水文地质结构模型

水文地质结构模型（精选11篇）

水文地质结构模型 第1篇

近年来,随着CO2地质储存、废液的深部埋存、地热资源以及深层卤水资源开发等研究进展,深部水文地质学的研究逐渐受到重视[1,2],特别是深部含水层的刻画及水文地质要素对CO2储存的影响[3,4,5]。深部水文地质条件研究是CO2地质储存工程的重要组成部分,涉及储量评价、运移、储存安全性等过程[6],而含水介质的三维结构及其空间显示是深部水文地质条件研究重要内容之一,它很好地显示了关键含水层或弱透水层的分布,可为专题水文地质工作提供科学基础。用于三维地质结构建模的工具软件很多,如GOCAD(Geological Object Com- puter Aided Design)、MineSight、GMS(Groundwater Modeling System)、Petrel等[7,8,9,10,11,12],其中GMS软件因具有良好的图形界面、直接显示水文地质结构三维空间展布形态和空间组合特征,并能进行地下水流和溶质运移的数值模拟,在水文地质领域受到广泛应用[10,13,14,15]。由于地下深部条件复杂,水文地质研究程度比较低,资料难以获取,在研究中可借助地质和油气地质的成果进行深部水文地质条件研究。沉积相是油气地质分析中常用资料,它反映了沉积环境及在该环境中形成的沉积物或沉积岩的综合,控制着储层的空间展布,反映了地层的水力性质,是区分含水岩组的一个重要依据[16]。因此,将地质资料、钻孔数据与沉积相特征结合起来进行含水介质分析,构建水文地质结构模型,显示含水介质的空间展布形态,可为CO2深部咸水层储存容量评价、场地选择以及工程安全性评价等提供基础。

鄂尔多斯盆地是我国第二大沉积盆地,蕴含着丰富的油气资源,多项大型煤化工项目的开展为CO2地质储存提供了直接碳源。其地质条件稳定,沉积厚度大,沉积盖层发育完整,为CO2地质储存工程提供了有利的储存环境,并已开展了深部咸水层CO2注入示范工程[17,18,19,20,21]。本文以鄂尔多斯盆地为研究对象,利用GMS软件及其中的MODFLOW模块,结合沉积相特征分析含水层空间分布特征,构建盆地深部三维水文地质结构模型,重点刻画适宜CO2储存的800~3 500m深度内含水介质的空间展布[22,23,24]。

1研究区地质条件

1.1地质特征

鄂尔多斯盆地位于我国西北地区东部,东经106°20′~ 110°30′,北纬35°~40°30′,面积25万km2,跨陕、甘、宁、晋、内蒙五省,属黄河中游(图1)。盆地位于华北地台西部,中寒武世徐庄期开始在前寒武纪结晶基地上发育沉积盆地,是一个稳定沉降、坳陷迁移、扭动明显的多旋回沉积型克拉通类含能源盆地。盆地构造活动以整体升降运动为主,形成坡度宽、低幅度隆起、低角度平缓单斜地层,总体上呈东部翘起向西部倾斜的区域性斜坡面貌[18,25,26]。根据现今构造形态,结合盆地演化历史,鄂尔多斯盆地划分为伊盟隆起、渭北隆起、西缘逆冲带、晋西挠褶带、天环坳陷和陕北斜坡等六个构造单元(图1)。盆地主要发育周缘断裂和基底断裂,除西缘逆冲带断裂构造比较发育外,其他构造单元均相对比较稳定,CO2地质储存安全性高[27]。

盆地基底由太古界及下元古界变质岩组成,在大地构造制约下,经历了海相-海陆过渡相-陆相的发展过程。研究区沉积厚度巨大,沉积盖层发育比较完整,主要有中上元古界、下古生界海相碳酸盐岩、上古生界- 中生界的滨海相、海陆过渡相和陆相碎屑岩,为CO2地质储存提供了比较有利的储存环境(图2和图3)。

1.2沉积相特征

沉积环境是一个以沉积作用为主的自然地理单元,通常分为大陆环境、过渡环境和海洋环境三大类。沉积相是沉积环境及在该环境中形成沉积物或沉积岩的综合,分析不同沉积环境下沉积物特征及分布规律对预测油气远景和勘探起着重要作用,在石油地质领域受到广泛应用[16,29,30]。沉积环境和沉积相控制着储层的空间展布,并反映地层的水力性质,可作为划分含水层和弱透水层的一个重要依据。

鄂尔多斯盆地主要沉积地层为古生界、中生界和新生界沉积岩系,盆地的构造演化导致不同地层沉积模式存在差异。下古生界主要以海相碳酸盐岩沉积为主;上古生界主要为海陆交互相沉积;中生界主要以河流相、河湖相和湖泊沼泽相沉积为主。晚石炭世太原期,盆地自北往南发育冲积平原相、三角洲相、潮坪-泻湖-障壁岛和浅海陆棚,呈现海陆过渡沉积体系(图4)。早二叠世下石盒子期,研究区进入陆相湖盆演化阶段,从北往南依次出现冲积平原、三角洲平原、三角洲前缘和浅湖四个沉积环境(图5)。晚三叠世延长期,盆地为一大型淡水内陆湖泊,经历了湖盆扩张- 收缩的漫长过程,沉积相分布略呈环带状(图6)。早侏罗世,湖盆发育比较完整,西缘发育河流沼泽相,盆地内发育湖沼相与滨浅湖相,湖盆中心发育小范围浅湖相(图7)。

影响CO2深部咸水层地质储存的关键物性参数有孔隙度和渗透率[32],依据沉积相分区对钻井实测孔隙度和渗透率进行统计(表1)。由表1可以看出,除少数钻井外,随着深度增加,孔隙度和渗透率逐步降低趋势明显。在同期地层中,河流相的孔隙度和渗透率大,三角洲相次之,冲积扇相最小。这与针对沉积模式与生储油岩沉积类型得出河流相储集油气最多, 三角洲相次之,扇三角洲相和冲积扇相最低以及浅水区利于储集岩发育,能量较低相对深度较大的海域或湖区利于生油岩形成的结论相符[16]。由于研究区为整个鄂尔多斯盆地,面积大, 而部分沉积相的分布面积小,因此根据孔隙度、渗透率和沉积相发育规模等对沉积相进行合并,将研究区沉积相类型综合为河流相、三角洲相、冲积扇相、湖泊相、沼泽相、障壁海岸、陆棚沉积和陆地等八类,作为沉积相空间特征分析基础(表2)。

2水文地质结构模型构建

2.1数据来源与处理

(1)本次研究共收集到200余个钻孔地层数据资料,包括各地层的厚度和底界高程;由于钻孔不能控制整个盆地,在钻孔间隔较大的地区、钻孔分布密度小的边界附近以及深大断裂两侧,依据地层产状、出露和地层厚度,补充部分钻孔数据以控制地层的分布(图1)。

(2)研究深度范围内盆地沉积地层自下而上依次为本溪组(C2b)、太原组(C3t)、山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)、上石盒子组(P2sh)、石千峰组(P2s)、三叠系(T)、早侏罗世(J1)、中侏罗世(J2)、早白垩世(K1)、古近系- 新近系(E-N)和第四系(Q)。利用MAPGIS数字化沉积相分布图[17,31],利用GIS中的点区相交分析,为各钻孔附加沉积相属性。

2.2结构模型可视化

利用GMS软件构建三维模型的方法有3种:1利用Bore- hole模块构建;2由TINs直接生成模型;3利用MODFLOW模块构建。MODFLOW模块中的Model Checker工具能够处理地层尖灭和缺失问,避免层交叉现象;通过对模型赋属性可以实现属性的空间展布形态,本次选用GMS中的MODFLOW模块构建模型。

建模过程为:1导入研究区边界文件(GMS能够识别的图形文件,如shp格式),形成模型区域边界;2确定模型剖分网格大小及垂向分层数目;3将各层顶底板高程采用克里金插值法赋到对应MODFLOW模型中;4利用MODFLOW模块对结构模型进行检查,处理层顶、底面交错问题,实现地层尖灭与缺失,建立三维地质结构模型;5导入沉积相分区图,将沉积相标识码作为MODFLOW模型中的某一参数属性(本次采用水平渗透系数,Horizon K)赋入模型;6对显示方式进行设置,选择Horizon K值作为指标来显示不同沉积相的空间展布(图8和图9)。

图8和图9清晰地显示了不同沉积相空间展布形态。从图8可以看出河流相沉积主要分布在研究区西缘,晚三叠世延长期盆地西缘河流相沉积发育,表明延长组地层出露;研究区北部、东南地区地层亦出露。沉积相模型反映了地层尖灭与缺失现象,这与鄂尔多斯盆地地质特征相符[17,28]。从图9可以看出沉积相空间分布与组合关系,研究区沉积相空间分布具有不均匀性,空间变异性强。河流相沉积主要分布在盆地北部,且两侧沉积厚度较大,中间较小;南部地区分布较少。三角洲相沉积主要分布在盆地北部与西南部分地区,北部分布面积广, 沉积厚度较西南部大;陕北斜坡构造单元底部沉积发育。研究区湖泊沉积相广泛发育,上古生界发育的湖泊相泥岩形成区域性封盖层,中生界湖泊相泥岩分布不连续,形成局部盖层;障壁海岸和浅海陆棚沉积主要发生在上古生界本溪期和太原期,研究区底部和西缘地层出露处分布。

沉积相空间展布形态反映了含水介质的空间特征,河流相沉积发育的水下分流河道砂体以及三角洲平原分流河道砂体、 三角洲前缘水下河道砂体等储层,储存物性条件好,适宜于CO2地质储存,是有利的储存区域。研究区上古生界湖泊相泥岩形成区域性盖层,为CO2地质储存提供了有利的封存条件。 根据上古生界储存物性参数,上古生界砂体储层属于低渗、特低渗透致密型储层,CO2注入难度大,储层容量有限,较不适宜CO2地质储存[31,33,34]。沉积相模型显示了研究区适宜CO2储存的关键储盖层空间展布,为CO2深部咸水层储存工程选址以及储存容量评价提供了基础。

3结论

将地质资料、钻井数据和沉积相特征相结合,以沉积相为基础,构建三维水文地质结构模型,克服了传统含水层划分需要大量水文地质参数的缺陷,可用于缺少深部水文地质参数的地区深部水文地质条件分析。

利用GMS软件及其中的MODFLOW模块构建三维水文地质结构模型,能够实现地层尖灭和缺失,避免层交叉现象,准确反映含水介质空间结构,很好地显示了研究区关键储盖层空间展布形态,为鄂尔多斯盆地CO2深部咸水层储存工程选址以及CO2储存容量评价提供了基础。

流域水文模型的发展 第2篇

流域水文模型的发展

本文列出了当今世界上比较流行的15个流域水文模型.对现行概念性集总式流域水文模型的结构和参数的特点进行了评论,指出了这类流域水文模型存在的主要缺陷.对新一代流域水文模型,即分布式流域水文模型,尤其是其中具有物理基础的分布式流域水文模型,进行了较为深入的分析,指出其之所以优于集总式流域水文模型的`主要原因.最后对流域水文模型进一步发展所必须具备的理论和技术条件做了初步讨论.

