裂隙-管道介质泉流量衰减过程试验研究及数值模拟

岩溶多重介质含水系统泉流量特征的研究对岩溶水资源的开发利用具有重要的指导意义。利用自主研发的裂隙-管道介质物理模型,模拟岩溶裂隙-管道介质的泉流量衰减过程,设计多组试验探讨不同因素对泉流量衰减过程的影响。试验结果表明,衰减过程随释水介质的变化分为3个亚动态;衰减系数的大小主要受泉口大小、补给状态、含水介质初始蓄水状态的影响。基于物理试验结果,通过Visual MODFLOW软件结合等效渗透系数法建立符合物理模型机制的水流数值模型,对数值模型进行参数灵敏度分析,研究模型内部结构对泉流量过程的影响。结果表明,排水沟的综合水力传导系数对泉流量过程影响最大,垂直层面裂隙等效渗透系数的影响次之,管道等效渗透系数的灵敏度再次之,泉流量过程对层面裂隙等效渗透系数最不敏感。     

落水洞直径对岩溶泉流量影响的试验研究

基于裂隙-管道介质物理模型,通过设计多组试验方案,研究落水洞直径的改变对岩溶含水系统调蓄能力及泉流量过程的影响。经试验数据分析发现:调蓄系数随着落水洞直径增大而增大;在低强度下,落水洞直径的改变对裂隙和落水洞共同释水阶段的衰减能力影响不大,而在高强度下,其衰减能力随着落水洞直径的增大明显减小;底部管道释水阶段的衰减系数不受补给强度和落水洞直径的影响,其值约为0.0017 1/h;调蓄系数与第一阶段衰减系数的乘积与落水洞直径无关,与补给强度呈负相关关系。     

峰丛洼地岩溶泉流量和水化学变化过程中地面径流的作用

峰丛洼地地区分布大量封闭洼地,暴雨过程中洼地内产生的地面径流通过落水洞进入岩溶管道,最终组成岩溶泉的一部分。本文选取典型的峰丛洼地地貌区——桂林丫吉试验场为研究区,通过修建径流小区监测地面径流量,结合示踪试验等手段探讨暴雨期间岩溶泉S31流量和水化学变化过程中这部分地面径流的作用。2010年径流小区监测结果显示当日降雨量大于64.4mm/d时研究区才产生地面径流,地面径流系数在0.48%~0.71%之间。选取5月19日降雨径流过程进行水均衡分析和离子质量守恒计算。S31泉域水均衡分析显示地面径流仅占S31泉总流量0.65%,不能显著影响S31泉流量变化。离子质量守恒模型结果表明暴雨期间S31泉电导率变化主要由裂隙水造成,虽然地面径流含有大量雨水,但对S31泉电导率影响有限。因地面径流的产生条件高和比例小,在适当降雨条件下可以忽略岩溶泉流量和水化学变化中地面径流的作用。     

峰丛洼地岩溶泉流量和水化学变化过程中地面径流的作用

峰丛洼地地区分布大量封闭洼地，暴雨过程中洼地内产生的地面径流通过落水洞进入岩溶管道，最终组成岩溶泉的一部分。本文选取典型的峰丛洼地地貌区—桂林丫吉试验场为研究区，通过修建径流小区监测地面径流量，结合示踪试验等手段探讨暴雨期间岩溶泉S31流量和水化学变化过程中这部分地面径流的作用。2010年径流小区监测结果显示当日降雨量大于64.4mm/day时研究区才产生地面径流，地面径流系数在0.48%～0.71%之间。选取5月19日降雨径流过程进行水均衡分析和离子质量守恒计算。S31泉域水均衡分析显示地面径流仅占S31泉总流量0.65%，不能显著影响S31泉流量变化。离子质量守恒模型结果表明暴雨期间S31泉电导率变化主要由裂隙水造成，虽然地面径流含有大量雨水，但对S31泉电导率影响有限。因地面径流的产生条件高和比例小，在适当降雨条件下可以忽略岩溶泉流量和水化学变化中地面径流的作用。     

郭庄泉岩溶水系统模型研究分析

以郭庄泉43年(1956年～1999年)的泉流量、降水量、岩溶水开采量为原始建模数据,利用时间序列分析方法建立了三者之间的多输入-单输出预测模型,模型拟合程度良好。通过模型对泉流量变化的影响因素做进一步分析,结果显示:大气降水对1980年前的泉流量变化具有控制作用,而岩溶水开采量迅速上升则是1980年后泉流量不断衰减的重要原因。     

