焦作矿区双重介质裂隙网络渗流与渗流模型研究

焦作矿区矿井水害严重,位于煤层底板下的石炭系薄层灰岩中的第八、第二层,以及奥系灰岩岩溶含水层是矿井主要充水水源。裂隙是矿区岩溶水渗流的主要通道,裂隙介质的不均匀性、各向异性、不连续性等特征非常明显,且不同规模的裂隙对岩溶水渗流的贡献不同。根据裂隙介质对岩溶水渗流所起的作用,对那些控制矿区岩溶水渗流分布且起主导渗透作用的巨型和大型裂隙建立非连续介质裂隙网络三维渗流模型;对大型和巨型裂隙之间的裂隙岩块建立连续介质渗透张量模型,两模型耦合在一起组成双重介质裂隙网络三维渗流模型。该模型能较好地刻画矿区岩溶水渗流和突水特征      

碳酸盐岩单裂隙渗流-溶蚀耦合模型及其参数敏感性分析

岩溶地下水系统是由碳酸盐岩裂隙含水介质演化形成的,系统初始的裂隙网络介质特征及边界条件决定了其演化过程。为揭示岩溶系统演化过程中裂隙介质特征和边界条件的影响程度,建立了裂隙溶蚀扩展的渗流-溶蚀耦合模型,并对不同边界条件下不同隙宽的单裂隙溶蚀扩展特征进行了模拟分析。结果表明:裂隙溶蚀扩展受水的侵蚀性(CO2分压)、水动力条件(水力梯度)、裂隙介质特征(裂隙初始隙宽)等综合作用影响,Ca2+的平衡浓度、水力梯度以及裂隙初始隙宽等参数的增加均能促进裂隙的快速扩展。在这些参数中,初始隙宽B0对岩溶发育的影响最为敏感,水力梯度J和Ca2+平衡浓度Ceq对岩溶发育具有相同的敏感性;此外,随着各参数值的不断增大,参数变化对岩溶发育的敏感程度越来越低。     

岩溶裂隙地下水流数学模型求解的有限体积法及应用

岩溶裂隙介质可视为双重孔隙度介质。根据水流连续性原理、质量守衡和达西定律,建立了裂隙-岩溶承压含水层非稳定流双重介质数学模型,采用有限体积法对其求解,并以深圳龙岗区为例对模型进行验证。结果表明,计算模型与实际水文地质条件比较接近,计算水位与实测水位相吻合。     

层流—紊流共存流场中岩溶裂隙网络演化过程的数值模拟方法

研究岩溶水系统的演化过程对许多资源与环境问题有着重要意义。岩溶地区水资源、油气资源的预测与开发、水土流失成因及防治等课题都与此密切相关。岩溶管道是地下水对裂隙的逐渐溶蚀扩展形成的,岩溶演化初期,所有裂隙宽度不大,流场整体成层流状态。随着溶蚀的进行,一部分裂隙优先扩大使其中的水流进入紊流状态,而另一部分裂隙中水流仍呈层流状态。文章提出一种数值方法,能够模拟层流-紊流共存流场的岩溶演化过程。利用蒙特卡洛(Monte-Carlo)方法模拟初始裂隙网络,通过非连续介质方法模拟裂隙网络中的渗流。裂隙扩展的速度通过岩石表面溶蚀速度经验公式计算,使用迭代方法求解层流-紊流共存条件下的水头非线性方程。构建了能够利用解析法求解的模型,把数值解和解析解的结果进行对比,验证了本研究的数值法及软件的可行性。      

多空隙组合地质单元渗流理论分析与试验

岩体通常是以孔隙岩石为基质并包含各种成因的裂隙和溶隙的复杂多空隙组合地质材料。为研究孔隙-裂隙-溶隙多空隙组合介质的渗流特性,在简要介绍多孔介质渗流Darcy定律、平板窄缝流Poiseuille定律和圆形管道流Darcy-Weibach理论的基础上,分析了几种孔隙-裂隙-溶隙组合情况的多空隙介质渗流特性,推导出相应组合的等效渗透系数KE,给出了描述多空隙组合介质KE的一般表达式,讨论了影响各种空隙组合KE的主要因素。以普通砖模拟岩石基质,通过砖身钻孔填充及砖间缝隙填充,试验模拟了岩溶岩体和裂隙岩体中溶孔和裂隙填充后的渗透情况。试验结果与所推求理论公式计算出的KE在同一量级且误差很小,很好地验证了所推导的多空隙组合介质渗透系数表达式的有效性。     

