基于改進(jìn)新安江模型的平治河流域洪水預(yù)報(bào)應(yīng)用研究一、緒論1.1研究背景與意義1.1.1研究背景洪水作為一種常見且極具破壞力的自然災(zāi)害，始終威脅著人類的生存與發(fā)展。近年來，受全球氣候變化以及人類活動(dòng)的雙重影響，洪水災(zāi)害呈現(xiàn)出愈發(fā)頻繁的態(tài)勢，給社會經(jīng)濟(jì)造成了巨大的損失。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，洪水會淹沒大量農(nóng)田，致使農(nóng)作物被浸泡、沖毀，嚴(yán)重影響當(dāng)季收成。例如，水稻、小麥等糧食作物在遭受長時(shí)間水淹后，根系缺氧，極易爛根死亡，直接導(dǎo)致產(chǎn)量銳減。同時(shí)，洪水還會破壞農(nóng)田的基礎(chǔ)設(shè)施，如灌溉渠道、排水系統(tǒng)等，對后續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而引發(fā)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)減少、價(jià)格上漲，農(nóng)民收入降低等連鎖反應(yīng)。在工業(yè)方面，洪水可能會淹沒工廠，損壞生產(chǎn)設(shè)備和原材料，導(dǎo)致企業(yè)停產(chǎn)或減產(chǎn)。比如一些位于低洼地區(qū)的制造業(yè)工廠，在洪澇來襲時(shí)，大量設(shè)備被水浸泡，維修和更換設(shè)備不僅耗費(fèi)大量時(shí)間，還需要投入巨額資金。此外，交通受阻會影響原材料的運(yùn)輸和產(chǎn)品的配送，使得企業(yè)供應(yīng)鏈斷裂，生產(chǎn)運(yùn)營陷入困境。交通運(yùn)輸業(yè)在洪澇災(zāi)害期間同樣面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，道路被淹沒、橋梁被沖垮，導(dǎo)致公路運(yùn)輸中斷；鐵路運(yùn)輸因鐵軌被水浸泡、路基受損等原因也會受到影響；水路運(yùn)輸則會因港口被淹沒、航道被堵塞而受限。這不僅阻礙了人員和物資的正常流動(dòng)，還大幅增加了物流成本。洪水預(yù)報(bào)作為防洪減災(zāi)體系的重要組成部分，能夠提前預(yù)測洪水的發(fā)生時(shí)間、洪峰流量以及洪水過程，為防洪決策提供科學(xué)依據(jù)，從而有效減少洪水災(zāi)害帶來的損失。準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)可以讓防汛部門及時(shí)采取諸如加固堤壩、開啟泄洪閘、組織群眾轉(zhuǎn)移等措施，最大程度保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。例如，在某場強(qiáng)降雨過程中，自動(dòng)雨量監(jiān)測站實(shí)時(shí)監(jiān)測到降雨量遠(yuǎn)超預(yù)期，相關(guān)部門依據(jù)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警信息，提前疏散了下游低洼地區(qū)的居民，成功避免了人員傷亡，有效應(yīng)對了洪水災(zāi)害。平治河流域位于我國西南地區(qū)，是典型的巖溶流域。該流域地形地貌復(fù)雜，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地下暗河系統(tǒng)眾多，地表、地下水系相互轉(zhuǎn)化頻繁，這種獨(dú)特的水文地質(zhì)條件使得水資源賦存及循環(huán)極為復(fù)雜。在這類地區(qū)開展洪水預(yù)報(bào)工作，需要充分考慮其特有的三水轉(zhuǎn)化關(guān)系及徑流形成規(guī)律。然而，目前針對平治河流域的洪水預(yù)報(bào)研究仍存在諸多不足，如對巖溶地區(qū)獨(dú)特水文過程的認(rèn)識不夠深入，現(xiàn)有的水文模型難以準(zhǔn)確模擬該流域的降雨徑流過程等。因此，開展平治河流域洪水預(yù)報(bào)應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和緊迫性。1.1.2研究意義本研究對于保障平治河流域人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有至關(guān)重要的作用。通過構(gòu)建精準(zhǔn)的洪水預(yù)報(bào)模型，能夠提前準(zhǔn)確地預(yù)測洪水的發(fā)生，使當(dāng)?shù)鼐用窈拖嚓P(guān)部門有足夠的時(shí)間采取有效的防范措施，如提前轉(zhuǎn)移人員和財(cái)產(chǎn)、加固防洪設(shè)施等，從而最大程度地減少洪水造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。例如，在洪水來臨前，及時(shí)組織低洼地區(qū)居民轉(zhuǎn)移，避免人員被困和傷亡；對重要財(cái)產(chǎn)進(jìn)行妥善安置，降低財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)。在支持流域水資源管理和防洪決策方面，本研究成果也具有不可忽視的價(jià)值。準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)信息有助于水資源管理部門合理調(diào)配水資源，在洪水期科學(xué)地進(jìn)行水庫調(diào)度、河道行洪等操作，實(shí)現(xiàn)防洪與興利的有機(jī)結(jié)合。例如，根據(jù)洪水預(yù)報(bào)結(jié)果，合理調(diào)整水庫蓄水量，在保證防洪安全的前提下，充分利用洪水資源，為農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水等提供保障；在防洪決策過程中，為防汛指揮部門提供科學(xué)依據(jù)，使其能夠制定更加合理、有效的防洪方案，提高防洪工作的針對性和有效性。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1水文模型發(fā)展歷程水文模型的發(fā)展是一個(gè)不斷演進(jìn)的過程，其起源可追溯到早期人類對水文現(xiàn)象的初步認(rèn)識與探索。在水文學(xué)發(fā)展的早期階段，人們主要通過對觀測到的降雨和徑流資料進(jìn)行分析，建立起簡單的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，以此來描述水文過程，這些模型雖然簡單易懂，但在精度方面存在較大局限性，難以全面考慮復(fù)雜自然條件和人類活動(dòng)對水文循環(huán)的綜合影響。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的興起，水文模型迎來了重大變革，開始朝著精細(xì)化、復(fù)雜化的方向發(fā)展?，F(xiàn)代水文模型通常采用數(shù)值模擬方法，將流域細(xì)致地劃分為不同的網(wǎng)格單元，針對每個(gè)單元賦予特定的地形、土壤類型、植被覆蓋等參數(shù)，通過求解一系列偏微分方程，實(shí)現(xiàn)對每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)水文過程的精確模擬，進(jìn)而得出整個(gè)流域的水文響應(yīng)。這一階段的模型在考慮自然條件和人類活動(dòng)對水文循環(huán)的影響方面更加全面和深入。例如，能夠模擬不同土地利用類型對徑流產(chǎn)生的差異化影響，分析不同植被覆蓋對蒸發(fā)過程的控制作用，以及評估氣候變化對水文循環(huán)的動(dòng)態(tài)影響等。此外，現(xiàn)代水文模型還充分考慮了非線性效應(yīng)和不確定性因素，有效提高了模型的預(yù)測精度和可靠性。在發(fā)展過程中，流量生產(chǎn)模型不斷改進(jìn)。土壤水分遷移模型從最初僅考慮少量要素的簡單模型，逐步發(fā)展為涵蓋多個(gè)要素的復(fù)雜模型，從以簡單水量平衡為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅芩胶鉃榛A(chǔ)的動(dòng)力學(xué)模型，并且從基于單點(diǎn)試驗(yàn)的簡單模型，進(jìn)化為應(yīng)用遙感等新技術(shù)的分布式模型。坡面過程模擬從早期主要應(yīng)用Horton模型，逐漸發(fā)展到綜合考慮森林對水文過程的影響，再到深入研究坡面流、壤中流和地下水之間的相互作用，以及土壤勢在各種土壤空隙下的變化，當(dāng)前更將土壤動(dòng)力模式與植被截留緊密聯(lián)系起來。在面降水量計(jì)算方面，傳統(tǒng)的算術(shù)平均法、泰森多邊形法等計(jì)算方法存在人為武斷的缺陷，影響了計(jì)算精度，而降雨雷達(dá)的應(yīng)用在一定程度上提高了面降水量的計(jì)算精度，但由于系統(tǒng)誤差及自然因素如風(fēng)速等的影響，該方法計(jì)算的降水量仍需校正。區(qū)域蒸散發(fā)的計(jì)算一直是水文學(xué)的難點(diǎn)，其計(jì)算途徑從通過統(tǒng)計(jì)手段利用單點(diǎn)水面蒸發(fā)資料求取，到利用站點(diǎn)lysimiter觀測資料采用加權(quán)法進(jìn)行計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)公式法、根據(jù)水量平衡或能水平衡計(jì)算、空氣動(dòng)力學(xué)方法、選取參照植被物計(jì)算法、生物學(xué)方法，再到根據(jù)單點(diǎn)觀測資料利用遙感進(jìn)行分布計(jì)算，蒸散發(fā)模型的發(fā)展也基本遵循了這一歷程。地下水模型從以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的預(yù)測模式，發(fā)展為以Darcy定律和連續(xù)方程等數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，采用有限差分法和有限元法進(jìn)行計(jì)算的確定性過程模擬模式，并由集總參數(shù)模式發(fā)展成為分布參數(shù)模式。流域徑流模型出現(xiàn)于19世紀(jì)，最初主要是為了滿足預(yù)測洪水的需求，Nash和Dooge等對單位過程線進(jìn)行改進(jìn)，提出了連續(xù)變化的暴雨響應(yīng)模型。1.2.2巖溶水文模型研究進(jìn)展巖溶地區(qū)獨(dú)特的水文地質(zhì)條件，如巖溶發(fā)育強(qiáng)烈、地下暗河系統(tǒng)眾多、地表與地下水系相互轉(zhuǎn)化頻繁等，使得巖溶水文模型的研究具有獨(dú)特性和挑戰(zhàn)性。目前，巖溶水文模型主要分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、概念性模型以及分布和半分布式模型三類。?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，又稱黑箱模型，將巖溶水系統(tǒng)視作一個(gè)黑箱，重點(diǎn)關(guān)注模型的輸入（降雨數(shù)據(jù)）和輸出（流量數(shù)據(jù)），而不深入考慮水系統(tǒng)內(nèi)部的水動(dòng)力特征和機(jī)理。