喀斯特是由具有溶蝕力的水對可溶性巖石進(jìn)行溶蝕等作用所形成的基巖裸露的石漠化景觀。由于巖溶作用，喀斯特流域的土層淺薄且分布不連續(xù)，地表植被稀疏，抗干擾能力弱，屬于非地帶性的脆弱生態(tài)帶。同時，喀斯特流域與非喀斯特流域的水文過程也存在較大差異?？λ固亓饔虻漠a(chǎn)流、匯流過程不僅受到地形起伏、土壤厚度的控制，還受到巖石裂隙的分布、走向、地表落水洞、漏斗和天坑等巖溶地貌的綜合影響。由降雨形成的地表水因這些復(fù)雜的地形結(jié)構(gòu)而快速向地下滲漏，導(dǎo)致喀斯特地表植物缺乏生長所需的必要水分。
中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所徐憲立研究團(tuán)隊基于半分布式半集中式VarKarst水文模型，通過增加“坡地洼地兩種水文響應(yīng)單元”模塊、土壤厚度和表層巖溶帶厚度隨機(jī)模擬模塊、快速流慢速流模擬模塊，構(gòu)建了適用于模擬中國西南喀斯特流域水文過程的生態(tài)水文模型，并應(yīng)用于西江流域與烏江流域中七個獨立流域（圖1）。研究通過不同八種方案組合，篩選出適用于喀斯特流域的最佳改進(jìn)方案，其中八種方案分別為：原VarKarst模型（Original）、僅添加土壤厚度和表層巖溶帶厚度隨機(jī)模擬方案（RSE）、僅添加快速流慢速流模擬方案（FS）、僅添加坡地洼地分離模塊（HD）、添加土壤厚度和表層巖溶帶厚度隨機(jī)模擬與快速流慢速流模擬方案（RSE+FS）、添加隨機(jī)厚度模擬與坡地洼地分離方案（RSE+HD）、添加快速流慢速流與坡地洼地分離方案（FS+HD）、以及添加隨機(jī)厚度、快速流慢速流與坡地洼地分離方案（RSE+FS+HD。研究結(jié)果表明相較于原始的VarKarst模型，RSE+FS+HD方案具有最佳的模擬能力，且七個流域中其校準(zhǔn)期與驗證期的KGE為0.54至0.89，RMSE為0.34至2.78mm。另外，改進(jìn)的VarKarst模型在模擬喀斯特流域平均土壤厚度方面也取得較好的效果。在陳旗流域中，改進(jìn)的VarKarst模型模擬的坡地土壤厚度為426.5mm，而實測的坡地平均土壤厚度為415.17mm。因此，改進(jìn)的VarKarst模型能為流域內(nèi)平均土壤與表層巖溶帶厚度預(yù)測提供重要的參考依據(jù)。
相關(guān)研究成果以An Improved Optimization Scheme for Representing Hillslopes and Depressions in Karst Hydrology為題，發(fā)表在Water Resources Research上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金項目(41571130073)，亞熱帶生態(tài)所青年創(chuàng)新團(tuán)隊(2017QNCXTD_XXL)，重點實驗室開放基金(ISA2018302以及中國科學(xué)院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊項目的支持。
研究區(qū)域圖