落水洞直徑對(duì)巖溶泉流量影響的試驗(yàn)研究

溫忠輝+張依楠+蘇佳林

摘要：基于裂隙-管道介質(zhì)物理模型，通過設(shè)計(jì)多組試驗(yàn)方案，研究落水洞直徑的改變對(duì)巖溶含水系統(tǒng)調(diào)蓄能力及泉流量過程的影響。經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：調(diào)蓄系數(shù)隨著落水洞直徑增大而增大；在低強(qiáng)度下，落水洞直徑的改變對(duì)裂隙和落水洞共同釋水階段的衰減能力影響不大，而在高強(qiáng)度下，其衰減能力隨著落水洞直徑的增大明顯減??；底部管道釋水階段的衰減系數(shù)不受補(bǔ)給強(qiáng)度和落水洞直徑的影響，其值約為0.0017 1/h ；調(diào)蓄系數(shù)與第一階段衰減系數(shù)的乘積與落水洞直徑無關(guān)，與補(bǔ)給強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：巖溶泉流量；物理試驗(yàn)；落水洞直徑；調(diào)蓄系數(shù)；衰減系數(shù)

中圖分類號(hào)：P641 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）04-0111-06

Abstract：Using the physical model of fissure-conduit media，we designed several experiments to study the effects of sinkhole diameter variations on the storage capacity and spring flow process of the karst aquifer system.Data analysis revealed that the regulating coefficient increased with the increase of sinkhole diameter.At low recharge rates，the variation of sinkhole diameter had little effect on the attenuation capacity at the stage where the fissure and sinkhole released water simultaneously.However，at high recharge rates，the attenuation capacity obviously declined with the increase of sinkhole diameter.The attenuation coefficient at the stage where the bottom pipeline released water was about 0.0017 1/h，and it was not affected by the recharge rate or the sinkhole diameter.The product of the regulating coefficient and the attenuation coefficient of the first stage was negatively correlated to the recharge rate，but was independent of the sinkhole diameter.

Key words：karst spring flow；physical experiment；sinkhole diameter；regulating coefficient；attenuation coefficient

1 研究背景

在我國(guó)西南巖溶地區(qū)，雖降水充沛，但由于該地區(qū)的落水洞、巖溶漏斗、地下河天窗等地表巖溶地貌極其發(fā)育，大氣降水及地表水會(huì)沿著這些巖溶通道集中入滲補(bǔ)給地下水，從而導(dǎo)致地表水匱乏，人水矛盾突出[1]，并且水資源短缺問題將隨著巖溶地貌進(jìn)一步發(fā)育而更加嚴(yán)重。近年來，許多學(xué)者對(duì)西南巖溶地區(qū)含水系統(tǒng)水動(dòng)力特征展開研究，以便為解決水資源問題提供有力的理論支撐。

落水洞作為巖溶垂直發(fā)育階段的產(chǎn)物，是巖溶含水介質(zhì)內(nèi)主要的集水區(qū)域和過流通道[2]。其在形成的初始階段，侵蝕作用以沿垂直裂隙的溶蝕為主。當(dāng)孔洞擴(kuò)大以后，補(bǔ)給強(qiáng)度很大時(shí)，大量地表水流集中匯入落水洞，水流所攜帶的大量泥沙石礫不斷地對(duì)洞壁四周進(jìn)行磨蝕，同時(shí)還會(huì)伴隨著巖體的崩塌，使落水洞迅速擴(kuò)大[3]。相比落水洞的擴(kuò)大速度，巖溶裂隙和地下河因受地下水流的溶蝕所引起的尺寸改變可忽略。落水洞除起著匯水和輸水作用外，在補(bǔ)給強(qiáng)度很大的情況下，落水洞內(nèi)很可能來不及消水，水位壅高[4]，這時(shí)落水洞還起著儲(chǔ)水作用。由此可見，落水洞對(duì)巖溶含水介質(zhì)水流運(yùn)動(dòng)有著重要影響。

