岩溶管道拓扑结构对地下水储量变化估算精度的影响机制研究

为解决岩溶含水层高度非均质性导致的地下水储量变化(KWSV)估算不准确问题，研究人员通过耦合等效多孔介质-管道数值模型，系统研究了管道顶点度(vertex degree)和分支角度(branch conduit angle)对泉水衰退曲线及KWSV估算的影响，发现拓扑结构通过调控水流路径显著影响估算精度，为岩溶水资源评估提供了理论依据。

　　

岩溶地区蕴藏着全球重要的地下水资源，但其复杂的"蜂窝状"管道结构让科学家们头疼不已——就像试图通过观察树叶飘落来推断整片森林的根系分布。这种高度非均质性使得岩溶地下水储量变化(Karst Water Storage Variation, KWSV)的估算长期面临巨大误差，严重制约着水资源可持续管理。尤其在覆盖型岩溶区，管道网络如同隐藏在地下的神秘迷宫，其拓扑结构如何影响地下水流动行为，进而干扰储量评估精度，始终是悬而未决的科学难题。

中国矿业大学的研究团队独辟蹊径，将岩溶系统抽象为"慢速流动的基质"与"高速通道的管道"耦合体系，创新性地构建了等效多孔介质-管道(EPM-Conduit)耦合数值模型。通过系统调节管道网络的顶点度(表征节点连接数)和分支角度(反映管道空间走向)，结合泉水流量衰退曲线的指数拟合分析，首次揭示了拓扑结构对KWSV估算的调控机制。这项发表在《Journal of Hydro-environment Research》的研究，为破解岩溶水资源评估的"黑箱"提供了关键理论钥匙。

研究主要采用三项核心技术：1) 基于中国北方典型覆盖型岩溶含水层结构建立三维耦合数值模型；2) 运用图论方法量化管道网络的顶点度和分支角度等拓扑参数；3) 通过指数函数拟合模拟泉水流量衰退曲线，采用决定系数(R²)和纳什效率系数(NSE)评估拟合优度。

【Groundwater flow numerical model construction】
研究团队构建的数值模型精细刻画了第四系覆盖层下岩溶含水层的三层结构：低渗透性基质作为背景场，裂隙网络构成等效多孔介质，管道系统则采用离散管道单元模拟。模型通过达西定律与管流方程的耦合求解，实现了岩溶水流多尺度过程的同步模拟。

【Influence of the vertex degree on the estimation of karst water storage variation】
当管道顶点度从2.0增至3.5时，KWSV估算误差由17.3%扩大至28.6%。高顶点度形成的复杂网状结构加速了地下水排泄，导致泉水衰退曲线早期段更陡峭，使得传统指数拟合方法系统性低估实际储量达12-30%。

【Conclusions】
研究证实：1) 顶点度每增加1个单位，KWSV估算误差平均增大7.8%，因其增强了管道的分流能力；2) 分支角度>60°时会产生"水力捷径效应"，使误差骤增15%以上；3) 拓扑结构通过改变优势流路径的迂曲度，调控着衰退曲线的形态特征。这些发现为优化岩溶区水资源评估模型提供了拓扑参数约束标准，对实现"双碳"目标下的岩溶碳汇精准计量也具有重要启示。

该研究的创新性在于将图论拓扑参数引入岩溶水文过程分析，建立了结构-动态-精度的定量关系链。正如通讯作者Shu Longcang教授指出："这项研究相当于给岩溶地下水系统做了'CT扫描'，让我们首次看清了管道连接方式这个'隐形开关'如何控制着储量估算的准确性。"研究成果已被应用于华北平原覆盖型岩溶区的地下水可采量评估，支撑着南水北调受水区的水资源优化配置决策。