束龍倉,范建輝,魯程鵬,張春艷,唐 然
河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098
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裂隙-管道介質(zhì)泉流域水文地質(zhì)模擬試驗(yàn)
束龍倉,范建輝,魯程鵬,張春艷,唐 然
河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098
為了深入認(rèn)識巖溶泉流域的流量過程影響因素和作用機(jī)制,以西南巖溶泉流域水文地質(zhì)概念模型為原型,建立了實(shí)驗(yàn)室尺度下的裂隙-管道介質(zhì)物理模型和數(shù)值模型。選取補(bǔ)給雨強(qiáng)、泉口直徑、落水洞與開采井的位置作為影響因子,模擬了泉流量過程。試驗(yàn)結(jié)果表明:單次降水試驗(yàn)可以觀測得到泉流量增加、平穩(wěn)波動和衰減共三個階段;同一泉口直徑條件下,補(bǔ)給強(qiáng)度對泉流量衰減系數(shù)的影響極小,直徑為3,4,5,7 mm的泉口直徑對應(yīng)的衰減系數(shù)分別為0.003 6,0.006 7,0.011 5,0.012 9,泉口直徑與衰減系數(shù)呈近似對數(shù)關(guān)系;落水洞匯流水量占泉流量的比例遠(yuǎn)大于裂隙;2~3 mm是微小裂隙與較大裂隙的過渡區(qū)域,兩種類型的介質(zhì)泉流量過程差異明顯;開采井分別位于泉口附近、模型中間位置和落水洞時,泉流量衰減系數(shù)依次減小。
裂隙-管道介質(zhì);泉流量過程;物理試驗(yàn);數(shù)值模擬;落水洞;開采井
我國西南巖溶地區(qū)分布面積廣闊的連片裸露碳酸鹽巖[1],裂隙-管道是其主要的儲水空間和導(dǎo)水通道。該地區(qū)降雨充沛,水資源豐富,但可利用量少;可溶巖成土速率緩慢,容許土壤流失量低,水土流失危險程度高。開展西南巖溶地區(qū)裂隙-管道含水介質(zhì)中地下水運(yùn)動規(guī)律的研究,為水資源合理利用和管理提供理論支撐,對推動巖溶水運(yùn)動規(guī)律研究有重要意義。
圖1 水文地質(zhì)概念模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the hydrogeological conceptual model
裂隙-管道介質(zhì)具有高度非均質(zhì)性和各向異性,水動力過程極其復(fù)雜,并且野外試驗(yàn)測量方法和觀測數(shù)據(jù)有限,水文地質(zhì)參數(shù)難以獲取,嚴(yán)重阻礙著人們深入研究裂隙介質(zhì)地下水流運(yùn)動規(guī)律。在裂隙-管道介質(zhì)水動力學(xué)的發(fā)展過程中,建立和發(fā)展了多種數(shù)學(xué)模型:等效連續(xù)介質(zhì)模型、雙重介質(zhì)模型、離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型和耦合模型等[2]。這些數(shù)學(xué)模型簡單方便,但其是在理想條件下建立,適用范圍受到嚴(yán)重限制。物理模型在一定程度上可以按照野外實(shí)際的水文地質(zhì)條件任意改變。近年來,隨著模具制造水平的提高,眾多研究者開始強(qiáng)調(diào)物理模型的重要性,因此通過試驗(yàn)手段研究管道、裂隙等多重介質(zhì)對地下水水流系統(tǒng)的影響和控制作用成為熱點(diǎn)[3-6]。目前的物理模型模擬試驗(yàn)主要集中在單個平行板裂隙、單管道、多組平行裂隙或交叉裂隙上。由于裂隙-管道介質(zhì)本身的復(fù)雜性,對裂隙網(wǎng)絡(luò),尤其是裂隙-管道物理模型的研究較少。
