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《中国地质大学》 2014年
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岩溶流域水文模型及应用研究

潘欢迎  
【摘要】:我国是世界上碳酸盐岩分布最广的国家,由此产生了规模不同和形式多样的岩溶地下暗河系统。流域内的岩溶地下暗河和地表水系共同构成的空间区域(包括地表和地下水循环系统)称为岩溶流域。岩溶流域内发育极为丰富的地下水资源,也具有十分复杂的岩溶流域水循环机理。宏观上表现为地表-地下水转化频繁、含水介质空间上明显变异和水流状态多变的特征。因此,岩溶流域内水资源的时空分布极不均匀,增大了水资源开发利用的难度。从理论研究现状看,预测岩溶流域水文过程的成果不多,且精度难以满足实际应用的要求。因此,合理构建岩溶流域水文过程的物理和数学模型,准确评价和预测流域水循环过程,对于开发利用岩溶流域水资源和防治地下工程岩溶水害都具有重要的理论价值与现实意义。湖北恩施蛤蟆颈流域是我国西南地区的典型岩溶流域,其流域面积不足1OOkm2。根据《水利水电工程设计计算规范》(SL 44-2006),按集总式流域水文模型推算的设计洪峰流量是实际洪峰流量的4倍,设计误差远超过了允许的标准,是何原因?经实地岩溶水文地质调查发现,该流域岩溶极为发育,水循环过程十分复杂,已经超出了传统“小流域”水文地质分析的概念模型。以蛤蟆颈流域为例,研究中小型岩溶流域地下水赋存和循环的水文模型,定量评价和预测流域内水资源,对于我国西南地区水资源的合理开发利用和科学管理具有参考价值。蛤蟆颈流域从上游向下游,地貌由峰丛洼地向峰丛谷地过渡,两类地貌分布有不同性质的子流域。峰丛洼地分布一些小的封闭的子流域,它们不发育常年地表水系,主要通过地下暗河沟通。峰丛洼地多为裸露岩溶区,垂向上可划分为三个水文带:皮下带、渗流带和管流带。峰丛谷地主要表现为岩溶坡立谷,区内地形平坦,地表水系发育,并且有部分落水洞、漏斗出露于地表,地表水系和地下暗河共同构成水流通道。此外,也可见覆盖型岩溶,垂向上可划分为四个水文带:覆盖层带、皮下带、渗流带和管流带。由此可见,流域内的岩溶管道由单一分支向树枝状逐渐过渡。区内两次连通试验显示,岩溶管道内的地下水平均流速约1115m/d和1811m/d,其流速远低于一般非岩溶地区的地表水系的流速,可见,暴雨后地表水系和岩溶管道产生的洪峰存在时间差,是该流域设计洪峰流量误差的一个主要原因。根据蛤蟆颈流域构建了独立的产汇流岩溶子流域系统,并通过地下岩溶管道将这些子流域串连成一个完整的地表-地下水系统。为了合理地刻画这一岩溶流域水文系统,基于TOPMODEL模型提出了改进的KARST-TOPMODEL模型(K-T模型),该模型的思路为:通过现有的TOPMODEL模型分析各独立岩溶子流域内的水文过程,然后利用马斯京根汇流模型对所有岩溶子流域系统进行汇流得到总流域出口的水文过程。。利用K-T模型分析了蛤蟆颈流域的岩溶分布式水文模型,并与传统集总式流域水文模型的分析结果对比,验证了K-T模型的可靠性。论文取得了以下研究成果。(1)蛤蟆颈流域总体上可以分为三个支流和108个子流域,三个支流为东支的袁头沟水系、中支的长滩河水系和西支的夹沙溪水系,三支水系均包含地表河段和地下暗河段,并通过岩溶管道流入蛤蟆颈水库。根据斯特拉勒(Strahler)河流分级方法,蛤蟆颈流域可分为54个河源构成的河网结构,其最高河级为5级,流域内水系的量级很高,水系结构复杂。(2)蛤蟆颈流域的峰丛洼地以锥形、蝶形为主。洼地内都发育落水洞,但无地表水系,降雨产流后经落水洞和地下暗河流入主河道。流域内峰丛谷地常堆积一层含水量较高的厚覆盖层,谷地汇集大量大气降水,经覆盖层后通过底部的落水洞或者竖井流入地下暗河。(3)改进后提出的K-T模型考虑了岩溶负地形汇水-蓄水、岩溶地下暗河汇水-输水-蓄水的水文过程。利用2003年~2005年四次典型暴雨过程的水文观测资料对模型的参数进行率定和验证,其精度较之前集总式水文模型有了大幅度的提高。将模拟数据以天为步长,与2003年~2005年的实测数据对比显示,二者拟合较好,精度满足设计要求。(4)K-T模型分析不同频率降雨强度下,蛤蟆颈流域模型的设计洪水过程与实测的洪水过程十分接近,其最大洪峰量较集总式水文模型的计算结果更加接近实测最大洪峰量。(5)模拟2005年7月11日降雨洪水过程显示,岩溶滞洪模块能够很好地反映岩溶洼地滞洪的现象。该洪水过程在白鹤洞暗河入口、长滩河暗河入口和夹沙溪暗河入口顺序地出现滞洪,最大滞洪量分别是69.48万m3、56.39万m3和150.36万m3,模拟结果与研究区的实际观测基本一致。(6)当降雨量较小时,实测洪水过程与K-P模型不考虑滞洪的模型基本一致,呈现出双峰形态。随着降雨量增大,采用K-P模型的岩溶滞洪模块,模拟得到的洪峰形态更扁平,洪水过程持续的时间更长,岩溶流域的削峰调蓄功能更明显。本次研究将水文地质学与水文学的理论与方法相结合,对岩溶流域的复杂水循环过程进行了较全面的描述和表征,主要特色和创新体现为:1)以岩溶动力学理论为指导,开展了岩溶子流域和岩溶水系特征的研究,分析岩溶水水循环特征和渗流、产流机制。然后分析TOPMODEL模型在岩溶流域应用中的优缺点,在TOPMODEL模型的基础上改进构建KARST TOPMODEL模型,并将该模型应用到蛤蟆颈流域。(2)将岩溶水文地质调查与洪水水文调查-监测方法相结合,获得了主要岩溶地下暗河的极限过水能力,并在流域水文模型中增设了滞洪模块,更加真实有效地再现了天然岩溶水系统的削峰滞洪特征,使得模拟过程和实际过程更加接近,岩溶削峰调蓄功能得到显现。
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:P333

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