作 者：芮孝芳 蒋成煜 张金存 RUI Xiao-fang JIANG Cheng-yu ZHANG Jin-cun  作者单位：河海大学,水资源环境学院,江苏,南京,210098 刊 名：水文  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF CHINA HYDROLOGY 年，卷(期)：2006 26(3) 分类号：P338 关键词：水文学   集总式流域水文模型   分布式流域水文模型   发展  

浅析流域常用水文模型 第3篇

1、三水源新安江模型（SXAJ）

新安江模型是一种分布式概念性水文模型，使用蓄满产流的概念，由赵人俊教授领导的研究小组设计的第一个完整的流域水文模型即二水源新安江模型；之后又提出三水源新安江模型，到目前为止已经形成完整的结构，良好的流域水文模型的应用效果，被联合国教科文组织国际推广模式，因此本文只介绍三水源的新安江模型

1.1模型的简介

新安江模型是分布式水文流域模型， 可用于湿润地区与半湿润地区；可简述为“蓄满产流、一个水库、两条曲线、三种水源”；流域蒸发计算模型与三层蒸发、径流计算方法根据存储的概念，产流计算；当流域面积较小，一个集总模型，当面积较大，块模型；根据流域分为自然分水岭分割方法，泰森多边形法等，它将整个流域划分为许多单元流域，为每个单元流域产汇流计算；总径流组成是地面径流、壤中流和地下径流；模型结构如图1.1所示系统的新安江模型结构。

新安江模型结构图（1.1）

1.2模型参数的取用

模型参数是具有物理意义，所以原则上可以定量，通过实测、试验和参考类似流域获得相关参数。

下面就三江源新安江模型的17个参数可参照下表1-1取用。

表1-1

参数分类符号符号含义建 议 取用值取用说明

蒸散发 计算K蒸散发折算系数1用E601观测，值在0.8～1.1之间，常接近1。

WUMM流域上层蓄水容量5～20好的流域约为20mm，差的流域取5～20mm。

WLM流域下层蓄水容量60～90可取60～90mm。

C深层蒸散发系数0.09～0.2湿润地区0.15～0.20，半湿润地区0.09～0.12。

产 流 计 算WM流域平均蓄水量120～150多年均年降雨量大于1000mm、多年均年径流系数大于0.35的流域，其值在120～150mm。

B流域蓄水容量 分布曲线指数0.1～0.5反映流域上蓄水容量分布的不均匀性，对于大多数流域可取0.1～0.5之间的值。

IM不透水层

占全流域面积之比 干旱期降小雨，所产生的小洪水其径流值。天然流域0.01～0.02，市区、沼泽区较大。

水源划分计算SM自由水平均蓄水容量10～50该值与地址结构有关。可取值在10～50mm。

EX自由水分布曲线指数1～2反应分布不均匀程度。可取值在1～2。

KI自由水箱壤中流KI+KG=0.7此两个系数与土层结构、流域面积有关，一般湿润地区可取KI与KG之和为0.7。

KG地下水出流系数

汇流计算CI壤中流线性水库汇流系数0.8～0.95当时段长为1小时时常可取0.8～0.95。

CG地下水线性水库汇流系数0.93～0.995当时段长为1小时时常可取0.93～0.995。

CS马斯京根法河段传播时间 常划分河段使河段传播时间等于时段长。

L马斯京根法流量比重系数0～0.5其值反映洪水波的坦化程度，取值在0～0.5。

X马法参数流量比重因子 X反应坦化，计算时段长反映平移，所以率定参数MP（马法分段演算的河段数）

MP马法参数流量传播时间

1.3模型的适用条件

三水源新安江模型适合湿润半湿润的地区；因为模型不考虑包气带调蓄作用并且水源划分的结构也不尽合理，特别是当地下径流与壤中流所占比例比较大的流域，问题更更加突出。

2、陕北模型（SB）

陕西模型在新安江模型逆向思维的基础上，建立流域水文模型。由赵人俊教授等对陕北黄土高原径流实验站的进行实验进行确立推论，实验建立模型，称为陕北模型。该模型适用于干旱地区或超级渗流主要地区。

2.1模型的简介

陕西模型考虑降雨和下垫面分布的不均匀性，将流域分为若干块单元面积；并将每块单元面积可分为不透水面积和透水面积，并在透水面积扣除蒸散发后，进行计算径流；从不透水面积上降雨扣除的时候不透水面积降雨径流蒸发。该模型适用于干旱或者半干旱地区。模型结构见图陕北模型结构图2.1。

2.2模型参数的取用

陕西模型因为超级渗流模型对降雨强度非常敏感，流域陡坡，洪水随着急剧下降，因此应用这种模型时间通常需2～5 min。参数的取用在现实中有时不是观测值或其代表不好，可以使用测量值或类似经验取得参数，进行模型计算，然后与实测过程相比，使调试优化、基于最小误差原理模型和确定其最优值，下面就陕北模型的主要11个参数可参照下表2-1取用。

表2-1

序号符号符号含义建 议 取用值取用说明

1KC蒸散发能力折算系数 实际计算中该值变化大，需调试确定。

2θm张力水蓄水容量60～80用于计算初始土壤含水量，取60～80mm。

3FB不透水面积占全流域面积的比例 一般取用

nlc202309011433

4f0霍尔顿公式初始下渗能力1.0～2.0一般取用1.0～2.0mm/min。

5fc霍尔顿公式稳定下渗率0.3～0.5一般取用0.3～0.5mm/min。

6k霍尔顿下渗曲线方程系数0.04～0.05一般取用0.04～0.05mm/min。

7B流域水容量-面积 分布曲线方次 根据实际情况采用

8CS地面径流消退系数 根据实际情况采用

9L滞时 根据实际情况采用

10KE马斯京根法演算参数 取用时段长在2～5min。

11XE马斯京根法演算参数 根据实际情况采用

2.3模型的适用条件

模型适用于陕西省黄土高原，该地区的自然地理条件复杂，暴雨在时间和空间分布不均，雨量站和水文网络密度非常稀疏， 干旱地区或是以超产流为主地区。

3.水箱模型

水箱模型也被称为坦克模型，也称为黑箱模型，该模型首先由日本菅原正巳博士提出， 70年代初，坦克模型世界各地广泛应用；水箱模型的过程是通过降雨的降雨径流模型来计算径流过程；该模型应用在中国的南部，效果很好，但是在北方应用程序相对较少，仅为洪水预报方法的补充。

3.1模型的简介

坦克模型属于概念性水文模型，这是复杂的降雨径流过程简单慨化为流域的蓄水与出流关系进行模拟，是概念简单，方便计算， 结构灵活的特点，模型有很强的适应性，是一种间接模型，适合所有类型的流域，各种各样的气候和地形条件。本文只对两层水箱模型进行阐述，应用与一般洪水预报，水箱模型结构图见下图（3-1） 。

3.1模型参数的选用

两层水箱模型的输入通常是一个小时或几个小时的平均降雨和蒸发资料，输出也是对应时段的流域出口断面的流量。计算时段△T的选择可参照表3-1。

表3-1

流域面积（km2）计算时段△T（h）流域面积（km2）计算时段△T（h）

101/620002

251/450003

1001/280004

500 1200006

水箱模型有三类参数，即边孔高度X、边孔出流系数a和下渗孔的出流系数b。由试算法确定。下表3-2根据经验给出一些模型的初值，并与实测过程比较，逐步调整各参数值，使值最优为止。

表3-2

序号符号符号含义建议取用初始值序号符号符号含义建议取用初始值

1a0第一层下渗孔的出流系数0.0001～0.36p流域降水量

2a1第一层出流系数10.005～0.17e流域蒸发折算系数0.15～0.85

3a2第一层出流系数20.05～0.28h1第一层水深1

4b0第二层下渗孔的出流系数0～0.29h2第一层水深2

5b1第二层出流系数 10h3第二层水深

3.3模型的适用条件

坦克模型是一种间接的模拟，没有直接的物理量，但结构简单、弹性好，广泛使用。但对于较大的流域或干旱地区，该模型不能处理流域降雨的不均匀分布，径流变化的区域，土壤水分对降水的影响损失和调节作用，较大的河流和带来较大误差， 但对水文预报是一个很好的补充。

4.结论

本文对三种模型三水源新安江模型（SXAJ）、陕北模型（SB）、两箱水箱模型（Tank）的常用参数初始值的选用、适用条件进行了简单的阐述，希望对使用者能有所帮助。

[参考文献]

[1] 赵人俊.流域水文模拟-新安江模型与陕北模型[M].北京：水利电力出版社，1984.

[2] 包为民.水文预报[M].北京：水利电力出版社，2006.

煤层地质体三维模型和数据结构研究 第4篇

三维数据模型是关于三维空间数据组织的概念和方法,它反映了现实世界中空间实体及实体间的相互联系,是3DGIS、3DGM等领域研究和开发的基础[1,2],目前也是这些领域研究的热点和难点。本文首先分析煤矿三维地质体对象的特征,然后对国内外三维数据模型和数据结构的研究进行研究,最后提出适合煤矿应用的三维数据模型和数据结构,作为煤矿虚拟现实系统构建的基础。

在二维应用中,人们把数据模型分为矢量和栅格两大类。在三维应用中,也可以相应地把三维数据模型分为两类:即基于面(Surface-based)表示的数据模型和基于体(Voxel-based)表示的数据模型[3,4]。

(1)基于面表示的数据模型

基于面表示的数据模型主要用来表达空间对象的边界或“表皮”(Skin)。事实上,构建物体表面的方法已经有30 多年的历史,许多软件都能够进行2.5D表面的可视化。但是用2.5D表面进行3D表达在实际应用中有许多局限。最重要的一点是这种方法在同一点(x,y)处只能有一个z值,而不能表达多z值的问题。然而,单个z值的局限性是相对于表达方法而言的,而不是针对表面本身的。表面可以作为一种包围三维空间的方法用于三维的表达。这可以通过两种途径来实现:一是将几个曲面拼合而封闭成体;另一个是直接在3D空间生成表面。

目前,基于面表示的数据模型主要有:格网模型、边界表达模型、解析模型和不规则三角网模型。

(2)基于体表示的数据模型

基于体表示的数据模型是用体信息代替面信息来描述对象的内部,它将三维空间物体抽象为一系列邻接但不交叉的三维体元的集合,其中体元是最基本的组成单元。根据体元的不同,可以建立起不同的数据模型。常用的有:立方体模型、长方体模型、八叉树模型、结构实体几何、四面体模型等。

(3)两类数据模型的对比

对于煤矿应用来说,由于三维空间对象的复杂性,很难说哪一种数据模型是最好的。因为每一种数据模型都有自己的优缺点和适用范围。下面将从总体上对两类数据模型进行对比(表1)。

由表1 可以看出,基于面的数据模型在表达空间对象的边界、可视化和几何变换等方面具有明显的优势;而采用基于体的数据模型则可以很好地表达空间对象的内部信息,易于进行布尔操作和空间查询。

(4)基于混合结构的三维数据模型

基于混合结构的数据模型是将两种或两种以上的数据模型加以综合,形成一种具有一体化结构的数据模型。它采取一种折衷的方法,减少了栅格和矢量三维数据模型的不足,同时,也降低了他们各自的优越性。比较有代表性的方法有面向对象的三维空间数据模型、基于八叉树和四面体格网的混合模型(Octree + TEN)。

这些数据模型虽然具有各自不同的优点,但它们有一个共同的特点,就是试图为表达复杂的三维空间对象提供一种通用的模型。但由于应用领域的广泛性,这些模型不可能适用于所有领域,或多或少都会存在缺陷[5,6]。正是基于这个原因,本文只着重研究适合煤矿三维地质体应用的三维数据模型和数据结构。

2 煤矿三维地质体对象的三维数据模型

由上述对三维数据模型研究现状的介绍和评述可知,基于面的数据模型和基于体的数据模型具有各自的优缺点,因此使用基于混合结构的三维数据模型来表达复杂的空间对象是一种比较理想的选择。目前基于混合结构三维数据模型的研究虽然取得了一些成果,但仍然无法满足实际的应用需求。其主要问题是这些研究大多致力于为3DGIS提供一种通用的数据模型,而很少有人进行某个专业领域的数据模型研究,从而导致模型难以实现,无法推广和应用。为了避免类似的情况,本文专门针对煤矿三维地质体对象进行研究,结合基于面的数据模型和基于体的数据模型的优点,采用了多层TIN与四面体的混合模型,即用多层TIN表达简单的、规则的、层状的三维地质体,用四面体结构表达一些复杂的、非层状的地质体。采用四面体模型作为复杂地质构造有两方面的理由,一是复杂地质构造不具有层状结构,不宜用表面描述方法。对复杂地质构造采用体划分的方法可以表达复杂地质关系,同时这种分开表达的方法还可以大大的减少体表达的数据量。二是多层TIN容易转化为四面体划分模型,这样就能形成模型一致,逻辑同一的地质体三维模型,满足一些三维属性计算和三维空间分析的需要。

考虑到煤层地质体总体上呈层序分布,可以用多个面来表征地质体,那么在不顾及到断层等特殊构造时每个地层就如同是地表。对于每一个层可以用不规则格网来模拟。由于地层中存在着断层等一些特殊构造,考虑到断面和断层数据大多是由物探及其他手段独立测量或是经过专家知识推断而来的,在计算机处理时,更多地依赖人机交互方式生成符合实际的模型数据和三维模拟数据[7,8,9]。

3 煤矿三维地质体对象的三维数据结构

本文针对煤矿三维地质体对象,设计了基于C++ 语言的点、三角形、钻孔、TIN和地质体的数据结构。

(1)点的数据结构

(2)三角形的数据结构

(3)TIN的数据结构

(4)钻孔点的数据结构

(5)地质体的数据结构

在上述定义的四种数据结构中,需要注意的是三角形的数据结构CTICell中, i Tp Id[3] 和i Pt Id[3] 存储的分别是三角形邻接的三个拓扑三角形和三角形三个顶点的索引号,所以在TIN的数据结构CTi NPrc中,存放构TIN点的数组am Cur Pt中的点所在数组的位置等于该点的标识码,存放生成的三角网中三角形的数组am Cur Cell中的三角形所在数组的位置等于该三角形的标识码。利用上述定义的四种数据结构就能描述由钻孔点生成的地质体。

