裂隙岩溶含水系统溢流泉演化过程的数值模拟

本文利用非连续裂隙网络介质模型,耦合水动力条件和碳酸盐溶蚀动力条件,建立岩溶含水系统演化的数学模型,并用数值法进行模拟分析。在已建数值模型基础上,构造了两组实例模型(降水入渗补给的裂隙岩溶含水系统和河流补给的裂隙岩溶含水系统)来研究裂隙岩溶系统中溢流泉早期演化过程。模拟发现,裂隙岩溶含水系统演化过程中,裂隙不断被溶蚀拓宽,致使系统中潜水位不断下降,许多小泉被疏干;同时不同裂隙之间存在溶蚀差异,在潜水位及优势通道附近的裂隙溶蚀速度快,而其它位置则相对慢得多,差异溶蚀促使系统形成优势溶管,优势溶管逐渐袭夺水流,形成大泉。另外对比两模型发现,降水入渗为主要补给源的裂隙岩溶含水系统,泉管道从汇向源发育;而河流入渗为主要补给源的裂隙岩溶含水系统,泉管道则由源向汇发育。      

管道流对非均质岩溶含水系统水动力过程影响的模拟

为深入研究管道流对岩溶含水系统水动力过程的影响,运用排水沟模块和管道流程序分别模拟实验室条件下的管道设置方式,并对模型结构以及模型参数的不确定性进行分析。岩溶地区的高度非均质性和观测资料的匮乏严重影响模型的精度,根据实际实验设置情况,建立3个不同的岩溶含水介质水文地质概念模型,并对渗透系数、给水度进行全局灵敏度分析。研究结果表明:出流总量对给水度的灵敏度高于对渗透系数的灵敏度,而出流过程对渗透系数和给水度的灵敏度大小随着时间变化;通过增加上覆孔隙含水层来改进模型结构的等效连续介质模型(排水沟模块)和准确刻画管道流紊流特征的双重孔隙模型(管道流模块)精度相差不大,模型结果的决定性系数分别为0.89和0.91。     

岩溶区多重介质水流模型研究进展

数值模拟技术广泛应用于地下水资源评价工作中,为水资源合理开发利用提供科学依据。本文针对岩溶区的数值模拟技术展开研究,综述了岩溶区地下水流建模技术的主要方法和研究进展,介绍了SWMM模型、UGRFLOW模型、CAVE模型、CFP模型等多重介质模型的建模方式和运行原理。岩溶区地下水赋存介质复杂,管道、裂隙和空隙多重介质并存,水流特征多样,等效连续介质模型不能很好地刻画岩溶区复杂的地下水流特征。随着对岩溶水流系统研究的深入,二重和三重介质模型逐渐应用于岩溶区地下水流模拟工作中,取得较好成果,但仍存在如忽略中宽裂隙的导水作用、岩溶管道设置单一、模型适用性不强等问题。今后应从解析岩溶含水介质的结构特征入手,关注中宽裂隙在地下水流系统中的导水作用和水流特征,改进管道流模块以更好地刻画复杂的地下河管道,改进不同介质间水流交换量算法,提高模型精确性和适用性。      

降雨对裂隙型岩溶含水系统演化影响的数值模拟研究

本文在构建有降雨入渗及河流补给的裂隙型岩溶含水系统的概念模型基础上,采用有限差分数值方法,利用裂隙渗流立方定律及Dreybort（1996）经过实验总结出的碳酸钙溶蚀经验公式,定量地计算了裂隙型岩溶含水系统经过10 000年溶蚀的演化形态及岩溶泉的变化。模拟发现,岩溶含水系统的溶蚀主要发生在降雨入渗面处、河流补给处和岩溶泉的出露点附近。随着溶蚀的进行,岩溶含水系统的潜水位不断下降部分岩溶泉被疏干,通过计算岩溶泉汇流管道的隙宽变化,发现岩溶含水系统会出现明显的差异性溶蚀。在模拟过程中调节降雨量的大小发现降雨入渗对有河流补给的岩溶含水系统的演化影响并不显著。      

