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。     

水箱-管道系统溶质运移实验研究及其岩溶水文地质意义

为了研究岩溶管道中溶潭对溶质运移的影响,在实验室内构建水箱-管道系统,在不同管道结构和水流条件下进行定量示踪实验并得到相应的穿透曲线(BTCs);采用Qtracer2软件分析溶质运移参数,采用滞后系数R分析实验结果与一维经典对流弥散方程解析解之间的差别。实验结果显示:随着水箱数量的增加,示踪剂(NaCl)峰值质量浓度逐渐降低,弥散系数和弥散度逐渐增加,穿透曲线拖尾逐渐增长,表明水箱的瞬态存储使溶质运移滞后;与不对称水箱相比,对称水箱BTC拖尾较长;峰现时间随着不对称水箱数量的增多明显滞后;出口流量增加时,弥散度减小,BTC拖尾变短。一维经典对流弥散方程解析解仅对单管道最大流量条件下的BTC拟合较好,对流量较小的单管道和水箱-管道系统的BTC拟合较差,需研究适用的模型解释其拖尾现象。     

裂隙网络管道模型弥散试验

为了探求不同裂隙几何参数对裂隙网络溶质运移的影响,基于离散裂隙网络思想和优势流、沟槽流理论,建立裂隙管道网络概念模型,搭建不同管径、不同连通方式的管道网络试验装置,进行渗流和溶质运移实验。运用应用广泛的模拟软件CHEMFLO-2000建立等效多孔介质模型,拟合不同几何参数下等效弥散度,定量刻画不同管道网络几何参数对溶质运移的影响,讨论了不同管径、连通方式等与等效弥散度之间的关系。通过进一步分析得出:在连通方式相同的情况下,不同管径的管道网络等效弥散度存在差异,但是差异不大;溶质在小管径中的穿透时间短于大管径,穿透曲线缓和程度相差不大;管道网络连通方式越复杂,其等效弥散度越大、对溶质运移的影响越大、穿透曲线越缓和、路径越长,等效弥散度越大;用这种等效弥散度的方法表征管道网络对溶质运移的影响,与多孔介质弥散度具有相似性;管道数目、管道面数目与等效弥散度成正相关关系,且等效弥散度随尺度的增大而增加。     

弯曲岩溶管道溶质运移的尺度效应研究

岩溶管道溶质运移的尺度效应研究对穿透曲线的正确解译非常重要,但目前针对单一弯曲管道中溶质运移尺度效应的研究仍比较缺乏。文章将岩溶管道和溶潭分别概化为透明软管和水箱,基于前期建立的水箱-管道系统(简称“管道系统”),在水箱下游设置不同长度的弯曲管道,通过示踪试验研究管道运移尺度对穿透曲线的影响,并采用暂时存储模型模拟试验曲线。结果表明：(1)随着水箱下游管道长度的增加,峰值质量浓度逐渐缓慢降低,穿透曲线上升段斜率无明显变化,穿透曲线拖尾逐渐缩短,表明运移管道长度增加对溶质运移的影响大于下游管道弯曲;(2)穿透曲线偏度系数、后段溶质羽穿透时间和溶质羽穿透时间与管道系统长度呈良好的负线性相关关系(R²>0.96);(3)当对称和不对称水箱管道系统长度分别增加至154.5 m和164.3 m时,偏度系数接近0,穿透曲线分布接近对称;(4)弥散系数、存储区截面积和交换系数与管道系统长度呈良好的负线性相关关系,当对称和不对称水箱管道系统长度分别增加至159.9 m和178.1 m时,存储区截面积接近0,水箱导致的溶质运移滞后效应基本消失。研究结果对野外岩溶管道穿透曲线的...     

裂隙岩体溶质运移模型研究

核废料的地下深部贮存、垃圾填埋造成的污水下渗、海水入侵、输油管道老化引起渗漏等诸多应用领域的发展,要求从机理、试验和模型等方面发展裂隙岩体溶质运移理论。基于裂隙岩体系统溶质运移的多尺度概念模型,分析了目前描述裂隙岩体系统中溶质运移各种数学模型的适用性和优缺点,为选取合理的数学模型求解具体的问题提供了参考依据。最后提出了需要进一步研究的问题。     

三维裂隙网络溶质运移粒子追踪法

本文讨论了利用粒子追踪方法模拟岩体三维裂隙网络中溶质迁移的问题.在本研究中裂隙为圆盘形,具有一定的张开宽度;其中流体的流动为面状流,发生在整个裂隙圆盘范围内.粒子追踪时考虑了对流、纵向弥散和横向弥散.利用提出的方法模拟了一个野外实际钻孔示踪试验.对模拟得到的示踪剂恢复曲线与实测的回收曲线进行了对比,二者的结果基本一致.     