4 多层TIN模型生成煤矿三维地质体的算法

本研究在上述建立煤层地质体三维数据模型和数据结构的基础上,提出了多层TIN模型生成煤矿三维地质体的算法。

(1)确定研究区域的综合地层顺序

建立研究区域地质体三维模型首先就要确定研究区域的综合地层顺序。区域性地质剖面体是反映勘探区域地质构造的复杂体对象,由表达地层结构及走向的不规则构造体叠置形成,因此区域性地质剖面体的三维建模过程就可分解为对地层的逐一构造过程,最后形成基于地层体域表达的完整三维模型。但是由于受一些地质行业规范的约束,同时也为了建立简洁的推理算法,实际上的构造过程是在三个或更多钻孔之间进行同步分析,各地层同时推演产生的。地层推理应遵从区域整体地层分布规律,因此需要勘探区域的综合分层描述数据作为依据,按序推导。综合分层描述数据反映了一个区域宏观上地层出现的先后规律及分布走向。它规定了地层构造过程中,异常地层尖灭处理的顺序关系,由此保证了推理结果的唯一性。同时对探明地层建立综合分层描述可以事先确定各地层的属性信息,按其要求推理产生的地层基本构造体元可以查询继承这些信息,为对象的属性赋值。二维剖面图的构造原理可用图5 表达。图5 中数字标记是综合分层描述规定地层序号,因此图5 (a)的表达是正确的。图5 (b)中错把地层1 尖灭到地层2 下,违反了综合分层描述中地层排序规则。

(2)对钻孔数据进行三角剖分及三角网的加密

建立三维地质体的多层TIN需要对各个地层进行三角剖分,但是由于各个地层样点位置相同,所以如果不考虑钻孔数据地层缺失的情况,各个地层的三角剖分是相同的。

由于地质钻孔的成本高,实际所能获得的钻孔数据数量有限,因此三角网密度太稀。进行三维地质体的表达和其他计算时这种三角网不能满足需要,必须对三角网进行加密。加密的方法有三种,一种是计算机自动加密,加密点为每个三角形的内切圆心,这种方法简单高效,不需要人工干预,可以根据需要任意加密,同时加密点地层数据也可以用不同的插值算法得到,不足是三角网加密的可靠性受到很大的限制,缺少专业知识控制,地层数据随机性较大;一种是采用人工干预的方法,由人工选定加密采样点,采样点各地层深度和厚度数据既可以由计算机自动插值计算得到,也可以通过专家根据专家知识人工解译得到该采样点各个地层的深度和厚度数据,这种方法专业性很强,专家知识较好地应用到了地质体三维模型,且数据量较小,不足是这种方法效率低,速度慢,不利于大区域的三维地质体建模;第三种是前两种方法的综合,三角网加密通过人工选定加密采样点和计算机自动加密两种手段进行,这种方法考虑到了两种方法的不足和长处。实验中在进行三角网的加密时,考虑到已经形成的初级三角网,采用了三角网的插入算法,并且是在所有加密点都插入后再对三角网进行优化处理,这种处理大大的减少了计算量。

(3)地层三角剖分处理

对钻井数据进行剖分后,就要对各个地层根据钻井三角剖分来进行剖分处理,对各个地层分别进行三角剖分处理的原因是钻井地层数据不总是与研究区域的综合地层顺序一样,可能存在着地层缺失或者地层倒置的情况出现,因此必须对各个地层的钻井缺失进行逐层处理。处理步骤如下:按照研究区域地层综合顺序逐层进行以下处理:把该层生成TIN的点与钻井数据进行比较,若钻井在该层对应的生成TIN的点处存在,则把构TIN点是否是有效点的标志设为True,若钻井在该层对应的生成TIN的点处不存在,则把构TIN点是否是有效点的标志设为False。构TIN点的数据结构如下所示:

然后,遍历步骤(2)中形成三角网的所有三角形。根据三角网中三角形的三个顶点是否是有效点(即is Valid Pt的值)可把三角形分成4 类,如图6 所示(黑点标识有效点,红点标识无效点)。对每个三角形作出处理,若三角形的三个顶点全为有效点或全为无效点则不处理(图6 中的a,d)。其它情况连接有效点和无效点的中点(图6 中的b,c)形成线段EF。遍历完三角网中的所有三角形后,把得到的中点的连线首尾相连就得到了钻井缺失的影响区域多边形。如图7。黑点是钻井位置点,其中加了绿色的黑点(设为E,F点)地层a缺失,用桔红标识的点形成的多边形区域就是地层a的尖灭区域。把尖灭区域多边形的各条边作为特征线,切割步骤(2)中形成的三角网,形成新的三角网。把落在尖灭区域多边形内的三角形处该地层的厚度设为零,经过处理后的三角网就是该地层的三角网。这些橙色点也可以通过加入的地层尖灭线来确定。

(4)地质体的形成

根据最后形成的多层TIN以及地层尖灭线,根据各个地层的上下底板信息,利用Open GL图形库和Visual C++6.0 模拟出地质体。

5 复杂地质构造处理

地质体三维模型的难点是复杂地质构造( 如断层、直立岩层、非层状地质体等) 的表示,这些地质体一个重要特点是非单值层面,不能进行插值。层状地质体和复杂地质构造一体化混合模型的基本思想是以层状地质体表征整个地质体分布状况,将特殊地质构造假想为与层状地质体连续的层状地质体,这种假想层状体只作为特殊构造的位置表示,对于特殊构造采用四面体模型来表示。

在多层TIN模型中对复杂地质构造断层的处理过程:断层上下盘的地层数据存在突变(相当点存在较大的位移),在进行地层面的三角剖分时三角网不能经过断层线,断层线应作为三角形剖分的特征线,如图8 所示其中HBCI是断层的上盘线,HEDI是断层F的下盘线,特征线加入到三角网中的算法这里就不赘述。对各地层TIN做断层特征线处理后,再对各层多边形HBCIDE做三角剖分,以相邻层面的相对三角形为三棱柱的上下表面,连接相应顶点的连线为棱,然后将三棱柱剖分为三个四面体,形成断层带的四面体模型,数据结构如下:

6结论

建立煤矿虚拟现实系统的关键是构建适合煤层地质体的三维数据模型和数据结构,本文首先对煤层地质体的特征以及目前国内外常用的三维数据模型——基于面的数据模型和基于体的数据模型进行了探讨[10];在此基础上系统研究了各种三维地质体的建模方法,提出了一种基于多层TIN生成煤矿地质体的三维数据模型,并设计了相应的数据结构;然后给出了多层TIN生成煤矿三维地质体的算法步骤,同时对复杂地质构造的处理进行了讨论。本研究成果将对煤矿虚拟现实系统的三维数据模型的构建和煤矿虚拟现实系统的开发提供重要的理论依据和技术支撑,为我国煤炭行业信息化建设做出贡献。

摘要：对煤层地质体的特征以及目前国内外常用的三维数据模型——基于面的数据模型和基于体的数据模型进行了研究,并在此基础上提出了一种基于多层TIN生成煤矿地质体的三维数据模型,并设计了其相应的数据结构,给出了多层TIN生成煤矿三维地质体的算法步骤,同时对复杂地质构造的处理进行了讨论。

关键词：煤层地质体,三维,数据模型,数据结构,TIN

参考文献

[1]郭鹏,王超,夏吉祥,等.多层次地下建构筑物三维数据模型与应用[J].地下空间与工程学报,2013,9(2):309-313.

[2]程朋根.地矿三维空间数据模型及相关算法研究[D].武汉大学,2005.

[3]史云飞,张玲玲,李霖.混合3维地籍空间数据模型[J].遥感学报,2013,17(2):320-334.

[4]王润怀.矿山地质对象3维数据模型研究[D].2007,西南交通大学.

[5]文小岳,李光强,王振兴.面向地籍的3维数据模型设计与建立[J].测绘科学,2010,35(5):92-94.

[6]詹长根,齐志国,赵军华.3维地籍的建立分析[J].国土资源科技管理,2006,23(2):79-81.

[7]林亨贵,郭仁忠.3维地籍概念模型的设计研究[J].武汉大学学报(信息科学版),2006,31(7):643-645.

[8]戴婉薇,潘懋,李军,等.三维城市地质空间数据库数据组织及模式研究[J].测绘科学,2009,34(3):203-205.

[9]琚娟,朱合华,李晓军.基于特征约束下的地下空间一体化数据模型研究[J].地下空间与工程学报.2007,3(2):199-203.

基于二元演化模式的流域水文模型 第5篇

基于二元演化模式的流域水文模型

所谓流域水文模型的.本质就是:把流域看成为一个系统,已知其输入,要求其输入.在推算中把系统的状态,即流域上发生的水文过程模拟计算出来.在我们的研究范围内,系统的输入是降雨过程(没有包括融雪、水质.泥沙登),系统的输出是流域出口断面的流量过程,因此所建的是将雨径流流域模型.

作 者：魏宏刚  作者单位：黑龙江省尚志市水务局马延灌区管理站 刊 名：中国科技财富 英文刊名：FORTUNE WORLD 年，卷(期)：2009 “”(4) 分类号：P64 关键词：流域   二元演化模式   水文模型  

水文地质结构模型 第6篇

【关键词】滑坡地质灾害；能量损伤锚固模型；应用

滑坡地质灾害是一种土体位移而造成的灾害，土体位移的原因有自然因素，也有人为因素。一般滑坡地质灾害爆发与气象水文、地形地貌以及地质灾害有关联。滑坡地质灾害的危害性能够阻碍我国社会经济的发展，所以，要把滑坡地质灾害所带来危害降至最低，就需要在滑坡地质灾害的治理上入手进行研究。

1.滑坡地质灾害

1.1形成因素

滑坡地质灾害俗称“走上”、“垮山”、“地滑”、“土溜”等，其成因包括自然因素和人为因素。

1.1.1自然因素

自然因素主要体现在地质构造和降雨量上。地质构造本身土体土质不稳是造成滑坡地质灾害的主要原因，而降雨是造成滑坡地质灾害最直接的原因。降雨将雨水渗透进土体，改变了其土质，增加了土层的重量，使土层变得松散容易位移，从而出现滑坡地质灾害。一些土层在降雨停止后经过阳光的曝晒，使得水分蒸发，土质干燥而开裂，甚至脱层，使土层在受到地心引力的影响下发生位移，滑坡地质灾害也随之出现。

1.1.2人为因素

造成滑坡地质灾害的人为因素主要体现在工程施工造成的土层松散以及人为活动造成的土体脱层。具体表现在：①工程施工对土地进行开发挖掘，使土层松散；②工程设计时为考虑不周全，排水系统未健全；③人为开地耕种使得土层松动，易移位。

1.2规律

滑坡地质灾害发生的时间有一定的规律可循，因为它与地震、温度、气候、以及人类活动有关，一般具有同时性，而有些滑坡现象发生的时间也会在诱发因素作用后，比如：融雪、风暴潮以及暴雨等来袭后，通常不会立即发生滑坡现象，但是会使得土质疏松，为之后的滑坡地质灾害留下了隐患。个人的山地开垦也使滑坡地质灾害具有滞后性，因为个人的山地开垦一般是用作耕种，不会进行大量开垦，通常会选择在坡脚处开挖，坡脚开挖后，因为其影响面积小，所以滑坡现象并不会立马显现，只有在自然因素的影响下，其坡体下滑重力累计到一定的程度，就会导致滑坡地质灾害。

2.能量损伤锚固模型在治理滑坡地质灾害中的应用

2.1建模

所谓建模是模型系统化建立的过程，建模是研究系统的重要手段和前提。所以在滑坡地质灾害治理工程中，工程施工之前，要对能量顺上锚固模型进行建模。通过建模这一步骤掌握施工中可能要用到的所有数据，这对于滑坡地质灾害治理工程成功实施有很大的帮助。滑坡地质灾害中，需要对土层土体进行岩体加锚，采用锚杆结构+削坡+排水+挡土墙的治理方案。确定好治理方案后，再进行治理滑坡地质灾害治理队伍的组建。在岩体加锚中，锚杆要与加固岩体合成损伤岩锚柱单元。在进行治理相关的计算时，把损伤岩锚柱单元的刚度与相应的裂隙岩体的刚度相叠加，就可以显示出锚杆对于围岩变形的制约作用，这样才能确定好能量损伤锚固模型的建立。

2.2治理施工部署

在确定好滑坡地质灾害治理施工隊伍后，要对其滑坡治理工程的顺序进行计划。滑坡地质灾害的治理施工内容主要由锚杆结构、挡土墙、削坡和排水四个部分组成。根据滑坡地质灾害的特点与技术规范要求，再结合治理工程师已有的经验，采取先上后下的施工顺序。

