(qū)地形圖，借助地理信息系統(tǒng)軟件及野外試驗(yàn)，獲取建立定量模型所需的特征參數(shù)，基于SWMM(Storm Water ManagementModel)，選取不同強(qiáng)度的降雨進(jìn)行時(shí)間

3、序列的模擬以定量揭示巖溶泉流量變化的內(nèi)在機(jī)制。經(jīng)過(guò)初步研究，得到以下認(rèn)識(shí)： (1)巖溶含水層的特殊性決定了研究技術(shù)方法的特殊性。本研究通過(guò)多組定性及定量示蹤試驗(yàn)及分析，初步確定了流域邊界，表明落水洞與泉口之間存在管道流的地下水力特點(diǎn)，為模型概化和水文模型的建立提供了基礎(chǔ)依據(jù)。 (2)土壤入滲試驗(yàn)表明，由于巖溶含水介質(zhì)的極不均一性及地表土層發(fā)育厚度的巨大差異，入滲速率的空間差異很大，為40～360mm/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了一般土

4、壤的參數(shù)值范圍。本文通過(guò)校正，使得美國(guó)水土保持所SCS(Soil Conservation Service)的徑流曲線(xiàn)數(shù)入滲模型在巖溶區(qū)的應(yīng)用較符合實(shí)際觀測(cè)。 (3)巖溶含水介質(zhì)的不均勻性可以用多個(gè)不同性質(zhì)的子流域等效多孔介質(zhì)含水層來(lái)表達(dá)，以反映巖溶含水層水力特點(diǎn)的空間差異。 (4)SWMM模型可以用于存在管道流的巖溶水文過(guò)程的模擬。通過(guò)選取暴雨和中小強(qiáng)度的降雨的不同時(shí)間序列的水文過(guò)程模擬，結(jié)果表明暴雨時(shí)段用于校正(Ⅰ)和驗(yàn)證(

5、Ⅱ)的模擬誤差為1.7％和6.9％，效率系數(shù)為0.99和0.91；中小強(qiáng)度降雨時(shí)段用于校正(Ⅲ)和驗(yàn)證(Ⅳ)的模擬誤差為3.4％和2.8％，效率系數(shù)為0.88和0.99。其中，暴雨時(shí)段用于驗(yàn)證(Ⅱ)的模擬序列表明，受人類(lèi)活動(dòng)對(duì)下墊面的影響，徑流洪峰被削減滯后，模擬效果較差；中小強(qiáng)度降雨(Ⅲ)因在同一個(gè)月有兩場(chǎng)降雨，而模型只能輸入一個(gè)相同的UH(單位水文)參數(shù)，導(dǎo)致模擬效果較差。 (5)水房泉巖溶水文系統(tǒng)是擴(kuò)散流制約衰減過(guò)程的系統(tǒng)

6、。通過(guò)對(duì)模擬的不同徑流總量占出流總量比例的計(jì)算分析表明，系統(tǒng)存在管道流，但來(lái)自溶隙、孔隙、上部包氣帶表層巖溶泉的地下水入流GWI(Ground Water Inflow)補(bǔ)給占主導(dǎo)；其次為通過(guò)無(wú)明顯入口的落水洞、大裂隙及豎井等滲流補(bǔ)給的直接雨水徑流RDII(Rain Dependent Infiltration &Inflow)和干季入流DWI(Dry Weather Inflow)的補(bǔ)給；來(lái)自有明顯入流的落水洞的地表徑流(Runoff

7、)補(bǔ)給量在總出流中所占比例最少。說(shuō)明水房泉具有較強(qiáng)的自我調(diào)蓄功能。總體來(lái)講，地表徑流(Runoff)和直接雨水補(bǔ)給(RDII)比例在暴雨降雨期間最大，隨著流量衰減，其所占比例下降，而地下水(GWI)和干季入流(DWI)比例隨之增加。中小強(qiáng)度降雨因雨強(qiáng)較小而降雨時(shí)間持久，地表徑流(Runoff)所占比例更小，而地下水(GWI)所占比例較暴雨時(shí)段大。 對(duì)水房泉域不同條件水文過(guò)程的數(shù)值模擬揭示了巖溶水文系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要素的具體反饋機(jī)制，為