山东淄博市大武水源地裂隙岩溶水中污染物运移的数值研究

在分析研究淄博市大武水源地裂隙岩溶含水层的水力性质和污染物运移特征的基础上 ,对裂隙岩溶水的水头和污染物运移进行数值研究。目前国内外对裂隙岩溶水进行数值计算时 ,通常用等价多孔介质模型 ,但裂隙岩溶介质和多孔介质有很大不同。裂隙岩溶介质的储水和导水空间为裂隙网络 ,导水系数大 ,地下水的实际平均流速比孔隙水大得多 ,但给水度和贮水系数小。当用等价多孔介质模型进行模拟时应考虑这些特点。对于污染物运移的模拟 ,要同时求解水头方程和对流弥散方程 ,可采用MODFLOW和MT3D软件进行模拟。研究区裂隙岩溶水水头的数值计算表明 ,等效多孔介质模型水头的拟合误差能满足国标GB/T144 97- 93的要求。各时段地下水水量均衡计算的精度也满足要求。对流弥散方程的数值计算 ,由于Peclet数高达 95 .6 7,对流占绝对优势 ,可能存在数值弥散和数值振荡 ,因而采用多种方法进行了比较。对于同一问题 ,同时采用上游有限差分法 (UFDM) ,混合的欧拉拉格朗日方法 (特征线法MOC、改进特征线法MMOC和混合特征线法HMOC) ,总变异消减法(TVD)进行计算 ,并比较其结果。结果表明 ,混合特征线法 (HMOC)和总变异消减法 (TVD)比较适合于对流占优势的运移问题计算。由于渗透系数K和有效孔隙度θ对溶质运移结果的影响很大 ,?     

岩溶地区岩体裂隙网络渗流分析

岩溶区由于其特殊的岩性,造成岩体裂隙非常发育,这些发育的裂隙很容易形成连通网络,在具有化学侵蚀性水流的作用下,裂隙通道被加宽,从而导致渗漏量增加。在岩溶区岩体裂隙发育特点的基础上对岩体裂隙网络进行了划分,用Monte-Carlo三维模拟技术模拟岩体裂隙的发育程度,同时也模拟出裂隙网络连通图,该图再现了优势裂隙的发育方向。在岩体节理网络的基础上,将各种裂隙和孔隙按规模和渗透性分为四级处理, 即一级真实裂隙网络、二级随机裂隙网络、三级等效连续介质体系、四级连续介质体系,各级裂隙之间以水量平衡原理建立联系。然后采用多重裂隙网络渗流模型对岩溶区岩体裂隙的渗流进行分析。研究表明,将多重裂隙网络渗流模型应用于岩溶区坝基岩体渗流分析中,能够比较确切而直观的反映出岩溶区岩体裂隙系统渗流分布规律,对岩溶区水库的防渗和防腐蚀措施具有重要的指导意义     

基于离散裂隙网络模型的裂隙水渗流计算

离散裂隙网络模型(Discrete Fracture Network（DFN）)是研究裂隙水渗流最为有效的手段之一。文章根据裂隙几何参数和水力参数的统计分布,利用Monte Carlo随机模拟技术生成二维裂隙网络,基于图论无向图的邻接矩阵判断裂隙网络的连通,利用递归算法提取出裂隙网络的主干网或优势流路径。基于立方定律和渗流连续性方程,利用数值解析法建立了二维裂隙网络渗流模型,分析不同边界条件下裂隙网络中的流体流动。结果表明,该方法可以模拟区域宏观水力梯度和边界条件下,裂隙网络水力梯度方向总的流量,以及节点的水位、节点间的流量和流动方向的变化特征,为区域岩溶裂隙水渗流计算提供了一种实用、可行的方法。      

