管道流模型参数敏感性分析及其在许家沟泉域的应用

在岩溶含水系统中，作为主要排水通道的管道对泉流量动态具有一定的控制作用，而管道特征参数对流量变化亦有影响。为确定管道各参数的影响，前人以管道发育的岩溶水系统为研究对象，进行了短时间序列泉流量响应的分析探讨，而对岩溶管道不十分发育的岩溶水系统的研究较薄弱。为此，本研究结合北方岩溶水系统的发育特征，借助CFP管道流模型对管道各参数对岩溶系统流量和流态的影响程度及各参数的敏感性进行了分析，而后基于河南鹤壁许家沟泉域岩溶水文地质特征构建了泉域的MODFLOW-CFP模型，对泉域岩溶地下水渗流进行了模拟，并对不同降水保证率下的泉流量进行了预测。结果表明:管道流量与管壁渗透系数、管道坡度和管径呈正相关，而随弯曲度和埋深的增加管道流量呈先增大后减小的趋势。管壁粗糙度对流量的影响较小，且呈现出一定的波动性，尤其是当管壁粗糙度较小时，波动比较明显。经敏感性分析发现，管壁渗透系数和埋深的敏感性最高，其次为弯曲度和管道坡度，而管道直径和管壁粗糙度敏感性最低。许家沟泉域在25%降水保证率下，年最大泉流量为0.45 m3/s，平均泉流量为0.36 m3/s；在75%降水保证率下，年最大泉流量为0.41 m3/s，平均泉流量为0.31 m3/s，与实际情况吻合。该法可为我国北方岩溶区水资源评价及泉域水资源开发保护提供借鉴。     

落马洞暗河发育特征及其洪涝成因分析

根据区域岩溶发育史分析认为,湖北宣恩县落马洞暗河的形成总体上可分为两个阶段:第一阶段发生在白垩纪末至晚第三纪。在该阶段中,降水主要通过发育于卧西坪岩溶坡立谷地两侧的小型洼地、落水洞汇入地下管道,往卧西坪谷地排泄,在卧西坪一带形成一小型岩溶湖泊的同时,还在谷地西侧形成了下黑槽、铜锣坪、扁洞三个近东西向地下暗河系统。第二个阶段发生在晚第三纪至今。在这一期间,随着区域构造运动的振荡性抬升,岩溶侵蚀基准面不断下降,在谷地内形成了上、下黑槽、铜锣坪落水洞与卧西坪消水洞等垂向岩溶管道,贯通早期形成的东西向管道并袭夺卧西坪和铜锣坪一带的地表岩溶湖水,使得原分散的岩溶水系统通过南北向的主管道集中排泄,形成了多进口的树枝状复杂管道暗河系统。卧西坪岩溶坡立谷内常年遭受洪涝的原因主要是由于落马洞地下暗河形成年代较晚,管道规模较小,且洞内坍塌淤积严重,排水能力小。在此基础上,提出了加强流域水土流失管理、疏通河道和新建排水隧洞等治理措施与防治对策。      

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。     

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%。      

基于岩溶演化模型的隧道突水危险性评价

岩溶隧道是否发生涌突水,主要取决于洞身岩溶发育程度和岩溶系统结构类型,而这与岩溶系统的演化过程密切相关。岩溶系统的发育演化始于具有侵蚀性的水对可溶性岩体中裂隙的溶蚀扩展。基于此,本研究耦合了渗流模型和溶蚀扩展模型,并结合鸡公岭隧道区水文地质背景资料,建立了隧道区岩溶系统岩溶演化模拟模型,模拟再现了隧道区岩溶含水介质的发育情况。结果显示:随着岩溶系统的发育演化,整个系统中裂隙不断被溶蚀扩展,差异性溶蚀越来越显著,岩溶含水介质的非均质性越来越强;同时随着埋深的增加,岩溶发育程度及非均质性越来越弱;浅部和深部裂隙的平均溶蚀扩展率相差近1 500倍;鸡公岭隧道洞身标高处岩溶发育微弱,裂隙溶蚀扩展较小,仍为裂隙岩体,其等效渗透系数为0.51m/d,岩溶突水概率极低,隧道发生涌水时的涌水量为127.9m3/d,对隧道施工影响较小。      

湖北宜昌西陵峡地区大气降雨氢氧同位素特征分析

通过测定湖北宜昌西陵峡地区2009年5月至10月降雨样品的氢氧同位素组成,分析了该区降雨的氢氧同位素特征及其与降雨量的关系,并与区内2007年同期的降雨同位素资料进行了对比.结果表明,该区大气降雨线公式为:δ(D) =8.45δ(18 O)+11.55,与全球降雨线和全国降雨线公式相比,斜率和截距均偏大,这与凝结物在未...     

