基于SWMM模型的岩溶洼地降雨径流转换机制研究——以湖北省宜昌市长阳县大长冲岩溶槽谷为例

岩溶洼地在降雨事件中水文过程转化迅速，但岩溶洼地降雨径流转换机制尚不明确。以湖北省宜昌市长阳县大长冲岩溶槽谷为研究区，基于1∶5万岩溶水文地质调查成果、遥感数据和GIS技术，创新性地将SWMM模型应用于岩溶洼地系统的产汇流过程模拟，量化了子汇水区和研究区的水源转化，并通过对研究区2020年夏季两场降雨事件的产汇流过程进行模拟分析，验证了SWMM模型的适用性。结果表明：SWMM模型适用于岩溶洼地系统的产汇流过程模拟；不透水区面积比例对子汇水区产流的影响较大，洼地在降雨过程中具有蓄水作用；下渗是坡面最主要的水源转化方式，下渗、填洼及作物截留是洼地主要的水源转化方式，而对于研究区整个岩溶洼地系统而言，通过坡面的岩溶裂隙和洼地中的土壤下渗是最主要的水源转化方式；SWMM模型在岩溶洼地系统产汇流过程模拟和初期的水源转化刻画方面比较准确，但对植被截留量和下垫面后期的蒸散发过程的刻画能力不足。     

川东平行岭谷区典型岩溶含水系统中NO3-的存储和运移

为了研究NO3-在岩溶含水系统中的存储和运移规律,对降雨条件下重庆川东平行岭谷区青木关地下河系统的水化学动态进行在线监测和高密度采样测试,结合NO3-的月动态变化,并利用主成分分析方法.结果表明,降雨期间地下河中的NO3-与全Fe、全Mn、Al3+是两组不同来源的元素,在含水系统中表现出不同的地球化学行为.NO3-从地表输入后随土壤水下渗存储于岩溶非饱和带的裂隙、孔隙和溶隙等含水介质中,而全Fe、全Mn、Al3+则是地表受雨水侵蚀的土壤随地表径流通过落水洞、竖井等通道,以集中流的形式灌入地下河造成的.进而将NO3-在岩溶含水系统中的运移过程分为输入存储、快速输出和再输入存储这3个理想的阶段.在外部条件大致相同的情况下,非饱和带的岩溶发育程度是影响降雨期间地下河中NO3-浓度变化的关键因素.降雨条件下存储于非饱和带的NO3-很容易被释放出来,破坏地下水生态环境,严重威胁着当地群众的健康安全.需要加强岩溶生态系统管理工作,改善土地利用方式,科学施肥,有效控制地下水营养成分的地表输入.     

水工隧洞岩溶涌水的水文法计算

在总结数个不同类型水工隧洞岩溶涌水实例的基础上,提出了采用水文参数计算水工隧洞岩溶涌水的新方法,即利用同地区岩溶管道水及中小河流实测得到的最大径流模数,或据常年日暴雨计算得到的径流模数,乘以不同的折减系数来计算隧洞岩溶涌水量。折减系数考虑了岩溶管道与水工隧洞的接触关系、岩溶管道水的补给及出流特征,并提出了相应的经验值。     

考虑空气阻力影响的流域水文过程模拟研究

降雨入渗时,部分空气会被禁锢在土壤中,影响水分下渗。目前分布式水文模型构建过程中,尚未考虑空气阻力对降雨入渗的影响,这制约着模型的适用性。论文基于Green-Ampt模型,引入土壤含水量饱和度系数、土壤导水系数饱和度系数、土壤进气值和土壤进水值4个参数量化空气阻力影响,改进分布式水文模型WEP-L模型。最后,选择清水河流域和柳江流域进行实例研究,检验WEP-L模型的改进效果。结果表明：与传统WEP-L模型相比,改进的WEP-L模型在清水河流域（面积较小）应用时可显著提高流域水文过程模拟精度,尤其是在暴雨洪水期,日径流模拟相对误差由40.57%降低到9.43%,Nash效率系数由-0.24提高到0.57。而在柳江流域（面积较大）应用时,模型改进后模拟效果虽有所改善,但不够显著。     

基于稳定同位素和水化学成分的西南喀斯特流域径流划分

针对喀斯特流域下垫面空间异质性强,地表、地下径流转化复杂的特点,本文选择贵州陈旗实验小流域,根据实地调查流域内水源位置以及同位素、水化学样品的采集,将流域内水源划分为地表水(仅当强降雨时发生)、表层岩溶带水和深层地下水,采用稳定同位素和水化学成分组合方法划分了流域出口径流的水源成分。结果表明:降雨期间,坡面地表径流所占比例较少,小于10%,表层岩溶带所占比例在28%～45%之间,地下径流所占比例在49%～62%之间;降雨过程中表层岩溶带径流比例增大,地下径流比例减少。降雨过后,表层岩溶带径流比例迅速减少、地下径流比例呈现增加趋势;地下径流是无雨期流域出口断面径流的主要组成部分,无雨期地下径流占地下暗河出口径流量68%～88%。     