（1）要先做好治理施工前的准备，实现水通、电通、路通和场地平整。

（2）对岩体力学参数等数据测量定位，建立好滑坡监测点，做好定期观测的准备。

（3）除了削坡区域，其他的排水工程要与现有的排水系统相配合，给予修复和改造。

（4）要搭好锚杆的手脚架，然后钻孔和固定灌浆。

（5）挡土墙、滑坡区域内的排水要予以修复和改造。

（6）恢复滑坡面，进行填土、种植等恢复措施。

2.3计算模型选择

对于滑坡坡体边缘进行治理时，可以采用弹塑性损伤结构模型，先模拟出力学变形的特征，模拟出治理时可能出现土层位移问题，再对滑坡的坡体进行系统锚杆。能量损伤锚固模型的作用是能够起到模拟坡体支护的作用。

2.4计算结果

2.4.1优化滑坡地质灾害治理设计方案

能量损伤锚固模型能够在确保质量和安全的前提下，进行滑坡地质灾害的治理，使得滑坡地质灾害治理方案更优化。严格按照设计要求，对整个滑坡地质灾害治理予以控制，对小坡面控制点进行坐标和高程把控，对治理时的坡面平整度严格把关，才能实现优化滑坡地质灾害的目的。许多实例证明，平整度对锚杆的施工起关键作用，且能直接影响到整个治理的结果。在进行锚杆支护的同时，要考虑到对生态环境的影响，在保证不破坏生态环境的前提下，进行锚杆外挂，钢筋混凝土进行菱形格梁，在支护环节完成后，进行填土，种植植被，恢复其原始状态。

2.4.2设计方案应用

在设计与计算的时候，基本上已经就杆单元法和能量损伤锚固法的情况进行了比较，经过对比较结果的研究发现，一般来说，在所有的条件完全一致的情况下，要想保证滑坡坡体边缘的稳定，锚杆长度在杆单元法的设计中要比能量损伤锚固法设计长，而锚杆的数量在杆单元法设计中药比能量损伤锚固法多。在不破坏生态环境，保证其施工安全的前提下，能量损伤锚固模型能够优化设计，使工程施工的成本大大降低。值得注意的是，在进行原有的滑坡治理时，如果发现有与原设计不符的现象，必须要对设计进行修改或补充，等设计完善好以后再进行治理施工。

3.结束语

滑坡地质灾害的治理是一项复杂的工程，其多专业性与多工种性使得在治理过程长。所以，在治理之前，要充分做好计划，使设计和施工能够完美衔接。能量损伤锚固模型在滑坡地质灾害治理施工中起到的作用就在于优化设计方案、加固设计方案，在保证滑坡地质灾害治理不破坏生态环境和保证安全、质量的前提下，缩短工期、降低成本，使得滑坡治理取得了明显经济效益。

【参考文献】

[1]王永，王海棠，楼颂平.浙江地区小型土质滑坡地质灾害特征及防治方法研究—以长兴县泗安镇山门口滑坡为典型[J].科技通报，2012，28（7）.

[2]郑师谊，张绪教，杨艳等.层次分析法在滇西怒江河谷潞江盆地段崩塌与滑坡地质灾害危险性评价中的应用[J].地质通报，2012，31（2）.

水文地质结构模型 第7篇

研究岩体力学行为的手段主要有理论研究、数值模拟、现场试验和地质力学模型模拟试验。借助地质力学模型模拟试验更容易从全局上把握岩体工程整体力学特征、变形趋势和稳定性特点,是解决复杂岩土工程问题的重要手段,因此地质力学模型试验技术深受国内外岩土工程界的重视。在模型试验中,为了模拟较高水平的岩体原生地应力,需要用大吨位的加载系统,为了减小尺寸效应和在模型上能进行模拟开挖,试验模型也要采用较大的相似比,将会导致地质力学模型试验装置主体承载结构尺寸加大,投资增高,主承载结构形式、刚度等还直接影响设备的可操作性、试验精度和费用。

1 地质力学模型试验装置主体承载结构常用形式

在地质力学模型试验中对模型施加的单向载荷往往从几百k N至几万k N,模拟深部岩体的高地应力环境,地质力学模型试验设备的种类有很多,但为了设备使用的安全性,一般以反力架结构进行承载,承载结构与基础之间基本处于隔离状态,对基础没有特别要求。

1. 1 金属六面体承载反力框架

图1 是总参工程兵科研三所研制的YD-A型岩土工程多功能模拟试验装置模型试验设备［1］,承载框架由工字钢和钢板焊接而成,可允许的模型尺寸为1. 6 m×1. 3 m×0. 40 m。框架四角通过螺杆和钢板联接。装置的前、后侧分别等距布置纵控梁,梁的两端用螺栓与承载框架联接。通过测力板手给螺钉施加设定的初始紧固力,并且在试验过程中通过控制各螺钉的外端基本处于同一平面内,来近似地实现模型的准平面应变条件。当进行洞室、洞群、边坡和基坑等模型试验时,被开挖部分的纵控梁可以临时拆掉,局部解除纵向控制。长春机械科学研究院有限公司发明的ZYDL-YS120100 岩体工程物理模拟试验机,也采用了类似的结构,物理模拟试验模型的尺寸最大为2 m×0. 3 m×1. 2 m,加载的面载荷最大0. 25 MPa［2］。

1—承载框架;2—加载单元;3—纵控梁;4—竖向支撑;5—旋转机构;6—斜拉杆;7—减摩措施

图2 是中国矿业大学研制出一种新型真三轴巷道平面模型试验台［3］,主体结构为6 个铸钢框架,通过铸钢加强筋联接块和螺栓组装成整体框架,铸钢框架上有均匀分布的加强筋,保证其有足够的强度和刚性,模型尺寸为1 m×1 m×0. 2 m。

1—侧框架;2—联接块;3—液压枕;4—垫板;5—上框架;6—六角螺栓;7—后框架;8—前框架;9—下框架

金属六面体承载反力框架结构简单,易于制造,但两个方向加载会导致框架的变形,使得两个方向的液压伺服加载互相影响,另外框架直角拐弯处应力集中水平高,为满足承载要求,增加框架梁的刚度和抗剪的能力,必须将框架梁截面尺寸增大,导致材料用量增加和设备尺寸的加大。

1. 2 四柱式反力架

图3 是中国矿业大学、总参工程兵科研三所和黑龙江科技学院合作研制的真三轴软岩非线性力学试验系统［4］,3 个加载方向均采用四柱式反力架( 梁柱组合反力架) 承载,结构对称、简单,3 个方向承载结构互相独立,结构的应力状况简单,其材料用量小于框架式反力架,安全性也比较好。设计计算可以参考四柱式压力机。四柱式反力架承受的偏心载荷的能力有限,为提高使用的安全性,最好使载荷与箱梁中心重合,另外,未经结构加固处理的四柱式反力架不适合加载梯度载荷,用于模拟复杂地应力状态。四柱式反力架立柱和箱梁的加工要求比较高,加工成本比较高。

1. 3 复合结构反力架

图4 是由长春市朝阳试验仪器有限公司和广西大学联合研制的岩石真三轴试验系统,试验系统的承载框架由垂直承载框架和水平承载框架组成,垂直承载框架为整体铸钢件,截面模量大,刚度为9 GN/m,水平承载框架为梁柱组合式浮动框架,可以在导轨上移动,刚度是为4GN/m。该试验系统能实现三个相互垂直方向的独立加载,由于垂直承载框架是高刚性的整体铸钢结构,可以进行单向或双向突然卸载,模拟深部开挖后产生临空面,发生岩爆现象,模拟深部岩体的损伤演化和破裂规律。该装置所用模型尺寸较小,只有0. 2 m×0. 2 m×0. 2 m,但造价要达数百万元。

1. 4 组合结构反力架

山东大学张勇强、李术才等发明了一种结构新颖、刚度大、整体稳定性好、组装灵活方便、尺寸可任意调整组合式三维地质力学模型试验台架装置,克服了国内外大部分试验装置尺寸固定,不能按照试验范围进行灵活调整的缺陷［5－8］。其主要由钢台架体和钢台架底盘两部分组成,其中钢台架体由一元、二元、三元、四元和六元盒式铸钢构件及角件通过高强度螺栓联接组合而成,盒式构件是材质为25 Mn的铸钢件。钢台架底盘由钢板并列拼接而成,整个底盘长4 m、宽2. 5 m、厚0. 08 m。通过底盘高强联接螺栓可将盒式钢台架体与钢底盘在所要求的螺栓槽位固定,形成组合式三维地质力学模型试验台架装置［8］( 图5) ,该类型加载于模型的面载荷一般比较小。

2 新结构型式反力架的应用

大载荷加载、大比例尺的地质力学模型试验中,运用上述结构型式的反力架的尺寸巨大,结构重量动辄数百吨钢材,造价昂贵。中科院力学研究所孟祥跃、李世海等发明了柔性边界加载试验机［9］,试验机承载框架由压力室缸体、立柱、上盖板、下盖板等组成,围压承载构件是一个厚壁圆柱筒体,圆柱筒缸体载荷应力状态简单,能最大限度发挥筒体材料的力学性能,地质力学模型试验装置可以借鉴其承载结构。

2. 1 厚壁圆柱筒体反力架

假设对模型采用液体、气囊或油囊加载,厚壁圆筒反力架可以假设成无限长内压容器,如果采用千斤顶加载,也可以在千斤顶与筒体增设过渡结构,使圆筒反力架可以近似看成是均载内压容器,如果圆筒反力架的内径为a,外径为b,k=b/a,内压为pi,则［10－11］:

1—组合式台架装置;2—液压加载试验台;3—变载荷加载板;4—微型薄千斤顶;5—分油器;6—高压油管;7—钢横梁;8—引线与材料透气孔

图6 给出了环向、径向应力大小沿径向的分布规律,随着壁厚变薄应力趋向于均匀,σθ是拉应力,σr是压应力,壁内任一点的 σθ都大于 σr,σθ、σr最大值均出现在内壁面。从式( 1) 、式( 2) 可知,筒体内壁的环向应力在数值上总是大于内压pi,根据最大主应力理论,σθ、σr中任何一个应力达到材料的弹性极限时,被认为筒体破坏失效,因此有［10－11］:

增强圆筒反力架的承载能力,可以增加壁厚,但导致内壁处应力增大,因此增加壁厚不是经济的方法。为了克服上述缺点,可以采用多层厚壁圆柱壳结构,如图7 所示。该组合结构两个圆筒一般采用热套或压入进行装配,装配前外筒的内径略小于内筒的外径,因此内、外筒体存在预应力,相当于外筒受内压pc、内筒受外压pc。由于采用组合结构,内压pi与pc在筒体壁内产生的应力应该进行叠加,导致环向应力 σθ最大值下降,筒壁内 σθ变化趋缓,内外差值减小。在相同压力条件下,套合圆柱壳可以比单层厚壁壳减轻质量40% ~ 55% 。为在整个筒体长度上得到均匀的套合预应力,需要对套合面进行精确的机械加工,使得热套筒体的工艺复杂,大而长的筒体进行套合较为困难,其制造难度高于单层厚壁壳结构。

2. 2钢带错绕式圆柱筒和钢丝缠绕式圆柱筒反力架

图8 所示的钢带错绕式圆柱筒是将高强度的钢带以一定角度和预拉紧力一层层错绕在内筒上,预拉紧力及错绕层弹性收缩对内筒施加外压,使筒壁中的应力均匀化,从而提高圆筒的强度,目前可以制造内径3 m以内、设计压力在70 MPa以内的钢带错绕式压力容器。钢带错绕式圆柱筒体没有环形大焊缝,错绕层钢带工作时既能承受高压力,又对内筒破坏时起保护作用。因此可以安全地用于大载荷加载模型试验时的反力架。另外,制造钢带错绕式圆柱筒时,机加工工作量少,加工效率高,所用专用设备只有简易绕带机床。钢带错绕式圆柱筒反力架设计时可以借用( GB150-压力容器) ,筒体计算厚度为［10－11］:

式中: p为内壁承受的设计压力,MPa;

Di为内筒内径,mm;

[σ]it、[σ]wt分别为设计温度下的内筒材料、外筒材料的需用应力,MPa;

j为内筒名义厚度与钢带错绕筒体名义厚度之比,数值为1 /8 ~ 1 /4,mm。

3 结语

分布式水文模型EasyDHM模型 第8篇

20世纪70年代,国外开始了分布式水文模型的研究。Freeze和Halran撰写了《一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图》,首次提出了分布式水文物理模型的概念和框架[1],此后,全世界开发了众多分布式水文模型,例如:MIKE SHE、SWAT、HSPF、GBHM、WEP等[2]。分布式水文模型多为商业或部分商业模型,一般较为复杂不易操作,且在实际的水资源管理、洪水管理业务中还存在很多问题,其实际应用范围还很有限。特别是在国内水利行业,分布式水文模型成功应用于实践的案例更少见[3,4]。