单裂隙介质中的溶质运移研究综述

总结了有关单裂隙介质中溶质运移的基本特点和实验研究的成果,得出影响单裂隙介质中溶质运移的几个重要因素,例如骨架扩散、弥散、表面吸附等,介绍了几个具有代表性的数学模型,同时对模型的有效性和局限性进行了初步讨论.     

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。     

不同补给条件下裂隙-管道介质间水流交换的示踪试验研究

为探究岩溶含水系统中裂隙-管道介质间不同补给方式下水流交换情况,在实验室内借助高精度摄像仪和有色示踪剂对其进行可视化观测。设计多组试验对单独补给裂隙、共同补给、裂隙和落水洞分开同时补给三种补给方式下水流交换情况进行探讨,从而定性地分析水流交换情况。试验结果表明:落水洞对裂隙水扩散的影响随裂隙距离落水洞的距离增大而减小;相较于共同补给情况,单独补给裂隙情况下落水洞对裂隙水扩散影响较大;在分开同时补给情况下裂隙与落水洞补给水量相同时,仅呈现裂隙对落水洞的单向补给。     

岩体粗糙单裂隙渗流及溶质运移研究

与多孔介质相比,裂隙介质中的渗流、溶质运移要复杂得多,许多学者在这方面进行了深入的研究,他们在模型的建立、求解、验证等方面都取得很大突破,但仍有许多难点没有解决。着眼于粗糙单裂隙开度变化的实质特性,将原有裂隙介质渗流、溶质运移方程进行修改,建立粗糙单裂隙渗流、溶质运移数学模型,并进行数值模拟。     

岩溶区地下水数值模拟研究进展

岩溶含水介质的不均一性导致岩溶地下水流动、溶质运移和热量迁移的数学模拟研究成为地下水模拟的难点。本文综述了岩溶区地下水流模拟的几种方法,重点阐述了等效多孔介质法、双重连续介质法和三重介质法的定义、发展过程和适用范围,并回顾了这几种方法的研究成果。从等效多孔介质法到三重介质法,模拟精度不断提高,适用范围也逐渐由大区域实际问题向小区域理论研究过渡。介绍了溶质运移模拟和热迁移模拟的研究方法及实例。溶质运移模拟以对流弥散方程为基础,其中尺度效应是溶质运移模拟的重点研究问题;热量迁移模拟应考虑地下热水密度变化对地下热水运动的影响。溶质运移模拟和热量迁移模拟往往是将迁移模型和已经调试成功的地下水流动模型相耦合,从而达到模拟溶质及热量迁移的目的。由于溶质运移和热量迁移的复杂性,现阶段水流模型多数处于等效多孔介质模型阶段。综合理论及实际应用,指出精确刻画裂隙及管道和注重基础数学算法是岩溶水数值模拟进步的关键。      

溶质入渗土工合成衬垫的化学-渗透特性研究

溶质在土工合成衬垫（GCL）长期入渗过程中具有明显的化学-渗透特性。室内渗透试验表明：阳离子之间的置换效应对GCL衬垫渗透系数影响较大,10 mM的CaCl2溶液使渗透系数上升至2.5×10-11 m/s,而30 mM的CaCl2溶液使渗透系数上升至5.6×10-11 m/s。渗透液体浓度的增加缩短了溶质穿透GCL的时间,且预饱和处理试剂对GCL渗透系数的变化影响较大,采用蒸馏水作为预饱和试剂处理GCL衬垫对其渗透系数的影响明显小于CaCl2溶液;建立了考虑膜效应和离子交换效应条件下溶质运移耦合动力学模型,并对GCL穿透试验过程中溶质浓度的变化进行了预测,仿真计算结果表明,10 mM和30 mM两种CaCl2溶液渗透条件下,Ca2+浓度变化的试验结果和计算结果均相吻合,验证了耦合动力学模型的可靠性;从Ca2+浓度及流量穿透曲线分布可知,化学-渗透效应可有效地延缓溶质的迁移速度。随着溶质浓度的降低,阻滞作用更显著。因此,在分析GCL衬垫中溶质入渗特征时,必须考虑化学-渗透效应的影响。     

赤泥堆场岩溶渗漏治理

渗漏问题一直是赤泥堆场的一个难题。在岩溶地区的赤泥堆场,因岩溶裂隙管道的存在,渗漏的产生是必然的,而防渗处理又是一个比较复杂、系统的工程。而对堆存强碱性(溶液的pH值≥12)液、固体物的堆场,若发生废液外渗,其对环境的危害及影响都较大。对赤泥堆场岩溶渗漏通道采取垂直帷幕注浆、场内封堵落水洞、赤泥铺盖等综合防渗措施进行治理,通过灌浆前后地层的渗透性对比和泉点水质监测,结果表明防渗治理的效果很好。     