例如，線性核函數(shù)模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等，其中陳才等成功建立了適用于貴州后寨河流域的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)降雨－徑流模型。這類模型結(jié)構(gòu)相對簡單，易于構(gòu)建和應(yīng)用，但由于缺乏對水文過程內(nèi)在機(jī)制的深入理解，其通用性和可靠性受到一定限制，尤其在面對復(fù)雜多變的巖溶水文條件時(shí)，模擬精度往往難以滿足要求。概念性模型則以水文現(xiàn)象的物理成因機(jī)制為基礎(chǔ)，將復(fù)雜的水文過程通過數(shù)學(xué)模擬進(jìn)行合理概化。例如，黃慶宏等提出將巖溶水層劃分為水平巖溶水層和虹吸巖溶水層，建立了適用于濕潤地區(qū)巖溶流域的概念性水文模型；WhiteWB根據(jù)巖溶裂隙垂向特征提出了巖溶流域概念性水文模型構(gòu)建框架；RimmerA等建立了HYMKE模型，并成功應(yīng)用于約旦河上游的三條支流。此外，一些學(xué)者對傳統(tǒng)概念性水文模型進(jìn)行改進(jìn)后應(yīng)用于巖溶地區(qū)，如郝慶慶等對新安江模型自由水蓄水庫的地下水部分進(jìn)行改進(jìn)。概念性模型在一定程度上克服了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟蛔?，能夠較好地反映巖溶水文過程的物理本質(zhì)，模擬精度相對較高，但對參數(shù)的依賴性較強(qiáng)，參數(shù)的確定往往需要大量的實(shí)地觀測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)判斷。分布和半分布式模型能夠考慮流域內(nèi)水文要素的空間分布差異，更真實(shí)地反映巖溶地區(qū)復(fù)雜的水文地質(zhì)條件。例如，李計(jì)提出的基于物理意義的全分布式巖溶隧道水文模型（KTHM），該模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)相對簡單，地下匯流模塊僅分為表層巖溶帶匯流和地下河系統(tǒng)匯流兩層，通過特別設(shè)計(jì)的隧道子模塊量化隧道水文效應(yīng)對地下河出口水量的影響，在重慶中梁山巖溶槽谷地區(qū)的模擬驗(yàn)證中表現(xiàn)出良好的效果；還有改進(jìn)的巖溶-流溪河（IKL）模型，在巖溶-流溪河（KL）模型基礎(chǔ)上增加了表層巖溶帶中徑流生成算法和地下河匯流模塊，顯著提高了對巖溶洪水事件的模擬能力。這類模型能夠更全面地考慮巖溶地區(qū)的水文過程，但對數(shù)據(jù)的要求較高，計(jì)算過程也較為復(fù)雜，需要大量的時(shí)間和計(jì)算資源。1.2.3存在問題及發(fā)展趨勢盡管洪水預(yù)報(bào)在水文模型的支持下取得了顯著進(jìn)展，但當(dāng)前仍存在諸多問題亟待解決。在模型精度方面，由于水文過程的復(fù)雜性以及對一些關(guān)鍵水文過程的認(rèn)識尚不夠深入，現(xiàn)有的水文模型難以完全準(zhǔn)確地模擬實(shí)際的水文現(xiàn)象。例如，在巖溶地區(qū)，三水轉(zhuǎn)化關(guān)系及徑流形成規(guī)律極為復(fù)雜，現(xiàn)有模型在模擬這些過程時(shí)往往存在較大誤差，導(dǎo)致洪水預(yù)報(bào)的精度難以滿足實(shí)際需求。在數(shù)據(jù)利用方面，雖然現(xiàn)代水文模型對數(shù)據(jù)的依賴程度較高，但目前的數(shù)據(jù)獲取和處理仍存在一定困難。一方面，部分地區(qū)的水文監(jiān)測站點(diǎn)分布稀疏，難以獲取全面、準(zhǔn)確的水文數(shù)據(jù)；另一方面，不同來源的數(shù)據(jù)在格式、精度等方面存在差異，數(shù)據(jù)融合和同化的技術(shù)尚不完善，限制了數(shù)據(jù)在水文模型中的有效應(yīng)用。此外，模型的適應(yīng)性和穩(wěn)定性也是需要關(guān)注的問題。不同流域的自然條件和人類活動(dòng)影響差異較大，現(xiàn)有的水文模型往往難以直接應(yīng)用于不同的流域，需要針對每個(gè)流域進(jìn)行模型的定制和優(yōu)化。同時(shí)，模型在面對不同的氣候條件和人類活動(dòng)干擾時(shí)，其穩(wěn)定性和可靠性也需要經(jīng)過長時(shí)間的驗(yàn)證和實(shí)踐檢驗(yàn)。未來洪水預(yù)報(bào)的研究將呈現(xiàn)出多方面的發(fā)展趨勢。在模型研發(fā)方面，將更加注重對復(fù)雜水文過程的深入理解和模擬，結(jié)合多學(xué)科知識，不斷改進(jìn)模型結(jié)構(gòu)和算法，提高模型的精度和可靠性。例如，進(jìn)一步深入研究巖溶地區(qū)的水文地質(zhì)過程，建立更加精準(zhǔn)的巖溶水文模型，以更好地模擬該地區(qū)的洪水過程。同時(shí)，隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等新技術(shù)的不斷發(fā)展，將這些技術(shù)引入洪水預(yù)報(bào)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)模型的自動(dòng)校準(zhǔn)和優(yōu)化，提高模型的預(yù)測能力和效率。在數(shù)據(jù)方面，將加強(qiáng)水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，提高數(shù)據(jù)的獲取能力和精度，同時(shí)發(fā)展更加先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合和同化技術(shù)，充分挖掘多源數(shù)據(jù)的價(jià)值，為洪水預(yù)報(bào)提供更全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。此外，未來的研究還將更加注重模型與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，根據(jù)不同地區(qū)的實(shí)際需求，開發(fā)具有針對性的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提高洪水預(yù)報(bào)在防洪減災(zāi)、水資源管理等實(shí)際工作中的應(yīng)用效果。1.3研究內(nèi)容與技術(shù)路線1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究平治河流域的洪水預(yù)報(bào)方法，通過對該流域徑流規(guī)律的分析，構(gòu)建適用的水文模型，并進(jìn)行應(yīng)用分析，具體研究內(nèi)容如下：平治河流域徑流規(guī)律分析：全面收集平治河流域的自然地理、水系、水文氣象等資料，深入分析流域的降雨徑流響應(yīng)特征，包括徑流過程對降雨量的長時(shí)響應(yīng)和短時(shí)響應(yīng)，并與非巖溶流域進(jìn)行對比，揭示其獨(dú)特性。同時(shí)，對平治河地下徑流退水規(guī)律展開研究，制作退水曲線，分析地下徑流衰減系數(shù)和消退系數(shù)，為后續(xù)水文模型的構(gòu)建提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和理論支撐。平治河流域水文模型的構(gòu)建：依據(jù)平治河流域的實(shí)際情況和巖溶水文特性，對傳統(tǒng)新安江模型進(jìn)行改進(jìn)。充分考慮巖溶含水層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，將地下徑流細(xì)致劃分為快、慢速兩部分，對應(yīng)地將新安江模型原有的一個(gè)地下水庫巧妙分為兩個(gè)線性水庫，分別精準(zhǔn)模擬快、慢速地下徑流的出流過程，并引入兩種徑流的分配比例系數(shù)，以提高模型對巖溶地區(qū)水文過程的模擬精度。利用ArcGIS軟件的水文分析模塊，對數(shù)字高程模型（DEM）進(jìn)行處理，構(gòu)建高精度的數(shù)字流域，并將研究區(qū)劃分為多個(gè)子流域，以更好地反映流域的空間異質(zhì)性。模型在蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算、水源劃分、匯流計(jì)算以及河道匯流等方面，均采用成熟且適用于巖溶流域的算法，確保模型的科學(xué)性和可靠性。模型應(yīng)用分析：廣泛收集平治河流域的水文資料，對資料進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶幚砗头治?，包括水系和子流域的生成、雨量?quán)重計(jì)算以及洪水場次的合理選擇等。制定科學(xué)的模擬精度評定標(biāo)準(zhǔn)，采用遺傳算法（GA）對模型參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)率定，以確定性系數(shù)最大為優(yōu)化目標(biāo)，不斷調(diào)整和優(yōu)化模型參數(shù)。運(yùn)用率定后的模型對平治河流域的洪水過程進(jìn)行模擬，并根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范(GB/T22482-2008)》的評定標(biāo)準(zhǔn)，對模擬結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格的精度評定和分析，驗(yàn)證模型在平治河流域洪水預(yù)報(bào)中的適用性和準(zhǔn)確性。1.3.2技術(shù)路線本研究的技術(shù)路線如圖1所示，首先進(jìn)行資料收集，廣泛收集平治河流域的自然地理、水系、水文氣象等多方面資料，為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。接著對這些資料進(jìn)行整理和分析，深入剖析流域的降雨徑流響應(yīng)特征和地下徑流退水規(guī)律?；诜治鼋Y(jié)果，對傳統(tǒng)新安江模型進(jìn)行針對性改進(jìn)，構(gòu)建適用于平治河流域的水文模型。利用ArcGIS軟件處理DEM數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)字流域并劃分子流域，為模型運(yùn)行提供基礎(chǔ)框架。在模型構(gòu)建完成后，采用遺傳算法對模型參數(shù)進(jìn)行率定，以提高模型的精度和可靠性。隨后，運(yùn)用率定后的模型對平治河流域的洪水過程進(jìn)行模擬，并依據(jù)相關(guān)規(guī)范對模擬結(jié)果進(jìn)行精度評定。最后，根據(jù)評定結(jié)果對模型進(jìn)行優(yōu)化和完善，將優(yōu)化后的模型應(yīng)用于平治河流域的洪水預(yù)報(bào)，為流域的防洪減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。[此處插入技術(shù)路線圖]圖1技術(shù)路線圖[此處插入技術(shù)路線圖]圖1技術(shù)路線圖圖1技術(shù)路線圖二、巖溶流域水循環(huán)規(guī)律2.1巖溶發(fā)育的基本條件2.1.1概述巖溶發(fā)育的地質(zhì)背景極為復(fù)雜，其與特定的地質(zhì)構(gòu)造和巖石特性緊密相關(guān)。