中國西南巖溶地下河系統(tǒng)旱澇致災(zāi)因素模擬分析

潘林艷，張文婷，郭純青

(1.桂林理工大學(xué)a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院;b.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;

c.巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西桂林 541004; 2.桂林水文工程地質(zhì)勘察院，廣西桂林 541002;3.廣西區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究院，廣西桂林 541003)

中國西南巖溶地下河系統(tǒng)旱澇致災(zāi)因素模擬分析

潘林艷1，2，張文婷1，3，郭純青1

(1.桂林理工大學(xué)a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院;b.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;

c.巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西桂林 541004; 2.桂林水文工程地質(zhì)勘察院，廣西桂林 541002;3.廣西區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究院，廣西桂林 541003)

選取地下巖溶管道不同埋深、平面展布形態(tài)、坡降3種巖溶地下因素以控制變量法在室內(nèi)進(jìn)行物理模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析在同等暴雨強(qiáng)度下，地下因素對(duì)降雨的響應(yīng)過程，得出這3種因素影響下的消漲水時(shí)間和速度，分析了巖溶管道特征對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)旱澇致災(zāi)的影響。巖溶管道特征對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)流量和水位的影響主要表現(xiàn)在:巖溶管道埋深較淺、巖溶管道下游坡降較陡和巖溶管道分支較多的巖溶地下河系統(tǒng)對(duì)降雨輸入較敏感，響應(yīng)較迅速;流量平穩(wěn)期水位較低的是巖溶管道埋藏深、巖溶管道坡降較陡和巖溶管道分支較多的巖溶地下河系統(tǒng)。

巖溶地下河系統(tǒng);巖溶管道結(jié)構(gòu)特征;旱澇致災(zāi);模擬

巖溶地下河系統(tǒng)作為巖溶環(huán)境中水體的主要調(diào)節(jié)和匯集中心，其獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能和水文過程影響和決定了巖溶旱澇的發(fā)生和發(fā)展［1－2］。旱澇災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展往往受該巖溶區(qū)地下復(fù)雜的巖溶管道系統(tǒng)所制約，巖溶管道結(jié)構(gòu)特征是影響和控制巖溶地下河系統(tǒng)中水流貯蓄、徑流和排泄的主要因素［3］。因此，研究中國西南巖溶地下河系統(tǒng)的發(fā)育和結(jié)構(gòu)特征，找到影響和控制巖溶地下河系統(tǒng)旱澇致災(zāi)的內(nèi)部因素，對(duì)解決中國西南巖溶區(qū)干旱缺水，浸沒內(nèi)澇加劇，以及應(yīng)對(duì)和防治旱澇災(zāi)害等具有非常重要的意義［4］。

目前國內(nèi)外對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)水文過程影響的物理模型建設(shè)研究較少。文獻(xiàn) ［5－7］分別利用砂箱物理模型和原狀巖樣為模型介質(zhì)，研究巖溶地下水水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律及對(duì)巖溶地下水系統(tǒng)物理模型的出流進(jìn)行衰減曲線分析。文獻(xiàn)［8－9］研究的巖溶地下河系統(tǒng)模型由一個(gè)雙重裂隙流構(gòu)成，即具有弱滲透裂隙的基巖區(qū)和具有大裂隙快速流的強(qiáng)滲透區(qū)。為了更突出表現(xiàn)中國西南巖溶地下河系統(tǒng)中巖溶管道的特征，需要在Drogue巖溶地下河系統(tǒng)二元裂隙網(wǎng)格概念模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合典型巖溶地下河系統(tǒng)概念模型，將中國西南巖溶地下河系統(tǒng)概化成由表層強(qiáng)滲透區(qū)、具有弱滲透裂隙的基巖區(qū)和巖溶管道快速流的強(qiáng)滲透區(qū)組成的地下水系統(tǒng)，其中，巖溶管道概化成發(fā)育于強(qiáng)滲透區(qū)的，具有特殊空間展布形態(tài)的，多個(gè)巖溶管道組成存在主、支干基本輪廓的管道結(jié)構(gòu)。但是，與野外巖溶地下河系統(tǒng)復(fù)雜的內(nèi)部含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)相比較，概化后的模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此，本模型僅適用于指導(dǎo)室內(nèi)物理建模，以研究巖溶管道結(jié)構(gòu)特征對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)水文過程的影響。