宜昌砂岩轴压致裂和人工裂纹下的渗流试验研究

对受轴向压缩荷载致裂的宜昌地区砂岩,通过试验研究轴压、围压、裂隙几何尺寸和岩性等因素对渗流量的影响。对于压裂的泥质砂岩,裂隙深度(对应受力面积)与开度比值越大,试件的渗流量受围压影响就越大,轴压与渗流量呈非线性关系;对于钙质中细砂岩,其流速随围压的变化显得波动很大,规律性较差,而在围压恒定时,轴压与流速呈二次抛物线的非线性关系;对于钙质粗中砂岩,围压越大,其渗流流速与轴压的关系越接近于直线。与无填充人工切割裂隙和填充人工切割裂隙的渗流成果进行对比分析,研究表明:无填充人工切割裂隙渗流量与轴压呈线性关系,主要是由于渗流断面积过大引起。填充人工切割裂隙的渗流试验表明,砂粒在没有冲紧密实之前其渗流量测量数据是没有可重复性的,不但受到轴压的加载路径影响,还受到围压的加载路径影响。人工裂隙中有砂充填密实后,轴压和流速仍呈线性关系。对砂岩轴压产生的裂纹,在0~1MPa的过渡过程中,渗流量迅速衰减(二次项系数衰减可达21/22),衰减量远大于有砂粒填充的有一定开度的人工节理。     

落水洞对裂隙-管道介质排水过程的影响

利用自行研制的裂隙-管道介质物理模型进行多组试验,探究落水洞对介质排水过程的影响。对裂隙-管道介质按照介质空隙结构特点进行分区,引入反映介质排水过程中水体排泄快慢的单位时间排水量,进而得到对应不同介质分区和介质整体的四个单位时间排水量。利用单位时间排水量分析九种落水洞横截面积对裂隙-管道介质排水过程的影响。结果表明:落水洞横截面积的增大对裂隙-管道介质结构的影响为增大其储水空间和导水空间;落水洞横截面积的增大会加快裂隙-管道介质的排水过程,排水过程对落水洞横截面积增大的响应在横截面积的增大量达到某一阈值后才会发生,该阈值和介质空隙结构有关;排水过程的三个不同阶段的阈值不同,末期的阈值小于初期、中期的阈值。     

宜昌砂岩轴压致裂和人工裂纹下的渗流试验研究

对受压缩荷载致裂的宜昌地区砂岩，通过试验研究轴压、围压、裂隙几何尺寸和岩性等因素对渗流量的影响。对于压裂的泥质砂岩，当裂隙的深度(对应受力面积)与开度的比值越大时，试件的渗流量受围压的影响就越大，轴压与渗流量成非线性关系；对于钙质砂岩，其流速随围压的变化显得波动很大，规律性较差，而在一定的围压作用下，轴压与流速呈二次抛物线的非线性关系；对于钙质粗砂岩，围压越大，其渗流流速与轴压的关系越是接近于直线。为加深认识，与无填充人工切割裂隙和填充人工切割裂隙的渗流成果进行对比分析，研究表明：无填充人工切割裂隙的渗流量与轴压呈线性关系主要是由于渗流断面积过大引起。填充人工切割裂隙的渗流试验表明，砂粒在没有冲紧密实之前其渗流量测量数据是没有可重复性的，不但受到轴压的加载路径影响，还受到围压的加载路径影响。充填密实后，人工裂隙中有砂充填时，轴压和流速仍呈线性关系。对砂岩轴压产生的裂纹， 0Mpa到1Mpa的过渡过程中，渗流量迅速衰减(二次项系数衰减达21/22),衰减量远大于有砂粒填充的有一定开度的人工节理。分析指出：在卸荷引起的长久存在的拉应力区中的垂直于拉应力作用方向的裂隙渗流的能力将远大于裂隙面被压应力挤紧的裂隙渗流速度。     

神头泉流量动态及影响因素分析

介绍了神头泉域自然地理概况及岩溶水动态特征,得出了泉流量衰减主要是由于降水量减少和对孔隙水的开采,还有采煤的影响和人类活动对径流的影响,建议在泉水排水区附近不能打井。     

郭庄泉流量动态预测与泉域保护应对策略

利用时间序列分析方法,根据郭庄泉1956年~2000年的观测资料,建立了郭庄泉流量的动态模型,通过分析模型,得出大气降水对1980年前的泉流量变化具有控制作用,而岩溶水开采量迅速上升,则是1980年后泉流量不断衰减的重要原因。最后对泉域岩溶水的保护利用提出了一些措施和建议。     

红层隧道涌水流量衰减曲线特征分析——以雅康公路飞仙关隧道为例

岩溶隧道涌水在隧道建设过程中较为常见,但在红层隧道中鲜有先例。以雅康公路飞仙关隧道为例,基于泉流量衰减方程,将地质条件加以概化,拟合预测曲线,并与隧道涌水流量衰减实测曲线进行对比分析,采用"先拟合,后预测,再比较"的方法,分析了方程的适用性。结果显示,实测曲线与预测曲线相契合,表明方程选取适当,并且侧面佐证了隧道涌水的来源预测结果。     

