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。      

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。     

MODFLOW-CFP软件在岩溶水系统数值模拟应用中的若干关键问题

MODFLOW-CFP软件很好地解决了管道流与含水层连续介质地下水渗流的耦合问题以及管道中水流运动的层流-紊流转换问题,为岩溶管道型地下水系统的定量研究提供了一个适用的数值模拟平台,近年来也在工程实际中得到了较多的应用。为了更好地利用和推广该软件在岩溶地下水系统定量平价和研究中的应用,避免新方法在实际应用中的盲目性,文章结合MODFLOW-CFP软件自身的特点、岩溶水系统常见的水循环特征及其在实际应用中存在的一些关键问题,从地下水数值模拟的基本要求出发,探讨如何通过一些有针对性且相对比较容易开展的野外岩溶水文地质调查、降雨-流量（水位）高分辨率监测、地下水示踪试验和综合分析研究等工作,提取MODFLOW-CFP模型所需的关键结构要素、水文地质参数以及模型识别的目标函数,进而提高复杂岩溶水系统地下水数值模型的仿真度和预测精度,推动岩溶地下水定量研究的发展。     

基于CFP的岩溶管道流数值模拟研究——以桂林寨底地下河子系统为例

为了描述岩溶多重含水介质存在非达西流问题,研究管道流CFP模型在岩溶区数值模拟中的应用。在分析管道流CFP基本原理的基础上,通过建立概念模型算例(5个管道,上下临界雷诺数分别为2 000和4 000),探讨不同管道水文地质参数对出口流量及水流状态的影响,并对参数敏感性进行分析,最后将CFPM1模型应用于广西寨底岩溶地下河系统,探讨在实际应用中的管道流模型适用性。概念模型结果表明,参数敏感度从大到小依次为:管道直径、水力梯度、管道渗透系数、弯曲度及粗糙度,流量与雷诺数随管道参数增大而增大,水流状态从层流变为紊流。寨底岩溶管道流模型中3个观测井及地下河出口实测流量表明CFPM1能较好地模拟出岩溶地下水水位变化趋势。得出结论:CFPM1管道流模型允许岩溶管道与基岩含水层进行水流交换,能够较好地刻画岩溶区管道介质非达西流特征,但管道参数获取较为困难,且不能刻画岩溶管道形态变化。该方法具有一定通用性,可为实际应用提供指导。     

岩溶管道水系统灰模型建立与分析——以贵州仁怀长岗为例

岩溶管道水系统为信息不确定的灰系统。本文依据贵州仁怀长岗出水洞地下河系统的流量动态长观资料,应用灰色系统理论原理,对岩溶管道水内在特征关联性进行分析,探讨了地下径流与降雨关系以及外源水对地下水的补给关系,并建立了岩溶管道水的ＧＭ（１,１）残差序列周期分析模型及包络模型,取得了较满意的结果。表明该方法在岩溶管道水水资源评价中具有一定的实用性      

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。     

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。     

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。      

定量示踪试验在地下水污染防治中的应用——以福泉市龙井湾为例

龙井湾岩溶管道地下水系统为研究区主要发育的地下水系统之一。为准确确定岩溶地下水来源、径流方向以及地下水流速和岩溶管道介质特征等,以1 400 g荧光素钠为示踪剂,通过分析接收点试剂历时曲线分析管道结构,计算地下水流速和其回收率。试验结果表明:龙井湾岩溶管道总体为单支岩溶管道,但中间可能串联了多个地下溶潭。烟科所溶洞至龙井湾泉地下水最快流速为22.1 m/h,最慢流速为10.2 m/h,主峰平均速度为18.8 m/d。并通过计算示踪剂回收率,龙井湾岩溶泉(S1)接收点回收率为10%,大井边(S2)接收点回收率为65%。为后期厂区地下水污染防治提供依据。     

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。     

基于泉流量过程线的管道流与裂隙流识别

??根据岩溶含水系统的双重特性,岩溶含水系统出口处泉流量可分为三个组成部分—前期蓄水量,快速径流和慢速径流,将快速径流和慢速径流视为两线性并联水库,经过系统的调蓄作用,得到一个单位降雨脉冲下快速流和慢速流的响应函数,建立了前期降雨和瞬时单位线之间的识别函数,识别降雨在岩溶不同空隙类型中的水量分配系数。将该函数模型应用到后寨河岩溶小流域,通过参数识别,结果表明从上游到下游前期蓄水量呈现增加的趋势,而水量进入到管道中的分配系数呈现递减的趋势,说明岩溶裂隙结构越往下游越发育,这一研究结果和实际情况相符,说明该模型有一定的适应性,但由于模型假设岩溶系统是线性变化的,所以该模型不适用于大流域以及长期的泉流量预测。      

