岩溶槽谷流域地表降水径流过程模拟研究——以重庆青木关岩溶槽谷为例

摘要

岩溶环境固有的脆弱性使其在遭受破坏以后难以恢复，而岩溶地区土地承载力有限，在人口压力下，对自然资源的过度开发以及环境保护意识的淡薄，使岩溶地区又面临水质恶化、水土流失、旱涝频繁等一系列水资源、水环境问题，严重影响到当地人民群众的日常生活以及地方经济的可持续发展。水文模型作为认识、预测水文过程和管理水资源的有效工具与手段，将其应用于岩溶区降水径流研究，可为岩溶区水资源量与水安全研究提供参考，以实现水资源的可持续利用、人与自然的和谐发展。
　　 本研究选择具有典型岩溶槽谷特征的重庆青木关地下河流域作为研究对象，通过野外实地调查，了解研究区的岩溶现象和水文地质情况；借助DEM数据和野外勘察确定流域范围；利用张力入渗仪现场测量土壤入渗能力；利用在线监测仪器实时监测水文、气象数据统计分析流域模拟相关参数；运用HEC-HMS模型，先通过敏感性分析确定模型相关参数的敏感性，再对各参数进行率定，最后模拟了研究区不同类型场降雨径流模拟和长时尺度降雨径流模拟，并作了年降雨径流预测模拟。主要研究结论包括：⑴通过对岩溶槽谷流域不同类型降雨条件下径流特征的研究表明：降雨强度越大，其降雨径流响应也越快，径流系数也越大，洪峰到达时间也越短。其中在中雨与大雨降雨条件下，其降雨径流过程线基本一致，对降雨响应时间较长，且退水过程缓慢，线型相比平缓。而在暴雨条件下，降雨径流过程线陡涨陡落，洪峰时间维持较短，流量变化十分迅速。⑵通过对实测降雨径流数据的分析，确立了该岩溶槽谷区的降雨初期地表截留常数约为1.3-6.5mm，年退水常数为0.94.2。⑶建立的HEC-HMS分布式水文模型中，参数CN值是影响整个降雨径流过程模拟精度的重要参数，对径流量和洪峰流量模拟影响较大。参数CN值的变化率在-20％～20％时，洪峰流量的变化幅度达-13.2％～11.8％，总径流量的变化幅度达-15.8％～13.5％。同时，流域的汇流参数和调蓄参数也影响着流域的径流量与洪峰流量。汇流时间变化率在-20％～20％时，洪峰流量的变化幅度达-5.3％～3.7％，总径流量的变化幅度达-16％～-1.2％；流域调蓄时间的变化率在-20％～20％时，洪峰流量的变化幅度达-3.3％～3.7％，总径流量的变化幅度达-6.3％～0.4％；而当汇流参数变化达到一个临界值时也影响着降雨径流的洪峰到达时间，但洪峰滞时才是影响洪峰到达时间的关键参数。⑷利用不同降雨条件下降雨径流过程模拟与长时间尺度的降雨径流模拟验证模型有效性，其分析结果得出模拟降雨径流过程线与实测降雨径流过程线基本一致。其中两场不同类型降雨径流模拟洪峰流量相对于实际洪峰流量，其误差分别为4.8％、9.8％，总径流量的相对误差分别为1.4％、4.9％。Nash系数分别为0.93、0.81，且二者的相关系数都大于0.9，长时间尺度降雨径流模拟其相关系数也大于0.8，从而说明该模型适用于岩溶槽谷区中雨与大雨条件下的降雨径流模拟。⑸将模型应用于年降雨径流预测模拟研究得出，整个年降雨径流预测模拟从模拟流量曲线上表现为产流变化趋势与降雨变化趋势吻合。模型模拟总径流量为171mm，其降雨径流系数约为22％。