为了推进分布式水文模型技术在实际水资源管理与洪水管理中的应用,开发了分布式水文模型Easy DHM(Easy Distributed Hydrological Model)。Easy DHM集成了多种新技术,如:基于DEM的快速建模技术、支持不同时空尺度的快速模拟技术、参数自动识别技术等,力图打造为能够真正服务于实际水管理业务,功能强大而操作简便的易用型分布式水文模型。

Easy DHM支持多种空间结构,其水循环过程模拟核心模型采用模块化和组件式的开发思想,其产流、汇流、蒸发、地下水等模块均支持多种算法,增强了水循环过程模拟的灵活性和扩展性。Easy DHM还能对参数进行自动识别,包括参数敏感性分析模块和参数优化模块。同时,针对分布式水文模型在大流域应用时计算速度低、模型参数率定困难等问题,提出了“计算分区”和“参数分区”概念,提高了分布式水文模型参数识别的自动化程度和模型率定及建模效率,降低了模型参数识别的经验性。Easy DHM还支持不同水管理领域的应用,包括:(1)支持多种时间步长(从h到d)的洪水预报;(2)支持水资源评价方面相关的水文模拟与计算功能;(3)和水资源调配模型的耦合,可以支持流域水资源调配,实现流域2元水循环模拟与调控。

为与Easy DHM模型配套,开发了配套的模型系统。Easy DHM模型系统的开发目标是要建立国内第1个面向实际应用,基于开源软件,集成前处理、模型计算、参数识别、统计分析、结果展示等功能,低成本的分布式水文模型软件系统。分布式水文模型Easy DHM的模型系统是基于开源GIS软件Map Window开发,命名为MWEasy DHM,其软件体系结构如图1所示。

2 Easy DHM模型的前处理

前处理模块是分布式水文模型建模过程中最复杂的部分,包括:(1)基于DEM的水文分析,包括流向、累积数、流长、坡度、模拟河网、出口点水文站的添加等计算工作;(2)各种模型产流参数的推求,包括土壤物理参数、土地利用类型参数、地形指数等;(3)各种模型汇流参数的推求,包括子流域特征参数、河道特征参数等;(4)气象数据空间插值。通过该模型软件的开发,设计新算法或者集成已有算法等,大大提高了模型建模过程中的自动化程度。

2.1 基于DEM的水文分析

基于DEM的水文分析大体上分为3个部分,首先对DEM数据处理,Easy DHM中的DEM数据处理流程如图2所示,待准备好文件后,一键即可完成所有计算,得到模拟河网和各河段出口点等信息;其后,在DEM基础上,添加区域总出入口点和水文站、水库等;最后为模拟区域的空间离散。

Easy DHM中,总出口点从上一步推求的各河段出口点推求,总出口点应能控制整个研究区域。不用人工输入流域出口点,从而大大提高了出口点选择的合理性和准确性。水文站、水库等则通过导入文件形式添加入研究区域底图上。为避免一些不必要的错误,如出入口点、水文站和水库不在模拟河网上,模型提供了合理性检查和自动吸附的功能,即根据设定好的吸附范围阈值,把不在河网上的水文站、水库点自动移动到最近的模拟河网上。

Easy DHM模型采用自主开发的通用子流域划分算法PGSDM(Pfafstetter coding system based General Sub-basin Delineation Method)[5]来完成子流域划分工作。通过对传统Pfafstetter编码[6]的扩展,该算法可以高效、准确地实现对各种复杂流域的子流域划分工作。为增加Easy DHM模型对下垫面的空间描述能力,子流域可以进一步划分为2级计算单元,包括依据高程划分的等高带(EEB,Equal Elevation Band),依据汇流入流域出口点的时间划分的等流带(EFB,Equal Flow interval Band)和根据水文响应机制划分的水文响应单元(HRU,Hydrological Response Unit)等。

为节省工作量,根据Easy DHM模型的水平结构,提出“计算分区”与“参数分区”概念。计算分区是为方便模型计算而设计的。在进行模拟时,可以只对某个计算分区内的计算单元进行模拟,而不用模拟其他计算单元,从而可以大大降低模拟的计算工作量。计算分区按照水文站、水库、流域出口点的单独控制范围进行划分,这样各分区内的产汇流过程较为独立,然而计算分区间必然存在水量交换,下游分区内的水流流入直接为其上游分区的最末端水文站或水库的出流量,因此,在模拟下游计算分区时,应首先模拟其上游相邻计算分区。参数分区则为方便模型参数调整而划分的。在对某个参数分区进行调参时,不改变模型中各类下垫面间参数的相对关系,整体改变该参数分区内所有子流域内计算单元的参数。例如:对某个参数分区内土壤饱和导水系数调参时,通过把模型原来默认的参数组(每个子流域内计算单元1个值)乘以1个修正系数,得到1组新的土壤饱和导水系数。参数分区内各个子流域内部计算单元之间的相对关系仍继续保持,只是其绝对值发生整体变化。

2.2 模型参数推求

分布式水文模型的一个重要特点也是其优势所在就是,模型参数大都具有相应的物理意义,而且可以根据下垫面数据来推求模型参数,正是因为这一点,分布式水文模型才具备适用于无资料地区模拟的基本条件。

Easy DHM的参数推求集成了Wetspa模型的产流参数推求方法[7]和MWSWAT模型系统的汇流参数推求方法[8]。Easy DHM主要根据DEM、流长、河网编码、子流域划分结果等来推求子流域内主河道、支流的汇流参数。而产流参数则根据DEM、土地利用、土壤数据计算每个网格的各种物理参数,然后把它们统计到子流域内计算单元(等高带、等流带或HRU)上。

2.3 气象数据插值模块

E a s y D H M的气象数据展布程序的计算流程如图3所示。该程序集成了多种气象数据展布算法,其中包括:泰森多边形法、距离反比法、K r i g i n g法、考虑高程修正的距离反比法和综合法[8]。另外,在用Easy DHM进行长系列水循环模拟时,长系列气象数据空间插值是非常耗费计算时间的,还经常出现站点增加、减少、缺测等问题。为了解决这个问题,提出了一套子流域面气象要素快速插值的自适应泰森多边形法,该算法会根据站点的缺测情况,自动判读继续采用前一时段的插值权重还是重新计算泰森多边形,大大减少了泰森多边形的计算次数,所以计算效率非常高,同时还保持了泰森多边形法的计算精度。

通过引入Fortran MPI并行技术和C#的多线程技术,实现了对气象数据的快速插值。其中并行计算的思路就是把长系列划分为多个时段,对不同时段的气象数据进行同时并行空间插值,再把各个不同时段的气象数据展布结果合并成1个文件。例如:对1956~2005年的长系列数据,可以分成5个并行计算任务,每个任务单独计算10年,各个任务单独计算完后,再把各自的结果合并为1个结果。

3 Easy DHM模型的基本计算模块

3.1 产流计算模块

为适应不同流域产流特点,Easy DHM模型支持多种产流计算算法:Easy DHM产流模型,Wet Spa产流模型[7],新安江产流模型[1],Hymod产流模型[10]等。其中Easy DHM产流算法是综合SWAT模型[11]、Wet Spa[7]等多种水文模型的特点开发的一种产流算法,也是分布式水文模型Easy DHM模型首选的产流算法。Easy DHM产流模型的概化思路是在垂向上划分了4层:植被冠层、地表层、土壤层和地下水含水层。降雨先进入植被冠层,发生冠层截留,穿过冠层的水分会进入地表层,超渗的水量发生地表填洼,其他水分入渗进入土壤,在土壤中进行分成土壤水分、土壤温度模拟,土壤水渗漏则进入地下水含水层。其中地表填洼形成地表径流,土壤水侧向流出形成壤中流,地下水回归形成地下径流,它们之和即为总径流。植被冠层、地表填洼、土壤水和地下水都会形成蒸发。为扩展模型通用性,Easy DHM产流模型同时还对积雪、冻土等情况进行了模拟。

Easy DHM产流模型的产流参数按是否在参数分区内取值相同分为全局参数和子流域参数,子流域参数虽然在某一参数分区内逐子流域各不相同,但模型调参时采用参数分区整体调参的思想,即设定1个修改系数。

3.2 汇流计算模块

Easy DHM模型根据流域DEM,结合流域实测河网,提取出数字河网,推求出河道长度、纵断面、曼宁糙率系数、底板导水系数等,同时收集到河道纵横断面及河道控制工程数据,即可采用运动波(Kinematic Wave)模型、扩散波(Diffusive Wave)、马斯京干法或变储量法等方法进行河道水流演进计算[1,2]。

Easy DHM模型汇流参数主要体现在河道的形状参数,所有汇流模型都采用同样的河道形状参数,其参数提取方法采用MWSWAT中的算法[8]。同时也按经验设置了一定上下限范围内的修改参数,用户可以根据不同参数分区的特点进行调整。

3.4 洪水预报模块

洪水预报是分布式水文模拟中一个较为独立的应用模块。洪水预报需基于上文提到的基本产汇流模型进行计算。在洪水预报中,模拟精度至关重要,为提高洪水预报精度,独立于基本产汇流模型,设计了指数型退水模型、神经网络模型等经验或黑箱进行计算。同时,洪水预报模块还支持初值管理、洪水实时校正和多模型组合预报。洪水预报中的模型参数初值可视情况自适应更新,以提高模型模拟精度。洪水实时校正模块采用误差自回归校正技术[12],多模型组合预报则支持简单平均法、加权平均法和多模型集成预报法以及修订多模型集成预报法等[13]。

4 模型后处理模块

模型后处理模块主要包括:LH-OAT参数敏感性分析、单目标/多目标模型参数率定、模型结果空间展示与分析等。

4.1 敏感性分析

为了实现Easy DHM模型参数的全局敏感性分析,引入了LH-OAT全局参数敏感性分析算法。LH-OAT算法是Van Griensven[14]等结合LH方法[15]和OAT方法[16]提出的全局参数敏感性分析方法,成功应用于SWAT2005模型中。LH-OAT算法结合了Latin-Hypercube抽样算法的稳健性和OAT算法的精确性,能从所有参数的全部可行空间中根据OAT设计进行精确抽样,每次模型运行输出的变化可以清楚地归结到输入参数的变化,从而保证参数敏感性分析的强壮性及有效性。在LH-OAT抽样中,首先把整个参数空间划分为m层,然后从m个分层中分别抽样m个LH抽样点(包括p个参数的参数集合),然后再从某个LH抽样点中进行p次参数改变、每次只改变1个参数,这样模型共需运行m×(p+1)次。

4.2 参数优化

为实现Easy DHM模型参数自动优化功能,引入了SCE-UA全局参数优化算法。SCE-UA算法是Duan等[17]于1992年结合受控随机搜索的单纯形法[18]、生物竞争进化[19]和种群交叉等方法优点提出的全局参数优化算法。该算法可以一致、有效、快速地搜索水文模型参数全局最优解,SCE-UA算法被认为是连续型流域参数优选最有效方法之一,在流域水文模型参数优选中应用十分广泛[20]。该算法第1步(第0个循环)先运用随机抽样在所有可行参数空间中选择一初始种群。随后,该种群被分割成多个复合体(complex),每个复合体运用单纯形法进行独立进化,复合体之间定期进行交叉形成新的复合体,从而可获得更多信息。

4.3 结果展示

方便的模型结果展示与分析功能大大提高了模型结果分析的效率。MWEasy DHM模型系统可以对Easy DHM模型结果,按照不同的方式来进行展示分析。其中包括表格式、图表式和GIS方式。

5 算例应用

诺敏河是嫩江干流下游上段右岸最大支流,发源于大兴安岭东侧特勒库勒山,由西北向东南流至沙德尔火山后急转向南,在古城子水文站下游水流分为2股汇入嫩江,河流全长466 km,集水面积25 966 km2。洮儿河发源于大兴安岭东麓高岳山下,流域多年平均降雨量400~450 mm,其中6~8月份降雨量占全年的84%~89%。察尔森水库位于嫩江一级支流洮儿河中游。由于诺敏河和洮儿河水文资料相对完善,本次研究则主要针对这个流域进行。

5.1 模型前处理主要结果展示

图4给出了模型模拟区域和其中的雨量及水文站点,上为诺敏河,下为洮儿河。图5和6分别为2个研究流域的子流域及等高带划分结果,图7为相应参数分区划分结果。

5.2 模型模拟结果展示

以洮儿河中的洮南站为例,取模型模拟期为1998年6月1日至1998年10月30日。嫩江流域每年仅这段时间河水解冻可进行水文监测。模拟时段为6 h,模型率定时段也为6 h。采用Easy DHM产流模型和马斯京干汇流模型,直接读入实测蒸发,得到模拟期的索伦站的模拟径流、实测径流及参数优化后的模拟径流如图8所示(横坐标为时段序数,径流量单位为m3/s,降雨量单位为mm,下同)。从图中可知,模型默认参数显然并不合适,对参数进行率定时极有必要的,经过参数优化后,模型模拟效果明显好于默认参数下的运行结果。