巖溶含水介質(zhì)水流運(yùn)動(dòng)研究的一個(gè)重要方面是泉流量過程的研究，特別是泉流量衰減過程[5]。泉流量衰減過程不僅反映含水層的結(jié)構(gòu)特征，亦反映含水介質(zhì)對(duì)地下水的調(diào)蓄能力。黃敬熙[6]利用流量衰減方程計(jì)算各亞動(dòng)態(tài)貯水量占總貯水量的百分比，分析了洛塔地區(qū)不同塊段巖溶水的主要賦存形式。程星等[7]從影響巖溶地下水調(diào)蓄功能的因素出發(fā)，對(duì)影響巖溶泉流量衰減的巖性、構(gòu)造、降水入滲方式、洞穴地貌演化階段、排泄條件等因素進(jìn)行了定性分析。孫晨等[8]利用裂隙-管道雙重介質(zhì)物理模型，定量分析了泉口大小、降雨、蓄水狀態(tài)等對(duì)泉流量衰減過程的影響。

目前，針對(duì)落水洞對(duì)巖溶泉流量過程影響的研究還未多見。本文將以落水洞為研究對(duì)象，探究巖溶通道的發(fā)育程度對(duì)含水系統(tǒng)地下水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。因?qū)崪y(cè)資料有限，理想化數(shù)學(xué)模型適用范圍受限制，所以依據(jù)西南巖溶地區(qū)的水文地質(zhì)概念模型，建立了含有落水洞的裂隙-管道介質(zhì)物理模型，通過改變落水洞直徑來探討其對(duì)巖溶含水系統(tǒng)調(diào)蓄能力及泉流量過程的影響，以期為巖溶地貌發(fā)育對(duì)地下水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響的研究提供參考。

2 研究方法

2.1 物理模型

物理模型之所以成為研究巖溶含水系統(tǒng)的有效工具，是因?yàn)槠湓谝欢ǔ潭壬峡梢园凑找巴鈱?shí)際的水文地質(zhì)條件進(jìn)行任意改變[9]。本文通過對(duì)裂隙-管道介質(zhì)水文地質(zhì)概念模型合理簡(jiǎn)化，建立了如圖1中的裂隙-管道介質(zhì)物理模型。該物理模型由三部分組成：裂隙-管道介質(zhì)區(qū)、降雨補(bǔ)給系統(tǒng)、流量采集系統(tǒng)。裂隙-管道介質(zhì)模擬區(qū)長(zhǎng)1.20 m，高 0.89 m，寬0.04 m，其中水平層間裂隙隙寬為2 mm，共設(shè)8層；垂直裂隙隙寬為1 mm，每層10條。裂隙網(wǎng)絡(luò)右側(cè)和底部均設(shè)置一條截面為0.04 m×0.04 m的方形管道，其中右側(cè)管道模擬落水洞，底部管道模擬地下暗河。降雨補(bǔ)給系統(tǒng)采用共同補(bǔ)給方式，即裂隙分散補(bǔ)給和落水洞集中補(bǔ)給，并通過調(diào)節(jié)閥門控制補(bǔ)給強(qiáng)度大小。流量采集系統(tǒng)與底部管道連通的泉口處接有電磁流量計(jì)，以便實(shí)時(shí)記錄出口流量的變化過程。

3 試驗(yàn)過程與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)過程

3.1.1 方案設(shè)計(jì)

準(zhǔn)備2種不同尺寸的墊片，其中尺寸為85 cm×4 cm×0.5 cm的墊片4個(gè)，尺寸為85 cm×4 cm×0.25 cm的墊片1個(gè)。然后，將兩種墊片進(jìn)行隨機(jī)組合，放入模型右側(cè)的落水洞中，以改變落水洞的直徑。落水洞直徑從2 cm增加到4 cm，每增加0.25 cm為一組方案，共九組試驗(yàn)方案。

此外，由于泉流量過程與補(bǔ)給強(qiáng)度有關(guān)，為保證結(jié)果的合理性與可靠性，每組方案下設(shè)置多種不同補(bǔ)給強(qiáng)度。

