研究方向

西南地区的岩溶水资源大部分可以划分到众多具有相对独立性的流域,或者称之为岩溶水文系统,它包括从降雨入渗、产流到包气带水流以及地下水存储、运动、排泄的整个环节,以往研究对这个复杂过程有过多次的描述。岩溶水的降雨补给机制与多孔介质有显著的差异,既有通过土壤覆盖层或者表层岩溶带裂隙的分散渗流补给,也有通过落水洞、溶蚀裂隙的集中径流补给,并且其补给形式随系统初始状态和降雨特征不同而变化。表层岩溶带是岩石表面形成的岩溶强烈发育带,一部分降雨补给被存储在表层岩溶带中,形成了包气带中的滞水,然后以不同的速度和比例通过裂隙、溶蚀裂隙、落水洞等途径进入包气带和管道。一部分通过蒸散作用重新进入大气。当然还有一部分降水以坡面流的形式补给系统。通过不同路径和方式进入系统的岩溶水通过管道流出,以岩溶泉或者地下河的形式排出系统。对于这个复杂过程的模拟有以下几种途径:等效多孔介质模型;双重渗透介质模型;流域水文模型;黑箱模型;水箱模型。

一、等效多孔介质模型

在地下水动力学中,认为连续的多孔介质是均匀的,地下水的流动由水头差和介质的渗透系数控制),但岩溶含水介质非常不均匀,并且由于管道流的存在,导致达西定律不完全适用。有必要将两种水流综合在一起模拟,将岩溶含水系统作为均匀达西介质与管道的组合,管道作为导水系数很大的定水头边界处理,均匀介质渗流补给管道,或者采用管流和明渠水力计算方法计算管道的流量和水头。但是在实际应用中,控制管道流的关键参数如管道的形态和空间分布等的取得就困难的多,给水度、渗透系数等参数尽管通过抽水试验的手段也能取得,但存在时空变化剧烈和尺度效应等问题,导致此类模型多用在理论分析上,仅有少量的应用实例。我国北方及国外一些岩溶大泉,采用等效多孔介质模型,在模拟泉流量和钻孔水位,甚至是溶质运移时取得满意的效果,这是因为北方岩溶含水层相对比较均匀,或者是含水层的空间尺度较大,局部管道流的强导水性在取平均值后被掩盖了。岩溶发育程度高的含水层,因其水位变化强烈,还会出现干涸单元。对于南方管道流很突出的小型岩溶水文系统,等效多孔介质模型应用成功的不多。

二、流域水文模型

采用流域水文模型模拟岩溶水文系统也有很多实例,例如SWMMSWAT等,此种方法利用了岩溶水文系统具有封闭的边界和集中的出口以及河流状的径流方式等特征。但是一方面如前所述管道参数获取难度大,另一方面水文模型对地下水的处理普遍是简单化,不足于反映岩溶水的流动,因此对于岩溶含水介质的模拟需要进行针对性的改进。为了研究人类活动和气候变化对水文单元的影响,将流域水文模型和地下水流模型配合使用,例如SWAT-MODFLOW两种模型耦合模拟流域中河流和地下水的变化,流域水文模型与气象因素联系紧密,对蒸散作用、坡面流、土壤水、回归流的计算具有优势,能弥补地下水模型的缺陷,对于岩溶水文计算非常需要。

三、黑箱模型

在未知系统内部结构的情况下,将灰色系统理论、人工神经网络、传递函数、相关分析、统计等应用于预测泉流量的变化过程,称之为岩溶水文系统的黑箱模型。

四、水箱模型

另一类模型称之为水箱模型在岩溶水文模拟中有广泛的应用。岩溶泉流量衰减过程就可以近似认为符合单一线性水库的衰减方程。更为复杂的水箱模型则包括多个连通的水箱,其结构和相关变量或参数具有明确的物理含义,采用更严密的方程和准确的参数估计方法,能够越来越细致地反映岩溶水运动的过程。例如丫吉模型,是在80年代引进法国岩溶水研究的经验,建立野外试验场,开展大量观测和试验的基础上取得的成果,在当时具有代表性。水箱模型是在质量守恒的基础上建立的,通过建立子系统的平衡方程,其能够计算系统内部各部分的调蓄能力以及系统的补给和输出,对不均匀性强、岩溶水流动复杂的系统模拟有效。

建立模型是认识地下水分布及运动的有效手段,但是好的模型离不开对系统水文地质条件的正确认识,岩溶水文系统的边界条件、补给、排泄方式、含水介质的物理参数等都很复杂,需要综合采用地质调查、洞穴测量、地貌分析、示踪试验、水化学、同位素等多种方法。其中岩溶泉流量衰减分析是认识系统水文地质特征的主要手段。应用建立在均匀裂隙介质与管道组合的概念上的数学模型讨论流量衰减系数的物理意义,模拟结果显示,理论上衰减规律和实际吻合,衰减曲线符合指数函数或者指数定律,衰减系数与裂隙介质物理性质及流域几何参数有关,具有物理意义,可以利用之计算流域面积、导水系数、给水度。