筆者通過對貴州后寨地區(qū)的水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化,建立了裂隙-管道介質(zhì)物理模型。選取補(bǔ)給雨強(qiáng)和泉口直徑作為變量因子設(shè)計了多組正交試驗(yàn),分析了其對泉流量過程的影響規(guī)律;進(jìn)而采用Visual Modflow建立數(shù)值模型對物理試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬,以期探究巖溶含水系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和開采井等因素對泉流量過程的影響。
1.1 水文地質(zhì)概念模型
裂隙-管道介質(zhì)泉流域的水文地質(zhì)概念模型是參照貴州省后寨巖溶小流域的含水系統(tǒng)建立的,主要包括含水層性質(zhì)、水流運(yùn)動特征、邊界條件及補(bǔ)給排泄條件等幾個方面[7]。貴州省后寨巖溶小流域的水文地質(zhì)概念模型可以概化為圖1。巖溶含水介質(zhì)分為上部的非飽和帶和下部的飽和帶;流域內(nèi)層面裂隙和垂直層面裂隙縱橫交錯,落水洞星羅棋布,地下水流運(yùn)動復(fù)雜,層流和紊流流態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁;泉流域的邊界條件一般是流量邊界;流域內(nèi)主要接受大氣降水的分散補(bǔ)給和地表徑流對落水洞的集中補(bǔ)給,地下河出口是排泄總出口[8],地下水以泉的形式排出。
1.2 物理模型
通過對裂隙-管道介質(zhì)水文地質(zhì)概念模型合理簡化,建立如圖2所示的物理模型,主要包括三部分:降雨補(bǔ)給系統(tǒng)、裂隙-管道介質(zhì)模擬區(qū)、水頭采集系統(tǒng)。
a. 示意圖;b. 實(shí)物圖(①正視圖;②后視圖;③側(cè)視圖)。圖2 裂隙-管道介質(zhì)物理模型Fig.2 Physical analog of fissure-conduit media
降雨補(bǔ)給系統(tǒng)通過水箱補(bǔ)給模擬降雨過程,水箱頂部泄流口控制水箱內(nèi)水頭為定水頭,雨強(qiáng)大小通過水箱閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。裂隙-管道介質(zhì)模擬區(qū)長1.29 m,高0.895 m,寬0.03 m,其材料為光滑有機(jī)玻璃板;模型內(nèi)部通過玻璃磚構(gòu)造多組層面裂隙和垂直層面裂隙,層面裂隙隙寬為5 mm,共設(shè)7層;垂直層面裂隙隙寬為1 mm,每層設(shè)12條;裂隙網(wǎng)絡(luò)最右邊設(shè)置一條截面為3 mm×3 mm的方形管道,其下方同樣鋪設(shè)一條截面為3 mm×3 mm的方形管道。水頭采集系統(tǒng)在裂隙-管道介質(zhì)區(qū)安裝了28只壓力傳感器,實(shí)時采集裝置內(nèi)各處的水頭分布,通過信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。
泉流量通過有機(jī)玻璃量筒測量,量筒底部與壓力傳感器相連,圓筒內(nèi)部相鄰兩個時刻的水頭差可以通過傳感器讀出,進(jìn)而計算出時段內(nèi)的平均流量。
1.3 折算滲透系數(shù)
為了建立多重空隙介質(zhì)地下水流統(tǒng)一的控制方程,陳崇希[9]提出了折算滲透系數(shù)的概念,使不同空隙中水流的流動規(guī)律在形式上可以用線性定律表示,即
v=KLJ 。
式中:v為滲流速度,m/s;KL為折算滲透系數(shù),m/s;J為水力坡度,無量綱。
具體來說,管道介質(zhì)的折算滲透系數(shù)為
裂隙介質(zhì)的折算滲透系數(shù)為
式中:d為管道內(nèi)徑,m;μ為動力黏度,N·s/m;γ為流體的重率,γ=ρg,其中,ρ為流體的密度,kg/m3,g為重力加速度,m/s2;f為摩擦系數(shù),當(dāng)雷諾數(shù)Re<2 300時,f=64/Re;b為裂隙寬度,m。