裂隙岩体渗流场分析及其三维有限元程序设计

针对水工建筑物裂隙岩基渗流场计算,采用双重介质解法编制了三维有限元裂隙渗流计算程序,用水量交换项耦合主干裂隙网络及裂隙岩块,自由面位置的确定使用自由面虚点法迭代逼近,得到了合理的计算结果。计算使用ANSYS建立渗流模型并剖分网格,相应的前处理子程序降低了裂隙渗流计算的复杂性,提高了裂隙渗流理论计算方法的可用性。     

中国北方岩溶区优势面控水机理及优势参数的确定与应用

在地下水数值模拟过程中，由于介质的空间变异性大，水文地质参数的优分工至今仍是一个重要而又难以解决的问题，本文将非饱和带土壤中的优势流概念推广到岩溶裂隙介质中，系统地分析了形成优势流的优势结构面控水机理，结合中国北方岩溶特征提出了实际工作中优势参数分方法，并依据有限元方法进一步求解，实例计算表明：利用优势面分析方法可以确定参数最优分区，所计算结果与实际情况基本一致，该结论对地下水流数值模拟参数的识别提供一种新的途径，同时对中国北方岩溶区地下水优势流的研究地以及地下水资源的科学评价等具有重要的参考价值。     

宜昌潮水洞岩溶间歇泉动态特征及成因

潮水洞无降雨补给时仍有规律的间歇性流出,是典型的岩溶间歇泉,其流量、水化学动态规律及形成机制缺乏系统的研究.基于长期水文气象观测和水化学测试数据,分析了潮水洞不同时期流量、水温和电导率变化特征以及潮水洞岩溶水系统的水化学特征.潮水洞为多个岩溶水子系统的连接,其动态呈现为雨期和无雨期两个不同特征,且存在多个不稳定周期的间歇出流过程.通过c(Mg2+)/c(Ca2+)比值及水文动态特征辨识出间歇出流的地下水来源为天河板组灰岩含水层,随着过程流量的不断增加,深循环地下水占比最高达97%.结合水文地质条件概化出潮水洞岩溶水系统循环模式,天河板组灰岩含水层内虹吸管道的发育是间歇性动态特征的主要成因.      

陇东盆地西部岩溶地下水形成机制研究

陇东盆地西部处于鄂尔多斯盆地西缘逆冲推覆构造带，新元古-下古生界碳酸盐岩裸露或浅埋，构成-南北向展布的岩溶水富集带。通过运用构造控水分析、水化学同位素等方法，对岩溶裂隙水系统进行了深入的分析与讨论。指出本区岩溶水的空间分布明显受南北向逆冲推覆构造控制，储水空间以岩溶裂隙为主，构造条件是岩溶发育和岩溶水富集的主要制约因素。岩溶水化学特征具有明显的南北差异，在补给条件优越的中南部平凉-华亭地区，水化学主要由含水层岩性及其赋存条件决定。岩溶地下水以大气降水来源为主，对于埋藏型岩溶水表现为多源水混合而成。根据岩溶水的空间分布与水动力场特征及其补径排条件，全区可划分为平凉、华亭和环西3个相对独立的岩溶水系统．并以此可作为水资源评价的基础。这些认识对于深入了解西北干旱-半干旱地区岩溶水赋存及富集规律、形成与演化机理和在该区开发利用岩溶地下水资源具有重要的科学意义。     

在某污染的工业废物填埋场环境水文 地质评价中的同位素水文学研究

本文论述了某污染的工业废物填埋场场址的地质、水文地质条件,应用水化学方法、环境同位素技术(地下水中氚及氢、氧稳定同位素)和同位素单孔示踪技术等同位素水文学领域中的新方法对区内地下水的活动条件以及填埋场场址区分布的第四系孔隙潜水和第三纪红层孔隙-裂隙水的成因进行了分析,测量并确定了填埋场下部地下水的流速及流向。研究结果表明场区地下水的运动与地表水无直接水力联系。污染的工业废物填埋后不会通过地下水的迁移造成对地表水的污染,进而证实填埋场的地质、水文地质条件对处置污染的工业废物是安全可靠的。     