1 巖溶地下河系統(tǒng)水文過程模擬

1.1 物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置

筆者等構(gòu)建了具有不同巖溶管道結(jié)構(gòu)特征的巖溶地下河系統(tǒng)物理模型，以研究降雨條件下，巖溶管道結(jié)構(gòu)對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)水文響應(yīng)過程的影響。本物理模型主要研究具有不同巖溶管道結(jié)構(gòu)特征的巖溶地下河系統(tǒng)流量和水位對(duì)相同降雨條件的響應(yīng)快慢和影響程度。

1.1.1 模型箱和測(cè)流裝置 模型箱幾何尺寸的設(shè)計(jì)如圖1所示。箱體長(zhǎng)、寬、高分別為100、60、30 cm。為了減小箱體變形，箱體采用10 mm厚的鋼化玻璃。模型箱共設(shè)置了3個(gè)出流孔，孔徑為12 mm，最底端的出流孔圓心位置距離實(shí)驗(yàn)箱底面為3 cm，各出流孔圓心間相隔距離均為6 cm。模型箱側(cè)面低端設(shè)置一放水閥，用于排水。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括水位傳感器、AD轉(zhuǎn)換模塊、穩(wěn)壓電源模塊、單片機(jī)、串口通信模塊、鍵盤輸入模塊和計(jì)算機(jī)，其工作原理為:AD轉(zhuǎn)換模塊將水位傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)控制系統(tǒng)開啟內(nèi)部定時(shí)器，通過讀取鍵盤輸入的間隔時(shí)間等信息來初始化系統(tǒng)，然后定時(shí)地從AD轉(zhuǎn)換模塊中讀取變換后的數(shù)字信號(hào)，并將讀取到的數(shù)字信號(hào)換算成水位值，最后將水位值通過串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過串口將水位數(shù)值讀取到相應(yīng)的文件中進(jìn)行儲(chǔ)存。

1.1.2 降雨裝置 降雨系統(tǒng)(圖2)主要由降雨噴頭、支架和供水控制系統(tǒng)組成。16個(gè)可調(diào)式銅制微噴頭均勻分布于模型箱上部，單個(gè)噴頭流量范圍0.2～0.7 L/min。該降雨系統(tǒng)由24 V直流潛水泵供水，潛水泵通過穩(wěn)壓直流電源模塊控制抽水量大小，進(jìn)而控制降雨量的大小，顯示屏顯示電壓大小對(duì)應(yīng)不同降雨強(qiáng)度。通過蓄水箱內(nèi)水量的變化和降雨時(shí)間，計(jì)算各次降雨強(qiáng)度大小。

圖1 室內(nèi)物理模擬模型Fig.1 Model design of indoor physical simulation

圖2 降雨系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Model design of rain system

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

選用工業(yè)橡皮泥作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，材料不透水，材質(zhì)與實(shí)際碳酸鹽巖雖不同，但易于塑變，能塑造出各種大小不一和形狀各異的巖溶裂隙、巖溶管道、天窗、漏斗等單一或組合的巖溶結(jié)構(gòu)，在人工降雨條件下模擬出符合西南巖溶地下河系統(tǒng)水流特征的水流。實(shí)驗(yàn)選用1∶10 000的比例尺，模擬實(shí)際面積約為60 km2。模擬大裂隙寬度約為2～4 mm，巖溶管道寬度10～12 mm，高約10 mm，小裂隙寬度0.1～2 mm，模型最上層的形態(tài)巖溶漏斗和天窗為圓形，直徑大小約8～10 mm。

2 物理模擬實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 管道結(jié)構(gòu)特征選取

實(shí)驗(yàn)選取的管道斷面幾何形態(tài)為矩形;管道連接方式為葉脈狀和主干型;管道在空間上主要處于徑流區(qū)和排泄區(qū)，所以為水平管道;管道宏觀展布的平面形態(tài)有單一管道、平行管道、葉脈狀和樹枝狀;管道有坡降全段平緩的、坡降上游陡下游緩的以及坡降全段陡的;管道埋藏深度有淺埋、中等埋深和深埋(表1)。

2.2 模型搭建

本實(shí)驗(yàn)共制作了4組具有不同巖溶管道結(jié)構(gòu)的巖溶地下河系統(tǒng)物理模型(表2)。模型上下分為3層:最底層主要模擬大塊巖石間的大裂隙;中間層設(shè)置巖溶管道，管道周圍有小裂隙;最上層是小塊巖石間的小裂隙，還有巖溶漏斗和天窗。本次物理模擬實(shí)驗(yàn)主要研究的是巖溶管道特征對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)水文過程的影響，為了突出主要矛盾因素，控制變量，所以忽略地表形態(tài)的因素，所有模型最上層都是統(tǒng)一形態(tài)。