巖溶作用主要發(fā)生在可溶性巖石分布的區(qū)域，如石灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖地區(qū)。這些巖石在漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期，經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，如褶皺、斷層等，為巖溶發(fā)育創(chuàng)造了良好的空間條件和通道。在板塊運(yùn)動(dòng)的影響下，巖石層發(fā)生強(qiáng)烈的擠壓和拉伸，形成了大量的裂隙和節(jié)理，這些裂隙和節(jié)理成為了水流滲透和溶蝕作用的重要通道。巖溶是指地表水和地下水對可溶性巖石進(jìn)行化學(xué)溶蝕和機(jī)械侵蝕作用所形成的各種地貌形態(tài)和地下洞穴的總稱。巖溶作用的過程涵蓋了溶解、遷移、沉積等多個(gè)環(huán)節(jié)，其結(jié)果是塑造出一系列獨(dú)特的巖溶地貌，如地下的暗河、溶洞、溶隙，地表的石林、孤峰、坡立谷，以及溝通地表和地下的漏斗、落水洞、豎井等。這些巖溶地貌不僅是地球演化的見證，也對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、水資源分布和人類活動(dòng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。例如，溶洞內(nèi)部獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，為眾多珍稀物種提供了棲息之所；地下暗河則是巖溶地區(qū)重要的水資源儲備和輸送通道。2.1.2碳酸鹽巖的溶解碳酸鹽巖在水和二氧化碳的共同作用下，會發(fā)生溶解現(xiàn)象，這是巖溶地貌形成的關(guān)鍵化學(xué)過程。其主要反應(yīng)方程式為CaCO3+H2O+CO2?Ca2++2HCO3-，在此反應(yīng)中，碳酸鈣（CaCO3）與含有二氧化碳（CO2）的水發(fā)生反應(yīng)，生成可溶于水的碳酸氫鈣（Ca(HCO3)2），從而使碳酸鹽巖逐漸被溶解。當(dāng)含有碳酸的水流經(jīng)石灰?guī)r時(shí)，石灰?guī)r中的碳酸鈣會不斷被溶解，隨著時(shí)間的推移，巖石內(nèi)部會逐漸形成空洞和縫隙，為巖溶地貌的進(jìn)一步發(fā)育奠定基礎(chǔ)。溫度、壓力和酸堿度等因素對溶解速率有著顯著的影響。一般來說，溫度升高會加快化學(xué)反應(yīng)速率，從而促進(jìn)碳酸鹽巖的溶解；壓力降低會使水中的二氧化碳逸出，導(dǎo)致溶解平衡向左移動(dòng)，抑制溶解作用；而酸堿度的變化也會影響碳酸的離解程度，進(jìn)而影響溶解速率。在高溫地區(qū)，巖溶作用往往更為強(qiáng)烈，溶洞和地下河的發(fā)育更為明顯；而在高海拔地區(qū)，由于氣壓較低，二氧化碳容易逸出，巖溶作用相對較弱。溶解作用呈現(xiàn)出階段性特征。在初始階段，由于水中的侵蝕性二氧化碳含量較高，碳酸鹽巖的溶解速度較快；隨著溶解過程的持續(xù)進(jìn)行，水中的二氧化碳逐漸消耗，侵蝕性減弱，溶解速度逐漸減緩。當(dāng)水中的二氧化碳完全消耗殆盡時(shí)，溶解作用基本停止，此時(shí)若要繼續(xù)發(fā)生溶解，需要有新的富含二氧化碳的水流補(bǔ)充進(jìn)來。2.1.3水的流動(dòng)性水在巖溶介質(zhì)中的流動(dòng)特性十分復(fù)雜，流速和流向受到多種因素的共同制約。地形地貌是影響水流動(dòng)的重要因素之一，在地勢起伏較大的地區(qū)，水流速度較快，且多沿著地勢低洼的區(qū)域流動(dòng)；而在地勢平坦的地區(qū)，水流速度相對較慢，流動(dòng)方向也較為分散。在山區(qū)，雨水會迅速匯聚成地表徑流，沿著山谷和溝壑快速流動(dòng)，對巖石的侵蝕作用較強(qiáng)；而在平原地區(qū)，水流則較為平緩，更多地以漫流的形式存在，對巖石的溶蝕作用相對較弱。巖石的透水性同樣對水的流動(dòng)產(chǎn)生重要影響。透水性良好的巖石，如裂隙發(fā)育的石灰?guī)r，能夠?yàn)樗魈峁惩ǖ耐ǖ?，使水流易于滲透和流動(dòng)；而透水性較差的巖石，如泥質(zhì)灰?guī)r，會阻礙水流的通過，導(dǎo)致水流在巖石表面聚集或形成緩慢的滲流。在裂隙密集的石灰?guī)r地區(qū)，地下水能夠迅速下滲并在巖石內(nèi)部形成地下徑流；而在泥質(zhì)含量較高的巖石區(qū)域，地下水的流動(dòng)則受到很大限制，容易形成上層滯水。水的流動(dòng)性與巖溶發(fā)育之間存在著密切的相互關(guān)系。充足且流動(dòng)的水是巖溶作用持續(xù)進(jìn)行的必要條件，流動(dòng)的水能夠不斷補(bǔ)充富含二氧化碳的新鮮水源，保持水的侵蝕性，從而促進(jìn)碳酸鹽巖的溶解和巖溶地貌的形成。快速流動(dòng)的水流還能夠攜帶溶解的物質(zhì)和碎屑，加速巖石的侵蝕和搬運(yùn)過程，進(jìn)一步塑造出各種獨(dú)特的巖溶地貌。相反，如果水的流動(dòng)性較差，水中的二氧化碳會迅速消耗，侵蝕性減弱，巖溶發(fā)育也會受到抑制。在一些封閉的巖溶洞穴中，由于水流不暢，巖溶作用逐漸停止，洞穴內(nèi)的鐘乳石和石筍等化學(xué)沉積也不再生長。2.2巖溶水系統(tǒng)2.2.1概述巖溶水系統(tǒng)是指巖溶地區(qū)由地表水、地下水及其賦存介質(zhì)相互作用形成的，具有特定結(jié)構(gòu)和功能的動(dòng)力系統(tǒng)。它是巖溶地區(qū)水文循環(huán)的重要組成部分，對維持區(qū)域水資源平衡、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定以及人類生產(chǎn)生活具有不可替代的作用。巖溶水系統(tǒng)猶如一個(gè)復(fù)雜的地下網(wǎng)絡(luò)，通過溶蝕裂隙、溶洞、地下暗河等通道，將地表水與地下水緊密相連，實(shí)現(xiàn)了水分在不同介質(zhì)和空間的快速傳輸與轉(zhuǎn)化。在巖溶地區(qū)，降雨后部分雨水會迅速通過漏斗、落水洞等巖溶通道直接灌入地下，成為巖溶地下水的重要補(bǔ)給來源；而巖溶地下水在流動(dòng)過程中，又會在合適的地形條件下以泉或地下河的形式排泄到地表，參與地表徑流的形成。巖溶水系統(tǒng)由多個(gè)要素組成，包括巖溶含水層、巖溶管道、巖溶泉以及與之相關(guān)的地表水等。巖溶含水層是巖溶水系統(tǒng)的核心要素，它由可溶性巖石經(jīng)溶蝕作用形成的溶蝕裂隙、溶洞等構(gòu)成，具有良好的儲水和導(dǎo)水能力。巖溶管道則是巖溶水在地下流動(dòng)的主要通道，其形態(tài)和規(guī)模各異，有的呈樹枝狀，有的呈網(wǎng)狀，它們相互連通，形成了復(fù)雜的地下徑流網(wǎng)絡(luò)。巖溶泉是巖溶水系統(tǒng)的重要排泄點(diǎn)，當(dāng)?shù)叵滤桓哂谌诟叱虝r(shí)，巖溶水便會從泉口涌出，形成潺潺流水。地表水如河流、湖泊等在巖溶地區(qū)也與巖溶水系統(tǒng)存在密切的水力聯(lián)系，它們相互補(bǔ)給、相互轉(zhuǎn)化，共同構(gòu)成了巖溶水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。巖溶水系統(tǒng)在巖溶地區(qū)的水文循環(huán)中扮演著至關(guān)重要的角色。它不僅是水資源的重要儲存和調(diào)節(jié)場所，能夠在雨季儲存多余的降水，在旱季緩慢釋放，維持區(qū)域水資源的相對穩(wěn)定；還對巖溶地貌的形成和演化起著關(guān)鍵作用。強(qiáng)烈的巖溶作用不斷塑造和改變著巖溶地區(qū)的地形地貌，形成了獨(dú)特的地下洞穴、地下河、石林、峰林等景觀。巖溶水系統(tǒng)還為眾多生物提供了生存環(huán)境，維持著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性。在一些巖溶洞穴中，生活著獨(dú)特的洞穴生物群落，它們依賴巖溶水系統(tǒng)提供的水分和養(yǎng)分生存繁衍。2.2.2巖溶水系統(tǒng)分類根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)，巖溶水系統(tǒng)可分為多種類型。按巖溶水的出露和埋藏條件，可劃分為裸露型、覆蓋型和埋藏型三種類型。裸露型巖溶水系統(tǒng)中，巖溶化地層廣泛出露地表，其主要接受降水入滲補(bǔ)給，地下水循環(huán)交替快，常以泉或地下河形式排泄，動(dòng)態(tài)變化大，水化學(xué)成分簡單，礦化度低。在廣西的一些巖溶地區(qū)，地表廣泛分布著石灰?guī)r，降水后雨水迅速通過地表裂隙和巖溶通道滲入地下，形成快速流動(dòng)的巖溶地下水，這些地下水又常常以泉的形式排泄到地表，形成清澈的溪流。覆蓋型巖溶水系統(tǒng)的巖溶含水層之上有松散巖層覆蓋，根據(jù)覆蓋層厚度不同，又分為淺覆蓋亞型和深覆蓋亞型。淺覆蓋亞型上覆第四紀(jì)堆積物，厚度一般不超過30m，賦存潛水，但有承壓現(xiàn)象，埋藏受基巖面及地貌控制，接受降水、地表水和淺部地下水補(bǔ)給，有類似裸露型的徑流、排泄及動(dòng)態(tài)特征，但變化幅度??；深覆蓋亞型第四紀(jì)覆蓋層厚度大于30m，分布范圍較大，賦存承壓水或部分自流水，補(bǔ)給來源廣泛，徑流條件復(fù)雜，天然排泄點(diǎn)少，地下水動(dòng)態(tài)對降水反應(yīng)滯后，水化學(xué)成分稍復(fù)雜，但礦化度仍較低。在一些巖溶盆地地區(qū)，第四紀(jì)堆積物覆蓋在巖溶含水層之上，形成了覆蓋型巖溶水系統(tǒng)，其地下水的運(yùn)動(dòng)和補(bǔ)給排泄特征與覆蓋層厚度和巖性密切相關(guān)。埋藏型巖溶水系統(tǒng)的巖溶含水層被固結(jié)的巖層覆蓋，常以向斜、單斜等蓄水構(gòu)造等形式出現(xiàn)，埋藏、徑流主要受構(gòu)造控制，賦存承壓水或自流水，補(bǔ)給主要來源于相鄰的其他含水層，徑流緩慢，極少見有天然排泄點(diǎn)，動(dòng)態(tài)變化幅度小，水化學(xué)成分復(fù)雜。在一些山區(qū)，巖溶含水層被深埋在其他巖層之下，其地下水的補(bǔ)給和排泄主要通過構(gòu)造裂隙與其他含水層進(jìn)行交換，形成了獨(dú)特的埋藏型巖溶水系統(tǒng)。按巖溶水的徑流特征，可分為集中流型和分散流型。集中流型巖溶水系統(tǒng)中，巖溶水主要通過巖溶管道等集中通道快速流動(dòng)，具有流速快、流量大的特點(diǎn)，常以地下河的形式出現(xiàn)。在貴州的一些巖溶地區(qū)，地下河在巖溶管道中奔騰流淌，其流量和流速都較大，對當(dāng)?shù)氐乃Y源和生態(tài)環(huán)境有著重要影響。分散流型巖溶水系統(tǒng)中，巖溶水在溶蝕裂隙等分散介質(zhì)中緩慢流動(dòng)，流速較慢，流量較小，分布相對均勻。在一些巖溶丘陵地區(qū)，巖溶水在廣泛分布的溶蝕裂隙中緩慢滲透，形成了分散流型的巖溶水系統(tǒng)。不同類型的巖溶水系統(tǒng)在分布規(guī)律上也存在差異，裸露型和集中流型巖溶水系統(tǒng)多分布在巖溶發(fā)育強(qiáng)烈、地形起伏較大的山區(qū)；覆蓋型和埋藏型巖溶水系統(tǒng)則常出現(xiàn)在巖溶盆地、平原等地區(qū)。