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。      

桂林典型岩溶峰丛洼地碳储量功能研究

为了揭示不同发展模式下土地利用变化对碳储量的影响,以桂林市阳朔县兴坪镇西塘村的岩溶峰丛洼地为对象,采用InVEST模型对岩溶峰丛洼地的碳储量进行评估,并模拟2种情境（生态保护模式、经济发展模式）下植被类型对碳储量的影响。结果表明：研究区碳储量总量是16 641.68 t,碳密度是221.30 t·hm⁻²,经济总价值是1 997.00 万元,单位面积价值是26.56 万元·hm⁻²;人工林、自然林、经济林生态系统碳储量分别是339.38 t·hm⁻²、261.79 t·hm⁻²、150.34 t·hm⁻²,经济价值分别是40.72 万元·hm⁻²、31.42万元·hm⁻²、18.04万元·hm⁻²,且土壤碳储量是生态系统中最大碳库;自然林和经济林中土壤是最大的碳汇,而人工林中土壤和地上植被的碳汇较大;生态保护模式下研究区碳储量经济价值是2 252.14 万元,相比于现状增加了254.89 万元;经济发展模式下研究区碳储量经济价值是1 595.30 万元,相比于现状损失了401.95 万元。该研究成果为桂林漓江风景名胜区核心景区和桂林喀斯特世界自然遗产地确定未来发展模式和石漠化治理提供参考。     

西南岩溶区生态旅游评价模型研究

西南岩溶区高品位旅游资源丰富且种类齐全,但其独特的岩溶地质环境对旅游开发建设、旅游接待经营响应十分敏感。本文立足于“人地共生”的生态旅游理念,以污染、风险、干扰、垄断四大指标为依据,选取了12项评价因子和5项修正指数,构建出PRIM标靶评价模型。通过该模型可计算出生态旅游指数进而定量化评价岩溶区旅游开发项目的生态旅游开发态势;还可根据四大指标在标靶模型中的收敛程度和极轴分布,判定评价目标所存在的主要问题及应采取的相应措施。笔者结合路南石林、桂林漓江和福建天鹅洞三个案例,对PRIM标靶评价模型进行验证,评价结果显示,路南石林、桂林漓江生态旅游指数稳定,属于标准的生态旅游景区,但垄断指标较高,后期需要调整旅游收入再分配比例;福建天鹅洞属于准生态旅游景区,在旅游安全措施、开发垄断等方面还存在不足,需要进一步完善。      

岩溶高原山区表层岩溶泉绿能与高效开发利用模式

为解决岩溶高原山区缺水的问题,合理开发利用表层岩溶水,开展了水文地质详细调查。查明区内表层岩溶泉出露13个,流量0~67.53 L·s⁻¹,动态变化与降水关系密切。文章总结了表层岩溶水“泉－池（窖）－库”优化调控、绿能高效开发利用模式：①在有砂泥岩夹层分布的凹部山岩溶洼地,采用防渗帷幕灌浆,建设悬挂式凹部山水库,积蓄地表水、表层岩溶水形成自流供水;②在湾半孔表层泉处建设蓄水池直接引流利用;③在湾半孔表层泉附近建设水泵站、光伏电站,平水期时通过光伏电站发电,由泵站自动控制抽取表层岩溶水补给凹部山水库,形成地表、地下水优化调控,联合调度调蓄利用25.3万m³·a⁻¹,解决了区内13 000余人的生活生产用水困难问题。     

Application of a solute transport model under variable velocity conditions in a conduit flow aquifer: Olalde karst system, Basque Country, Spain

A model based on numerical solutions, which allows for solving the dispersion equation under variable recharge and velocity conditions, is developed to simulate solute transport in conduit flow aquifers during flow recession periods. As an example, the evolution of a tracer in the little known karst conduit that links the sinking stream of Oma valley to the Olalde spring is investigated in the karstic region of Santa Eufemia-Ereñozar (Basque Country, Spain). The model, with different hypothetical structures, allows for obtaining series of tracer breakthrough curves, which are fitted to experimental data using an optimization algorithm. These results, although they can be used to simulate the tracer evolution between the two points considered, do not allow for determining the internal structure and spatial disposition of contributions in the aquifer.     

黄河中游地区岩溶水资源人工调蓄的可行性研究

黄河中游地区岩溶发育,岩溶含水层拥有巨大的地下水调蓄空间,地面入渗条件极佳,洪水资源丰富,在有利的部位兴建人工促渗工程,加大岩溶水资源的人工调蓄力度,可极大地增加该地区水资源的开发利用能力,提高区域水资源承载力,缓解黄河中游地区水资源紧张的压力。