基于MCMC方法的SWMM模型参数不确定性分析

基于贝叶斯理论,采用马尔科夫链蒙特卡罗法的差分演化自适应Metropolis算法,即MCMC-DREAM算法,对SWMM模型水量参数及输出的不确定性进行了系统分析。研究结果表明:在模型模拟过程中,不透水区面积比率和管道曼宁系数对模型的模拟结果具有较大的影响,不确定性较小,而其他参数不确定性较大,是水量模拟参数不确定性的主要来源。参数不确定性是造成模型输出不确定的主因。径流峰值模拟最容易产生偏差,是模型输出不确定性的主要来源,提高峰值的模拟精度将有效地提高模型整体的模拟效果。     

降雨期间岩溶城镇区地下河水重金属变化特征及来源解析

2014年6月降雨期间对重庆城镇区南山老龙洞流域地下河出口处的流量及Mn、Pb、Cu、As等重金属质量浓度进行观测,研究了流量的变化特征及岩溶水文系统内部结构,探讨了4种重金属对降雨的响应,用主成分分析法和实际测试值来解译降雨期间地下河水的重金属来源.结果表明,地下河流量、Mn、Pb、Cu和As对降雨响应迅速,推断研究区属于一个管道与裂隙组合的岩溶水文系统;非渗透地表产流迅速,其携带的地表污染物质Mn、Pb、Cu通过落水洞、竖井及岩溶天窗进入地下河,使这些污染物质在最大降雨量峰值的6 h后达到最大质量浓度峰值,较流量最大峰值提前到来;城市地表径流、水土流失是老龙洞地下河Mn、Pb、Cu、As的主要来源,洞穴滴水和雨水也会输入一定量的Mn、Pb和As;岩溶区的城镇建设要进行合理规划,完善相关基础设施,做到从源头上防止地下水遭受污染.     

岩溶地下河污染物运移模型对比研究

两区模型（TRM）和暂时存储模型（TSM）为两种常用的岩溶地下河（管道）污染物运移模型,为了更好表征岩溶地下河污染物运移过程,开展模型对比研究.采用两种模型拟合室内管道示踪实验穿透曲线,从概念模型框架、模型优缺点、参数校正过程和物理意义、参数敏感性等方面对比分析两种模型的异同.结果表明,OTIS软件提供TSM的数值解,而CXTFIT软件提供TRM的解析解,但两者均能通过下游不同位置的穿透曲线分段表征地下河不同阶段的污染物运移过程.两种模型的物理意义相近,均可近似描述岩溶地下河中溶质的暂时性存储现象,较好地拟合溶质运移曲线.采用TSM可校正得到暂时存储区的横截面积,但采用TRM只能获得非流动区所占的比例.两种模型中弥散系数和传质/交换系数的敏感度较低,并且弥散系数的变化对穿透曲线拖尾无显著影响.研究结果为岩溶地下河污染物运移模型的选取与应用提供了依据.     

岩溶地区土壤二氧化碳运移的数值模型

基于多孔介质流体动力学与多组分分子扩散理论，以菲克定律为物理模型，结合质量守恒定律，建立岩溶地区土壤CO2运移的数值模型。在确定的边界条件下，模拟土壤CO2的运移过程。模拟结果与实测结果一致，表明数值模型基本正确，为进一步探讨岩溶地区土壤CO2与大气CO2的关系打下了良好的基础。     

AnnAGNPS模型在潋水河流域产水、产沙的模拟评价

日益严重的土壤侵蚀造成了土地退化、水体污染等一系列的环境和生态问题,利用基于过程的数学模型已成为流域土壤侵蚀状况定量评价和控制的有效方法.利用美国农业部开发的流域尺度AnnAGNPS模型,设计了基于地形特征的cell离散方案,在多种地理数据采集和参数化的基础上,对江西兴国潋水河流域1991～2005年的径流、产沙过程进行了分布式计算机模拟.在对产水量进行径流滤波分析的基础上,分别对模型模拟的地表径流和产沙量进行了校正和验证.地表径流模拟结果多年平均相对误差为11.8%,确定性系数R2为0.94,产沙量模拟结果的多年平均相对误差为19.71%,确定性系数R2为0.77.表明AnnAGNPS能较好地模拟潋水流域年、月尺度的地表径流和产沙过程.地下径流模拟结果误差较大,其原因和地下径流模拟模块在潋水流域的适用性有待进一步研究检验.对潋水流域土壤侵蚀定量分析表明,潋水流域的年平均侵蚀模数为1 150.29.t(km2.a)-1,属于轻度侵蚀等级,流域内侵蚀较严重的区域集中分布于居民地附近和公路沿线,其水土流失与人类活动有很大关系.     

