裂隙-管道介质泉流量衰减过程试验研究及数值模拟.pdfVIP

水 利 学 报 2014年1月 SHUILI XUEBAO 第45卷 第1期 文章编号：0559-9350（2014）01-0050-08 裂隙-管道介质泉流量衰减过程试验研究及数值模拟 孙 晨，束龙仓，鲁程鹏，张春艳 （河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098） 摘要：岩溶多重介质含水系统泉流量特征的研究对岩溶水资源的开发利用具有重要的指导意义。利用自主研发的 裂隙-管道介质物理模型，模拟岩溶裂隙-管道介质的泉流量衰减过程，设计多组试验探讨不同因素对泉流量衰 减过程的影响。试验结果表明，衰减过程随释水介质的变化分为3个亚动态；衰减系数的大小主要受泉口大小、 补给状态、含水介质初始蓄水状态的影响。基于物理试验结果，通过VisualMODFLOW软件结合等效渗透系数法 建立符合物理模型机制的水流数值模型，对数值模型进行参数灵敏度分析，研究模型内部结构对泉流量过程的影 响。结果表明，排水沟的综合水力传导系数对泉流量过程影响最大，垂直层面裂隙等效渗透系数的影响次之，管 道等效渗透系数的灵敏度再次之，泉流量过程对层面裂隙等效渗透系数最不敏感。 关键词：岩溶；裂隙-管道介质；泉流量衰减；物理试验；数值模拟 中图分类号：P641 文献标识码：A doi：10.13243/ki.slxb.2014.01.007 1 研究背景 岩溶水资源是岩溶地区社会经济发展的重要支撑点。裂隙-管道是我国西南岩溶地区的主要储水 空间和导水通道。开展裂隙-管道复杂介质中地下水流运动规律的研究，对指导岩溶水可持续开发利 用及推动岩溶水运动规律研究具有重要科学意义。 岩溶含水系统具有高度的非均质性，其中发育有孔隙、裂隙、管道、洞穴等多种空隙，介质结 构及水流特征都非常复杂，给喀斯特地区水流运动的研究带来很多困难。因此建立合适的物理模型 进行室内试验成为近年研究岩溶地区水流运动的有效方法和热点。国外，德国斯图加特大学用VE⁃ ［1-2］ GAS室内模型模拟岩溶水，美国Faulkner 建立岩溶孔隙管道双重介质物理模型进行水流和溶质试 ［3］ ［4］ 验，Gallegos 利用MODFLOW-CFP对Faulkner的试验进行模拟。国内，沈振中 对单一岩溶管道和 ［5］ 裂隙交叉的渗流特性进行室内试验研究。季叶飞等 应用英国研制的BHS物理模型模拟岩溶地区泉 ［6］ 流量衰减过程及不同水源转化机理。李琛亮、沈振中等 研制了一种用于模拟空隙-裂隙双重介质渗 流水力特性的试验系统，揭示双重介质的水量交换规律。 泉流量衰减过程的研究是岩溶多重含水介质水流运动研究的一个重要方面。国内外关于岩溶含 ［7-9］ 水系统泉流量衰减规律的研究基本上是根据孔隙介质理论和实际泉流量观测资料分析所得 。对泉 流量衰减过程及其影响因素研究存在的问题之一就是：已有影响因素的分析基本上是基于实际的观 测资料，这将导致很难对影响因素进行灵敏度分析，进而无法得到各种影响因素的重要程度。岩溶 含水介质水文地质结构和泉流量衰减特征之间的关系需要通过物理模型进一步研究。 本文基于自主研发的裂隙-管道双重介质物理模型，以裂隙-管道介质的泉流量衰减过程为研究 对象进行多组试验，研究泉口、降雨、蓄水状态对泉流量衰减过程的影响。应用耦合裂隙水流和管 收稿日期：2013-05-21 基金项目：国家自然科学基金资助项目41201029）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20120094120019） 作者简介：孙晨（1989-），女，山东潍坊人，硕士生，主要从事地下水数值模拟及开发利用研究。