Numerical model development for investigating hydrologic pathways in shallow fluviokarst
Numerical model development for investigating hydrologic pathways in shallow fluviokarst
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研究浅层河流喀斯特水文路径的数值模型开发
DOI：
10.1016/j.jhydrol.2020.125844
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发表时间：
2021
影响因子：
6.4
通讯作者：
Bettel, Leonie
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Al Aamery, Nabil;Adams, Ethan;Fox, James;Husic, Admin;Zhu, Junfeng;Gerlitz, Morgan;Agouridis, Carmen;Bettel, Leonie
喀斯特通道和河流通道控制着浅层河流岩溶盆地的水文，而河流岩溶的数值模拟鲜有报道。在本研究中，我们通过模拟地表河流路线、河内小块源和汇、表层岩溶储存和动态转移、基质基岩相互作用和封闭管道潜水流动，建立了一个离散-连续相结合的河流岩溶数值模型。我们将该模型应用于美国肯塔基州的Cane Run-Royal Spring盆地。模型评价表明，弹簧流量本身不能充分约束模型路径和不确定性。相反，多目标校准，整合来自多个地点的河流流量和井口数据，有助于识别敏感参数（p < 0.05）。多目标改进了流洞连通性的表示，限制了系统的先验知识偏差，但在高性能集群上需要168小时的计算成本。研究结果表明，该盆地为成熟的河流岩溶盆地，裂缝-管道网络清晰，并具有潜水含水层。岩溶通道的停留时间有5个数量级的差异，垂直小洞的停留时间小于1小时，纵向导管的停留时间为12.7 h，渗透带和表层岩溶的停留时间为12.7 d，基岩基质的停留时间为142.7 d。结果表明，源水到达地下系统与泉水响应在时间上是分离的。模型模拟表明，无量纲的垂直与纵向输送比有助于预测连接河流和喀斯特系统的狭缝。讨论了已开发模型和其他岩溶模型的可转移性，以及岩溶盆地信息的可获得性。
Karst pathways and fluvial pathways control hydrology in shallow fluviokarst basins, and numerical modelling of fluviokarst is seldom reported. In this study, we developed a combined discrete-continuum fluviokarst numerical model by simulating surface river routing, in-stream swallet sources and sinks, epikarst storage and dynamic transfer, matrix bedrock interactions, and closed conduit phreatic flow. We applied the model to the Cane Run-Royal Spring basin in Kentucky, USA. Model evaluation indicated that spring discharge alone inadequately constrained model pathways and uncertainty. Instead multi-objective calibration, integrating riverine discharge and well-head data from multiple locations, assisted in identifying sensitive parameters (p < 0.05). Multi-objectives improved representation of stream-cave connectivity and limited prior knowledge biases of the system but was computationally expensive with 168 h required on a high-performance cluster. Results provided evidence for a mature fluviokarst basin with well-defined fracture-conduit network and phreatic aquifer. Residence times of karst pathways vary by five orders of magnitude, ranging from less than one hour in vertical swallets, 12.7 h in longitudinal conduits, 12.7 days in the vadose zone and epikarst, and 142.7 days in the bedrock matrix. Results suggest arrival of source waters to the subsurface systems is disconnected in time from the springflow response. Model simulations show a dimensionless vertical to longitudinal conveyance ratio helps predict swallets linking the fluvial and karst systems. Transferability of the developed model, and other karst models, is discussed relative to availability of information for karst basins.
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S. Worthington;W. Groundwater