表1 巖溶管道結(jié)構(gòu)特征選取Table 1 Selection of karst conduit characteristics

模型Ⅰ為不同埋深的單一管道型巖溶地下河系統(tǒng)模型:中間層自下而上共設(shè)置3條巖溶管道，坡降平緩。搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，同時(shí)搭建了3條不同埋深的巖溶管道，因此，為探清某一埋深巖溶管道對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)水文過程的影響，需將另外兩條管道堵住，形成3個(gè)不同巖溶管道埋深的巖溶地下河系統(tǒng)。

模型Ⅱ?yàn)椴煌陆档钠叫泄艿佬蛶r溶地下河系統(tǒng)模型:巖溶管道上游段坡降相同，下游處坡降不同;在垂直方向上設(shè)置了兩個(gè)出口，出口高度分別為2.4和8.4 cm。與模型Ⅰ相同，實(shí)驗(yàn)過程中，為探清某一坡降對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)水文過程的影響，需將下游分叉處至出口處的另一條巖溶管道堵住，形成2個(gè)不同巖溶管道坡降的平行管道型巖溶地下河系統(tǒng)。

模型Ⅲ和模型Ⅳ分別為不同巖溶管道坡降的葉脈狀和樹枝狀巖溶地下河系統(tǒng)模型:剖面設(shè)置均與模型Ⅱ相同(表2)。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

由降雨裝置提供同時(shí)長(zhǎng)(6 min)、同雨強(qiáng)(10 mm/min)的降雨(雨強(qiáng)設(shè)計(jì)值參照氣象部門的降雨等級(jí)表中特大暴雨等級(jí):12 h降雨量不小于140 mm)，雨量經(jīng)模型中不同特征的巖溶管道調(diào)蓄后，從出流孔流入測(cè)流箱，水位變送器對(duì)模型箱和測(cè)流箱內(nèi)的實(shí)時(shí)水位進(jìn)行記錄，出流孔流量停止后實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

本實(shí)驗(yàn)共設(shè)置兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)(表3)，研究相同降雨條件下，管道的埋藏深度、坡降和平面展布形態(tài)對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)流量和水位響應(yīng)過程的影響。

表2 不同巖溶管道特征的巖溶地下河系統(tǒng)物理模型Table 2 Physicalmodels of karst underground river system with different karst conduit characteristics

3 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 巖溶管道的埋深

3.1.1 巖溶管道的埋深對(duì)流量的影響 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，巖溶管道的埋深對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)流量的降雨響應(yīng)過程有影響并存在一定的規(guī)律(圖3)。流量變化過程可分為:

(1)流量增長(zhǎng)階段:流量增長(zhǎng)階段為降雨初期，水量邊蓄邊排，部分水量存儲(chǔ)在巖溶空隙中，部分水量通過巖溶管道排泄。隨著可儲(chǔ)存空間減少，儲(chǔ)存量減少，出流量增大。不同巖溶管道埋深巖溶地下河系統(tǒng)流量對(duì)降雨響應(yīng)時(shí)間的快慢順序?yàn)門7cm埋深＞T13cm埋深＞T18cm埋深。

(2)流量平穩(wěn)階段:當(dāng)巖溶系統(tǒng)達(dá)到飽水狀態(tài)，降雨量基本等于排泄量，流量趨于穩(wěn)定。不同巖溶管道埋深的巖溶地下河系統(tǒng)流量均在100 mL/s數(shù)值左右波動(dòng)，與降雨補(bǔ)給量相等。

(3)流量衰減階段:降雨停止后，貯存在巖溶地下河系統(tǒng)含水層的水量開始釋放，隨著系統(tǒng)內(nèi)水量的減少，流量也逐漸衰退直至斷流。不同巖溶管道埋深巖溶地下河系統(tǒng)的水位高度H7cm埋深＞H13cm埋深＞H18cm埋深。

3.1.2 巖溶管道的埋深對(duì)水位的影響 不同巖溶管道埋深的單一管道型巖溶地下河系統(tǒng)水位對(duì)降雨的響應(yīng)過程與流量變化過程相似，同樣分為增長(zhǎng)、平穩(wěn)和衰減3個(gè)階段(圖4)。降雨初期，系統(tǒng)水位迅速升高;隨著降雨的持續(xù)，水位穩(wěn)定在某一高度;降雨停止后，水位逐漸回落到巖溶管道出口位置高度。對(duì)比可知，流量平穩(wěn)期，不同巖溶管道埋深巖溶地下河系統(tǒng)的水位高度H7cm埋深＞