5.3 洪水预报结果展示

同样选用洮南站为例,挑选以上模拟期中的1场洪水,1998年7月30日至8月18日。直接选用优化好的参数,采用Easy DHM产流模型,得到的模拟洪水如图9所示。模型模拟精度不是很好,采用其他方式如改变参数等很难提高模拟精度,故采用实时校正技术来校正模拟洪水,如图9所示,校正洪水几乎完全与实测结果相吻合,证明了洪水实时校正的必要性和有效性。

采用组合预报模型,对同一场洪水(同上),采用Easy DHM、Wet Spa、新安江和Hymod模型等4种产流模型进行组合洪水预报,如图10所示。由此可知,组合预报的结果能综合4种产流模型的特点,为4种结果的折中值,模拟效果最好。在实际应用中,也可视情况仅对部分模型进行组合预报,以集中优势模型的优点,避免劣势模型的不足。

6 结论

分布式水文模型Easy DHM集成了水文科学、数值计算、软件科学等多学科的最新技术,具备4大特点:(1)易用性,Easy DHM模型及系统互为一体,共同为一般用户提供一个友好、方便使用的模型计算代码及建模和率定环境;(2)通用性,模型可以适用于各种特点的流域:小流域、大流域甚至超大流域,闭合流域、不闭合流域,超渗产流区、蓄满产流区等;(3)可扩展性,模型采用模块化编程思想,集成多种产汇流计算方式,并可在实践中不断扩展各种新的算法;(4)高效性,模型所特有的空间结构、参数分区/计算分区的划分及参数自动率定方法的引入大大提高了模型的计算效率。

模型在嫩江流域的应用验证则很好的展示了Easy DHM模型的前处理、模型模拟和参数优化的效果。针对专门的洪水预报,Easy DHM模型也能得到精度非常高的模拟结果。

流域水文模型综述 第9篇

关键词：流域水文模型,定义,架构,分类,展望

0 引言

当今社会科学技术发展越来越迅猛, 人们对于数字化的要求也越来越高。水文学作为一门历史悠久的学科也越来越趋向于数字化与定量化。在这样的大背景下, 水文模型则应运而生。水文模型是在防洪与水利工程的实际运用和实践中逐渐发展起来的, 它早期用于实时洪水与实时水位预报中。现在, 水文模型的作用范围更加广泛, 它在防洪减灾、水库调度、生态环境需水、水资源开发利用、道路、城市规划、面源污染评价、人类活动的流域响应等诸多方面起到了不可或缺的重要作用。因此, 水文模型的研究已经成为水文学的热点问题。并且相应于河口水文模型, 山坡水文模型等其他水文模型而言, 流域水文模型的研究更加具有实际意义。

1 定义

根据何长高, 董增川等发表的论文, 流域水文模拟是用数学的方法描述和模拟水文循环的过程, 即将流域概化成一个系统, 根据系统输入条件, 对流域内发生的水文过程进行模拟计算, 求解输出结果。更进一步, 流域水文模型就是用于流域水文模拟的这个系统。

流域水文模型是基于人们对客观世界的长期观测和理解认识所提出能够高度概化现实世界, 并用于预测未来的工具。

2 基本架构

不管是何种流域水文模型, 以机制为基础还是以模式为基础, 流域水文模型都包含着几个必不可少的模型阶段, 即坡面产流阶段, 坡面汇流阶段和河网汇流阶段。

2.1 坡面产流阶段

1933年霍顿提出了超渗产流理论, 相应在国外的产汇流计算中有了超渗产流机制。霍顿提出:当雨强I大于下渗能力fp时, 雨强一部分按照下渗能力fp下渗到土壤当中, 另一部分产生地面径流rs;当雨强I小于下渗能力fp时, 雨强按照其自身的强度全部下渗到土壤当中。在实际的勘测与实践中, 人们发现在植被覆盖良好, 地表疏松的地方即使雨强I小于下渗能力fp, 也会存在地面径流。邓恩在六十年代提出了蓄满产流机制。邓恩认为:土壤在垂直结构上并不是仅有一个层次, 实际上土壤上层是有较大土壤颗粒的淋溶层, 而土壤下层是有较小土壤颗粒的淀积层, 这两层之间存在一个相对不透水层。当雨强I小于下渗能力fp时, 雨强会在相对不透水层上产生饱水带, 随着饱水带厚度逐渐增加直至充满整个上土层, 多余的水量会溢出产生地面径流。超渗产流机制一般适用于包气带较厚, 植被覆盖率较差的地区。而蓄满产流机制则适用于湿润地区。

2.2 坡面汇流阶段

在坡面产流阶段, 有的模型会通过两水源或是三水源划分出各径流成分的径流量, 如新安江模型;另外一些则一开始就计算出了各径流成分的径流量, 如SAC模型。在坡面汇流常用的方法有单位线法和线性水库法。单位线法有两个苛刻的假定, 即倍比假定和叠加假定。由于不能考虑降雨和下垫面的时空分布不均匀, 使得该法推流的较大误差来源就来自于此。单位线推流适用于短历时降雨, 原因在于如果降雨时段增多, 那么对于出流时洪水过程的划分就会相应的增加, 计算过程变得麻烦而且计算结果也会变得不准确。该方法由于测量误差会使单位线后部呈现锯齿形状, 此时应该加入控制条件加以修正。有时净雨时段长与单位线的时段长不一致还要进行单位线的时段转换。单位线法目前已经是发展成熟的坡面汇流方法, 因此被工作单位广泛的使用。在新安江模型中, 地下水的坡面汇流用的一般就是线性水库方法, 实际上地面径流也是可以运用线性水库的。根据不同径流成分的消退系数就可以得到各个径流成分的坡面汇流公式。

2.3 河槽汇流模型

河槽汇流主要有两种方法:一个是水文学方法, 一个是水力学方法。水文学方法主要运用水量平衡方程和槽蓄方程, 另以圣维南方程组的简化形式为辅而得出结果, 该方法的特点是物理概念性较强, 常用的方法有马斯京根法和特征河长法。而水力学方法主要是以圣维南方程组为基础的一系列河道演算方法, 该方法的特点是中间断面的每一个过程都比较清晰, 但是方程只能用数值解表示。水文学方法不适用于流域下游受回水顶托的地方以及河网地区, 但是水力学方法的圣维南方程组却可以在河网地区适用。圣维南方程组是偏微分方程组, 所以要引入差分格式来进行数值解代替解析解的计算。常见的差分格式有蛙跳格式, 中心差分格式等, 其中普利斯曼隐式格式由于其差分的传播误差很小而广泛应用于水力学方法的计算中。

3 分类

按照模型构建有无物理基础来划分, 流域水文模型可以分为物理模型, 概念性模型和黑箱子模型。完全物理化的模型的通用性非常好, 这是水文工作者希望提出的理想化模型。概念性模型就是模型中含有物理意义, 但是又不是完全的遵循物理规律, 需要提出一定的假设条件。现在大多数发展起来的概念性模型有新安江模型, SAC模型, VIC模型等等。黑箱子模型是一种完全没有物理背景的模型, 它的大概模式就是:输入-运行-输出。这样的模型大多数都是随机水文模型, 比如BP人工神经网络模型, 回归模型, 模糊数学模型等等。

按照模型构建的尺度大小可以分为集总式模型和分布式模型。集总式模型把流域当作一个整体来考虑, 统一的进行分析和处理, 它存在一个很大的问题, 那就是忽略了下垫面和降雨的时空分布不均匀性。随着科学技术的日益发展, 学者们提出的分布式水文模型具有更高的精度。分布式水文模型有效地解决了集总式模型忽略下垫面和降雨的时空分布不均匀性, 它把流域划分成满足精度的网格, 并且使用3s技术获取庞大的数据, 使每一个单元网格上都有一个出流过程, 最后再汇集成总的出流过程。分布式水文模型还划分为松散耦合型分布式水文模型和紧密耦合型分布式水文模型。典型的松散耦合型分布式水文模型有新安江模型为基础的分布式模型。典型的紧密耦合型分布式水文模型TOPKAPI模型, SHE模型。

4 展望

4.1 模型尺度

不管是时间尺度还是空间尺度对于模型研究者来说都是难以把握的问题。因为在不同时间尺度或是空间尺度的组合上水文情势如何发生变化是水文工作者无法预知的。另外时间尺度与空间尺度如何耦合也是一个棘手的问题。

4.2 与其他学科的融合

水资源是地球上最庞大的自然资源之一, 水文情势也与大气、土壤、植被等有着密切的联系。因此水文学与其他学科的交叉研究就显得至关重要。

现在广泛研究的问题是气候变化对陆面水文过程的影响, 但这是一个单向耦合过程, 应该有进一步的研究探讨气候对于陆面过程的响应又是如何的。在新安江模型中, 土壤含水量的模拟对于蒸发和产流的计算影响也是很大的, 这说明对于土壤的研究能更好的提高模型预测的精度。在干旱研究中, 归一化植被指数NDVI常作为干旱评估的指标, 这也是学科交叉融合的实例。

综上所述, 水文学与其他学科的交叉融合已经成为了一个新的待研究方向, 其它学科的知识运用到水文中有很大可能出现新的突破。

参考文献

[1]何长高, 董增川, 陈卫宾.流域水文模型研究综述[J].江西水利科技, 2008, 34 (4) :20-25.

[2]傅春, 张强.流域水文模型综述[J].江西科学, 2008, 26 (4) :588-638

流域水文模型发展研究 第10篇

有关水文模型的定义很多, 最好的表达是引入系统的概念。据Diskin和clark产对模型所下的定义:模型是一个复杂系统的简化体现, 那么水文模型就是对复杂水文系统的一种简化体现。具体地说, 水文模型就是用一种特定的表达方式来概化一定的水文系统, 使它能够代表实际的水文系统, 并在一定的目标下代替实际的水文系统。通俗地说, 水文模型就是用数学语言或物理模型对现实水文系统进行刻划或比拟, 并在一定的条件下对水文变量的变化进行模拟和预报。建立水文模型的目的就是能够对一个水文系统的未来变化进行预报。

1 水文模型的分类

水文模型数量很多, 依据不同的分类标准可可将其分为很多。按水体对象的不同, 水文模型可分为: (1) 河流水文模型; (2) 湖泊水文模型; (3) 沼泽水文模型; (4) 冰川水文模型; (5) 水文气象模型; (6) 地下水文模型; (7) 海洋水文模型; (8) 冻土水文模型; (9) 生态水文模型等。

2 国外水文模型研究现状

20世纪以来水资源危机日益突出, 为了适应气候变化和人类活动影响下的水文水资源研究之需, 流域水文循环的模拟已从集总式模型扩展到分布式或者半分布式 (结构/参数) 模型。分布式水文模型的开发不仅需要单元水文物理机制的支撑, 而且需要获得大量的流域空间分布数据信息和相关技术的支持。随着“3S”技术的发展, 水文模拟技术趋向于将水文模型 (包括数学物理模型、概念性模型和系统理论模型) 与数字高程模型 (DEM) 相结合, 同地理信息系统 (GIS) 与遥感 (RS) 集成。

分布式水文模型的建模思路早在20世纪60年代就已.有芽, 但其长足的进步和广泛的研制和应用, 只能在计算机技术、地理信息系统技术、遥感技术、雷达测雨技术和水文理论有了进一步发展的今天。分布式水文模型必将成为21世纪水文学研究的热点课题之一。

国外分布式流域水文模型的研究, 可以认为始于Freeze和Harlan于1969年写的一篇题为《一个具有物理基础的数值模拟的水文响应模型的蓝图》的文章。该文章提出了分布式水文物理模型的基本概念和框架。随后, Hewlet和Torenale在1975年提出了森林流域的变源面积模拟模型 (简称VSAS) 。在该模型中, 地下径流被分层模拟, 在坡面上的地表径流被分块模拟。此后, Englnan和Rogowski提出了一个能够明确说明径流参数空间变化的径流模拟方法, 方法中利用了局部产流面积的概念。即直接根据控制下渗的表层土壤的特性, 认为对径流有贡献的局部产流面积随着时间和空间而变化。产流面积的变化规律则取决于暴雨特性的时空变化和土壤下渗容量的空间分布。通过假设一个滞时参数, 利用运动波理论对产流面积上的径流进行演算。