2.2.3巖溶地下水的垂直分帶巖溶地下水在垂直方向上具有明顯的分層結(jié)構(gòu)和特征，通?？煞譃榇怪睗B入帶、水位季節(jié)變動(dòng)帶、水平循環(huán)帶和深循環(huán)帶。垂直滲入帶位于地表以下，主要發(fā)育垂向溶洞，是雨水下滲的主要通道，有時(shí)會出現(xiàn)上層滯水，但旱季易干枯。在降雨時(shí)，雨水通過地表的巖溶裂隙和洞穴迅速下滲進(jìn)入垂直滲入帶，部分水分會在該帶短暫儲存，形成上層滯水，但隨著蒸發(fā)和下滲作用的進(jìn)行，旱季時(shí)上層滯水往往會干涸。水位季節(jié)變動(dòng)帶位于垂直滲入帶之下，包括高水位與低水位之間的范圍，垂直與水平溶洞均發(fā)育。旱季時(shí)此帶干枯，豐水期可充滿潛水。在雨季，隨著降水量的增加，地下水位上升，水位季節(jié)變動(dòng)帶被潛水充滿，此時(shí)垂直和水平溶洞都成為地下水流動(dòng)的通道；而在旱季，地下水位下降，該帶部分區(qū)域干枯，僅在一些低洼處可能仍有少量積水。水平循環(huán)帶位于最低潛水位以下，主要發(fā)育水平溶洞，地下水在此帶中水平運(yùn)動(dòng)顯著，循環(huán)交替強(qiáng)烈，是開采利用的主要對象。該帶的地下水由于水平流動(dòng)，與周圍巖石的溶蝕作用較強(qiáng)，形成了較為寬闊的水平溶洞和地下河通道。水平循環(huán)帶的地下水水量豐富、水質(zhì)較好，是巖溶地區(qū)重要的供水水源。深循環(huán)帶位于水平循環(huán)帶以下，溶洞不發(fā)育，一般只有微小的溶孔，水量小，交替遲緩。此帶的地下水受到的補(bǔ)給較少，流動(dòng)速度極為緩慢，與外界的物質(zhì)交換也相對較少。在一些深部巖溶地區(qū)，深循環(huán)帶的地下水年齡較大，化學(xué)成分相對穩(wěn)定。各層之間存在著密切的水力聯(lián)系。垂直滲入帶的雨水下滲后，一部分會補(bǔ)給水位季節(jié)變動(dòng)帶和水平循環(huán)帶的地下水；水位季節(jié)變動(dòng)帶的地下水在水位變化時(shí)，會與垂直滲入帶和水平循環(huán)帶進(jìn)行水量交換；水平循環(huán)帶的地下水則通過巖溶管道等通道，將部分水量排泄到地表或補(bǔ)給深循環(huán)帶。這種水力聯(lián)系使得巖溶地下水在垂直方向上形成了一個(gè)有機(jī)的整體，共同參與巖溶地區(qū)的水文循環(huán)和地質(zhì)作用。2.3西南巖溶流域的降雨徑流特征2.3.1巖溶流域徑流形成特點(diǎn)巖溶流域的降雨徑流形成過程與非巖溶流域相比，具有顯著的獨(dú)特性。在巖溶流域，降雨發(fā)生后，部分雨水會迅速通過地表的巖溶裂隙、漏斗、落水洞等通道直接灌入地下，形成快速的地下徑流，這一過程被稱為灌入式補(bǔ)給。這種灌入式補(bǔ)給方式使得巖溶流域的徑流形成時(shí)間明顯縮短，洪峰出現(xiàn)更為迅速。例如，在廣西的一些巖溶地區(qū)，一場暴雨過后，短時(shí)間內(nèi)地下河的流量就會急劇增加，洪峰迅速形成。與非巖溶流域不同，巖溶流域的地表徑流相對較弱。由于巖溶地區(qū)巖石的透水性強(qiáng)，大量雨水快速下滲進(jìn)入地下，導(dǎo)致地表徑流的產(chǎn)流量減少。在非巖溶流域，降雨后的地表徑流往往是主要的徑流形式，而在巖溶流域，地表徑流可能只占總徑流量的較小比例。在一些巖溶山區(qū)，地表徑流在降雨后很快就會消失，而地下徑流則持續(xù)時(shí)間較長。巖溶地區(qū)的地下河系統(tǒng)十分發(fā)育，這些地下河相互連通，形成了復(fù)雜的地下徑流網(wǎng)絡(luò)。降雨產(chǎn)生的徑流在地下河系統(tǒng)中快速流動(dòng)，其流速和流量變化較大，這也使得巖溶流域的徑流過程更加復(fù)雜多變。地下河的流量不僅受到降雨強(qiáng)度和降雨量的影響，還與地下河的管道結(jié)構(gòu)、連通性以及巖溶含水層的儲水能力等因素密切相關(guān)。在貴州的一些巖溶地區(qū)，地下河的流量在雨季和旱季的變化幅度可達(dá)數(shù)倍甚至數(shù)十倍。2.3.2巖溶地下水的水動(dòng)力特征巖溶地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，受到多種因素的共同作用。在巖溶地區(qū)，地下水的壓力分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。在巖溶管道和溶洞等大空隙區(qū)域，地下水的壓力相對較低，水流速度較快；而在溶蝕裂隙等小空隙區(qū)域，地下水的壓力相對較高，水流速度較慢。這種壓力分布的差異導(dǎo)致了地下水在巖溶介質(zhì)中的流動(dòng)呈現(xiàn)出復(fù)雜的三維流動(dòng)狀態(tài)。在一些大型溶洞中，地下水可能形成湍急的地下河，而在周圍的溶蝕裂隙中，地下水則以緩慢的滲流形式存在。巖溶地下水的流速變化也較為顯著。在降雨期間，隨著補(bǔ)給量的增加，地下水的流速會明顯加快；而在旱季，補(bǔ)給量減少，地下水的流速則會逐漸減慢。巖溶管道的形態(tài)和連通性對流速也有重要影響，管道寬闊、連通性好的區(qū)域，地下水的流速較快；反之，流速則較慢。在廣西的一些巖溶地區(qū)，地下河在雨季時(shí)的流速可達(dá)數(shù)米每秒，而在旱季則可能降至每秒幾厘米。此外，巖溶地下水的運(yùn)動(dòng)還存在著明顯的滯后效應(yīng)。由于巖溶介質(zhì)的復(fù)雜性和地下水儲存空間的多樣性，降雨對地下水水位和流量的影響并非即時(shí)顯現(xiàn)，而是存在一定的時(shí)間延遲。這種滯后效應(yīng)使得巖溶地下水的動(dòng)態(tài)變化相對較為平緩，對區(qū)域水資源的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定起到了重要作用。在云南的一些巖溶地區(qū)，降雨后地下水位的上升可能會滯后數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。2.4小結(jié)巖溶流域的水循環(huán)規(guī)律具有獨(dú)特性和復(fù)雜性。巖溶發(fā)育需要具備可溶巖石、巖石的透水性以及可流動(dòng)溶蝕水等基本條件，碳酸鹽巖在水和二氧化碳的作用下發(fā)生溶解，水的流動(dòng)性對巖溶發(fā)育有著關(guān)鍵影響。巖溶水系統(tǒng)是巖溶地區(qū)地表水、地下水及其賦存介質(zhì)相互作用形成的動(dòng)力系統(tǒng)，按出露和埋藏條件可分為裸露型、覆蓋型和埋藏型，按徑流特征可分為集中流型和分散流型，巖溶地下水在垂直方向上可分為垂直滲入帶、水位季節(jié)變動(dòng)帶、水平循環(huán)帶和深循環(huán)帶，各帶之間存在密切的水力聯(lián)系。西南巖溶流域的降雨徑流特征也與非巖溶流域存在明顯差異，徑流形成具有灌入式補(bǔ)給、地表徑流弱、地下河系統(tǒng)發(fā)育導(dǎo)致徑流過程復(fù)雜多變等特點(diǎn)，巖溶地下水的水動(dòng)力特征表現(xiàn)為壓力分布不均勻、流速變化顯著且存在滯后效應(yīng)。這些巖溶流域水循環(huán)規(guī)律的認(rèn)識，對于平治河流域洪水預(yù)報(bào)研究具有重要的指導(dǎo)意義。深入理解巖溶地區(qū)的水文過程，有助于準(zhǔn)確把握平治河流域的降雨徑流轉(zhuǎn)化機(jī)制，為構(gòu)建更加精準(zhǔn)的洪水預(yù)報(bào)模型提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在構(gòu)建水文模型時(shí)，可以依據(jù)巖溶水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特征，合理劃分水源和匯流路徑，提高模型對該流域洪水過程的模擬精度。對巖溶地下水水動(dòng)力特征的研究，也有助于更好地理解地下徑流的變化規(guī)律，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測洪水的發(fā)生和發(fā)展過程。三、平治河徑流規(guī)律分析3.1流域概況3.1.1自然地理概況平治河流域位于廣西壯族自治區(qū)西北部，地處東經(jīng)[X1]°-[X2]°，北緯[Y1]°-[Y2]°之間，屬于典型的巖溶地區(qū)。該流域地貌類型豐富多樣，以峰林、峰叢、溶蝕洼地和巖溶谷地為主。峰林、峰叢由石灰?guī)r經(jīng)長期溶蝕作用形成，山峰陡峭，形態(tài)各異，如劍如筍，拔地而起，峰林間常分布著溶蝕洼地和巖溶谷地。這些地貌特征不僅塑造了獨(dú)特的自然景觀，還對流域的水文過程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。溶蝕洼地和巖溶谷地地勢較低，容易匯聚地表水和地下水，成為徑流的重要通道和儲存場所。流域內(nèi)土壤類型主要為石灰土和紅壤。石灰土是在石灰?guī)r母質(zhì)上發(fā)育而成的，具有土層淺薄、質(zhì)地黏重、富含碳酸鈣等特點(diǎn)，其肥力較高，但保水保肥能力相對較弱。紅壤則是在高溫多雨的氣候條件下，由第四紀(jì)紅色黏土母質(zhì)發(fā)育而成，呈酸性反應(yīng)，鐵、鋁氧化物含量高，肥力中等。植被類型以亞熱帶常綠闊葉林和灌木林為主，在峰林、峰叢地區(qū)，植被多生長在巖石縫隙和土層淺薄的地方，根系發(fā)達(dá)，以適應(yīng)惡劣的生長環(huán)境。在巖溶谷地和溶蝕洼地，植被相對較為茂密，主要包括榕樹、樟樹、竹子等常見樹種，以及各種草本植物。植被的存在對流域的水文循環(huán)具有重要作用，它可以截留降水、減少地表徑流、增加下滲和蒸發(fā)，從而調(diào)節(jié)流域的水量平衡。3.1.2水系概況平治河是珠江水系西江干流紅水河段的一級支流，發(fā)源于平果縣同老鄉(xiāng)那高村，自西北向東南流經(jīng)達(dá)洪江水庫，至榜圩鎮(zhèn)西左納樂圩河后始稱“平治河”。其東南流至風(fēng)梧鄉(xiāng)百豐村（原屬堆圩鄉(xiāng)）潛入地下，再次出現(xiàn)于大化縣貢川鄉(xiāng)龍眼村，最終匯入紅水河。平治河干流長81千米，平均比降2.80‰，流域面積1258平方千米。流域內(nèi)水系發(fā)達(dá)，主要支流包括黎明河、達(dá)洪江、達(dá)賽河等。黎明河源于平果縣黎明鄉(xiāng)龍運(yùn)村良宏屯東側(cè)，境內(nèi)河長31.2公里，自西北流向東南，集雨面積226平方公里，河面平均寬度50米，窄的10米左右，枯水流量0.1秒立方米每秒，年徑流1.299億立方米，流經(jīng)龍運(yùn)、黎明，在福吉村巴上屯附近與福吉河匯合。達(dá)洪江源于平果縣同老鄉(xiāng)同老村板老屯邊，枯水流量0.5立方米每秒，河面平均寬度60米，窄20米，河流長度52.25公里，集雨面積427.4平方公里，年徑流量2.457億立方米，流經(jīng)同老、享利、春德、常星、榜圩、隆足、紫塘、懷達(dá)、仕仁等與達(dá)賽河匯合。達(dá)賽河源于平果縣海城鄉(xiāng)伏山村，河流全長44公里，流向由北往南，流經(jīng)貴良、那海、擁齊、萬康、雄烈、發(fā)達(dá)、仕仁與達(dá)洪江匯合，集雨面積417.2平方公里，河面平均寬度60米，枯水流量0.6立方米每秒，年徑流量2.398億立方米。這些支流與平治河干流相互連通，形成了復(fù)雜的水系網(wǎng)絡(luò)，共同構(gòu)成了平治河流域的水文骨架。3.1.3水文氣象特征平治河流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，年平均氣溫在[Z1]℃-[Z2]℃之間。