基于Modflow的岩溶管道概化与模拟探讨

在复杂岩溶介质中,由于岩溶形态存在小尺度的溶缝到大尺度的岩溶管道的变化,岩溶地下水流呈现为层流-紊流多种流态共存的复杂系统。对含水层中岩溶管道的准确概化是精确模拟复杂岩溶介质地下水流动的前提。在较为成熟的三维有限差分地下水流动模型（等效多孔介质）条件下寻找一种概化岩溶管道的方法,基于Modflow地下水流动模型,分别讨论模型软件中的单元渗流计算子模块（ BCF ）、排水沟子模块（ DRN ）、河流子模块（ RIV ）以及溪流子模块（ STR）对岩溶管道的概化模拟效果,发现河流子模块（ RIV）与溪流子模块（ STR）是概化岩溶管道的最优模块。     

广西北山岩溶管道—裂隙—孔隙地下水流数值模拟初探

本文从水动力学角度分析各种岩溶含水介质中的水流特征,将其归纳为储水介质、导水介质和控水介质,并根据折算渗透系数ＫＬ的概念和建立耦合达西流和百达西流于一体的岩溶管道－裂隙－孔隙三重介质地下水模型,对广西环江北山矿区岩溶含水系统进行了初步探讨。北山实例的模拟结果表明,三重介质模型较全面地刻画了岩溶水动态的特征,反映了相对均匀裂隙流与控制性管道流并存、线性流与非线性流相互转变的运动特点,不仅理论上比较合     

岩溶管道-裂隙-孔隙三重空隙介质地下水流模型及模拟方法研究

岩溶含水介质由管道、裂隙与孔隙３类空隙介质组成，它们对地下水流动具有不同的贡献。简述了当前岩溶水的几种主要定量评价方法，提出折算渗透系数尺概念，建立了岩溶三重空隙介质地下水流统一的控制方程，引出管道与裂隙在达西流与非达西流状态下的渗透系数与折算渗透系数的表达式，从而将达西流与非达西流耦合在一个模型中。本文提出岩溶三重介质地下水流的模拟方法，并给出理想模型的模拟结果。     

岩溶管道—裂隙—孔隙三重空隙介质地下水流模型及模拟方法…

岩溶含水介质由管道、裂隙与孔隙３类空隙介质组成，它们对地下水流动具有不同的贡献，简述了当前岩溶水的几种主要定理评价方法，提出折算渗透系数ＫＬ概念，建立了岩溶三重空隙介质地下水流统一的控制方程，引出管道与裂隙在达西流与非达西流状态下的渗透系数与折算渗透系数的表达式，从而将达西流与非达西流耦合在一个模型中。本文提出岩溶三重介质地下水流的模拟方法，并给出理想模型的模拟结果。     

基于CFP的岩溶管道流溶质运移数值模拟研究

多重岩溶含水介质的复杂性导致岩溶地下水流动及溶质运移的数学模拟成为地下水研究难点之一。为了探讨岩溶多重含水介质中地下水流溶质运移特征,文章构建了管道流CFP水流模型和MT3DMS溶质运移三维耦合数值模型。在阐述管道流CFP和MT3DMS基本原理的基础上,通过建立水文地质概念模型算例（1个落水洞、4个直管道）,探讨岩溶管道水流及溶质运移规律,分析讨论不同水文地质参数对浓度穿透曲线的影响。研究结果表明:管道流CFP模型能够刻画岩溶管道与基岩裂隙水流交换特征,MT3DMS模型能够模拟穿透曲线的拖尾现象,符合实际岩溶区特征。随着水力梯度、管道直径及管道渗透系数增大,孔隙度减小,浓度曲线峰值越大,峰值到达时间越快,浓度穿透曲线越对称。得出结论:耦合CFP水流模型和MT3DMS溶质运移模型能够刻画岩溶管道流溶质运移规律,为研究岩溶复杂介质污染物运移特征提供一种思路和途径。     

基于迟滞排泄水箱模型模拟岩溶断流泉水文过程

传统的连续排泄水箱难以模拟岩溶泉断流现象,通过将表层岩溶带调蓄水箱对管道水箱的补给设置为迟滞排泄模式,模拟岩溶断流泉水文过程,并应用于丽江市黑龙潭岩溶泉域。研究结果表明,该模型较好地模拟了泉群流量动态及断流现象;当降雨量明显增大时,通过表层岩溶带调蓄水箱进入裂隙水箱的水量变幅不明显,而管道水箱的分配水量迅速增加,反映了集中补给的大气降水在岩溶系统中形成快速流的过程;黑龙潭泉群水量的绝大部分（82%～95%）来自于管道水箱,岩溶水流在时间和空间上分配的不均匀性易导致泉群断流。该研究提供了将水箱模型应用于岩溶断流泉模拟的参考,有助于理解该类型岩溶水系统的水文过程。     