永顺隧道岩溶涌水风险性评价及地下水流量衰减过程分析

永顺隧道除进口1 km段为碎屑岩外,其余均为可溶岩段。为明确永顺隧道各路段岩溶涌水的风险级别,通过分析该隧道各路段的气象水文、地层岩性、地质构造等特征,采用隧道岩溶涌水专家评判体系对其不同路段岩溶涌水风险性进行评价,并采用地下水流量衰减的指数衰减理论分析了隧道段DK64+630～DK67+930发育的兰花洞地下暗河系统岩溶水流量的衰减过程。结果表明:永顺隧道DK64+630～DK67+930段为隧道涌水高风险路段,涌水量大于1×10~5 m~3/d,DK56+440～DK57+460段为隧道涌水低风险路段,DK57+460～DK64+630段为隧道涌水中等风险路段,DK67+930～DK68+522.27段为隧道涌水中低风险路段;通过基于GPRS通讯技术的实时在线监测系统得到的降雨量-流量-水位数据,分析了横洞及涨潮湾地区岩溶地下水流量的动态变化特征及其原因,得出兰花洞地下暗河岩溶系统具有双重含水介质的特性,既有大型的岩溶管道或洞穴,又有一般的岩溶裂隙和层间裂隙。该研究成果可为穿越暗河溶洞地区的公路、铁路隧道岩溶涌水的预测预报提供借鉴。     

青木关岩溶槽谷地下水含水层固有脆弱性评价

摘要：岩溶地下水脆弱性评价是基于保护岩溶含水层从而有效地管理和利用地下水提出的有效方法和手段。我国西南岩溶区大多数地区缺少应有的地下水保护带,地下水比较容易受到污染。基于“起源一路径一目标”模型,考虑三个因子：覆盖层（0）、径流特征（c）、降雨条件（P）,对重庆市青木关岩溶槽谷地下水含水层固有脆弱性进行了定量评价。结果...     

基于水动力-力学耦合方法的岩溶塌陷预测

岩溶塌陷是危害性较大的地质灾害之一,预测岩溶塌陷是目前公认的难题。基于Terzaghi固结理论和GMS软件建立了地下水动力学-岩土力学耦合数值模型,并利用该模型对武汉市青菱乡塌陷区的某地块土-岩交界处溶洞塌陷进行了数值模拟分析与预测,分析了地下水位升降及降雨入渗作用对岩溶塌陷的影响。结果表明:地下水位快速升降时,大气降雨加速了土洞破坏,引起地面塌陷的范围最大;孔隙水位、岩溶水位同时下降时,地表沉降的幅度最大。基于地下水流场的力学耦合方法用于典型岩溶工程问题岩溶塌陷的空间预测与定量分析,其预测结果客观可靠,可为同类工程地质问题提供借鉴。     

降雨地表径流水质模拟中SWMM模型水质参数确定

检测城市不同功能区污染物累积和径流样本并结合模拟实验,分析不同污染物累积和冲刷规律,确定SWMM模型在降雨地表径流水质模拟中污染物累积和冲刷参数取值范围,并进行模型验证。研究结果表明,SS、COD、氨氮污染物累积量均随累积时间不断增加,并趋于稳定,其在不同功能区最大累积量C_1取值范围分别为:6.37~12.86、14.03~21.66和8.89~12.88 g/m~2,累积速率常数C_2取值范围分别为:0.055~0.100、0.061~0.085和0.133~0.167。降雨强度较大时,降雨地表径流中污染物浓度较高,但均随降雨历时不断下降,并趋于稳定。SS、COD、氨氮冲刷系数S_1取值范围分别为:0.003~0.005,0.025~0.035和0.01~0.02,冲刷指数S_2取值范围分别为:0.4~0.8,0.8~1.0和0.5~0.8。在确定的取值范围内选取SWMM模型水质参数,对某场降雨地表径流中SS、COD、氨氮污染物浓度变化过程进行模拟,模拟结果与实测数据基本吻合,表明水质参数取值范围适用于SWMM模型降雨地表径流水质模拟。     