我国北方典型岩溶地下水位对降水及气象指数的响应特征——以鲁中地区为例

我国北方岩溶水资源是其经济社会发展的重要资源基础,表征水资源赋存特征的岩溶地下水位动态及其影响因素分析能够为岩溶水资源管理及合理开发利用提供重要支撑。本文选取鲁中地区3个典型水文地质单元,基于2010-2017年月值降水、地下水位及NPI气象指数数据,采用小波分析方法对上述指标的周期性、响应特征及遥相关特征进行了分析。结果表明:（1）各岩溶地下水位动态、降水与NPI的主波动周期均为1 a,其显著周期与分布时段等的异同是受自然条件和人类活动共同作用的结果。（2）各水文地质单元岩溶水位对降水的响应时滞为95.81~146.64 d,其差异主要源于观测站所处的地下水流系统的位置的不同。（3）NPI与降水存在一定的遥相关,与受降水影响的岩溶水位动态也存在遥相关。各岩溶水位对NPI的遥相关时滞为111.75~169.77 d,相比水位对降水时滞有所增加。鲁中岩溶地区地下水位对降水与NPI存在规律性的响应时滞,此种特征可为我国北方岩溶地下水位的预警预报提供帮助。      

羊庄岩溶水系统水化学成因及同位素特征

以羊庄岩溶地下水系统为研究对象,通过水化学分析及同位素测试,旨在评价地下水资源,指导开发利用。结果显示:羊庄岩溶地下水系统以现代水为主,在径流过程中主要与灰岩发生水岩相互作用,人类活动对地下水水质的影响较大,岩溶地下水遭受一定程度污染,地下水化学场及水动力场发生不同程度改变。建议相关职能部门采取有效措施抑制地下水污染进一步发展。      

百泉泉域岩溶地下水水化学演化特征及成因

百泉泉域岩溶地下水是河北邢台市生产和生活的主要供水水源。近年来受到自然条件变化和人类活动的影响,泉域地下水流场明显改变,水化学场演变机制有待查明。本研究在水文地质调查和样品采集测试的基础上,采用统计学方法（描述性统计、Person相关系数）、饱和指数计算和水化学方法（Piper图、Stiff图、Gibbs图、离子比例系数）对泉域岩溶水化学特征展开了系统分析。结果表明:泉域岩溶水为弱碱性淡水,Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42- 是地下水中的主要离子,主要来源于方解石、白云石和石膏的风化溶解,Na+和Cl-主要来源于少量岩盐的溶解。沿着径流方向方解石相对于地下水由溶解状态转变为平衡状态,而白云石、石膏和岩盐一直处于溶解状态。补给区和北部径流区基本为HCO3-Ca·Mg型水,七里河、沙河附近和南部煤铁矿区岩溶水除HCO3-Ca·Mg型外,还多出现HCO3·SO4-Ca型、CO3·Cl-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Ca·Mg型水,煤铁矿区附近岩溶水中SO42- 的升高是受到了高SO42- 矿坑排水的混合影响。蒸发浓缩作用仅在水位埋深浅且地下水流动相对滞缓的排泄区较为明显,排泄点——百泉泉水为HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg型。此外,人类工农业活动改变了地下水的径流条件和水质,使局部岩溶水中NO3-、Cl-、Fe、总硬度含量升高甚至超标。      

Functioning of a karst aquifer from S Spain under highly variable climate conditions,deduced from hydrochemical records