本文利用Visual MODFLOW 軟件,計算折算滲透系數(shù)并對不同空隙的滲透系數(shù)分別賦值,建立基于物理模型的數(shù)值模型,模擬實(shí)驗(yàn)室尺度的泉流量過程。
2.1 試驗(yàn)過程
已有研究表明,補(bǔ)給雨強(qiáng)和泉口大小是影響泉流量過程的重要因素[7,10-11]。因此,試驗(yàn)中設(shè)置了多組不同的補(bǔ)給雨強(qiáng)和不同直徑的泉口,模擬泉的出流過程,探究補(bǔ)給雨強(qiáng)和泉口大小對泉流量過程的影響規(guī)律。
一次試驗(yàn)開始時,首先開啟補(bǔ)給水箱的閥門,補(bǔ)給雨強(qiáng)保持恒定。隨著補(bǔ)給的進(jìn)行,水流從裝置底部的泉口排泄至量桶內(nèi)。當(dāng)裂隙-管道介質(zhì)中水面位置穩(wěn)定或水面升至裝置頂端時,關(guān)閉補(bǔ)給水箱閥門,泉口繼續(xù)排泄直至裝置內(nèi)的蓄水排干。整個過程中壓力傳感器記錄壓力水頭,每隔1 s記錄1次。然后更換不同直徑的泉口出流管道,重復(fù)整個試驗(yàn)過程。
2.2 結(jié)果分析
試驗(yàn)中,泉口有4種不同的內(nèi)徑,分別是3,4,5,7 mm。每一種泉口設(shè)置4組不同的恒定補(bǔ)給雨強(qiáng),見表1。通過連接圓筒的壓力傳感器讀數(shù)計算不同時段的平均流量,平均流量系列經(jīng)過滑動平均處理,點(diǎn)繪出泉流量過程線,見圖3。
表1 不同直徑泉口的補(bǔ)給雨強(qiáng)
圖3 不同條件下的泉流量過程Fig.3 Spring flow process in different conditions
完整的泉流量過程包括3個階段[12]:
1)流量增大階段
泉口剛開始出流的一段時間內(nèi),流量從0開始逐漸增大,這一階段的流量過程受補(bǔ)給雨強(qiáng)影響較大。對于特定的泉口直徑,補(bǔ)給雨強(qiáng)越大,流量的增加速率越快;對于不同泉口,在流量增加階段的曲線上做割線,以割線斜率表示流量增加速率,通過內(nèi)插,得到7,5,4和3 mm的泉口直徑在補(bǔ)給強(qiáng)度25 mL/s的情況下流量增加速率分別為0.180、0.160、0.075和0.062 m/s2,泉口直徑越大,流量增加速率越快。
2)流量平穩(wěn)波動階段
泉流量達(dá)到最大值后,開始在一恒定數(shù)值附近近似等振幅波動。此階段整個裝置補(bǔ)給與排泄基本相等,水面穩(wěn)定。在泉口直徑為7 mm時,4種補(bǔ)給雨強(qiáng)下平穩(wěn)波動流量的均值分別為24.84,30.17,40.16,46.67 mL/s,與恒定補(bǔ)給雨強(qiáng)相差分別為0.49%,0.80%,0.57%,0.97%,非常微小,由此可以認(rèn)為此階段泉流量在恒定補(bǔ)給雨強(qiáng)這一數(shù)值附近波動。
3)流量衰減階段
補(bǔ)給停止后,泉口出流流量由最大值開始衰減至0。本裝置的裂隙為人工搭建,排列規(guī)則,層面裂隙和垂直層面裂隙的過流能力較大,衰減過程沒有明顯呈現(xiàn)出多個亞動態(tài),流量衰減曲線可以用指數(shù)函數(shù)Q=Q0e-αt描述(式中:Q為泉流量;Q0為衰減開始時的流量;t為時間;α為衰減系數(shù))。將衰減流量取自然對數(shù)點(diǎn)繪到直角坐標(biāo)系中,各點(diǎn)分布在一條直線上,直線斜率即為衰減系數(shù)α。泉口直徑一定時,直線近似平行,泉流量衰減系數(shù)為定值,不隨補(bǔ)給雨強(qiáng)變化(圖4);泉口直徑越大,泉流量衰減系數(shù)越大,衰減系數(shù)與泉口直徑大致呈對數(shù)關(guān)系(圖5)。出現(xiàn)這一趨勢的可能原因是泉口較小時對釋水過程限制強(qiáng)烈,衰減系數(shù)對泉口的變化較敏感,隨著泉口直徑的增加對釋水過程限制作用越來越小以至自由釋水,衰減系數(shù)對泉口直徑的變化越來越不敏感。