不同赋存环境下碳酸盐岩溶蚀过程试验模拟研究

目前,有关碳酸盐岩溶蚀过程的研究多集中在单一环境平衡状态下,不同赋存环境、微观尺度上的研究较少。鉴于此,为探讨不同赋存环境下碳酸盐岩溶蚀过程及微观变化特征,借助研制的岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置,选取典型岩溶水系统开放环境、半封闭环境与封闭环境的岩样,以CO₂溶液为酸性流体介质,开展室内溶蚀模拟试验,研究岩溶水中特征组分的变化规律进行模拟实验,并从宏观和微观尺度,研究岩溶水系统不同赋存环境下的碳酸盐岩溶蚀变化特征。结果显示:不同赋存环境下Ca²⁺、HCO3^-含量、饱和指数及pH值空间变化特征不同,各特征组分均呈现出随径流方向、溶蚀时间逐渐增大的趋势。不同赋存环境下,碳酸盐岩受水溶液中CO₂含量的影响,在补给区的开放环境下溶蚀性最强,形成连通性较高的溶孔、溶隙。碳酸盐岩总溶蚀率均值是半开放环境的1.43倍,是封闭环境的2.70倍,半封闭与封闭环境下碳酸盐岩溶蚀后的微观结构介于孤立微孔与完全连通性溶隙之间。此外随深度的变化溶蚀量呈逐渐减弱的趋势,且浅部的变化更为明显。碳酸盐岩的溶蚀作用还受岩性控制,其随岩石中CaO/MgO比值的增大而增强。     

基于强度折减法的软弱泥岩隧道围岩稳定性分析

由强度折减法确定的稳定性系数在差异较小时,难以确定最优开挖方法。为此,本文以蒙华铁路申家洼软弱泥岩隧道为例,借助FLAC3D软件,通过强度折减法确定三台阶七步法、三台阶临时仰拱法、中隔壁法、弧形导坑法等不同开挖方法的稳定性系数,对比不同方法开挖支护后不同部位塑性区面积比,确定最适宜的开挖方法。而后详细分析了最适宜开挖方法开挖支护后围岩的位移变化量、应力分布和塑性区变化特征。结果表明:三台阶临时仰拱法稳定性系数较大,塑性区面积比较小,为最适宜的开挖方法。采用该方法开挖后,隧道变形主要分布在拱顶、拱腰和仰拱部位。施加临时仰拱可有效抑制塑性区的发展,但拆除会造成应力的集中。     

太行山东缘典型岩溶泉流量变化特征及规律分析

为揭示太行山东缘小南海泉流量变化特征及规律,基于小南海泉1971-2016年的流量资料,采用R/S分析法、Mann-Kendall趋势分析法和小波分析法,探讨小南海泉流量变化规律及特征。结果表明:小南海泉年流量呈显著下降趋势,年变化幅度为0.05 m3·s-1;未来泉流量的变化趋势和过去一致,具有持续性特征,且持续性强烈;泉流量的变化存在约15、27年的主周期与6年的次周期。降水量的减少和气温的增加是导致泉流量减少的主要气象因素,且这种暖干化现象会持续发展。泉流量对降雨的响应存在一定的滞后,流量与前五个月的月降水量均呈高度相关,其中与前2月的降水相关性最高,研究成果可为小南海泉水资源合理开发和保护提供依据。      

大型水源地开采地下水导致的盐分迁移和污染

以河南省新乡市为例,通过分析地下水渗流、水化学和同位素的时空特征,对大型水源地长期开采地下水所导致的溶质迁移进行了研究。研究表明,大型水源地长期集中开采地下水,形成了较大面积和较深的地下水位降落漏斗,改变了地下水自北部山前冲洪积斜地向南部的冲积平原渗流的运动格局,地下水中盐分和污染物随着地下水渗流而迁移,北部污染严重的地下水和南部微咸水都向漏斗区运移。因此,双向迁移的结果,使得水源地附近水质变差,污染程度加重。