Over a period of three hydrological years during which precipitation was highly variable, measurements of discharge, electrical conductivity, temperature and chemical components of the water at the Cañamero spring (southern Spain) were taken in order to characterise the hydrogeological functioning of the karst aquifer that it drains. The results obtained from analysis of the frequency distribution of electrical conductivity data revealed histograms with a plurimodal morphology (up to 5 modes) and a range of variation that increased with greater pluviometry during the study period. The discharge from this spring increased sharply a few days after major rainfall episodes and, when the discharge reached a value of approximately 3.73 m³/s, an overflow spring started to function. During high-water periods, there were sudden and large falls in EC, temperature and all the chemical components dissolved in the water. This high variability reflects the predominance of groundwater flow through karst drains, a typical feature of conduit flow systems. The considerable hydrochemical heterogeneity observed is caused by the mobilisation of important volumes of recharge waters from shallow areas of the aquifer (soil, epikarst) towards the discharge point, with greater participation of the unsaturated zone during high-water conditions, and a more active role played by the saturated zone during low-water conditions. In karst systems such as the one drained by the Cañamero spring, it is important to monitor several responses (hydrodynamic, hydrothermal, hydrochemical, etc.), with an appropriate sampling frequency and under different hydrometeorological conditions, in order to achieve an adequate hydrological characterisation. This is fundamental for planning, management and protection of groundwater in karst aquifers.     

贵阳市三桥地区岩溶地下水水化学特征及其演化规律

贵阳市三桥地区岩溶地下水是贵阳市重要的生活及工农业用水水源,而贵州省岩溶系统发育异常复杂,对于岩溶水水化学及其演化特征尤其是水-岩相互作用方面的研究尚未见报道,为了保障该地区供水水质安全,以贵阳市三桥地区岩溶地下水为研究对象,通过系统的样品采集与氢氧同位素分析和水文地球化学模拟,针对岩溶地下水水化学组分的空间分布、演化特征及水-岩作用过程进行了系统的研究.研究表明:岩溶地下水水化学类型主要为HCO₃·SO₄-Ca·Mg型、HCO₃·SO₄-Ca型、HCO₃-Ca型和HCO₃-Ca·Mg型;研究区岩溶水主要来源于大气降水补给;研究区水化学特征主要受方解石、白云石、岩盐和石膏的溶解作用以及阳离子交替吸附作用控制.      

西南岩溶山区复合水动力场滑坡影响模式——以关岭县大寨滑坡为例

岩溶地下水对我国西南岩溶石山地区特大型滑坡频发具有重要影响,因此,岩溶地下水的赋存规律及在其影响下的滑坡成灾模式成为一个亟待研究的科学问题。文章以贵州省关岭县岗乌镇大寨村大寨滑坡为例,基于野外调查,结合水动力场、水化学数据、暴雨数据等进行综合分析,取得以下成果和认识:（1）划分出大寨滑坡区地下分水岭,圈定了影响大寨滑坡的灰岩区和碎屑岩区,面积分别为0.93,0.30 km2;（2）滑坡当日暴雨集中在6—12时,后缘区域岩溶管道水对大寨滑坡滞后暴雨2 h启动起到主要控制作用;（3）滑坡区碎屑岩以及后缘灰岩接受了百年一遇的强降水的入渗补给后,在各自内部形成高压水动力场;在基岩裂隙水、岩溶管道水两种水动力场及岩层自身重力的共同作用下,潜在软弱结构面上的岩层失稳进而发生滑坡。由此建立了基岩裂隙水和岩溶管道水复合水动力场对滑坡的影响模式,并提出一种复合水动力场耦合方法。     

北京西山黑龙关泉域岩溶水系统边界与水文地质性质

北方岩溶水系统具有固定补给范围和资源要素,是岩溶地下水进行独立循环的基本单元,控制了岩溶水的运移富集、水化学演化特征、资源构成以及环境地质问题。开展岩溶水系统研究的首要任务是确定系统边界位置及其水文地质性质。以北京西山黑龙关泉域岩溶水系统为研究对象,采用地质学、岩溶动力学、流体动力学、水文地球化学、地球物理勘探等方法,确定黑龙关泉域岩溶水系统是由南部大石河背斜岩溶水子系统和北部百花山向斜南翼岩溶水子系统2个次级系统组成;其含水岩层分别为蓟县系铁岭组、雾迷山组和青白口系景儿峪组、奥陶系、寒武系碳酸盐岩。根据边界的水文地质性质可以划分为地表分水岭边界、地下分水岭边界、隔水边界、岩溶含水层深埋滞流性边界等类型。