西南典型岩溶区地下水防污性评价方法

与第四系含水层相比,西南岩溶区常缺少天然的防渗或过滤层,岩溶含水层的地下水防污能力较差,地表水和污染物很容易通过落水洞等岩溶形态直接进入含水层或地下河。现以典型岩溶区———桂林市区为例,在将该地区依据地貌分为7个亚区的基础上,结合岩溶水二元补给特性,尝试运用"二元法"对桂林市岩溶区地下水的防污能力进行分区评价,评价结果显示,桂林市区除洪积扇亚区一带地下水的防污能力强以外,其他地区的岩溶地下水都面临着防污能力差的问题,尤其是在落水洞发育的峰丛洼地、峰丛谷地两个亚区,如果不加以保护,地下水极易被污染。通过与前人成果的对比,该方法将径流特征作为一个主要的评价因子,所得结果更为合理,而且本方法具有所需数据量少,可以进行定性评价等优点,可在我国西南岩溶区中加以推广。     

太原市晋祠泉域生态环境特征分析

山西太原市晋祠泉是华北有名的岩溶大泉,近年来泉水流量一直呈衰减趋势甚至断流,恢复和保护晋祠泉水的昔日风貌让名泉复流,深化对泉域的研究在全省的水资源战略格局中至关重要。文中从水土保持的角度研究了晋祠泉域的自然地理与水资源系统环境特征。泉域内有土石山区、黄土丘陵沟壑区、黄土丘陵阶地区三种地貌类型;土地利用布局不合理,水土流失严重,土壤侵蚀模数500～7 000 t/(km.2a);降水是泉水流量变化的主要影响因素,1974年之后,降水量与汾河渗漏量的逐年减少、岩溶地下水开采逐年增加以及补给区水土流失成为导致晋祠泉水流量衰减的综合因素;结合晋祠泉岩溶水介质系统构造发育,研究了晋祠泉水资源系统结构特征与泉水补给区域特点,泉水的补给主要依靠灰岩裸露区接受大气降水和河流渗漏。对晋祠而言,汾河水在深水位灰岩区的渗漏则不容忽视,这种补给更可能占主要地位。     

数字化水系辅助 DEM 提取 Karst 地区水系的应用研究

近年来,分布式水文模型与 GIS 密切结合已经成为水文预报的研究重点和热点,其中基于 DEM 提取某一流域的水流方向矩阵是其核心之一。然而在中国南方 Karst 地区具有地表和地下二元空间结构,地表有大量的洼地与漏斗和溶洞发育,如果用填洼的常规方法则改变了 Karst 地区真实栅格单元的水流方向,造成大量的平坦地区,而且提取出的水系有大量平行水系与河道的缺失。因此,利用数字化河网修正 DEM 后无需填洼就能提取出接近 Karst 地貌背景下的真实水系,提取出的水系中几乎没有平行水系和河道的缺失 , 而且正确地引导了局部栅格单元的水流流向。用该方法提取的水系对建立 Karst 地区更高精度的分布式水文模型具有很好的应用价值。     

岩溶地下水系统演化的数值模拟

为了研究岩溶地区泉域系统演化过程及对泉流量进行预测,耦合了渗流模型和岩溶动力模型,对均质和非均质2种条件下泉域系统进行了溶蚀演化模拟。从模拟结果上可以看出,均质含水系统初期水位变化较小,中后期下降明显,而非均质含水系统初期下降明显,中后期水位稳定;在张开度方面,非均质模型在相同时段内张开度的最在值却比均质系统要大4~5 cm。2个泉域系统的泉流量都经过了初期较小,中后期迅速增大的过程,只是增大的时间和每个时间点的泉流量不同,非均质系统增大时间更早,流量更大,分别用指数函数和多项式函数来拟合了均质和非均质系统泉流量过程曲线。研究结果为岩溶地下水系统演化模拟提供了一个新方法,同时也为岩溶地区地下水资源评价研究提供了科学依据。     

涞源岩溶地下水系统泉水量变化特征分析

涞源泉泉域是一个全封闭式泉排型岩溶水系统,泉水利用对当地工农业生产发挥了重要作用.通过对涞源岩溶地下水系统特征分析,利用地表水系列资料,采用基流分割法、相关系数法等,计算出泉水量系列资料.由降水补给地下水,再以泉水的形式排泄,在此过程中使水量在时间上滞后,而且水量趋于平稳,泉水量年极值比为7.33,变差系数为0.34,年内分配变化幅度平缓.由降水—入渗—地下径流—泉水排出的过程,水资源经过地下岩溶调节作用,有利于水资源的开发利用,而且对水质也起到净化作用.研究和分析岩溶地下水径流量变化特征,为合理利用泉水资源提供科学依据.     

鲁中南泰安纸坊泉域岩溶水强径流带成因及特征

近年来,鲁中南地区岩溶地下水泉水流量衰减、干涸,水源地超采,岩溶塌陷等环境地质问题日益凸显,迫切需要加强研究。以泰安纸坊泉域为例,探讨了泉域内岩溶水强径流带分布、成因类型及典型水文地质特征,以达到合理开发、保护岩溶地下水的可行性。结果表明,岩溶水强径流带是有巨大调蓄功能并发育于浅部地下水积极交替带的网络状强岩溶富水带,其地下水动态稳定,成井率高且识别特征明显,是本区岩溶水水源地开采的理想场所。研究强径流带系统的水文地质条件,掌握其规律,为进一步研究鲁中南地区岩溶地下水提供了一条有效途径。