3.1.2 操作過程

開啟補(bǔ)給閥門，并保持補(bǔ)給強(qiáng)度不變，直至裝置內(nèi)水位不再變化時(shí)停止補(bǔ)給。當(dāng)泉口停止排水時(shí)，即為一個(gè)完整的泉流量過程。此過程由電磁流流量計(jì)每隔一秒記錄一次，數(shù)據(jù)可用U盤直接從溫壓補(bǔ)償流量積算器設(shè)備中拷貝，節(jié)省人力與時(shí)間。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 泉流量過程

根據(jù)試驗(yàn)所得到的時(shí)間流量序列，繪制泉流量過程曲線，見圖2。由圖2可見，一個(gè)完整的泉流量過程分為三個(gè)階段：上升階段，平穩(wěn)階段和下降階段。其中下降階段又分為四個(gè)階段，先陡然下降，再平緩下降，后急劇減小至零，最終以零流量持續(xù)至斷流。其中，后兩個(gè)階段是當(dāng)模型中水位降至泉口后的衰減過程，由于此階段泉口不飽和，流量計(jì)無法準(zhǔn)確測(cè)出其流量值。因此，在后面分析中不做考慮。不同補(bǔ)給強(qiáng)度及不同落水洞直徑情況下，其泉流量過程曲線均與圖2類似。

3.2.2 補(bǔ)給強(qiáng)度與穩(wěn)定水位

補(bǔ)給強(qiáng)度與穩(wěn)定水位存在著正相關(guān)關(guān)系，補(bǔ)給強(qiáng)度越大，穩(wěn)定水位越高。本試驗(yàn)共有九種不同的落水洞直徑方案，取落水洞直徑為2 cm、2.5 cm、3 cm、3.5 cm和4 cm五種情況，將其不同補(bǔ)給強(qiáng)度下的穩(wěn)定水位點(diǎn)繪在同一張圖上，見圖3。

由圖3可見，這些散點(diǎn)大致分布在某一固定的直線上，經(jīng)計(jì)算可確定這一直線方程為y=0.011 36 x+0.988 09。即在不同的落水洞直徑下，補(bǔ)給強(qiáng)度與穩(wěn)定水位之間的關(guān)系是確定的。

3.2.3 調(diào)蓄系數(shù)

選取各方案下泉流量過程的第一階段，即泉流量上升階段，采用式（2）計(jì)算不同直徑的落水洞的調(diào)蓄系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表1，并繪圖4。

由表1可見，同一直徑下，補(bǔ)給強(qiáng)度越大，調(diào)蓄系數(shù)越小。由前面可知，補(bǔ)給強(qiáng)度越大，穩(wěn)定水位越高，模型中蓄水量越大，但同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定水位所需要的時(shí)間也越長(zhǎng)，因而，補(bǔ)給量在模型中滯留的比例越小，調(diào)蓄能力越弱。由圖4可見，在同一補(bǔ)給強(qiáng)度下，調(diào)蓄系數(shù)隨著落水洞直徑的增大有增大的趨勢(shì)。由前面可知，補(bǔ)給強(qiáng)度相等時(shí)，穩(wěn)定水位也基本相等，落水洞直徑越大，模型中蓄水量越大，同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定水位所需時(shí)間基本相等，因而，補(bǔ)給量在模型中滯留的比例越大，調(diào)蓄能力越強(qiáng)。

3.2.4 衰減系數(shù)

泉流量衰減過程僅考慮前兩個(gè)階段，即陡然下降階段和平緩下降階段，詳見圖5中的①和②。經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知，前者為裂隙和落水洞共同釋水階段，后者為底部管道部分釋水階段。采用式（3）分別對(duì)兩個(gè)階段進(jìn)行曲線擬合，求出相應(yīng)的衰減系數(shù)。