3.1 模型的建立
在泉流量過程的3個階段中,衰減過程是最重要的一個方面,它集中反映了巖溶含水系統(tǒng)的內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)[13]。利用數(shù)值模型研究泉流量衰減過程,對定量認(rèn)識泉流量動態(tài)特征有重要意義。筆者依據(jù)試驗(yàn)過程,利用Visual MODFLOW建立多重等效連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模型,研究泉流量衰減過程。
根據(jù)物理模型的裂隙-管道介質(zhì)區(qū)域的實(shí)際大小,按照1∶1的比例建立數(shù)值模型。網(wǎng)格剖分為1行、26列、18層,層面裂隙、垂直層面裂隙和管道位置處的網(wǎng)格加密。
物理模型泉口直徑設(shè)為7 mm,恒定補(bǔ)給流量為27.42 mL/s,裝置內(nèi)液面穩(wěn)定時水頭0.19 m,停止補(bǔ)給后,泉口出流量開始衰減。數(shù)值模型模擬此種情景下的泉流量衰減過程,初始水頭設(shè)為0.19 m。物理模型四周為有機(jī)玻璃板,與外界無水量交換,數(shù)值模型邊界條件全部設(shè)置為隔水邊界。裝置內(nèi)有機(jī)玻璃塊不透水,滲透系數(shù)、儲水率和給水度幾乎為0。裂隙和管道的滲透系數(shù)按照計算的折算滲透系數(shù)分別賦值。Visual MODFLOW的排水溝模塊可以模擬泉流量過程[14],本文將泉口概化為一條排水溝,排水溝的水力傳導(dǎo)系數(shù)取決于泉口直徑的大小。
非均質(zhì)各向同性的二維非穩(wěn)定地下水水流數(shù)學(xué)模型[9,15]為
式中:KLe為管道、層面裂隙及垂直層面裂隙的折算滲透系數(shù)(x、y、z代表不同方向),m/s;H為潛水位,m;B為含水層底板高程,m;W為單位時間單位面積上的垂向補(bǔ)給量,m3/s;Sy為給水度,無量綱;t為時間,s;Ω為計算區(qū)域;H0為初始水頭,m;K為滲透系數(shù),m/s;q為單寬流量,m2/s;Γ2為給定流量邊界;n為二類邊界外法線方向。
3.2 模型的校正與驗(yàn)證
數(shù)值模型的校正采用“試錯法”[16],主要調(diào)整了含水介質(zhì)的滲透系數(shù)、給水度和排水溝的導(dǎo)水系數(shù)。物理模型在29.92 mL/s的恒定補(bǔ)給時,裝置內(nèi)穩(wěn)定水頭0.26 m,以此情景下的泉流量衰減過程對數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證。泉流量觀測值與計算值的擬合精度通常用標(biāo)準(zhǔn)化殘差均方根(RMSN)來表示,標(biāo)準(zhǔn)化殘差均方根值越小表示模擬結(jié)果越好。其定義是:
式中:RMS為均方根誤差;Xcal為泉流量計算值;Xobs為泉流量觀測值;m為時段數(shù)。
圖4 不同直徑泉口條件下ln(Q)-t關(guān)系線Fig.4 Curves of ln(Q)-t under different vents
圖5 泉口直徑對衰減系數(shù)的影響Fig.5 Influences of different vents to recession coefficient
運(yùn)行模型得到的泉流量計算值與觀測值擬合較好(圖6),整個模擬期內(nèi)RMSN的計算值為6.1%,表明調(diào)整后的水文地質(zhì)參數(shù)取值符合實(shí)際條件,數(shù)值模型的計算結(jié)果是可靠的[17]。
3.3 數(shù)值模型的應(yīng)用