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。     

基于FEFLOW的岩溶管道模型构建方法探讨

岩溶管道流模型的刻画一直是岩溶区开展地下水数值模拟研究中的难点所在,基于此,文章以贵州六枝特区某项目为例进行地下水数值模拟研究,探索了在FEFLOW离散特性功能模块下岩溶管道流模型的刻画方式与方法。在详细分析研究区地质及水文地质条件的基础上,对研究区范围、边界、含水层结构等概化,建立了研究区的水文地质概念模型;以ArcGIS软件为辅助,基于有限元法的FEFLOW软件为操作平台,利用区内钻孔资料及野外测算结果,通过软件公式编辑、插值等功能分别获得各层顶底板高程属性,将数据输入FEFLOW后,对模拟区平面三角剖分进而空间离散构建了研究区的三维地质模型;并利用FEFLOW软件的离散特性功能模块,将研究区灰场南部岩溶洼地与岩脚泉间划定为特定区域,建立缓冲区并给予其高特异性,耦合哈根-泊肃叶流体流动公式,在模型中刻画了岩溶管道流模型;最后探讨了特殊地质构造与岩溶管道模型的刻画方式与方法刻画出了符合案例区的三维向斜褶皱地质模型和岩溶管道流模型。      

基于GMS的山西辛安泉域地下含水层结构模型研究

辛安泉域岩溶地区存在较多岩溶管道、人工采煤巷道和复杂的地质构造等,水文地质条件十分复杂。为准确构建辛安泉域三维地表水-地下水数值模型,开展岩溶水资源承载力评价,需要精确建立辛安泉域三维地下含水层结构模型。采用GMS软件基于实际钻孔数据资料、虚拟钻孔数据和水文地质剖面资料精细建立长治市辛安泉域岩溶含水层三维含水层结构模型。结果表明,采用GMS模型,基于实际钻孔数据资料、虚拟钻孔数据和水文地质剖面资料建立的长治市辛安泉域三维含水层结构模型更接近实际,采用这种方法构建含水层结构模型能够为后期精确建立长治市辛安泉域三维地表水-地下水数值模型打下坚实的基础。     

贵州省岩溶区管道流及其水动力特征

管道流是岩溶地区特有的地貌水文现象,它是岩溶双重含水介质和二元结构典型表现,具有相当的特殊性和复杂性。本文从岩溶地貌和管道流的补给特征入手,阐述管道流的水动力特征,认为管道流水文特性是受管道结构、补给方式和路径所控制的。文中着重介绍利用流域上游地下水库进行水脉冲试验分析地下河系结构、管道分水比例以及水动力参数的方法和分析结论,这对深入研究岩溶管道流具一定的理论意义和实用价值。      

模拟岩溶含水系统演化的耦合网络模型

提出一个数学模型以研究碳酸盐岩含水层由其原始状态到成熟岩溶含水系统的发展过程。模型由３个模块组成：（ａ）二维连续空隙水渗流模块,表示裂隙系统（“分散流”系统）,即岩溶空管道之间水性差而贮水性强的那部分岩体;（ｂ）非连续管道网络模块,模拟冉溶道内发生的层流、紊流运动和溶质运移过程;（ｃ）碳酸盐岩溶蚀模块。管道－裂隙系统模型的模拟结果表明,模拟那种复杂的、具有多种地下水补给方式的岩溶含水盆地的演化是可     

基于管道流模型的岩溶含水系统降雨泉流量响应规律——以贵州后寨典型小流域为例

为深入研究高度非均质岩溶含水系统的补给、运动机理,以贵州后寨岩溶典型小流域为例,运用管道流程序(conduit flow process),基于后寨岩溶典型小流域实际的降雨流量资料,建立降雨泉流量响应理想模型,对不同落水洞补给位置、不同渗透系数和给水度组合情况下的降雨泉流量互相关系数曲线陡缓程度和峰值特征进行研究.研究结果表明:含水介质参数的改变远没有补给位置不同对互相关系数曲线的改变程度高;在不同渗透系数和给水度组合情况下,短距离排水互相关系数峰值可接近1,而远距离排水互相关系数峰值最高仅为0.4.野外实际研究区分析也表明,短径流路径下降雨流量互相关系数峰值高达0.7,而长径流路径下降雨流量互相关系数最大为0.4.辅以必要的水文地质调查,降雨泉流量互相关曲线可用来分析管道径流路径等岩溶含水系统水动力特征.     

不同深度岩溶管道的高密度电阻率法反演特征

高密度电法在岩溶区找水具有很好的效果,岩溶山区岩溶管道深度各异,为了探寻岩溶管道深度变化下高密度电阻率的响应规律,本文以高密度电阻率法原理为基础,采用高密度电阻率法微测系统,利用铜柱体模型,模拟均匀介质下不同深度岩溶管道的高密度电阻率响应特征。结果表明:当岩溶管道深度大于15倍电极距时,矩形AMN装置和滚动MNB装置未能探测到该深度的岩溶管道;当岩溶管道深度小于10~11倍电极距时,矩形AMN和滚动MNB装置联合能较精准地定位岩溶管道在平面上的投影位置;岩溶管道反演异常的横向宽度始终大于真实异常横向宽度,反演异常顶部埋深小于或等于真实异常顶部埋深,且岩溶管道深度越浅,反演异常体的形态、大小、埋深越接近真实异常;随岩溶管道深度的增加,岩溶管道的矩形AMN装置和滚动MNB装置异常反演形态由椭圆向半椭圆、弓形变化,直至消失。      

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。