岩溶地下河入口洞穴固结土对BTEX吸附-解吸研究

为更好地认识岩溶含水介质与芳香烃BTEX之间的吸附特征,该文在实验室和洞穴条件下研究了岩溶洞穴中的固结土对BTEX的吸附动力学,以及在实验室条件下的吸附-解吸热力学特征。结果表明固结土对BTEX的吸附24 h达到平衡,其动力学过程适合用假二级动力学模型描述(R20.937),2种条件下固结土对苯系物总吸附量基本相等,分别为0.032 1和0.030 4 mg/g;吸附等温线最适合用Henry模型描述,BTEX分配系数介于0.002 7~0.004 5 L/g;苯和甲苯的解吸等温线适合用Henry模型描述,解吸过程存在滞后现象,滞后系数分别为5.93和5.00。     

基于等效渗透系数法修正的多节点井流模型北大核心CSCD

管道是含水层中十分常见的水文地质结构,目前关于含水层中地下水管道流模拟常用的模型有等效渗透系数模型、多节点井流(MNW)模型和管道流(CFP)模型,其中MNW模型和CFP模型被耦合到地下水数值模拟软件MODFLOW中。MNW模型使用有限差分网格渗透系数对管道流进行计算,在数值模拟过程中假设包含管道的含水层网格渗透系数为孔隙介质渗透系数,但其并不能反映管道-含水层网格系统的高渗透性。基于等效渗透系数法对MNW模型进行修正,为了检验修正后MNW模型的模拟效果,以二维砂槽试验数据为例,分别采用CFP模型、原始MNW模型和修正MNW模型对管道周围含水层地下水流场进行了数值模拟,并将模拟流场与实测流场进行了对比分析。结果表明：修正MNW模型与原始MNW模型相比其模拟误差降低了76.14%,且其模拟误差小于CFP模型,说明修正后的MNW模型提升了多节点井流模型对含水层中管道流的模拟效果,更好地体现了现实中管道与含水层的双重介质性,对更加高效而准确地进行含水层中地下水管道流数值模拟具有实际意义。     

降雨径流模型思想及研究进展

根据国内外研究学者文献调研结果,从发展历程上将降雨径流模型思想划分为推理法、单位水文线法、概念性降雨径流模型和基于物理机制的径流模拟等4类,并逐一介绍了其提出背景、建模目的及主要内容和特点。根据国内外最新研究成果,在其他学者提出的分布式水文模型的深入探讨、降水径流污染模型与GIS/RS技术的结合、模型模拟结果的不确定性研究等降雨径流模型发展方向的基础上,指出了基于数据驱动的模型的发展、对水文机理和水流路径的追踪研究、模型专家的多方合作及模型集成研究等也是降雨径流模型发展的重要方向。     

降雨径流过程的非点源污染时空动态分布研究

构建一种基于元胞自动机(CA)的降雨-径流模拟模型,以储水系数增加率、坡度、坡向、土地利用类型和降雨强度作为输入参数,DEM数据作为元胞空间,建立地表径流由高向低流动的转换规则,并将模型与GIS技术集成,得到不同时刻栅格上的径流深和流量。在此基础上建立污染物浓度与流量、降雨强度和累积降雨量的回归模型,得到不同时空的污染物浓度变化情况。以汉江中下游流域为例,模拟发现河流或湖泊的栅格点往往在单次降雨过程中的径流较深;同时,降雨流量的大小与地形坡度相关性明显,在坡度较大的区域降雨流量也较大。以汉阳单场降雨为例,构建污染物影响机制,并将其推广到汉江中下游,得到整个汉江中下游的污染物分布情况。结果表明,在降雨初期污染物的浓度随机性很大,同时土地利用类型对污染物浓度的影响也较大。     

喀斯特山体表层岩溶带水文地质特征分析——以陈旗小流域为例

表层岩溶带是喀斯特地区水分重要的赋存与运移空阔,是水文过程的重要控制因素,研究喀斯特山体表层岩溶带水文地质特征,对喀斯特地区水循环及生态环境保护研究具有重要意义.选取贵州瞢定县陈旗流域为研究区,通过野外调查、探地雷达探测以及渗透系数愿位测定,分析了表层岩溶带水文地质特征及其对喀斯特地区降雨径流形成的影响.结果表明:表层...     

城市降雨径流污染模拟的水质参数局部灵敏度分析

在城市降雨径流污染模拟研究中,参数灵敏度分析是进行模型率定和验证的必要研究环节,同时也是理解非点源污染产生和变化过程及进行城市降雨径流污染管理的重要参考.运用修正的摩尔斯分类筛选法(Morris screening method)对暴雨管理模型(Storm Water Management Model,简称SWMM)的水质参数进行局部灵敏度分析.研究结果显示,占区域比例较大的不透水地表的累积和冲刷参数灵敏度较高;在强降雨过程中,降雨中污染物浓度的灵敏度较高.研究表明,对占区域比例较大的不透水地表的累积和冲刷参数进行仔细识别,对于非点源污染模型的验证具有重要意义;强降雨时雨水本底浓度的测量误差会影响降雨径流污染模拟的准确度.