除了補(bǔ)給雨強(qiáng)和泉口大小,落水洞、裂隙隙寬和開采井也對巖溶含水系統(tǒng)泉流量有著重要影響。數(shù)值模型是研究地下水水流系統(tǒng)的有效工具,可以通過調(diào)整模型結(jié)構(gòu)模擬不同條件下泉流量衰減過程。因此,筆者以驗(yàn)證后的數(shù)值模型為基礎(chǔ),分別研究落水洞、襲隙隙寬和開采井對泉流量衰減過程的影響。
3.3.1 落水洞對泉流量過程的影響
數(shù)值模型中設(shè)置的落水洞矩形橫截面邊長為3.0 cm,把模型中的落水洞邊長分別調(diào)整為2.0、1.0、0.5和0 cm,分別運(yùn)行模型,得到不同條件下的泉流量衰減過程,見圖7。
落水洞是巖溶含水介質(zhì)內(nèi)主要的集水區(qū)域和過流通道[18],其尺寸對泉流量影響較大。落水洞邊長與衰減系數(shù)呈分段線性關(guān)系(圖8)。由圖8可知,
落水洞邊長大于1.0 cm時,泉流量較大,邊長越大衰減越快,邊長與衰減系數(shù)α關(guān)系線的斜率為0.002;落水洞的邊長小于1.0 cm時,泉流量較小且衰減緩慢,邊長與衰減系數(shù)α關(guān)系線是一條水平直線,邊長對泉流量過程幾乎無影響。當(dāng)落水洞邊長小于1.0 cm時,其直徑的尺寸和裂隙隙寬相似,其對泉流量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于較大的落水洞,因此,泉流量的變化不明顯(圖7)。在西南巖溶地區(qū),發(fā)育大量大裂隙和落水洞,隨著水流對巖石的沖蝕和巖石本身的溶蝕作用,大裂隙和落水洞的直徑會逐漸變大,水循環(huán)過程加劇,導(dǎo)致水資源流失嚴(yán)重,水資源保護(hù)和開發(fā)利用難度較大。
3.3.2 隙寬對泉流量過程的影響
在有落水洞和無落水洞的情況下,調(diào)整數(shù)值模型層面裂隙,設(shè)置5、4、3、2和1 mm五種不同的裂隙寬度,分別運(yùn)行模型,得到此種情景下的泉流量過程,如圖9所示。
圖6 泉流量衰減過程擬合Fig.6 Spring flow attenuation process simulation
圖7 不同落水洞的泉流量衰減過程Fig.7 Spring flow attenuation process of different sinkhole
圖8 落水洞邊長對衰減系數(shù)影響Fig.8 Influences of side length to recession coefficient
圖9 不同隙寬下的泉流量衰減過程Fig.9 Spring flow attenuation process of different fissure width
有落水洞時,調(diào)整層面裂隙隙寬對泉流量影響微小,這是由于落水洞是主要的儲水介質(zhì),裂隙釋水量與落水洞相比非常小。無落水洞時,泉流量比有落水洞時偏小:層面裂隙隙寬從5 mm變到3 mm,泉流量變化不大;層面裂隙隙寬從3 mm變到2 mm,泉流量迅速減?。贿@說明泉流量的減小是非線性過程。根據(jù)前人[3]的研究,大裂隙與微小裂隙的尺寸存在一個過渡區(qū)域,具有不同的水力性質(zhì)。數(shù)值模型的計算結(jié)果表明2~3 mm是大裂隙和微小裂隙的過渡區(qū),兩種不同類型空隙的含水介質(zhì)泉流量過程差異明顯。
圖10 不同位置的開采井對泉流量衰減過程的影響Fig.10 Effects of different position of the pumping well on attenuation process of spring flow
3.3.3 不同位置的井對泉流量過程的影響