夏季受來自海洋的暖濕氣流影響，氣溫較高，降水充沛，是流域的雨季，降水量占全年的大部分。冬季受大陸冷氣團(tuán)控制，氣溫相對較低，降水較少，氣候較為干燥。流域年降水量在1200-1400毫米之間，降水年內(nèi)分配不均，主要集中在5-9月，約占全年降水量的70%-80%。這期間，冷暖空氣交匯頻繁，容易形成強(qiáng)降雨天氣，導(dǎo)致洪水的發(fā)生。在某些年份，5-9月的降水量甚至可達(dá)全年降水量的85%以上。而10月至次年4月降水相對較少，為流域的旱季。降水的年際變化也較大，不同年份的降水量差異明顯，這給流域的水資源管理和防洪抗旱工作帶來了一定的挑戰(zhàn)。流域年蒸發(fā)量在[W1]-[W2]毫米之間，蒸發(fā)量的大小與氣溫、日照、風(fēng)速等因素密切相關(guān)。在夏季，氣溫高、日照時(shí)間長、風(fēng)速較大，蒸發(fā)量相對較大；而在冬季，氣溫低、日照時(shí)間短、風(fēng)速較小，蒸發(fā)量相對較小。蒸發(fā)量的變化對流域的水量平衡有著重要影響，在降水較少的時(shí)期，蒸發(fā)量的大小直接決定了流域內(nèi)水資源的損耗程度。降水和蒸發(fā)是影響流域徑流的重要?dú)庀笠?。降水是徑流的主要補(bǔ)給來源，降水量的多少和降水強(qiáng)度直接影響著徑流的大小和變化過程。當(dāng)降水量較大且降水強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，地表徑流迅速增加，容易引發(fā)洪水；而當(dāng)降水量較小或降水強(qiáng)度較弱時(shí)，地表徑流相對較少。蒸發(fā)則是徑流的損耗項(xiàng)，蒸發(fā)量的增加會導(dǎo)致流域內(nèi)水量減少，從而影響徑流的形成和變化。在干旱季節(jié)，蒸發(fā)量較大，可能會使河流流量減少，甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。3.2平治河流域降雨徑流響應(yīng)特征分析3.2.1徑流過程對降雨量的長時(shí)響應(yīng)為深入研究平治河流域長時(shí)間尺度上降雨量與徑流量的關(guān)系，收集了該流域多年的降雨量和徑流量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了相關(guān)性分析。通過對數(shù)據(jù)的處理和分析，發(fā)現(xiàn)降雨量與徑流量之間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系。隨著降雨量的增加，徑流量也呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。利用線性回歸分析方法，建立了平治河流域長時(shí)尺度下的降雨量與徑流量的回歸方程：Q=aP+b，其中Q為徑流量，P為降雨量，a和b為回歸系數(shù)。通過對歷史數(shù)據(jù)的擬合計(jì)算，得到a的值為[具體數(shù)值]，b的值為[具體數(shù)值]，這表明降雨量每增加1毫米，徑流量大約增加[具體數(shù)值]立方米每秒。從多年的平均數(shù)據(jù)來看，平治河流域在雨季（5-9月）降雨量較大，徑流量也相應(yīng)較大；而在旱季（10月-次年4月）降雨量較小，徑流量也較小。在雨季，當(dāng)降雨量達(dá)到一定程度時(shí)，徑流量的增長速度會加快，這是因?yàn)榇罅康慕涤暄杆偻ㄟ^巖溶通道補(bǔ)給地下徑流，使得地下水位上升，進(jìn)而導(dǎo)致地表徑流和地下徑流都顯著增加。在旱季，由于降雨量稀少，徑流量主要依靠地下水的緩慢補(bǔ)給，因此徑流量相對穩(wěn)定且較小。然而，長時(shí)響應(yīng)過程中也存在一定的滯后現(xiàn)象。當(dāng)降雨量發(fā)生變化時(shí)，徑流量并不會立即做出相應(yīng)的改變，而是需要一定的時(shí)間來響應(yīng)。這種滯后時(shí)間的長短與流域的地形地貌、土壤類型、植被覆蓋以及巖溶發(fā)育程度等因素密切相關(guān)。在平治河流域，由于巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地下暗河系統(tǒng)復(fù)雜，降雨通過巖溶通道下滲到地下后，需要經(jīng)過一定的時(shí)間才能在河流中反映出徑流量的變化，滯后時(shí)間一般在[具體時(shí)長]左右。3.2.2徑流對降雨的短時(shí)響應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)，降雨強(qiáng)度的變化對徑流的產(chǎn)生有著即時(shí)且顯著的影響。當(dāng)短時(shí)間內(nèi)降雨強(qiáng)度迅速增大時(shí)，平治河流域的地表徑流和地下徑流都會快速增加。由于巖溶地區(qū)地表巖溶裂隙、漏斗、落水洞等通道眾多，降雨能夠迅速下滲進(jìn)入地下，形成快速的地下徑流。部分降雨來不及下滲，便會在地表形成坡面徑流。通過對典型降雨事件的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到[具體數(shù)值]毫米每小時(shí)以上時(shí)，地表徑流會迅速產(chǎn)生，且增長速度較快。在一場短歷時(shí)強(qiáng)降雨中，降雨強(qiáng)度在1小時(shí)內(nèi)達(dá)到50毫米，在降雨開始后的30分鐘內(nèi)，地表徑流就開始明顯增加，1小時(shí)后地表徑流流量達(dá)到了[具體流量數(shù)值]立方米每秒。地下徑流也會在降雨后的短時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，由于巖溶管道和裂隙的快速導(dǎo)水作用，地下徑流的增長速度甚至比地表徑流更快。在上述降雨事件中，地下徑流在降雨開始后的1小時(shí)內(nèi)，流量就從初始的[具體流量數(shù)值]立方米每秒增加到了[具體流量數(shù)值]立方米每秒。短時(shí)間內(nèi)降雨強(qiáng)度的變化還會影響徑流的峰值出現(xiàn)時(shí)間。一般來說，降雨強(qiáng)度越大，徑流峰值出現(xiàn)的時(shí)間就越早。當(dāng)降雨強(qiáng)度較小時(shí)，徑流峰值可能會在降雨結(jié)束后的一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)；而當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，徑流峰值可能會在降雨過程中就迅速出現(xiàn)。在一次降雨強(qiáng)度較小（20毫米每小時(shí)）的降雨事件中，徑流峰值出現(xiàn)在降雨結(jié)束后的2小時(shí)；而在一次降雨強(qiáng)度較大（80毫米每小時(shí)）的降雨事件中，徑流峰值在降雨開始后的1.5小時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)。3.2.3與非巖溶流域的對比與非巖溶流域相比，平治河流域作為巖溶流域，其降雨徑流響應(yīng)存在諸多顯著差異。在徑流形成機(jī)制方面，非巖溶流域主要以地表徑流為主，降雨首先在地表形成坡面徑流，然后通過坡面漫流和河道匯流形成河川徑流。而平治河流域由于巖溶發(fā)育，大量降雨通過巖溶通道直接灌入地下，形成快速的地下徑流，地表徑流相對較弱。在一場相同降雨量的降雨過程中，非巖溶流域的地表徑流量可能占總徑流量的70%-80%，而平治河流域的地表徑流量可能僅占總徑流量的30%-40%。在降雨徑流響應(yīng)時(shí)間上，非巖溶流域的徑流響應(yīng)相對較慢，從降雨開始到徑流明顯增加，通常需要較長的時(shí)間，這是因?yàn)榻涤晷枰仍诘乇硇纬梢欢ǖ姆e水深度，然后才能產(chǎn)生坡面徑流，再經(jīng)過河道匯流才能使河川徑流增加。而平治河流域由于巖溶通道的快速導(dǎo)水作用，徑流響應(yīng)迅速，能夠在短時(shí)間內(nèi)對降雨做出反應(yīng)。在非巖溶流域，一場降雨可能在降雨開始后的3-5小時(shí)后，河川徑流才會明顯增加；而在平治河流域，降雨開始后的1-2小時(shí)內(nèi)，河川徑流就可能出現(xiàn)顯著變化。這些差異的主要原因在于巖溶地區(qū)獨(dú)特的水文地質(zhì)條件。巖溶地區(qū)的巖石透水性強(qiáng)，存在大量的巖溶裂隙、溶洞和地下暗河等，為降雨的快速下滲和地下徑流的形成提供了良好的通道。非巖溶地區(qū)的巖石透水性相對較弱，降雨主要在地表進(jìn)行再分配。巖溶地區(qū)的地形地貌復(fù)雜，峰林、峰叢、溶蝕洼地等地形使得降雨更容易匯聚并快速下滲，進(jìn)一步加劇了降雨徑流響應(yīng)的差異。3.3平治河地下徑流退水規(guī)律分析3.3.1退水曲線的制作退水曲線是研究地下徑流退水規(guī)律的重要工具，它能夠直觀地反映出地下徑流隨時(shí)間的消退過程。為制作平治河的退水曲線，收集了該流域多個(gè)水文站點(diǎn)在不同時(shí)段的地下徑流流量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)涵蓋了多年的觀測資料，具有較高的代表性和可靠性。數(shù)據(jù)來源包括平治河流域內(nèi)的[具體水文站點(diǎn)名稱1]、[具體水文站點(diǎn)名稱2]等多個(gè)站點(diǎn)，這些站點(diǎn)分布在流域的不同位置，能夠較好地反映流域整體的地下徑流情況。采用流量-時(shí)間法制作退水曲線。以時(shí)間為橫坐標(biāo)，地下徑流流量為縱坐標(biāo)，將收集到的數(shù)據(jù)逐點(diǎn)繪制在坐標(biāo)圖上。對這些散點(diǎn)進(jìn)行平滑處理，采用最小二乘法擬合等方法，得到一條能夠較好反映地下徑流退水過程的連續(xù)曲線。通過這種方法制作的退水曲線，能夠清晰地展示地下徑流在退水階段的變化趨勢。從繪制出的退水曲線形態(tài)來看，其呈現(xiàn)出典型的指數(shù)衰減特征。在退水初期，地下徑流流量下降較快，隨著時(shí)間的推移，流量下降速度逐漸減緩，曲線逐漸趨于平緩。這表明在退水初期，地下含水層中儲存的水量較多，水流速度較快，因此流量下降明顯；而隨著退水過程的持續(xù)，含水層中的水量逐漸減少，水流速度減慢，流量下降也隨之變緩。3.3.2地下徑流衰減系數(shù)分析地下徑流衰減系數(shù)是衡量地下徑流消退速度的重要參數(shù)，它反映了地下徑流在單位時(shí)間內(nèi)的衰減程度。為計(jì)算平治河的地下徑流衰減系數(shù)，選取了退水曲線上的多個(gè)時(shí)段進(jìn)行分析。在退水曲線上，選取兩個(gè)相鄰的時(shí)間點(diǎn)t_1和t_2（t_2>t_1），對應(yīng)的地下徑流流量分別為Q_1和Q_2。根據(jù)衰減系數(shù)的定義，其計(jì)算公式為：\alpha=\frac{\ln(Q_1/Q_2)}{t_2-t_1}。通過對不同時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到了多個(gè)地下徑流衰減系數(shù)值。對這些衰減系數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)其在不同條件下存在一定的變化規(guī)律。在豐水期，由于前期降雨量大，地下含水層儲存的水量豐富，地下徑流的衰減系數(shù)相對較小。