1979年Bevenh和Kirbby提出了以变源产流为基础的TOPMODEL模型。该模型基于DEM推求地形指数, 并利用地形指数来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响, 模型的参数具有物理意义, 能用于无资料流域的产汇流计算。但TOPMODEL并未考虑降水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响, 因此, 它不是严格意义上的分布式水文模型。

1994年, Jef Amold为美国农业部 (USDA) 农业研发中心 (ARS) 开发了SWAT模型。SW AT模型是一个具有很强物理机制、长时段的流域水文模型。它能够利用GIS和RS提供的空间信息, 模拟复杂大流域中多种不同水文物理过程。模型可采用多种方法将流域离散化 (一般基于DEM) , 能够响应降水、蒸发等气候因素和下垫面因素的空间变化以及人类活动对流域水文循环的影响。

目前, 世界上有200多种流域水文模型, 其中比较著名的有:澳大利亚气象局模型 (C BM) , 法国海外科技研究办公室的模型 (Gira rdi) , 日本国家防灾研究中心的水箱模型 (T A N K-Ⅰ, T A N K-Ⅱ) , 罗马尼亚气象和水文所的洪水预报模型 (IMHZ-SSVP) 等。

目前具有代表性的可用于流域水资源管理的分布式水文模拟模型有TOPMODE L、S W A T、M O D F L O W、M i k e-S H E。由于分布式水文模型用数字高程模型来描述流域地形地貌, 因此, 通常也称基于数字高程模型的分布式水文模型。

分布式水文模型分为概念性、具有物理基础分布式水文模型。概念性分布式水文模型如美国的S A C模型、日本的T A N K模型等。具有物理基础的分布式水文模型可分为以动力学原理为主要基础和以水文学原理为主要基础两种情形。具有物理基础的分式水文模型, 如SHE模型, 水文学原理为主要基础的分布式水文模型, 如DBSIN模型。

3 国内水文模型的发展

国内分布式水文模型的研究起步较晚。20世纪90年代以来, 在国家自然科学基金的支持下, 我国一些学者进行了探索性的研究工作.尽管起步较晚, 但也取得了较大的进展。1995年, 沈小东等在研究降雨时空与下垫面自然地理参数空间分布的不均匀性对径流过程影响的基础上, 提出了一种在GIS支持下的动态分布降雨径流流域模型, 实现了基于栅格DEM的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟。1997年, 黄平等分析了国外一些具有物理基础的分布式属性模型的不足, 提出了流域三维动态水文数值模型的构想。

岩溶地区水文模型综述 第11篇

碳酸盐岩的分 布面积约 占地球表 面面积的20% ,全球约25% 的人口用水与岩溶含水层息息相关[1]。中国也为岩溶大国,碳酸盐岩主要分布于我国西南地区的云南、贵州、广西、重庆、四川、湖南和湖北等7省、市、自治区,总岩溶面积约5. 0×105km2[2],该地区的绝大部分生产和生活用水也主要来源于岩溶水,研究和有效管理该地区的岩溶水资源对改善当地居民的生活水平和促进该地区的经济发展具有重要的意义。

岩溶地区因碳酸盐岩的可溶性,在岩溶含水系统演化过程中裂隙不断扩大且差异性溶蚀现象不断加强,最终导致岩溶含水介质的强烈非均质性。总体上,岩溶含水系统的空隙可分为基质孔隙、裂隙和管道三类,在基质孔隙和裂隙中的地下水流流速较慢,主要为含水系统的储水空间,地下水流一般服从达西定律; 而地下水在管道中的流速较快,地下水流可呈紊流状态,主要为含水系统的主要流动空间,但管道在含水介质中一般仅占其较小的空间,因此,管道储量在含水层中一般较小。岩溶含水系统中含水介质的这些特点造成了含水系统内部渗透性、储水性和补给方式的二元性[3]。除此之外,由于岩溶含水系统上部受到富含CO2雨水的长期溶蚀,含水系统上部往往发育渗透性较高的表层岩溶带[4],该层一方面能临时存储部分地下水,另一方面也会重新分配下部饱和含水层的补给量,部分表层岩溶带水通过包气带入渗补给下部饱和带,也有部分表层岩溶带水以集中补给方式直接补给管道。

岩溶含水系统内部结构的复杂性导致很难完全认识含水系统内部的结构和获取相关的水文地质参数,这也造成了目前岩溶含水系统模拟方式的多样性。目前主要用于岩溶含水系统的模型主要可分为三类: ( 1) 经验模型; ( 2) 概念模型; ( 3) 分布式模型。

1 经验模型

经验模型也可称之为黑箱模型,该模型将整个岩溶含水系统被看做一个黑箱,不用具体考虑岩溶含水层系统内部的结构特征和性质,仅需要岩溶含水系统的输入 ( 降雨) 和输出 ( 泉流量) 数据。输入和输出之间通过核函数建立联系,一般情况下线性核函数被用于建立两者之间的联系[5~7],但是岩溶含水系统更趋近于非线性系统,线性核函数往往很难良好预测泉流量过程尤其是极端条件下的泉流量动态[8],因此部分非线性核函数也被用于模拟岩溶泉流量[7,9]。除此之外,一些智能算法,例如神经网络方法,也被用于模拟岩溶地区泉流量动态,并取得了良好的效果[10]。Jukic' 等也提出采用两个核函数来模拟岩溶泉流量过程[11],一个核函数反映岩溶含水层内快速流 ( quick flow) 对降雨的响应,另一个核函数来反映慢速流 ( slow flow)对降雨的响应,这种模拟方法能良好的改进线性核函数对泉流量后期基流的模拟结果,提高模拟精度。

这种经验模型不需要对含水系统的内部特征和水文过程做详细调查,仅需要降雨数据和泉流量数据,适合用于一些缺乏勘察资料的泉流量模拟。但该模型没有任何物理意义,核函数中的参数也不能反映含水层内部特征,尽管该模型可以一定程度上认识岩溶含水系统的补给范围和岩溶泉的响应时间[6,12],但该模型不能反应含水层系统内部的水文过程,也不能用于评价和管理人类活动对泉流量的影响。

2 概念模型

概念模型也可被称为灰箱或水箱模型,该模型的建立基于对岩溶含水系统内部结构和水文过程的一定认识,将含水系统内部不同的结构或水文过程概化为不同的水箱,然后通过一定的方式连接来模拟岩溶泉流量。

在概念模型中,水箱的出口流量Q假设与水箱内水位H或水箱储量V呈一定的比例关系:

其中,K为水箱系数,n为水箱指数。当n = 1时,水箱流量与水箱内水位或储蓄量呈线性关系; 当n> 1时,该水箱表示无压流的流量过程; 当n < 1时,该水箱表示承压流的流量过程。在三类水箱中,由Maillet ( 1904) 提出的线性水箱 ( n = 1)被广泛用于岩溶含水系统的概念模型建立中[13~15]。

岩溶含水系统概念模型的建立可根据垂直结构相应的划分为土壤水箱、表层岩溶带水箱和饱水带水箱等几部分[13,16],也可根据含水系统内不同的储水空间划分为裂隙水箱和管道水箱,或根据不同的径流过程划分为快速流 ( quick flow) 水箱和慢速流 ( slow flow) 水箱两部分[14],各水箱根据含水系统内径流过程采用并联或串联的方式进行连接。Jukic' 等[16]提出一个较完整的概念模型用于模拟克罗地亚的Jadro泉流量动态,该模型总体上将岩溶含水系统划分为土壤层、表层岩溶带、包气带 - 潜水带三大部分 ( 图1) ,岩溶含水系统接受降雨后,部分水量以蒸发形式 ( 地表蒸发、土壤蒸发、表层岩溶带蒸发) 返回大气,多余水分经表层岩溶带调蓄后以集中或分散补给方式分别补给三个代表不同裂隙调蓄能力的水箱,最终泉流量为三个不同裂隙水箱流量之和。在该概念模型中,表层岩溶带划分为储水水箱 ( Production store) 和调蓄水箱 ( Routing store) 两部分,储水水箱用于反映表层岩溶带蒸发和截流作用,而调蓄水箱用于反映表层岩溶带对降雨量的调蓄和重新分配,当降雨中表层岩溶带储水水箱饱和之后,多余降雨才会以分散或集中补给方式补给其它水箱而影响泉流量。除此之外,作者还在表层岩溶带和包气带 - 潜水带之间加入XIGF,用于代表相邻流域之间可能存在的交换水量。

尽管线性水箱被广泛用于泉流量模拟并取得了较好的模拟结果,但实际的岩溶含水系统更趋近于一个非线性系统,而线性水箱很难反映降雨量和泉流量之间强烈的非线性关系。Jukic'等采用图1的概念模型模拟Jadro泉流量时也将包气带 - 潜水带中第二个裂隙水箱设置为非线性水箱用于反映降雨量与泉流量之间的非线性关系[16]。Arikan等考虑到岩溶含水系统岩溶化强度 ( 渗透率和空隙度) 随深度指数衰减的性质,将水箱系数K考虑为水箱水位( H) 的函数,在两个水箱系数 ( Kmax和Kmin) 之间呈指数衰减[17]。Tritz等采用概念模型模拟Durzon spring也将水箱系数K进行一定的修正,用于反映岩溶含水系统中潜水带上部区域渗透性随该区域含水量变化和地下水径流的迟滞现象[18]。

除了上述传统的概念模型,一些特殊的概念模型也同样被用于岩溶泉流量的模拟,并取得了良好的效果。Bonacci和Bojanic' 利用不同的水箱结构与虹吸管道解释了很多间歇性岩溶泉的流量动态[19]。Barrett和Charbeneau采用4个串联水 箱 ( Onion Creek、Bear Creek、Slaughter Creek、Williamson Creek和Barton Creek) 来模拟Edwards含水层中的Barton泉,每个水箱代表含水层中一条地表河流对含水层地下水的补给[20]。不同于其它概念模型,OnionCreek与Bear Creek水箱之间存在两层径流通道,仅当降雨过程中Onion Creek水箱水位高于某一水位时,两水箱才通过两层径流通道进行水量交换,除此之外,Barton Creek水箱拥有三个逐渐降低的底面积来反映该区域含水层空隙度的变化。Halihan等调查Devil's Icebox岩溶系统时发现该含水层水文过程可能主要受地下河出口前一段虹吸管 的影响[21],因此他采 用水箱/管道模型 ( reservoir/constriction model) 来模拟地下河的流量过程,在该模型中水箱仅具有储水功能。Rozos和Koutsoyiannis提出一个多单元水箱模型[22],该模型将整个含水层划分为多个单元水箱,相邻水箱之间通过管道相连,水箱之间的管道可在承压与非承压之间转换,该模型能够良好地反映岩溶地区管道流特点和局部地下水位的变化。

岩溶含水系统概念模型的建立基于对含水系统结构或水文过程的初步认识,不需要含水层内部的详细结构和水文地质参数,适合于绝大部分岩溶泉流量的模拟。相对于经验模型,概念模型能够提供一定的含水系统内部特点,例如含水系统各部分的调蓄能力、储水量、岩溶含水系统的补给范围及补给方式等[13,14,16,23],一些概念模型还能模拟溶质运移和泉水的水质变化[24,25],因此岩溶含水系统概念模型的建立能够进一步认识含水层内部特点,良好的模拟、预测和管理岩溶含水系统。由于岩溶含水系统强烈的非均质性,一般很难获取含水系统内部的详细信息,概念模型能够很好的弥补这一缺点,具有良好的应用前景。

3 分布式模型

分布式模型基于水文动力学机制来描述和模拟流域内的水文过程,能够良好地反映流域的非均质性和物理水文过程。分布式模型的建立需要详细的水文地质参数数据,这些水文地质参数在多孔介质含水层中易于获得,而极难在非均质性强的岩溶含水系统中获取。除此之外,多孔介质含水层中地下水流一般为达西流,而岩溶含水系统中既存在达西流,在管道中也存在非达西流[1,26],这些特殊条件给岩溶地区分布式模型的建立带来了极大的困难。

根据Teutsch和Sauter[27]以及Kovács ( 2003)[28]的分类方法,目前应用于岩溶地区的分布式模型主要可以分为5类: 裂隙模型 ( DFN) ; 管道模型( DCN) ; 多孔介质模型 ( 包括等效多孔介质模型EPM和双重介质模型DC) ; 等效多孔介质 - 管道模型 ( CDC) ,图2显示了各类模型的具体特点,相对而言,等效多孔介质模型仅需要少量的勘查工作,极易应用于实际岩溶含水系统中,但该模型很难反映岩溶含水系统的非均质性特点,而裂隙模型能很好的刻画岩溶含水系统的非均质性,但需要野外裂隙数据,很难应用于实际含水系统中。

3. 1 裂隙模型

裂隙模型假设岩溶含水系统中岩石基质的渗透性可忽略,仅考虑地下水流在裂隙中的流动,整个岩溶含水系统可被简化为单独的裂隙网络。裂隙模型的建立需要裂隙的宽度、长度、分布密度、走向和相互连接性等详细信息[29~32],这些信息一般很难获取,一般的裂隙网络都利用一些统计信息随机生成[33,34]。在裂隙模型中,地下水在单个裂隙的流动采用立方定律 ( cubic law) 计算,而这一定律只适用于裂隙中的层流[35],因此裂隙模型不能反映岩溶含水层中较大裂隙中的紊流。总体上,裂隙模型能良好地刻画地下水在裂隙中的流动和裂隙含水系统的非均质性,但该模型的建立需要大量的野外裂隙信息,该模型很难应用于实际含水系统。

3. 2 管道模型

管道模型仅考虑岩溶含水系统中地下水在管道中的流动,忽略地下水在裂隙介质和岩石基质 ( 裂隙系统) 中的流动和管道与裂隙系统之间的水量交换,整个含水系统被概化为单独的管道网络。由于忽略了裂隙系统中的地下水径流,该模型仅适合于拥有大量集中补给且以管道流为主导的含水系统。

图 2 应用于岩溶含水系统的 5 类分布式模型及其特点[27]。EPM: 等效多孔介质模型,DC: 双重介质模型,CDC: 等效多孔介质 - 管道模型,DCN: 管道模型,DFN: 裂隙模型Fig. 2 Five distribution models applied in the karst aquifer and their characteristics. EPM: Equivalent Porous Medium model,DC: Double Continuum model,CDC: Combined Discrete-Continuum model,DCN: Discrete Conduit Network model,DFN: Discrete Fracture Network model.