開采井通過改變地下水的水均衡狀態(tài)影響巖溶區(qū)的泉流量[19],影響程度隨著抽水量的變化和開采井位置的不同而不同。圖10為不同位置的開采井對泉流量衰減過程的影響關(guān)系。過程為:在數(shù)值模型落水洞處添加一開采井,設(shè)置1、3、5和7 mL/s四組不同的恒定抽水量,抽水時間100 s;然后再將開采井移到模型中間位置和泉口處,設(shè)置相同的抽水量和抽水時間,分別運(yùn)行模型。由圖10可知:隨著開采井的運(yùn)行,整個衰減過程中泉流量變小,泉流量過程線下移,而且開采井的抽水量越大,泉流量過程線下移的幅度越大(圖10a,b);開采井在泉口附近抽水時,直接襲奪了一部分泉流量,使得泉流量衰減更快,并導(dǎo)致開采井停止抽水后有一個泉流量增加的過程,見圖10c。
衰減系數(shù)與泉流量關(guān)系如圖11所示。由圖11可見:開采井在落水洞附近或模型中間位置時,抽水量與衰減系數(shù)呈近似直線關(guān)系,開采井在泉口附近時,抽水量與衰減系數(shù)呈指數(shù)關(guān)系;在抽水量相同的情況下,泉流量衰減速率與開采井位置有關(guān),開采井越靠近泉口,泉流量衰減越快。落水洞匯集了含水系統(tǒng)的大量水流,開采井在落水洞附近抽水時,對含水層的水均衡狀態(tài)影響不明顯,隨著開采井位置遠(yuǎn)離落水洞,泉流量變化加劇。
圖11 衰減系數(shù)與抽水量關(guān)系Fig.11 Relationship between and pumping rate
在西南巖溶地區(qū),開發(fā)利用水資源的方式主要有人工開采地下水和地下河出口引水[20]。在落水洞發(fā)育密集的地區(qū)可以通過開采井集中開采巖溶水資源,同時地下河出口泉流量受到的影響較小,確保了地下河也能供給較為穩(wěn)定的水源。在落水洞附近采取人工開采和地下河引水聯(lián)合開采的方式,可以有效提高巖溶地區(qū)的水資源利用效率,提升巖溶地區(qū)水資源管理水平。
對后寨巖溶泉流域水文地質(zhì)概念模型進(jìn)行合理概化,建立了裂隙-管道介質(zhì)物理模型,根據(jù)正交原則設(shè)計了多組試驗(yàn),模擬了不同條件下的泉流量過程,得到以下主要結(jié)論:
1)泉流量的衰減系數(shù)與裂隙-管道含水介質(zhì)的降雨補(bǔ)給無明顯關(guān)系,與管道直徑呈近似對數(shù)關(guān)系。
2)落水洞匯流量在泉流量中所占比例遠(yuǎn)大于裂隙釋水量,主導(dǎo)了含水介質(zhì)內(nèi)的匯流方向和匯流水量。
3)泉流量隨著隙寬的變小呈現(xiàn)非線性減小的趨勢。
4)開采井與泉口和落水洞的相對位置亦是影響泉流量過程的重要因素,隨著開采井向排泄區(qū)的移動,泉流量衰減過程有加速進(jìn)行的趨勢。
[1] 覃小群,朱明秋,蔣忠誠.近年來我國西南巖溶石漠化研究進(jìn)展[J].中國巖溶,2006, 25(3):234-238. Qin Xiaoqun, Zhu Mingqiu, Jiang Zhongcheng.A Review on Recent Advances in Rocky Desertification in Southwest China Karst Region[J] .Carsologica Sinica, 2006, 25(3):234-238.
[2] 周志芳,王錦國,黃勇.裂隙介質(zhì)水動力學(xué)原理[M].北京:高等教育出版社,2007. Zhou Zhifang,Wang Jinguo,Huang Yong. Theory on Dynamics of Fluids in Fractured Medium[M]. Beijing: Higher Education Press, 2007.
[3] 速寶玉,詹美禮,趙堅.光滑裂隙水流模型試驗(yàn)及其機(jī)理初探[J].水利學(xué)報,1994(5):19-24. Su Baoyu, Zhan Meili, Zhao Jian.The Model Test of the Flow in Smooth Fracture and the Study of Its Mechanism[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1994(5):19-24.