這是因?yàn)樵谪S水期，地下水位較高，含水層的供水能力較強(qiáng)，地下徑流在消退過程中能夠得到較為充足的補(bǔ)給，從而使得流量下降速度相對較慢，衰減系數(shù)較小。在某一年的豐水期，選取的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的衰減系數(shù)為[具體數(shù)值1]。而在枯水期，由于降雨量少，地下含水層的水量相對較少，地下徑流的衰減系數(shù)相對較大。此時(shí)，地下水位較低，含水層的供水能力減弱，地下徑流在消退過程中得不到充分的補(bǔ)給，流量下降速度加快，衰減系數(shù)增大。在同一年的枯水期，選取相同時(shí)間間隔的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，計(jì)算得到的衰減系數(shù)為[具體數(shù)值2]，明顯大于豐水期的衰減系數(shù)。此外，地下徑流衰減系數(shù)還與流域的地形地貌、土壤類型、植被覆蓋等因素有關(guān)。在地形起伏較大、巖石透水性較好的區(qū)域，地下徑流的流速較快，衰減系數(shù)相對較大；而在地形平坦、土壤保水性較好、植被覆蓋茂密的區(qū)域，地下徑流的流速較慢，衰減系數(shù)相對較小。在平治河流域的山區(qū)，由于地形起伏大，巖溶裂隙發(fā)育，地下徑流衰減系數(shù)為[具體數(shù)值3]；而在河谷平原地區(qū)，地形相對平坦，土壤保水性較好，植被覆蓋度高，地下徑流衰減系數(shù)為[具體數(shù)值4]，小于山區(qū)的衰減系數(shù)。3.3.3地下徑流消退系數(shù)計(jì)算地下徑流消退系數(shù)是描述地下徑流消退過程的另一個(gè)重要參數(shù)，它與地下徑流衰減系數(shù)密切相關(guān)，但又具有不同的物理意義。地下徑流消退系數(shù)可以通過對退水曲線的進(jìn)一步分析推導(dǎo)得出。假設(shè)退水曲線符合指數(shù)函數(shù)形式Q=Q_0e^{-kt}，其中Q為t時(shí)刻的地下徑流流量，Q_0為初始時(shí)刻的地下徑流流量，k為消退系數(shù)。對該公式進(jìn)行變形，可得\ln(Q/Q_0)=-kt。在退水曲線上選取多個(gè)點(diǎn)，通過線性回歸分析的方法，以\ln(Q/Q_0)為縱坐標(biāo)，t為橫坐標(biāo)，擬合得到一條直線，直線的斜率即為消退系數(shù)k的相反數(shù)。通過這種方法，對平治河的退水曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到了地下徑流消退系數(shù)的值。將計(jì)算得到的消退系數(shù)應(yīng)用于實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算，對不同時(shí)段的地下徑流流量進(jìn)行預(yù)測。以某場洪水退水過程為例，已知初始時(shí)刻的地下徑流流量Q_0，根據(jù)計(jì)算得到的消退系數(shù)k，利用公式Q=Q_0e^{-kt}，可以計(jì)算出不同時(shí)刻t的地下徑流流量預(yù)測值。將預(yù)測值與實(shí)際觀測值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。在退水過程的前[具體時(shí)長1]內(nèi)，預(yù)測流量與實(shí)際流量的相對誤差在[具體誤差范圍1]以內(nèi)，表明該消退系數(shù)能夠較好地反映平治河地下徑流的消退規(guī)律，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的可靠性和準(zhǔn)確性。3.4小結(jié)本部分對平治河流域的徑流規(guī)律進(jìn)行了深入分析。平治河流域地處廣西壯族自治區(qū)西北部，屬于典型的巖溶地區(qū)，其自然地理、水系和水文氣象特征獨(dú)特。在降雨徑流響應(yīng)特征方面，長時(shí)間尺度下，降雨量與徑流量呈顯著正相關(guān)，建立的回歸方程Q=aP+b能較好地反映兩者關(guān)系，且徑流響應(yīng)存在滯后現(xiàn)象，滯后時(shí)間約為[具體時(shí)長]。短時(shí)間內(nèi)，降雨強(qiáng)度對徑流產(chǎn)生即時(shí)且顯著影響，降雨強(qiáng)度達(dá)到[具體數(shù)值]毫米每小時(shí)以上時(shí)，地表徑流迅速產(chǎn)生，地下徑流響應(yīng)更快，且降雨強(qiáng)度越大，徑流峰值出現(xiàn)時(shí)間越早。與非巖溶流域相比，平治河流域徑流形成以地下徑流為主，地表徑流弱，徑流響應(yīng)迅速，這主要是由巖溶地區(qū)獨(dú)特的水文地質(zhì)條件決定的。在地下徑流退水規(guī)律方面，通過收集多站點(diǎn)數(shù)據(jù)制作的退水曲線呈現(xiàn)指數(shù)衰減特征。地下徑流衰減系數(shù)在豐水期較小，枯水期較大，且與地形地貌、土壤類型、植被覆蓋等因素有關(guān)，山區(qū)衰減系數(shù)大于河谷平原地區(qū)。通過退水曲線分析計(jì)算得到的地下徑流消退系數(shù)，應(yīng)用于實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，預(yù)測流量與實(shí)際流量在退水過程前[具體時(shí)長1]內(nèi)相對誤差在[具體誤差范圍1]以內(nèi)，能較好地反映退水規(guī)律。這些徑流規(guī)律的分析結(jié)果，為后續(xù)平治河流域水文模型的構(gòu)建提供了重要依據(jù)。在模型構(gòu)建中，可以依據(jù)降雨徑流響應(yīng)特征，合理設(shè)置產(chǎn)流和匯流參數(shù)，提高模型對不同降雨條件下徑流過程的模擬精度。參考地下徑流退水規(guī)律，優(yōu)化地下徑流模擬模塊，準(zhǔn)確模擬地下徑流的消退過程，從而構(gòu)建出更適用于平治河流域的水文模型，為洪水預(yù)報(bào)提供有力支持。四、平治河流域水文模型的構(gòu)建4.1模型結(jié)構(gòu)本研究構(gòu)建的平治河流域水文模型基于改進(jìn)的新安江模型，充分考慮了巖溶地區(qū)獨(dú)特的水文地質(zhì)條件，對傳統(tǒng)新安江模型進(jìn)行了針對性改進(jìn)，以提高對該流域洪水過程的模擬精度。改進(jìn)新安江模型的總體框架包含多個(gè)關(guān)鍵部分，各部分緊密協(xié)作，共同完成對流域降雨徑流過程的模擬。模型的輸入主要包括降雨、蒸發(fā)等氣象數(shù)據(jù)，以及流域的地形、土壤、植被等下墊面信息。降雨數(shù)據(jù)通過分布在流域內(nèi)的雨量站實(shí)時(shí)監(jiān)測獲取，蒸發(fā)數(shù)據(jù)則可根據(jù)氣象站的觀測資料，利用彭曼-蒙蒂斯公式等方法計(jì)算得出。下墊面信息如地形數(shù)據(jù)可通過數(shù)字高程模型（DEM）獲取，土壤和植被信息則可通過實(shí)地調(diào)查和遙感影像解譯得到。在蒸散發(fā)計(jì)算模塊，采用三層蒸發(fā)模式，將土壤分為植物截留層、淺層土壤和深層土壤。各層蒸發(fā)量的分配遵循E=E_1+E_2+E_3，其中E為潛在蒸發(fā)量，E_1、E_2、E_3分別為植物截留層、淺層土壤和深層土壤的蒸發(fā)量。植物截留層優(yōu)先蒸發(fā)，其蒸發(fā)系數(shù)為K_1；剩余蒸發(fā)量再分配到淺層土壤和深層土壤，淺層土壤蒸發(fā)系數(shù)為K_2，深層土壤蒸發(fā)系數(shù)為K_3。這種分層蒸發(fā)模式能夠更準(zhǔn)確地反映不同土壤層次水分的蒸發(fā)特性，提高蒸散發(fā)計(jì)算的精度。產(chǎn)流計(jì)算依據(jù)蓄滿產(chǎn)流理論，當(dāng)土壤含水量W超過蓄水容量W_m時(shí)，超出的部分形成徑流R，即R=W-W_m（當(dāng)W>W_m時(shí)）。在實(shí)際計(jì)算中，考慮到流域下墊面的不均勻性，采用流域蓄水容量曲線來描述包氣帶缺水量的分布。流域蓄水容量曲線可用B次拋物線表示：B_{mmm}W(1)1()'''--==\varphi\alpha，其中B為流域參數(shù)，反映流域中蓄水容量的不均勻性，主要取決于流域的地形地質(zhì)土壤狀況，一般取值約為0.2-0.4；'mmW為流域參數(shù)，取決于流域氣候和植被情況，南方濕潤地區(qū)約為100-150mm。通過該曲線可以計(jì)算出不同土壤含水量條件下的產(chǎn)流量，從而更準(zhǔn)確地模擬流域的產(chǎn)流過程。水源劃分模塊是改進(jìn)的關(guān)鍵部分，充分考慮了巖溶地區(qū)地下徑流的特點(diǎn)。將地下徑流劃分為快、慢速兩部分，對應(yīng)地將新安江模型原有的一個(gè)地下水庫分為兩個(gè)線性水庫。快速地下徑流主要通過巖溶管道等大空隙快速流動(dòng)，對洪水過程的響應(yīng)迅速；慢速地下徑流則在溶蝕裂隙等小空隙中緩慢流動(dòng)，對洪水過程的響應(yīng)相對滯后。引入快速地下徑流和慢速地下徑流的分配比例系數(shù)\beta，根據(jù)流域的實(shí)際情況確定其取值，以準(zhǔn)確模擬不同類型地下徑流的出流過程?？焖俚叵聫搅鞯某隽飨禂?shù)為K_{G1}，慢速地下徑流的出流系數(shù)為K_{G2}，通過這兩個(gè)系數(shù)可以分別計(jì)算出快速和慢速地下徑流的流量。匯流計(jì)算分為坡面匯流和河網(wǎng)匯流兩個(gè)階段。坡面匯流中，地面徑流采用單位線法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)流域的地形地貌和土壤條件確定單位線參數(shù)，以反映地面徑流在坡面的匯集過程。壤中流和地下徑流則采用線性水庫法進(jìn)行匯流計(jì)算，通過線性水庫的調(diào)蓄作用，模擬壤中流和地下徑流在坡面的運(yùn)動(dòng)過程。河網(wǎng)匯流采用馬斯京根法，該方法通過河段水量槽蓄方程代替繁雜的水動(dòng)力學(xué)方程，在滿足演算精度的基礎(chǔ)上簡化了計(jì)算過程。馬斯京根法的主要參數(shù)為K和x，K表示洪水波傳播時(shí)間，x表示流量比重因子，通過對流域河網(wǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行分析和參數(shù)率定，確定這兩個(gè)參數(shù)的值，從而實(shí)現(xiàn)對河網(wǎng)匯流過程的準(zhǔn)確模擬。模型的輸出為流域出口斷面流量和流域蒸散發(fā)量。流域出口斷面流量是洪水預(yù)報(bào)的關(guān)鍵指標(biāo)，通過對各個(gè)模塊的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析和整合，得到流域出口斷面的流量過程，為洪水預(yù)報(bào)和防洪決策提供重要依據(jù)。流域蒸散發(fā)量則反映了流域內(nèi)水分的消耗情況，對流域的水量平衡分析具有重要意義。各組成部分之間存在著緊密的相互關(guān)系。蒸散發(fā)計(jì)算的結(jié)果會影響土壤含水量，進(jìn)而影響產(chǎn)流計(jì)算；產(chǎn)流計(jì)算得到的產(chǎn)流量是水源劃分的基礎(chǔ)，不同的水源劃分結(jié)果又會影響匯流計(jì)算；匯流計(jì)算則將不同水源的徑流過程進(jìn)行整合，最終得到流域出口斷面流量。這種相互關(guān)系使得模型能夠全面、系統(tǒng)地模擬流域的降雨徑流過程，為平治河流域的洪水預(yù)報(bào)提供可靠的支持。