（1）第一階段衰減系數(shù)。

裂隙和落水洞共同釋水階段的衰減系數(shù)與補(bǔ)給強(qiáng)度和落水洞直徑的關(guān)系見圖6和圖7。由圖6可見，衰減系數(shù)隨著補(bǔ)給強(qiáng)度先增加后趨于不變，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在補(bǔ)給強(qiáng)度為1.5 m3/h左右。其它不同直徑落水洞的第一階段衰減系數(shù)變化趨勢(shì)均與上述相同。由圖7可見，在不同補(bǔ)給強(qiáng)度下，衰減系數(shù)均隨著落水洞直徑的增大而減小。其中在低強(qiáng)度下，落水洞直徑的改變對(duì)衰減能力的影響不大，斜率小于0.001。而在中等強(qiáng)度和高強(qiáng)度下，衰減系數(shù)均隨著落水洞直徑的增大呈直線下降趨勢(shì)。這是因?yàn)檠a(bǔ)給強(qiáng)度越高，穩(wěn)定水位越高，不同直徑落水洞的穩(wěn)定蓄水量相差越大。

此外，利用式（4）計(jì)算第一階段的衰減速率，取其中五種直徑，點(diǎn)繪其衰減速率與補(bǔ)給強(qiáng)度的散點(diǎn)圖。由圖8可見，同一直徑下，衰減速率隨著補(bǔ)給強(qiáng)度的增加先增加后趨于平穩(wěn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在補(bǔ)給強(qiáng)度為1.7 m3/h左右。在低強(qiáng)度下，不同直徑落水洞下的衰減速率相差不大。高強(qiáng)度下，落水洞直徑越大，其衰減速率越小。上述變化規(guī)律與衰減系數(shù)基本一致。

（2）第二階段衰減系數(shù)。

底部管道釋水階段的衰減系數(shù)與補(bǔ)給強(qiáng)度和落水洞直徑的關(guān)系見圖9和圖10。由圖9可知，衰減系數(shù)隨著補(bǔ)給強(qiáng)度變化不大，因此，可求其均值作為不同直徑落水洞下的衰減系數(shù)。由圖10可知，落水洞直徑的改變對(duì)底部管道釋水能力的影響不大。經(jīng)計(jì)算，第二階段的衰減系數(shù)大約為0.001 7 1/h ，數(shù)量級(jí)為-2，比第一階段小一個(gè)數(shù)量級(jí)。平均衰減時(shí)間為23 s，相當(dāng)于模型蓄水一半時(shí)第一階段的衰減歷時(shí)。

由表2可見，B值范圍在0.007～0.012。在同一補(bǔ)給強(qiáng)度下，不同直徑落水洞的B值相差不大，可認(rèn)為B值與落水洞直徑無關(guān)。在同一直徑下，B值隨著補(bǔ)給強(qiáng)度增大而減小。經(jīng)計(jì)算，可確定B與i之間的關(guān)系為：B=-0.004 29i+0.016 24。

4 結(jié)論

本文通過設(shè)計(jì)多種試驗(yàn)方案，探討了落水洞直徑大小對(duì)巖溶含水系統(tǒng)調(diào)蓄能力及泉流量衰減過程的影響。主要得出以下結(jié)論。

（1） 調(diào)蓄能力與補(bǔ)給強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與落水洞直徑呈正相關(guān)關(guān)系。

（2）裂隙和落水洞共同釋水階段的衰減系數(shù)隨著補(bǔ)給強(qiáng)度先增加后趨于不變，存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在低強(qiáng)度下，落水洞直徑的改變對(duì)衰減能力影響不大。而在高強(qiáng)度下，衰減能力隨著落水洞直徑的增大明顯減小。

（3） 底部管道釋水階段的衰減系數(shù)不受補(bǔ)給強(qiáng)度和落水洞直徑的影響，衰減系數(shù)大約為0.001 7 1/h ，比第一階段小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

（4） 調(diào)蓄系數(shù)與第一階段衰減系數(shù)的乘積與落水洞直徑無關(guān)，與補(bǔ)給強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。