[4] 李文興,王剛.巖溶管道水流的等效管束組合模擬[J].中國巖溶,1997, 16(3):40-46. Li Wenxing, Wang Gang.Combination Simulation of Equivalent Conduits of Karst Conduit Flow[J] .Carsologica Sinica,1997, 16(3):40-46.
[5] Salve R,Wang J S, Doughty C.Liquid-Release Tests in Unsaturated Fractures Welded Tuffs:Ⅰ:Field Investigations[J]. Journal of Hydrology, 2002, 256(1/2):60-79.
[6] 沈振中,陳雰,趙堅.巖溶管道與裂隙交叉滲流特性試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報,2008,39(2):137-145. Shen Zhenzhong, Chen Fen, Zhao Jian. Experimental Study on Seepage Characteristics of the Intersection of Tubular Karst Passage and Fissure[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2008,39(2):137-145.
[7] 董貴明,束龍倉,田娟,等. 西南巖溶地下河系統(tǒng)水流運(yùn)動數(shù)值模型[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版, 2011,41(4): 1136-1143,1156. Dong Guiming,Shu Longcang,Tian Juan,et al.Numerical Model of Groundwater Flow in Karst Underground River System ,Southwestern China[J].Journal of Jilin University:Erath Science Edition, 2011,41(4): 1136-1143,1156.
[8] 劉麗紅,束龍倉,魯程鵬. 基于管道流模型的巖溶含水系統(tǒng)降雨泉流量響應(yīng)規(guī)律:以貴州后寨典型小流域?yàn)槔齕J]. 吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版, 2010,40(5), 1083-1089. Liu Lihong, Shu Longcang,Lu Chengpeng.Precipitation and Discharge Responsemechanism Based on Conduit Flow Model in Karstic Water System:Application the Houzhai Karstic Watersystem of Guizhou Province[J〗 Journal of Jilin University:Erath Science Edition, 2010,40(5), 1083-1089.
[9] 陳崇希.巖溶管道-裂隙-孔隙三重空隙介質(zhì)地下水流模型及模擬方法研究[J].地球科學(xué):中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報,1995,20(4):361-366. Chen Chongxi. Groundwater Flow Model and Simulation Method in Triple Media of Karstic Tube-Fissure-Pore[J]. EarthSciene:Journal of China University of Geosciences,1995,20(4):361-366.
[10] 李靜.洪山泉流量動態(tài)系統(tǒng)分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2004(2):79-82. Li Jing.Dynamic System Analysis for Flux of the Hongshan Spring[J].Hydrogeology & Engineering Geology, 2004(2):79-82.
[11] 孫晨,束龍倉,魯程鵬,等.裂隙-管道介質(zhì)泉流量衰減過程試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報,2014,45(1):50-64. Sun Chen,Shu Longcang,Lu Chengpeng,et al.Physical Experiment and Numerical Simulation of Spring Flow Attenuation Process in Fissure-Conduit Media[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014,45(1):50-64.
[12] 束龍倉 ,陶玉飛,董貴明,等.巖溶多重介質(zhì)泉水流量衰減過程的室內(nèi)模擬及分析[J].工程勘察,2008(9):32-35. Shu Longcang,Tao Yufei,Dong Guiming,et al. Spring Flow Attenuation Process Simulation and Analysis of the Karst Multi-Media[J]. Geotechnical Investigation & Surveying,2008(9):32-35.
[3] 程星,楊子江.影響喀斯特地下水調(diào)蓄功能的因素的探討[J].中國巖溶,2000,19(1):54-59. Cheng Xing, Yang Zijiang.A Discussion on the Factors of Underground Water Regulation in Karst Areas[J].Carsologica Sinica, 2000,19(1):54-59.
[14] Thomas E R. System and Boundary Conceptualization in Ground-Water Flow Simulation[R].Washington D C:United States Government Printing Office,2001.
[15] 陳崇希,林敏.地下水動力學(xué)[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1999. Chen Chongxi,Lin Min.Groundwater Dynamics[M].Wuhan:China University of Geosciences Press,1999.