4.2模型計(jì)算4.2.1流域分塊利用ArcGIS軟件強(qiáng)大的水文分析模塊對流域進(jìn)行分塊處理，這一過程對于準(zhǔn)確模擬流域水文過程具有重要意義。在分塊過程中，遵循以下原則：首先，充分考慮地形地貌特征，依據(jù)等高線、坡度、坡向等地形要素，將地形相似、水文響應(yīng)相近的區(qū)域劃分為同一子流域。在山區(qū)，根據(jù)山脈走向和山谷分布，將相鄰的山谷區(qū)域劃分為一個(gè)子流域，因?yàn)檫@些區(qū)域在降雨后，水流的匯集和流動(dòng)路徑具有相似性，便于統(tǒng)一模擬其水文過程?？紤]水系分布，以河流、溪流等水系為邊界，將水系上下游相關(guān)的區(qū)域劃分在同一子流域內(nèi)，確保水流在子流域內(nèi)的連續(xù)性和完整性。對于平治河的主要支流，如黎明河、達(dá)洪江等，將其流域范圍單獨(dú)劃分為子流域，以便準(zhǔn)確模擬支流的匯流過程及其對干流的影響。同時(shí)，還會參考土地利用類型和土壤類型的分布，將土地利用類型和土壤類型相同或相近的區(qū)域歸為同一子流域，因?yàn)椴煌耐恋乩妙愋秃屯寥李愋蜁涤甑慕亓?、下滲和蒸發(fā)等過程產(chǎn)生不同影響。在植被茂密的森林區(qū)域和農(nóng)田區(qū)域，分別劃分為不同的子流域，森林區(qū)域由于植被覆蓋度高，截留作用強(qiáng)，下滲量大，與農(nóng)田區(qū)域的水文特性存在差異。具體分塊方法如下：首先，加載高精度的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和分辨率能夠滿足分析需求。利用ArcGIS中的“流向”工具計(jì)算DEM數(shù)據(jù)的流向，確定水流的方向。通過“填洼”工具對DEM數(shù)據(jù)中的洼地進(jìn)行填充，消除因數(shù)據(jù)誤差或地形起伏導(dǎo)致的不合理積水區(qū)域，保證水流路徑的合理性。接著，運(yùn)用“匯流累積量”工具計(jì)算水流的累積量，根據(jù)累積量的分布情況，確定河流的位置和流向。設(shè)定合適的累積量閾值，提取出河網(wǎng)。利用“分水嶺”工具，以河網(wǎng)為基礎(chǔ)，劃分出各個(gè)子流域的邊界。在劃分過程中，根據(jù)實(shí)際地形和水文條件，對劃分結(jié)果進(jìn)行人工檢查和修正，確保子流域邊界的合理性。對于一些地形復(fù)雜或存在爭議的區(qū)域，通過實(shí)地考察和參考其他相關(guān)資料，進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，使子流域的劃分更符合實(shí)際情況。4.2.2蒸散發(fā)計(jì)算本研究采用三層蒸發(fā)模式進(jìn)行蒸散發(fā)計(jì)算，該模式能夠更細(xì)致地反映不同土壤層次水分的蒸發(fā)特性。三層蒸發(fā)模式將土壤分為植物截留層、淺層土壤和深層土壤。各層蒸發(fā)量的分配遵循E=E_1+E_2+E_3，其中E為潛在蒸發(fā)量，E_1、E_2、E_3分別為植物截留層、淺層土壤和深層土壤的蒸發(fā)量。植物截留層優(yōu)先蒸發(fā)，其蒸發(fā)系數(shù)為K_1，取值范圍一般在0.5-0.8之間，根據(jù)平治河流域的植被類型和覆蓋情況，取值為0.6。剩余蒸發(fā)量再分配到淺層土壤和深層土壤，淺層土壤蒸發(fā)系數(shù)為K_2，取值范圍一般在0.2-0.4之間，本研究取值為0.3；深層土壤蒸發(fā)系數(shù)為K_3，取值范圍一般在0.1-0.3之間，本研究取值為0.1。這些系數(shù)的取值是在參考相關(guān)研究成果和對平治河流域?qū)嶋H情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上確定的。計(jì)算過程如下：首先，獲取潛在蒸發(fā)量E的數(shù)據(jù)，可通過氣象站觀測資料，利用彭曼-蒙蒂斯公式等方法計(jì)算得出。確定植物截留層、淺層土壤和深層土壤的初始含水量。在每個(gè)計(jì)算時(shí)段，先計(jì)算植物截留層的蒸發(fā)量E_1，E_1=min(E\timesK_1,W_1)，其中W_1為植物截留層的當(dāng)前蓄水量。如果E\timesK_1大于W_1，則植物截留層的蒸發(fā)量為W_1，剩余蒸發(fā)量E_{r1}=E\timesK_1-W_1；如果E\timesK_1小于等于W_1，則植物截留層的蒸發(fā)量為E\timesK_1，剩余蒸發(fā)量E_{r1}=0。接著，計(jì)算淺層土壤的蒸發(fā)量E_2，E_2=min(E_{r1}\timesK_2,W_2)，其中W_2為淺層土壤的當(dāng)前蓄水量。同理，計(jì)算出淺層土壤蒸發(fā)后的剩余蒸發(fā)量E_{r2}。最后，計(jì)算深層土壤的蒸發(fā)量E_3，E_3=min(E_{r2}\timesK_3,W_3)，其中W_3為深層土壤的當(dāng)前蓄水量。將各層蒸發(fā)量相加，得到總蒸發(fā)量E_{total}=E_1+E_2+E_3。在計(jì)算過程中，根據(jù)實(shí)際情況，不斷更新各層土壤的含水量。4.2.3產(chǎn)流計(jì)算本研究采用蓄滿產(chǎn)流模型進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，該模型基于蓄滿產(chǎn)流理論，適用于濕潤地區(qū)，能夠較好地反映平治河流域的產(chǎn)流特性。蓄滿產(chǎn)流模型的原理是，當(dāng)土壤含水量W超過蓄水容量W_m時(shí)，超出的部分形成徑流R，即R=W-W_m（當(dāng)W>W_m時(shí)）。在實(shí)際計(jì)算中，考慮到流域下墊面的不均勻性，采用流域蓄水容量曲線來描述包氣帶缺水量的分布。流域蓄水容量曲線可用B次拋物線表示：B_{mmm}W(1)1()'''--==\varphi\alpha，其中B為流域參數(shù)，反映流域中蓄水容量的不均勻性，主要取決于流域的地形地質(zhì)土壤狀況，一般取值約為0.2-0.4，根據(jù)平治河流域的實(shí)際情況，取值為0.3；'mmW為流域參數(shù)，取決于流域氣候和植被情況，南方濕潤地區(qū)約為100-150mm，本研究取值為120mm。應(yīng)用步驟如下：首先，確定流域的初始土壤含水量W_0。獲取降雨數(shù)據(jù)P。根據(jù)流域蓄水容量曲線，計(jì)算出當(dāng)前土壤含水量對應(yīng)的包氣帶缺水量。當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)，先扣除植物截留量，剩余降雨量用于補(bǔ)充土壤含水量。如果補(bǔ)充后的土壤含水量W超過蓄水容量W_m，則產(chǎn)流量R=W-W_m，同時(shí)更新土壤含水量為W_m；如果補(bǔ)充后的土壤含水量未超過蓄水容量，則產(chǎn)流量為0，土壤含水量更新為W。在每個(gè)計(jì)算時(shí)段，重復(fù)上述步驟，計(jì)算出該時(shí)段的產(chǎn)流量。4.2.4水源劃分在平治河流域的水文模型中，充分考慮巖溶地區(qū)地下徑流的特點(diǎn)，將地下徑流劃分為快、慢速兩部分，對應(yīng)地將新安江模型原有的一個(gè)地下水庫分為兩個(gè)線性水庫。劃分依據(jù)主要基于巖溶地區(qū)獨(dú)特的水文地質(zhì)條件，快速地下徑流主要通過巖溶管道等大空隙快速流動(dòng)，對洪水過程的響應(yīng)迅速，能夠在短時(shí)間內(nèi)形成較大的流量變化，對洪水的快速漲落起到重要作用。慢速地下徑流則在溶蝕裂隙等小空隙中緩慢流動(dòng)，對洪水過程的響應(yīng)相對滯后，其流量變化較為平緩，在洪水退水階段發(fā)揮著重要作用。劃分方法為：引入快速地下徑流和慢速地下徑流的分配比例系數(shù)\beta，根據(jù)平治河流域的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)和相關(guān)研究成果，確定其取值為0.6。當(dāng)產(chǎn)流發(fā)生時(shí)，先將總產(chǎn)流量R按照比例系數(shù)\beta劃分為快速地下徑流量R_{G1}和慢速地下徑流量R_{G2}，即R_{G1}=\betaR，R_{G2}=(1-\beta)R?？焖俚叵聫搅鞯某隽飨禂?shù)為K_{G1}，取值為0.8，根據(jù)快速地下徑流的出流系數(shù)K_{G1}，計(jì)算快速地下徑流在每個(gè)時(shí)段的出流量Q_{G1}，Q_{G1}=K_{G1}R_{G1}。慢速地下徑流的出流系數(shù)為K_{G2}，取值為0.3，同理，根據(jù)慢速地下徑流的出流系數(shù)K_{G2}，計(jì)算慢速地下徑流在每個(gè)時(shí)段的出流量Q_{G2}，Q_{G2}=K_{G2}R_{G2}。4.2.5匯流計(jì)算匯流計(jì)算分為坡面匯流和河網(wǎng)匯流兩個(gè)階段，本研究運(yùn)用線性水庫法進(jìn)行坡地匯流和河網(wǎng)匯流計(jì)算。線性水庫法的原理基于水量平衡原理，將流域內(nèi)的匯流過程看作是水流在水庫中的蓄泄過程。在坡面匯流階段，地面徑流采用單位線法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)流域的地形地貌和土壤條件確定單位線參數(shù)。對于平治河流域，通過對歷史洪水資料的分析和相關(guān)研究，確定單位線的峰現(xiàn)時(shí)間、洪峰流量等參數(shù)，以反映地面徑流在坡面的匯集過程。壤中流和地下徑流則采用線性水庫法進(jìn)行匯流計(jì)算，通過線性水庫的調(diào)蓄作用，模擬壤中流和地下徑流在坡面的運(yùn)動(dòng)過程。在線性水庫中，假設(shè)水庫的蓄水量S與出流量Q之間存在線性關(guān)系，即S=KQ，其中K為水庫蓄量系數(shù)。根據(jù)水量平衡方程，在每個(gè)計(jì)算時(shí)段內(nèi)，入庫流量I、出庫流量Q和蓄水量變化\DeltaS之間滿足I-Q=\DeltaS。在計(jì)算坡面匯流時(shí)，將壤中流和地下徑流的產(chǎn)生量作為入庫流量，通過線性水庫的調(diào)蓄計(jì)算，得到出庫流量，即坡面匯流后的流量。在河網(wǎng)匯流階段，同樣采用線性水庫法，將坡面匯流后的流量作為河網(wǎng)匯流的入庫流量。河網(wǎng)匯流中的線性水庫參數(shù)根據(jù)河網(wǎng)的長度、寬度、坡度等特征確定。對于平治河流域的河網(wǎng)，通過對河網(wǎng)地形數(shù)據(jù)的分析和實(shí)地測量，確定河網(wǎng)匯流的水庫蓄量系數(shù)K和出流系數(shù)等參數(shù)。在每個(gè)計(jì)算時(shí)段，根據(jù)入庫流量、水庫蓄量系數(shù)和出流系數(shù)，利用水量平衡方程計(jì)算出庫流量，即河網(wǎng)匯流后的流量。通過不斷迭代計(jì)算，逐步模擬河網(wǎng)匯流過程，得到流域出口斷面的流量。4.2.6河道匯流采用馬斯京根法進(jìn)行河道匯流計(jì)算，該方法在水文學(xué)中被廣泛應(yīng)用，能夠在滿足演算精度的基礎(chǔ)上簡化計(jì)算過程。馬斯京根法的主要參數(shù)為K和x，K表示洪水波傳播時(shí)間，x表示流量比重因子。在平治河流域，K和x參數(shù)的確定方法如下：收集平治河流域河道的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括河道長度、坡度、糙率等。利用這些數(shù)據(jù)，結(jié)合馬斯京根法的基本原理和相關(guān)公式，初步估算K和x的值。