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。     

桂林岩溶试验场钻孔水化学暴雨动态和垂向变化解译

用多参数自动记录仪对桂林岩溶试验场的CF1钻孔(代表裂隙含水介质)和CF5钻孔(代表管道含水介质)水化学进行了暴雨动态和垂向变化的监测,通过数据的分析及对比,发现: 暴雨时至少有两个重要的作用在控制着水化学的动态变化,一是雨水的稀释作用,另一个是碳酸盐岩— 水— CO2 气相互作用。然而,这两个作用在管道含水介质和裂隙含水介质中的表现是不同的: 对于裂隙含水介质,碳酸盐岩— 水— CO2 气相互作用占主导,而对于管道含水介质,雨水的稀释作用则成为主控因素。因此,鉴于岩溶水化学是在碳酸盐岩- 水- CO2 气三相相互作用的开放系统中形成的,所以水化学的研究不能仅考虑水- 岩相互作用,而必须重视CO2 时空变化对水化学的控制,只有从三相系统全面考虑,才能正确把握岩溶水化学的时空演变规律。此外,试验场相距不到5m的CF1和CF5钻孔水化学时空变化的显著差异,进一步证明了岩溶含水介质的非均质性特征。      

河间隐伏型岩溶裂隙含水系统演化的数值模拟

为揭示隐伏型岩溶含水系统在不同边界条件与介质特征下的发育状况,基于地下水渗流和碳酸盐岩溶蚀理论构建耦合裂隙网络渗流与碳酸盐岩溶蚀的岩溶裂隙网络溶蚀扩展模型,模拟再现了河间隐伏型岩溶含水系统平面上发育演化过程。结果显示:岩溶系统发育过程中流量变化呈现三个阶段:第Ⅰ阶段为缓慢层流阶段,流量增速为2.2×10 -6 mL·(s·a) -1,持续时间与初始水头差呈对数关系;第Ⅱ阶段为极快速紊流阶段,流量增速为5.5×10 2 mL·(s·a) -1,持续时间与初始水头差呈线性关系;第Ⅲ阶段为快速紊流阶段,流量增速为26 mL·(s·a) -1。优势裂隙的存在使得岩溶裂隙网络溶蚀演化加快,非均质系统进入极快速紊流阶段所用时间较均质系统缩短了53%,裂隙溶蚀扩展的速度加快了12.5%。      

分布式水文模型在岩溶地区的改进与应用研究

在我国西南岩溶峰林地区,碳酸盐岩岩溶的强烈发育使含水层空间结构具有高度非均质性,加之表层岩溶带对降雨入渗的影响,导致传统的含水层高度概化的水文模型难以定量刻画地表水对地下水的补给过程。文章在开源的SWAT（土壤和水评估工具）模型基础上,通过改进土壤水及地下水模块,刻画水分经表层岩溶带以慢速流和快速流的方式进入含水层的过程,分别以活塞式推进方式及以捷径式入流方式进入浅层含水层,构建了适应于岩溶地区的分布式水文模型。以桂林市漓江流域为例,在碳酸盐岩和碎屑岩交叉分布的流域建立水文模型,并对构建的模型进行率定与验证,结果表明:与原模型径流模拟相比,本文构建的模型较好体现了表层岩溶带的调蓄作用,改善了各水文站枯水期模拟较差的情况（其中潮田站纳什系数由0.78提高到0.92,决定系数由0.85提高到0.92,比改进前有明显提高）;改进后的模型能适用于碎屑岩与碳酸盐岩分布不均的岩溶流域水分循环模拟。     

岩溶裂隙水动态系统的门限自回归模型分析

以淄河北部岩溶裂隙水系统为例,运用门限自回归模型分析方法,在模拟分析岩溶裂隙水动态系统特征的基础上,探讨北方岩溶区不同类型含水岩溶裂隙介质系统的岩溶发育规律和含水特征。      