[16] 徐海珍,李國敏,張壽全,等.北京市平谷盆地地下水三維數(shù)值模擬及管理應(yīng)用[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),2011,38(2):27-34. Xu Haizhen, Li Guomin, Zhang Shouquan,et al. Development of a 3-D Numerical Groundwater Flow Model of the Pinggu Basin and Groundwater Resources Management[J].Hydrogeology & Engineering Geology, 2011, 38(2):27-34.
[17] 盧文喜,李平,王福林,等.撓力河流域三維地下水流數(shù)值模擬[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版, 2007,37(3): 541-545. Lu Wenxi, Li Ping,Wang Fulin,et al.Three Dimensional Numerical Simulation of Groundwater in Naolihe Watershed[J].Journal of Jilin University:Erath Science Edition, 2007,37(3): 541-545.
[18] Neretnieks I,Eriksen T,T?htinen P.Tracer Movement in a Single Fissure in Granitic Rock: Some Experimental Results and Their Interpretation[J]. Water Resource Research,1982,18(4):849-858.
[19] 劉昌軍,趙華,張順福,等. 臺蘭河地下水庫輻射井抽水過程的非穩(wěn)定滲流場的有限元分析[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版, 2013,43(3): 922-930. Liu Changjun,Zhao Hua,Zhang Shunfu,et al.Finite Element Analysis on Unsteady Seepage Field of Groundwater Reservoir of Tailan River During the Pumping Water of the Radiation Well[J]. Journal of Jilin University:Erath Science Edition, 2013,43(3): 922-930.
[20] 梁彬,朱明秋,裴建國,等.巖溶水資源開發(fā)利用與綜合治理經(jīng)驗(yàn):以湘西巖溶區(qū)為例[J]. 水資源保護(hù),2007,23(2): 64-69. Liang Bin,Zhu Mingqiu,Pei Jianguo,et al.Experience on Development and Comprehensive Management of Karst Water Resources: A Case Study of Karst Regions in West Hunan[J]. Water Resources Protection, 2007,23(2): 64-69.
Hydrogeological Simulation Test of Fissure-Conduit Media in Springs Watershed
Shu Longcang,F(xiàn)an Jianhui,Lu Chengpeng,Zhang Chunyan,Tang Ran
StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,Nanjing210098,China
In order to deeply understand the factors and mechanism of the flow process in a karst spring basin, a fracture-conduit media physical model and a numerical model are established according to the hydrogeological conceptual model in a karst area of Southwest China. Recharge, spring vent, sinkhole, and pumping well are selected as the impacting factors to the simulate spring flow process. The results of the experiments show three phases of spring flow process under the single rainfall test: increase, stability, and attenuation. The results also show that recharge has a very small impact on the attenuation coefficient with the same spring vent diameter; the corresponding attenuation coefficients with 3,4,5,7 mm diameter are 0.003 6, 0.006 7, 0.011 5, 0.012 9, a logarithmic relationship; the proportion of sinkhole flow is much larger than the fissure’s. 2-3 mm is the transition zone of the larger fissure to the small cracks, the spring flows of the two types of media are quite different. The location of pumping wells is an important factor affecting the spring flow decay process, and the attenuation coefficients are decreased when the pumping well are located at near the spring vent, center of the model, and in the sinkhole.
fissure-conduit media; spring flow process; physical experiment; numerical simulation; sinkhole; pumping well
10.13278/j.cnki.jjuese.201503206.
2014-07-24
國家自然科學(xué)基金項目(41172203,41201029)
束龍倉(1964--),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事地下水資源評價與管理、地下水與生態(tài)環(huán)境研究,E-mail:lcshu@hhu.edu.cn。
10.13278/j.cnki.jjuese.201503206
P641
A
束龍倉,范建輝,魯程鵬,等.裂隙-管道介質(zhì)泉流域水文地質(zhì)模擬試驗(yàn).吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2015,45(3):908-917.
Shu Longcang,F(xiàn)an Jianhui,Lu Chengpeng,et al.Hydrogeological Simulation Test of Fissure-Conduit Media in Springs Watershed.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(3):908-917.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201503206.