科研进展

地形对喀斯特水文过程模拟的影响取得研究进展

  

  喀斯特是由具有溶蚀力的水对可溶性岩石进行溶蚀等作用所形成的基岩裸露的石漠化景观。由于岩溶作用,喀斯特流域的土层浅薄且分布不连续,地表植被稀疏,抗干扰能力弱,属于非地带性的脆弱生态带。同时,喀斯特流域与非喀斯特流域的水文过程也存在较大差异。喀斯特流域的产流、汇流过程不仅受到地形起伏、土壤厚度的控制,还受到岩石裂隙的分布、走向、地表落水洞、漏斗和天坑等岩溶地貌的综合影响。由降雨形成的地表水因这些复杂的地形结构而快速向地下渗漏,导致喀斯特地表植物缺乏生长所需的必要水分。

  中国科学院亚热带农业生态研究所徐宪立研究团队基于半分布式半集中式VarKarst水文模型,通过增加“坡地洼地两种水文响应单元”模块、土壤厚度和表层岩溶带厚度随机模拟模块、快速流慢速流模拟模块,构建了适用于模拟中国西南喀斯特流域水文过程的生态水文模型,并应用于西江流域与乌江流域中七个独立流域(图1)。研究通过不同八种方案组合,筛选出适用于喀斯特流域的最佳改进方案,其中八种方案分别为:原VarKarst模型(Original)、仅添加土壤厚度和表层岩溶带厚度随机模拟方案(RSE)、仅添加快速流慢速流模拟方案(FS)、仅添加坡地洼地分离模块(HD)、添加土壤厚度和表层岩溶带厚度随机模拟与快速流慢速流模拟方案(RSE+FS)、添加随机厚度模拟与坡地洼地分离方案(RSE+HD)、添加快速流慢速流与坡地洼地分离方案(FS+HD)、以及添加随机厚度、快速流慢速流与坡地洼地分离方案(RSE+FS+HD。研究结果表明相较于原始的VarKarst模型,RSE+FS+HD方案具有最佳的模拟能力,且七个流域中其校准期与验证期的KGE为0.54至0.89,RMSE为0.34至2.78mm。另外,改进的VarKarst模型在模拟喀斯特流域平均土壤厚度方面也取得较好的效果。在陈旗流域中,改进的VarKarst模型模拟的坡地土壤厚度为426.5mm,而实测的坡地平均土壤厚度为415.17mm。因此,改进的VarKarst模型能为流域内平均土壤与表层岩溶带厚度预测提供重要的参考依据。

  相关研究成果以An Improved Optimization Scheme for Representing Hillslopes and Depressions in Karst Hydrology为题,发表在Water Resources Research上。研究工作得到国家自然科学基金项目(41571130073),亚热带生态所青年创新团队(2017QNCXTD_XXL),重点实验室开放基金(ISA2018302以及中国科学院创新交叉团队项目的支持。

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