在管道模型中,地下水在管道中的流动可呈层流或紊流状态,取决于地下水流的雷诺系数。当管道流为层流时,一般采用哈根一泊肃叶 ( Hagen-Poiseuille) 公式计算[36],当管道流为紊流时可采用达西 - 威斯巴赫 ( Darcy-Weissbach) 公式、曼宁公式 ( Manning-Strickler )或谢才公 式 ( Chézy formula) 计算 ( 表1 ) 。管道承压时,管道过水断面和半径不变,而当管道非承压时,水力半径被用于取代管道直径用于管道流计算[37],同时过水断面面积也随着管道水位而变化。这种管道模型被一些作者用于管道流主导的岩溶含水系统水文过程的模拟[38,39],但是该模型在管道为非承压时均假设计算步长内的管道流为稳定流,因此很难反映洪水波在管道中的运移过程,而SWMM模型能够很好的模拟该过程。SWMM模型[40]为美国环境保护署开发的一款城市暴雨洪水管理模型,该模型采用圣维南方程模拟管道系统中管道流过程,由于岩溶地区管道系统中的水文过程与城市地区的地下排水系统具有很多的相似性,因此该模型被一些作者引入岩溶含水系统中管道系统的水文模拟[41,42]。

注: A 为管道截面积; Rh为管道水力半径; f,η 和 C 为管道摩擦系数因子;  h / l 为水力梯度

管道流模型能够较真实地反映岩溶含水系统中管道流特点,但该模型模拟结果对岩溶含水系统管道的几何特征 ( 管道长度、宽度) 较敏感[42],因此该模型的建立需要详细的管道系统几何特征信息,仅适合于一些能够详细勘查的管道系统的岩溶泉模拟。由于管道模型忽略了管道与裂隙之间的水量交换,这使得该模型很难用于一些年轻岩溶含水系统的泉流量模拟和岩溶泉的枯季流量。

3. 3 多孔介质模型

多孔介质模型主要被用于第三纪或第四纪松散沉积含水层的地下水数值模拟,在这些含水层中含水介质相对均匀,很少出现局部地区水文地质参数的突变,因此多孔介质模型在这些含水层中能够取得比较好的模拟效果。等效多孔介质模型将整个岩溶含水系统 ( 包括裂隙系统和管道系统) 概化为一个均质的多孔介质含水层,采用达西定律模拟地下水在岩溶含水系统中的运动。这种模型的优点在于不需要含水系统中任何管道方面的数据,如管道的位置、直径、长度等,在岩溶地区比较容易建立,因此被大量用于岩溶含水系统的模拟[43,44]。这种等效多孔介质模型将整个岩溶含水系统均质化,往往不能良好地反映岩溶含水层的高度非均质性,特别是由于岩溶管道存在导致的局部强径流带,该模型往往也不能良好的反映含水层局部区域的地下水流向和流速[45]。因此,这种等效多孔介质模型往往仅能良好的模拟区域尺度上岩溶含水系统的地下水径流特征,而不能良好地反映局部区域的地下水径流特点。

由于等效多孔介质不能良好反映岩溶含水系统的非均质性,Teutsch ( 1991) 提出了双重多孔介质模型[27],地下水在裂隙系统和管道系统中的流动分别采用独立的等效多孔介质模型单独模拟,两个等效多孔介质模型之间每个节点通过流量交换耦合,泉流量为两个模型出口流量的总和。该模型的优点也是不需要含水系统中管道的详细信息,但该模型中的参数没有任何实际意义且仅能通过实测数据调参获取,因此模型的建立需要大量的实测数据。

在等效多孔介质模型中添加部分管道信息也可以在一定程度上反映岩溶地区的非均质性,在模型中管道可用Drain模块或具有高渗透系数的单元代替[46]。这种模型仅需要管道位置的分布,而不需要管道内部的详细信息,能够一定程度上反映岩溶含水系统的非均质性,但该模型不能较好的模拟地下水在管道中的流动以及管道与裂隙之间的水力交换关系。

3. 4 等效多孔介质 - 管道模型

地下水主要在岩溶含水系统裂隙和管道中运动,因此岩溶地区最理想的水文模型为具体的裂隙- 管道模型,但在岩溶地区很难获取含水层裂隙的具体信息 ( 如分布、长度、连通性等) ,而部分管道信息可以通过洞穴探测或示踪试验获取,这也导致了等效多孔介质 - 管道模型的提出。

在等效多孔介质 - 管道模型中,管道系统和裂隙系统采用不同的单元进行模拟,管道单元镶嵌或叠加在裂隙系统单元之中。地下水在裂隙系统中的流速较慢且一般为达西流,因此,岩溶含水系统的裂隙系统被概化为等效多孔介质,当然这种概化也需要一定的条件,Long指出当裂隙系统中的裂隙密度越大,裂隙长度越趋近于常数,裂隙的走向越分散,裂隙系统越趋近于多孔介质[33]。

Kiraly和Morel ( 1976) 第一次提出了一种等效多孔介质 - 管道模型[47],该模型基于有限元法,管道系统采用一维线性单元镶嵌于裂隙系统的三维网格中。由于该模型能良好地反映含水系统的二元结构特点,因此很多作者用该分布式模型探讨了岩溶含水系统内部的一些机制,例如表层岩溶带的作用、泉流量的 退水曲线 特点等[3,48]。Kovács( 2003) 将该模型用于瑞士的Bure岩溶含水系统,采用稳定流模型推测了该含水系统可能的管道分布[28]。在该模型中地下水在管道中的流动仅考虑为层流,采用立方定律计算,而实际含水系统中管道流一般为紊流,这在一定程度上限制了该模型在实际岩溶含水系统中的应用。

Cave模型 ( Carbonate Aquifer Void Evolution )为另一个应 用广泛的 等效多孔 介质 - 管道模型[49,50],该模型采用有限差分法,多孔介质的单元网格为矩形网格。相对于Kiraly和Morel ( 1976)的模型,该模型既能考虑管道中的层流也能考虑紊流,当管道流为紊流时采用达西 - 威斯巴赫计算。由于管道紊流方程与裂隙系统达西流方程的差异,该模型中管道单元叠加于裂隙单元之上,两者之间通过流量边界耦合,流量交换量与裂隙和管道的水头差呈正比[49]。该模型除了能良好地模拟岩溶含水系统的水文过程,还在管道中耦合了碳酸盐岩的水 - 岩相互作用,被大量作者用于模型岩溶系统的演化过程[49,51],随后Birk还在CAVE模型的管道中加入了溶质运移和热传递功能[52,53]。

Shoemaker ( 2008 ) 在CAVE模型的基础上在MODFLOW模型中加入了管道流模块CFP提出了MODFLOW-CFP模型[54],该模型只能用于岩溶含水系统地下水流模拟,模拟方法基本与CAVE模型一致,目前该模型已被成功用于一些岩溶含水系统的模拟,相对于传统的等效多孔介质模型,管道模块的加入能够明显的改善模拟结果[55]。在CAVE模型或MODFLOW-CFP模型中,管道中的水流在每个计算时长内均假设为稳定流。这种假设仅适用于承压管道,而对于非承压管道,管道中水压并非瞬时传递,而类似于地表明渠流,非承压管道中地下水应以洪水波的形式运动,因此,一些作者也提出采用圣维南方程来模拟地下水在承压或非承压管道中的流动[56,57]。

总体上,等效多孔介质 - 管道模型能够良好地反映岩溶含水系统的二元性特点,但是该模型的建立往往需要管道系统的详细信息,例如CAVE和MODFLOW-CFP就需要含水系统中管道分布的位置、长度、直径、表面粗糙系数等,而这种信息在一些岩溶含水系统很难获取,因此该模型目前往往被用于理论上分析岩溶含水系统的水文过程,在实际中的应用相对较少。

综上所述,岩溶地区水文模型的多样性主要因岩溶含水系统的复杂性和岩溶地区实测资料的匮乏造成,本文介绍的各种水文模型的所需数据、特点以及用途见表2。

4 结语与展望

如何选取合适的岩溶水文模型与对模拟区域的认识程度、模型的用途有很大关系。例如当模拟区域岩溶含水系统的水文地质资料和观测资料较少时,易采用黑箱模型或概念模型模拟该岩溶含水系统的水文过程,但当需要通过模型认识、预测和管理岩溶含水系统时应选择概念模型; 若模拟区域内资料较为丰富时,才可选取分布式模型模拟岩溶含水系统的水文过程。分布式模型的选取与含水层类型和用途也存在密切关系,当岩溶含水系统为管道主导的成熟型含水系统时,可适当忽略管道与基质之间的水量交换关系,采用管道模型; 否则应选取等效多孔介质或等效多孔介质 - 管道模型。当模型仅用于区域上水资源管理且不用于后期的溶质运移模拟时,等效多孔介质模型足够达到该目的。

虽然目前岩溶地区的水文模型具有丰富的研究成果,但在很多方面仍需要进一步的研究:

( 1) 虽然黑箱模型和概念模型被广泛用于岩溶地区泉流量模拟,但是目前绝大部分仍采用线性核函数或线性水箱,如何良好的模拟岩溶含水系统的非线性水文过程为以后的研究重点。

( 2) 岩溶地区地下水在裂隙介质和管道中的运动机理研究仍不成熟,例如地下水流在复杂裂隙或管道网络中的流动规律、管道中地下水流层流和紊流的转换、管道中地下水紊流的运动规律等仍需要后期室内实验或野外监测和试验的进一步研究。

( 3) 目前岩溶地区分布式模型虽然能考虑管道与裂隙之间的性质的不同,但大部分模型仍仅考虑含水系统中饱和带中的地下水流,而很少考虑非饱和带内的表层岩溶带在岩溶含水系统中的作用,而该表层岩溶带往往能对岩溶含水系统的水文过程造成重要影响,因此,后期岩溶地区分布式模型中应加入表层岩溶带中地下水流的模拟。

( 4) 岩溶含水系统的复杂性导致实际的含水系统中往往对系统内某一部分 ( 例如管道的分布等)的性质具有详细的监测和勘察资料,而有关其它部分的资料较少,采用黑箱或概念模型与分布式模型相结合的方式可能为解决这一特点的良好方法。

( 5) 在岩溶含水系统中裂隙和管道随机分布,水文地质参数、模型结构具有明显的不确定性,这均会引起模型模拟结果的不确定性,因此岩溶含水系统水文模型的不确定性可能为今后模型的一个重要的研究方向。

摘要：岩溶地区含水系统内部结构的复杂性和实测资料的匮乏,使岩溶含水系统的水文模拟和水资源评价一直为该地区水文研究的重点和难点。本文主要简述了目前广泛用于岩溶地区的三种类型的模型:黑箱模型、概念模型和分布式模型,其中分布式模型又可细分为裂隙模型,管道模型,等效多孔介质模型和等效多孔介质-管道模型,在此基础上分析了各种模型的特点以及优缺点。根据不同模型的特点,如何选择合适的水文模型主要取决于模拟地区含水系统的认识程度和模拟用途有关。最后,本文指出了岩溶水文模型以后研究可能的发展方向。