岩溶地下水系统单元网络数学模拟方法研究

本文提出的单元网络数学模拟方法,即用大单元块段及管道网络分别代表岩溶区相对均匀的裂隙化区域及非均匀分市的岩溶管道,地下水流动特征按渗流运动规津及管流运动规律分别表达,耦合求解。拟对难以用常规数学方法解决的复杂多重岩溶含水介质及其裂隙流与管道流并存、快速流与慢速流并存、线性流与非线性流并存以及非连续流等特殊水流规律的水文地质特性作定量评价。文中以北山矿迳流排泄区裂隙管道水系统为例,介绍了该方法的基本原理及处理线性流与非线性流并存水流运动规律的方法。      

碳酸盐岩破裂过程中管道—裂隙水非线性流动特性试验研究

本文聚焦碳酸盐岩微观渗流特性与破裂机制的研究,开展了岩石破裂过程中管道-裂隙水流动可视化试验,基于岩石块体尺度试验结果定量分析管道流体向裂隙流体过渡的流态演化过程,研究多级荷载对管道-裂隙水流动特性的影响。试验结果表明:碳酸盐岩流态稳定性与破裂状态相关,管壁破坏初期管道流主要以层流为主,局部管壁劈裂造成管道流体时域性流态交替,管道流体向裂隙流体转变的前兆特征主要表现为过渡流态临界转换点。碳酸盐岩破裂过程中管道流体向裂隙流体过渡过程具有分数演化特征,分数指数能够定量刻画管流和裂隙流的临界过渡过程。      

利用示踪试验时间-浓度曲线分析岩溶管道结构特征

岩溶管道结构特征对岩溶水资源的合理取用、保护及地下工程安全施工均具有重要影响。目前在利用示踪试验曲线分析岩溶管道结构特征时,难以通过曲线叠加、钝锋、不规则上升和下降等形态准确解释多条岩溶管道连接关系、地下湖所处位置和地下水状态。运用地下水溶质运移理论,推导出岩溶管道流溶质运移模型,根据模型绘制三维溶质运移形态和理论时间-浓度曲线,结合水力学相关知识,对岩溶管道连接关系、地下湖位置及岩溶管道流形态变化对应的时间-浓度曲线进行解释。得出以下主要结论:（1）曲线出峰个数对应岩溶管道条数,由于管道径流长度及流速存在差异,双管道并联曲线存在3种模型,分别为2个孤立的单峰、下降曲线存在双峰叠加和2个连续上升的叠加峰;（2）单管道曲线下降梯度个数对应地下湖个数,多管道需结合管道个数和地下湖位置具体分析下降梯度和地下湖个数关系,根据地下湖位置将双管道并联岩溶管道划分4种类型,即地下湖存在于未分支管道、主管道、支管道、主管道和分支管道上;（3）曲线形态极速变化标志着管道流发生表流和承压流的相互转化。研究结果可为岩溶地区地下水保护及地下工程安全建设提供保障。     

瞬变电磁法在煤矿水患区预测中的应用

在青杠林煤矿工作中,利用MSD-1脉冲瞬变电磁仪,选用100m×100m正方形重叠回线装置,观测时窗8～25920μs,采样道数40道进行数据采集。经数据处理,获得该区多测道剖面图及虚拟全区视由阻率剖面图,从中解释其含水岩溶管道3处,含水岩溶空洞2处,节理、裂隙5条。根据依照水患危险程度划分标准该区岩溶管道、空洞的位置及节理、裂隙的贯穿深度,将该区定为中等程度隐患预测区。     

贵州盘县乐民河流域三股水岩溶泉水文地质条件分析

三股水岩溶泉为贵州碳酸盐岩山区典型的岩溶大泉,周边煤企广布,排污现象普遍,岩溶地下水系统较为脆弱,分析岩溶泉形成的水文地质条件是地下水污染防治的基础。在环境水文地质调查的基础上,对岩溶地下水系统边界及补给、径流、排泄特征进行了分析。地表岩溶形态调查及物探成果显示,盘关向斜东西两翼各发育1条岩溶管道,并在三股水一带相互贯通。示踪试验成果表明,平关及小果郎河一带的降雨及地表水与三股水岩溶泉存在水力联系,三股水岩溶地下水系统中的岩溶含水介质以裂隙-管道型为主,裂隙的大量发育使该岩溶地下水系统具备较强的调蓄能力。