KarstNSim 2.0：一种用于综合喀斯特网络模拟的伪遗传方法

《Environmental Modelling & Software》：KarstNSim 2.0: A pseudo-genetic method for comprehensive karst network simulation

　　

摘要

本文介绍了KarstNSim 2.0，这是KarstNSim的升级版本，KarstNSim是一种基于伪遗传学的随机模拟方法及其配套软件，用于在三维空间中模拟离散的喀斯特网络。利用最近在法国默兹省巴罗瓦高原获得的最新数据和新的喀斯特成因研究，我们更新后的方法现包含了对岩壳效应喀斯特作用的建模功能，以及模拟喀斯特网络拓扑中具有环路的迷宫型格局的能力。KarstNSim 2.0还提出通过纳入喀斯特学驱动的空间趋势、岩壳效应影响和残余噪声来模拟通道的尺寸。KarstNSim 2.0在巴罗瓦高原进行了演示，这是一个大型的、具有复杂多期喀斯特化历史的区域，跨越多个时空阶段，每个阶段都有各自特定的边界条件和喀斯特形态。通过与真实网络的形态对比，确保了模拟结果的一致性。

引言

精确建模喀斯特含水层在水资源管理中发挥着重要作用，因为从喀斯特含水层排水的水量占全球供水量的25%（Hartmann等人，2014）。喀斯特含水层以存在各种尺寸的地下通道为特征，具有高度非均质性。如果集合模型对于模拟降水至泉水排放的过程是有用的（Jeannin等人，2021），那么空间分布模型在研究其水文地质行为方面更为准确。文献中存在不同的分布方法：等效孔隙介质法（EPM）、双重连续介质法（DC）、离散通道网络法（DCN）和离散-连续结合法（CDC）（Kovács和Sauter，2007；Hartmann等人，2014；Miville等人，2025）。后两种方法需要显式表示喀斯特通道，即离散喀斯特网络（DKN，Giese，2017；Fernandez-Ibanez等人，2019；Miville等人，2025）。

由于所有通道的确切位置很少能获得——主要是因为大多数通道太窄而无法进入——人们开发了不同的方法来生成合理的通道网络。DKN生成方法可分为两大类：基于过程的方法，显式模拟洞穴发育的物理化学演化（例如Dreybrodt等人，2005；Lafare等人，2017；de Rooij和Graham，2017）；以及基于结构的方法，旨在根据地质和水文地质信息生成合理的通道几何形状（Jouves等人，2017；Gouy等人，2024；Gouy，2025）。尽管基于过程的方法对于研究喀斯特化参数与通道几何形状之间的依赖关系在合成或高度受控环境中很有价值，但将其应用于真实的大尺度系统仍受到强烈数据需求和计算成本的限制（Dreybrodt等人，2005）。基于结构的方法构成了生成可引入到流动或传输模型中的通道网络的最适用框架，包括大尺度应用。

基于结构的方法通常不旨在预测通道的精确空间位置，因为这在本质上与巨大不确定性相关。相反，其目的是生成喀斯特网络，可将其引入流动或传输模拟器中，以支持模型校准、不确定性分析或情景测试。在基于结构的方法中，可以区分两个子组：结构模仿方法，利用统计、地质统计或基于规则的约束来模仿已知喀斯特网络的几何或拓扑属性（例如Pardo-Igúzquiza等人，2012；Fournillon等人，2010；Viseur等人，2014）；以及过程模仿方法，将洞穴发育的控制因素简化为数值规则（Gouy等人，2024；Gouy，2025；Miville等人，2025；Fandel等人，2022）。后者包括伪遗传学方法。

伪遗传学方法将地质和水文地质控制因素编码为简单的空间分布代价函数，代表介质对喀斯特化的局部阻力（例如Henrion等人，2008；Borghi等人，2012；Collon-Drouaillet等人，2012；Paris等人，2021）。然后通过计算入口、出口以及可用的条件途经点之间的最小代价路径来获得通道网络。这些路径可以被解释为优先排水路径或水力阻力最小的路径，并作为模拟网络的通道。与结构模仿方法相比，伪遗传学方法不需要详细调查的洞穴类比物，可以强制建立预定的入口（落水洞、洞穴入口、河流汇入口）和出口（泉）之间的连通性。它们还灵活且计算效率高，使其兼容随机工作流（例如Borghi等人，2012）。其主要局限在于，它们仍然是对洞穴发育过程的简化表示，如果约束不足，可能会产生水文地质上不合理的网络。因此，其使用需要通过与独立证据的验证，无论是形态学验证——通过与已知喀斯特网络格局（如Collon等人（2017）和Collon等人（2021）所述）的比较——还是水力学验证——通过与水动力学数据和示踪试验推断的连接进行比较。

