岩溶是一种起源于碳酸盐岩与酸性大气降水发生溶解侵蚀而形成的一种特殊地质现象。岩溶地貌占全球陆地面积的7~12%,世界上超过25%的人口依赖于岩溶含水层。然而,无论是在地理信息系统领域,还是在岩溶水资源的有限元建模方面,很少有关于计算技术应用方面的研究。这可能主要是由于岩溶介质不均一性强、地质结构复杂,致使其建模难度大。另一个问题是,对岩溶结构特征的刻画和认识还不够充分,一般将其视为其他沉积地层。这导致了一些环境和基础设施的破坏,以及巨大的经济损失。尽管存在这些挑战,但在过去十年中仍有一些成功的案例研究。但是,目前还没有关于如何在岩溶环境中进行标准化水文建模的研究。此外,岩溶环境需要对其潜在的非均质性和对环境风险的敏感性进行特殊处理。正是为了满足这些需求,本文旨在提高对岩溶流域水文过程和可持续水资源管理的理解与认识。本文的研究工作概述了一些重要的研究问题,并着手系统地回答它们,目的是开发一种标准化的方法来模拟岩溶流域的水文过程。这些问题是:(1)岩溶流域与非岩溶流域有何不同?(2)岩溶特征对流域排泄系统有何影响?(3)流域内主要岩溶特征对流量的体积贡献是多少?这些特征如何影响地下水的数量和质量?(4)使用未经修改的SWAT模型,可以在岩溶环境中模拟降雨径流吗?本文选择了高岚河流域的两个相邻小流域作为案例研究。第一个是庙沟流域,是一个高度岩溶化的小流域,也是本文研究工作的重点。第二个是高家坪流域,是一个主要由火成岩和变质岩构成的非岩溶流域,用于对比典型的岩溶流域和非岩溶流域之间的差异。这些差异主要与地形、水文和地貌特征有关。首先,在第二章中,对流域的形态特征进行了刻画,以便提供对流域物理特性以及它们如何影响水文过程的理解。这是建模前的必要工作,因为它提供了重要的物理参数信息。利用地理信息系统和遥感技术刻画出庙沟岩溶流域和高家坪流域的形态参数。研究结果表明,由于碳酸盐岩(石灰岩和白云岩)的溶蚀作用,庙沟的地形起伏大且复杂。此外,庙沟具有非常高的凹度指数,导致降水事件期间的快速径流。庙沟的流域面积为45平方公里,主要河道长约15公里,水系总长度为30.86公里,Gravelius指数为1.93。地貌分析结果表明,庙沟的岩溶地貌主要为溶丘洼地类型,溶丘具有锥状几何形状,具有长而宽的岩溶洼地,流域内大型的岩溶洼地有四个。流域内还有四个洞穴和十八个落水洞,其中刘家坝落水洞成为白龙泉最主要的补给通道。另一方面,高家坪流域没有岩溶发育,是一个具有较为均匀孔隙含水介质的流域代表。其次,在第三章中,从庙沟和高家坪流域的径流过程中选取了15次水文响应过程,进行流量衰退分析和径流成分分割。目的是确定岩溶特征对流域排泄系统的影响,并估算这些特征对总流量的体积贡献。此外,进一步研究了它们对庙沟流域地下水数量和质量的影响。本文使用指数法进行衰减曲线分析,每次洪峰流量衰减过程可划分为四个衰减期,并分别计算得到各段的衰减系数。这些衰减系数可以用于划分径流组成,以评估每一径流组分的水量、百分比及其他特征。结果表明,相对于非岩溶流域,岩溶流域由于大型洞穴、裂隙发育导致的介质高度不均一性,更倾向于通过大的管道和裂隙排泄更多的水量。虽然落水洞或封闭型洼地等岩溶形态可以充当补给通道,通过大型地下溶洞、溶腔等快速径流而形成大型岩溶泉,而小型裂隙和孔隙的水流主要贡献给流域的基流。本文将高度岩溶化流域的这些共同特征称之为岩溶排泄属性(KDA),形成的径流称为岩溶排泄流量(KDF)。KDF代表了衰退曲线的第二阶段,并具有坡面流的相似特征。在两个流域对比研究中,衰退系数的统计结果表明KDA受到含水层输出时间变化的强烈影响。尽管在枯水期,以衰退曲线的第四阶段为例,两个流域的衰退系数均没有像前两个衰退期一样表现出统计差别,表明控制主要延迟排泄量的微裂隙和孔隙基本相似,并无较大区别。这一结果可为地下水资源的可持续利用提供十分有价值的信息。此外,由于连续衰退阶段的较高衰减系数意味着地下水污染的高度敏感性,以及随着时间推移其含水层输出匮乏,必须强调其中的环境意义。地下水污染是一个主要问题,尤其对于类似研究区这种以地下水为主要淡水资源的地区。前期地下水脆弱性研究结果表明,庙沟流域对污染有较高的内在敏感性。本次研究计算的衰减系数也进一步表明含水层对于污染的高度敏感性。因此,必须针对该区域加强水资源管理与保护。最后,在第四章中,通过对庙沟、高家坪流域进行模拟和计算,预测了其月流量变化。模型结果表明初始分析方法与流域物理结构特征密切相关。另外,选择12个关键参数校正了一个为期两年的模型。对于庙沟流域,研究发现最为敏感的参数是HRU_SLP与CN2,主要受地形因子与流域形态影响。事实上,这主要归因于由KDA形成的KDF特性。在高家坪流域,SHALLST与OV_N等因素最为敏感,这主要是由河流弯曲度及较高基流量所造成的。模型验证后,2015年模拟结果与实测值的相关系数与纳什效率系数均为0.6,2016年的相关系数与纳什效率系数分别为0.7和0.6,总体的水文动态模拟效果较好。对于非岩溶流域,2016年模拟结果的相关系数和纳什效率系数分别为0.73和0.1。总体而言,未经修正的SWAT模型在水文模拟工作中应用前景较好,但需要对流域水文过程有较为充分的认识。本次研究工作的意义主要表现在:(1)对岩溶流域和非岩溶流域的排泄特征进行了评估和对比;(2)确定并计算了流域中岩溶属性控制下的岩溶排泄流量(KDF);(3)阐述了岩溶发育特征对岩溶水资源时空分布特征的影响;(4)利用未经修正的SWAT模型为岩溶流域径流模拟提供了较为标准化的方法;(5)开创了岩溶流域与非岩溶流域的对比水文模型;(6)发现了兴山县庙沟流域内潜在的地下水短缺和污染风险。展望未来,机器学习方法可能会提供一种方法来监测长时间尺度下的径流动态,以掌握每一场暴雨事件的水文特征。随着观测数据的延长,也可获取到整个水文年内岩溶排泄流量的衰减系数,并为计算岩溶排泄系数提供准确方法,即流域中在任何降雨过程中主要在岩溶属性影响控制下的排泄比例。这种方法在未来将有益于地下水资源估算、评价和模拟工作。