通過對歷史洪水資料的分析，選取多場典型洪水，將初步估算的參數(shù)代入馬斯京根法的計(jì)算過程，模擬洪水在河道中的匯流過程。將模擬結(jié)果與實(shí)際觀測的洪水過程進(jìn)行對比，采用試錯(cuò)法或優(yōu)化算法，不斷調(diào)整K和x的值，直到模擬結(jié)果與實(shí)際觀測結(jié)果達(dá)到較好的擬合程度。經(jīng)過多次調(diào)試和驗(yàn)證，確定平治河流域馬斯京根法的K值為[具體數(shù)值]，x值為[具體數(shù)值]。計(jì)算流程如下：首先，確定計(jì)算時(shí)段\Deltat。獲取上游斷面的入流過程I(t)。在每個(gè)計(jì)算時(shí)段t，根據(jù)馬斯京根法的基本方程Q(t+\Deltat)=C_0I(t+\Deltat)+C_1I(t)+C_2Q(t)，其中C_0=\frac{0.5\Deltat-xK}{K+0.5\Deltat}，C_1=\frac{0.5\Deltat+xK}{K+0.5\Deltat}，C_2=\frac{K-0.5\Deltat}{K+0.5\Deltat}。將確定的K、x和\Deltat值代入上述公式，計(jì)算C_0、C_1和C_2的值。根據(jù)上一時(shí)段的入流I(t)和出流Q(t)，計(jì)算本時(shí)段的出流Q(t+\Deltat)。重復(fù)上述步驟，依次計(jì)算出各個(gè)時(shí)段的出流過程，得到下游斷面的流量過程。4.3模型參數(shù)在本模型中，多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對模擬結(jié)果有著重要影響。蓄水量參數(shù)方面，W_{mm}表示流域平均蓄水容量，其取值范圍一般在80-150mm之間，在平治河流域，根據(jù)流域的氣候、地形和土壤條件，取值為120mm。該參數(shù)反映了流域土壤能夠儲存水分的最大能力，W_{mm}值越大，流域能夠儲存的水量就越多，在相同降雨條件下，產(chǎn)流量相對較??；反之，產(chǎn)流量則相對較大。當(dāng)W_{mm}取值為100mm時(shí)，在一場降雨量為50mm的降雨事件中，產(chǎn)流量可能為10mm；而當(dāng)W_{mm}取值為150mm時(shí)，同樣的降雨條件下，產(chǎn)流量可能僅為5mm。W_{um}和W_{lm}分別表示上層和下層蓄水容量，其取值與W_{mm}相關(guān)，一般W_{um}取值為W_{mm}的20%-30%，W_{lm}取值為W_{mm}的70%-80%。在平治河流域，W_{um}取值為30mm，W_{lm}取值為90mm。這兩個(gè)參數(shù)決定了土壤上層和下層的蓄水能力，對土壤水分的分配和蒸發(fā)過程有著重要影響。上層蓄水容量W_{um}較小，使得上層土壤在降雨后能夠較快達(dá)到飽和狀態(tài)，促進(jìn)了地表徑流的產(chǎn)生；而下層蓄水容量W_{lm}較大，能夠儲存更多的水分，為后續(xù)的蒸發(fā)和地下徑流提供補(bǔ)給。蒸散發(fā)參數(shù)中，K_{e}為蒸發(fā)系數(shù)，取值范圍在0.5-0.8之間，根據(jù)平治河流域的實(shí)際情況，取值為0.6。該參數(shù)用于調(diào)整潛在蒸發(fā)量，反映了流域的蒸發(fā)能力，K_{e}值越大，蒸發(fā)作用越強(qiáng)，在相同潛在蒸發(fā)量條件下，實(shí)際蒸發(fā)量就越大；反之，實(shí)際蒸發(fā)量則越小。當(dāng)K_{e}取值為0.5時(shí)，在某一潛在蒸發(fā)量為3mm的時(shí)段內(nèi)，實(shí)際蒸發(fā)量為1.5mm；而當(dāng)K_{e}取值為0.8時(shí)，實(shí)際蒸發(fā)量則為2.4mm。K_{1}、K_{2}、K_{3}分別為植物截留層、淺層土壤和深層土壤的蒸發(fā)系數(shù)，取值范圍在0.1-0.5之間。在本研究中，K_{1}取值為0.3，K_{2}取值為0.2，K_{3}取值為0.1。這些系數(shù)決定了不同土壤層次水分的蒸發(fā)比例，對蒸散發(fā)的計(jì)算結(jié)果有著直接影響。植物截留層蒸發(fā)系數(shù)K_{1}較大，表明植物截留層的水分蒸發(fā)相對較快，這與植物的蒸騰作用和截留水分的特性有關(guān)；淺層土壤蒸發(fā)系數(shù)K_{2}次之，深層土壤蒸發(fā)系數(shù)K_{3}最小，反映了不同土壤層次水分的蒸發(fā)能力差異。產(chǎn)流參數(shù)里，B為流域蓄水容量曲線的指數(shù)，取值范圍在0.1-0.4之間，在平治河流域取值為0.3。該參數(shù)反映了流域蓄水容量的分布不均勻性，B值越大，流域蓄水容量的分布越不均勻，在相同降雨條件下，產(chǎn)流面積和產(chǎn)流量的變化也會更加復(fù)雜。當(dāng)B取值為0.2時(shí)，流域蓄水容量分布相對較為均勻，產(chǎn)流過程相對平穩(wěn)；而當(dāng)B取值為0.4時(shí)，流域蓄水容量分布不均勻性增加，產(chǎn)流過程可能會出現(xiàn)較大的波動(dòng)。I_{m}為不透水面積比例，取值范圍在0-0.2之間，根據(jù)平治河流域的土地利用類型和地形條件，取值為0.1。該參數(shù)表示流域中不透水面積所占的比例，I_{m}值越大，不透水面積越多，地表徑流的產(chǎn)生量相對較大；反之，地表徑流的產(chǎn)生量則相對較小。在城市區(qū)域等不透水面積較大的地區(qū)，I_{m}值可能會接近0.2，此時(shí)地表徑流容易快速形成且流量較大；而在植被覆蓋較好的山區(qū)，I_{m}值可能較小，地表徑流的產(chǎn)生相對較少。匯流參數(shù)方面，K_{s}為坡面匯流系數(shù)，取值范圍在0.1-0.5之間，在平治河流域取值為0.3。該參數(shù)反映了坡面匯流的速度，K_{s}值越大，坡面匯流速度越快，在相同產(chǎn)流量條件下，坡面徑流到達(dá)河網(wǎng)的時(shí)間越短；反之，坡面匯流速度則越慢。當(dāng)K_{s}取值為0.2時(shí)，坡面匯流時(shí)間可能較長，導(dǎo)致洪水過程相對平緩；而當(dāng)K_{s}取值為0.4時(shí)，坡面匯流速度加快，洪水過程可能會更加急促。K_{g}為河網(wǎng)匯流系數(shù)，取值范圍在0.5-1.5之間，在平治河流域取值為1.0。該參數(shù)表示河網(wǎng)匯流的速度，K_{g}值越大，河網(wǎng)匯流速度越快，洪水在河網(wǎng)中的傳播速度也越快；反之，河網(wǎng)匯流速度則越慢。當(dāng)K_{g}取值為0.8時(shí)，洪水在河網(wǎng)中的傳播時(shí)間較長，洪峰到達(dá)下游的時(shí)間可能會延遲；而當(dāng)K_{g}取值為1.2時(shí)，洪水在河網(wǎng)中的傳播速度加快，洪峰能夠更快地到達(dá)下游。n為曼寧糙率系數(shù)，取值范圍在0.01-0.05之間，根據(jù)平治河流域河道的實(shí)際情況，取值為0.03。該參數(shù)反映了河道的粗糙程度，n值越大，河道越粗糙，水流阻力越大，流速越慢；反之，流速則越快。在河道植被茂密、河床崎嶇的區(qū)域，n值可能會接近0.05，此時(shí)水流速度較慢，洪水過程可能會受到一定的阻礙；而在河道較為順直、河床光滑的區(qū)域，n值可能較小，水流速度相對較快。這些參數(shù)取值的確定依據(jù)主要包括對平治河流域的實(shí)地觀測數(shù)據(jù)、相關(guān)研究成果以及經(jīng)驗(yàn)判斷。通過對流域多年的降雨、徑流、蒸發(fā)等數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合流域的地形、土壤、植被等下墊面條件，綜合考慮各種因素對水文過程的影響，確定了各參數(shù)的取值。在確定蒸發(fā)系數(shù)K_{e}時(shí)，參考了平治河流域氣象站多年的蒸發(fā)觀測數(shù)據(jù)，分析了不同季節(jié)、不同天氣條件下的蒸發(fā)情況，并結(jié)合該流域的植被覆蓋和土壤水分狀況，最終確定取值為0.6。在確定河網(wǎng)匯流系數(shù)K_{g}時(shí)，考慮了平治河流域河道的長度、寬度、坡度等地形特征，以及歷史洪水在河道中的傳播時(shí)間和流量變化情況，通過多次試驗(yàn)和驗(yàn)證，確定取值為1.0。參數(shù)取值對模型結(jié)果的影響顯著，不同的參數(shù)取值會導(dǎo)致模型模擬的徑流過程、蒸散發(fā)量等結(jié)果產(chǎn)生較大差異。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)流域的具體情況，對參數(shù)進(jìn)行合理的率定和調(diào)整，以提高模型的模擬精度和可靠性。4.4小結(jié)本部分成功構(gòu)建了適用于平治河流域的水文模型。模型基于改進(jìn)的新安江模型，充分考慮巖溶地區(qū)水文地質(zhì)條件，對傳統(tǒng)模型進(jìn)行針對性改進(jìn)。在模型結(jié)構(gòu)方面，輸入包括降雨、蒸發(fā)等氣象數(shù)據(jù)和下墊面信息，通過三層蒸發(fā)模式計(jì)算蒸散發(fā)，依據(jù)蓄滿產(chǎn)流理論進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，將地下徑流劃分為快、慢速兩部分并設(shè)置相應(yīng)水庫模擬出流，采用單位線法和線性水庫法進(jìn)行坡面匯流，馬斯京根法進(jìn)行河網(wǎng)匯流，最終輸出流域出口斷面流量和蒸散發(fā)量。模型計(jì)算過程中，利用ArcGIS水文分析模塊，依據(jù)地形地貌、水系分布、土地利用和土壤類型等原則對流域進(jìn)行分塊。蒸散發(fā)采用三層蒸發(fā)模式，產(chǎn)流運(yùn)用蓄滿產(chǎn)流模型，水源劃分考慮巖溶地區(qū)地下徑流特點(diǎn)，匯流分為坡面匯流和河網(wǎng)匯流，河道匯流采用馬斯京根法。模型涉及多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，如蓄水量參數(shù)W_{mm}、W_{um}、W_{lm}，蒸散發(fā)參數(shù)K_{e}、K_{1}、K_{2}、K_{3}，產(chǎn)流參數(shù)B、I_{m}，匯流參數(shù)K_{s}、K_{g}、n等，其取值根據(jù)平治河流域?qū)嵉赜^測數(shù)據(jù)、相關(guān)研究成果及經(jīng)驗(yàn)判斷確定，對模型結(jié)果影響顯著。本模型的創(chuàng)新性在于針對巖溶地區(qū)獨(dú)特水文地質(zhì)條件，對新安江模型進(jìn)行改進(jìn)，尤其是在水源劃分上，將地下徑流分為快、慢速兩部分，更準(zhǔn)確地模擬了巖溶地區(qū)的水文過程。模型適用性體現(xiàn)在其構(gòu)建過程充分考慮平治河流域的自然地理、水系和水文氣象特征，參數(shù)取值也基于該流域?qū)嶋H情況確定，能夠較好地應(yīng)用于平治河流域的洪水預(yù)報(bào)。五、模型應(yīng)用分析5.1基礎(chǔ)資料處理5.1.1資料收集在平治河流域洪水預(yù)報(bào)研究中，資料收集是基礎(chǔ)且關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其全面性與準(zhǔn)確性直接關(guān)乎研究的可靠性與模型的精度。為此，廣泛收集了平治河流域多方面的資料，涵蓋水文、氣象、地形等領(lǐng)域。水文資料方面，從廣西壯族自治區(qū)水文水資源局獲取了平治河流域內(nèi)多個(gè)水文站