最近，Gouy等人（2024）引入了一种新的伪遗传学方法和配套软件KarstNSim，能够实现三维离散喀斯特网络的快速随机模拟。就像近期的喀斯特模拟器pyKasso（Fandel等人，2022；Miville等人，2025）一样，KarstNSim能够处理三维地质、水文地质和构造约束（起始面、断层、地形、水位面）、裂隙方向约束、地下-承压喀斯特分区、喀斯特网络黏聚力控制和多期喀斯特再现。相反，其主要特点之一是计算这些路径所依赖的离散化支撑。KarstNSim依赖一种具有自适应空间分辨率的非结构化图，其节点在每次实现时随机采样。该图可以在重要地质和水文地质特征附近进行局部细化，如断层、起始面和水位面，同时在其他区域保持较粗的分辨率以降低计算成本。这种自适应图支撑使得模拟网络能够保持与复杂三维地质模型的一致性，提供广泛的边方向选择，限制网格相关的混叠效应，并将离散化相关的不确定性传播到模拟网络几何形状中（Gouy等人，2024）。其能够在三维空间中以高分辨率和大尺度建模网络且无显著计算时间的能力，使其成为研究复杂喀斯特系统的有前景工具。然而，要将其应用于复杂且数据丰富的案例，仍缺少一些功能。

本文介绍了KarstNSim 2.0，这是KarstNSim的升级版本，在2.2节中详细介绍了三个主要创新：

1. 它整合了考虑岩壳喀斯特作用（具有高孔隙率和渗透率的前喀斯特化特征）的功能（Quinif，1999）。
2. 它模拟了具有环路的迷宫型格局。
3. 最后，它提出通过扩展Frantz等人（2021）的方法来随机模拟通道尺寸，该方法现在纳入了喀斯特学驱动的空间趋势、岩壳效应影响和残余噪声。

这些新模块不改变KarstNSim的理论框架，但扩展了可模拟的网络形态范围，从而提供了更大的灵活性来再现喀斯特作用的概念模型，并将模拟网络集成到流动或传输模型中。

这些附加功能通过在巴罗瓦高原的应用中得到展示（第3节），巴罗瓦高原是法国东北部一个超过1100平方公里的喀斯特区域，喀斯特化的巴罗瓦石灰岩在此出露。巴罗瓦喀斯特在多种边界条件和风化背景下经历了多期发育，形成了具有多样网络拓扑的多期喀斯特系统，并受到岩壳过程的影响（Cenote，2024）。最后，模拟结果在第3.4节中呈现，并根据可用数据进行了评估，特别关注通过定量形态学指标评估的生成网络的构造一致性。

章节片段

KarstNSim概述（前一版本）

KarstNSim是由Gouy等人（2024）首次提出的伪遗传学算法，能够实现三维离散喀斯特网络骨架的随机模拟。网络模拟最初由4个主要步骤组成，如下所述并由图1中的步骤1至4展示：

步骤1. 域内点的自适应随机采样。局部采样密度取决于岩石的喀斯特化潜力，这可以预先在地质模型中定义。

一个复杂且数据丰富的应用案例：巴罗瓦喀斯特

本应用案例的目的是展示KarstNSim 2.0在一个真实的、数据丰富的复杂案例中的适用性。以下各小节首先介绍巴罗瓦喀斯特的一般背景，然后介绍将可用数据处理为KarstNSim模拟约束信息的方法。

讨论

本文使用伪遗传学算法KarstNSim，基于各种数据和喀斯特学知识，对一个真实且复杂的多期喀斯特模拟了可能的网络。这包括覆盖型喀斯特的动力学、隐蚀和岩壳风化的作用，以及喀斯特格局的演化。特别考虑岩壳效应的影响是KarstNSim 2.0相比其他现有方法（如pyKasso，Miville等人，2025）所提供的一项创新。

结论与展望

本研究证明了KarstNSim伪遗传学算法在巴罗瓦石灰岩中随机模拟离散喀斯特网络的应用和有效性。新功能（如岩壳体积的纳入、迷宫格局的模拟以及等效半径的模拟）的集成显著增强了模拟喀斯特网络的真实现实性。

结果表明，KarstNSim 2.0能够再现复杂的多期喀斯特排水网络

CRediT作者贡献声明

Augustin Gouy：写作——审阅与编辑，写作——初稿，可视化，验证，软件，方法论，形式分析，数据管理，概念化。Pauline Collon：写作——审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。Vincent Bailly-Comte：写作——审阅与编辑，监督，方法论，概念化。Remi Leblond：写作——审阅与编辑，软件，概念化。Philippe Landrein：资源，软件可用性

KarstNSim 2.0在以下代码仓库中以MIT许可证提供：https://github.com/ring-team/KarstNSim_Public。它附带多个合成数据集和文档。我们提供了与本文章一起提供的补充材料，包含KarstNSim 2.0用户参数的列表、其数值范围、其用途及其预期效果。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本工作在洛林大学、法国地质调查局（BRGM）和法国国家放射性废弃物管理局（ANDRA）之间的研究协议框架内完成，并作为ANDRA领导的"巴罗瓦石灰岩"计划的一部分。作者感谢ANDRA提供本研究所使用的数据。我们还要感谢RING-Gocad联盟的工业和学术赞助商的支持，该联盟由ASGA管理。我们感谢AspenTech提供Aspen SKUA软件和开发工具包。

Augustin Gouy | Pauline Collon | Vincent Bailly-Comte | Remi Leblond | Philippe Landrein | Christophe Antoine

法国地质调查局（BRGM），法国蒙彼利埃，邮编34000