表3 實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)Table 3 Design of experiment procedure

圖3 不同埋深的單一管道型巖溶地下河系統(tǒng)流量對(duì)降雨的響應(yīng)過程Fig.3 Response process of single pipe type karst underground river system flow to the rainfall with different buried depths

圖4 不同埋深的單一管道型巖溶地下河系統(tǒng)水位對(duì)降雨的響應(yīng)過程Fig.4 Response process of single pipe type karst underground river system water table to the rainfallwith different buried depths

3.2巖溶管道坡降和平面展布形態(tài)

3.2.1 巖溶管道的坡降和平面展布形態(tài)對(duì)流量的影響 巖溶管道的坡降和平面展布形態(tài)對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)流量和水位的降雨響應(yīng)過程也有影響，相同降雨強(qiáng)度下，不同巖溶管道坡降(下游坡降分別為5‰和136‰)和平面展布形態(tài)(平行管道型、葉脈狀和樹枝狀)巖溶地下河系統(tǒng)流量對(duì)降雨的響應(yīng)過程相似。

對(duì)比同一巖溶管道平面展布形態(tài)，不同下游坡降的巖溶地下河系統(tǒng)流量對(duì)降雨響應(yīng)的變化過程曲線(圖5)，得到以下結(jié)論:

(1)流量增長(zhǎng)階段:下游巖溶管道坡降陡(136‰)的巖溶地下河系統(tǒng)流量增長(zhǎng)較快。

(2)流量平穩(wěn)階段:不同巖溶管道坡降的巖溶地下河系統(tǒng)流量均在同一數(shù)值100 mL/s上下波動(dòng)，與降雨補(bǔ)給量相同。

(3)流量衰減階段:下游巖溶管道坡降陡(136‰)的巖溶地下河系統(tǒng)流量衰退較快。

對(duì)比巖溶管道坡降相同、平面展布形態(tài)不同的巖溶地下河系統(tǒng)流量對(duì)降雨響應(yīng)的變化過程曲線(圖5)，得到以下結(jié)論:

圖5 同坡降和平面展布形態(tài)的巖溶地下河系統(tǒng)流量對(duì)降雨的響應(yīng)過程Fig.5 Response process of karst underground river system flow to the rainfall with different slope and plane distribution pattern

(1)流量增長(zhǎng)階段:樹枝狀巖溶管道的巖溶地下河系統(tǒng)流量增長(zhǎng)較快，其次是葉脈狀巖溶管道的巖溶地下河系統(tǒng)，增長(zhǎng)較慢的是平行管道型的巖溶地下河系統(tǒng)。

(2)流量平穩(wěn)階段:不同平面展布形態(tài)的巖溶地下河系統(tǒng)流量均在100 mL/s數(shù)值上下波動(dòng)，與降雨補(bǔ)給量相同。

(3)流量衰減階段:流量衰減較快的是樹枝狀巖溶管道的巖溶地下河系統(tǒng)，其次是葉脈狀管道，較慢的是平行管道型。

3.2.2 巖溶管道的坡降和平面展布形態(tài)對(duì)水位的影響 在6 min時(shí)長(zhǎng)、10 mm/min強(qiáng)度的相同降雨條件下，不同巖溶管道坡降和平面展布形態(tài)巖溶地下河系統(tǒng)水位對(duì)降雨的響應(yīng)過程見圖6，可知:

(1)巖溶管道平面展布形態(tài)相同的巖溶地下河系統(tǒng)，下游坡降為136‰的巖溶地下河系統(tǒng)水位平穩(wěn)期上漲較慢。

(2)巖溶管道下游坡降相同的巖溶地下河系統(tǒng)，巖溶管道呈樹枝狀展布的巖溶地下河系統(tǒng)降雨前期水位增長(zhǎng)最慢，衰減期水位下降最快，平穩(wěn)期高度最低。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巖溶管道的埋深、坡降和平面展布形態(tài)對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)流量和水位的降雨響應(yīng)過程有影響并存在一定的規(guī)律(表4)。影響主要表現(xiàn)在降雨初期的流量增長(zhǎng)速度和降雨停止后的流量衰退速度，以及流量平穩(wěn)期的水位保持高度，其規(guī)律體現(xiàn)在:

(1)巖溶管道埋深較淺的、巖溶管道下游坡降較陡的和巖溶管道分支數(shù)量較多的巖溶地下河系統(tǒng)對(duì)降雨輸入較敏感，響應(yīng)較迅速。

(2)流量平穩(wěn)期水位較低的是巖溶管道埋藏深、巖溶管道坡降較陡和巖溶管道分支數(shù)量較多的巖溶地下河系統(tǒng)。

圖6 不同坡降和平面展布形態(tài)的巖溶地下河系統(tǒng)水位對(duì)降雨的響應(yīng)過程Fig.6 Response process of karst underground river system water table to the rainfallwith different slope and plane distribution pattern

4 結(jié)束語

巖溶管道埋深、坡降和平面展布形態(tài)直接影響和控制巖溶地下河系統(tǒng)的貯蓄空間、排水能力和徑流量，間接導(dǎo)致巖溶旱澇災(zāi)害，是中國西南巖溶地下河系統(tǒng)旱澇致災(zāi)的內(nèi)因。針對(duì)此因素，本文進(jìn)行物理模擬實(shí)驗(yàn)分析，得到巖溶管道的埋深、坡降和平面展布形態(tài)對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)流量和水位的降雨響應(yīng)過程的影響規(guī)律。在6 min時(shí)長(zhǎng)、10 mm/min強(qiáng)度的相同降雨條件下，巖溶管道特征(埋深、坡降和平面展布形態(tài))對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)流量和水位的影響主要表現(xiàn)在降雨初期流量的增長(zhǎng)速度和降雨停止后的衰退速度、水位平穩(wěn)期的保持高度:巖溶管道下游坡降較陡和巖溶管道分支較多的巖溶地下河系統(tǒng)對(duì)降雨輸入較敏感，響應(yīng)較迅速，水位在流量平穩(wěn)期上升高度較高;巖溶管道埋藏較深的巖溶地下河系統(tǒng)流量衰減較慢，水位在流量平穩(wěn)期上升高度較低。

表4 相同降雨條件下巖溶管道的空間分布特征對(duì)巖溶地下河系統(tǒng)流量和水位的影響Table 4 Affects of the flow and watertable of underground riverwith spatial distribution characteristics of karst conduit under the same rainfall conditions

［1］郭純青，方榮杰，于映華．中國南方巖溶區(qū)巖溶地下河系統(tǒng)復(fù)雜水流運(yùn)動(dòng)特征［J］．桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30 (4):507－512．

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［5］陳崇希，萬軍偉．地下水水平井流的模型及數(shù)值模擬方法——考慮井管內(nèi)不同流態(tài)［J］．地球科學(xué)，2002，27(2):135－140．

［6］王茂枚．巖溶地區(qū)地下水動(dòng)力條件物理模擬［D］．南京:河海大學(xué)，2008．

［7］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，2008，4(9): 32－35．

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Simulation analysis of drought-flood disaster factors for karst underground river system，southwest China

PAN Lin-yan1，2，ZHANGWen-ting1，3，GUO Chun-qing1
(1.a．College of Environmental Science and Engineering;b．Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology;c.Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Water Safety in Karst Area，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China;2.Guilin Investigation Institute of Hydro-Engineering Geology，Guilin 541002，China;3．Guangxi Institute of Region Geological Survey，Guilin 541003，China)

The time and speed ofwater rising and falling under the impact of different depth，plane distribution shape and hydraulic gradient of underground karst conduitwere obtained through lab simulation and response analysis to the same rainfall intensity with various controlmethod．The influence of karst conduit causes leading to drought and flood disasterswas analyzed．The results show that the karst underground riverswith shallow-buried，gentle gradient in downstream and dendritic shape karst conduit are sensitive and so there is fast response to the rainfall input．The karstunderground riverswith deep-buried，steep gradient in downstream and dendritic shape karst conduit have lower water table in stable discharge period．

karst underground river system;structural characteristics of karst conduit;drought and flood disasters;simulation

P642.25;P641.134

:A

2015－10－23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (41172230/D0213)

潘林艷 (1989—)，女，碩士，水文地質(zhì)專業(yè)，100219682@qq.com。

郭純青，教授，2000036@glut.edu.cn。

潘林艷，張文婷，郭純青．中國西南巖溶地下河系統(tǒng)旱澇致災(zāi)因素模擬分析［J］．桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36 (4):693－699．

1674－9057(2016)04－0693－07

10.3969/j．issn.1674－9057.2016.04.008