裂隙—管道二元结构的岩溶泉水文过程分析与模拟

发布时间：2017-05-01 03:02

  本文关键词：裂隙—管道二元结构的岩溶泉水文过程分析与模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国西南地区岩溶分布面积广泛,岩溶水资源极其丰富,岩溶水为当地居民生活和生产的主要水源。由于碳酸盐岩的可溶性,岩溶含水系统中除微小裂隙外,往往发育大型管道,岩溶含水系统总体上可分为裂隙系统和管道系统两部分,裂隙系统一般为岩溶含水系统主要的储水空间,而管道系统为岩溶含水系统主要排泄通道,岩溶含水系统中地下水主要通过管道以泉的形式排泄。研究岩溶含水系统中裂隙-管道二元结构的岩溶泉水文过程及其模拟对于正确认识、管理和预测岩溶水资源都起着重要的作用。MODFLOW-CFP为美国地调局开发,能用于岩溶含水系统中裂隙-管道二元结构的地下水流模型。在该模型中,岩溶含水层内的裂隙系统被概化为等效多孔介质,管道系统被概化为多段相连的管道叠加于裂隙系统之上,两系统之间的通过流量边界进行耦合,交换流量与两系统间的水头差呈线性正比关系,该模型能考虑管道系统地下水层流和紊流两种状态。本文根据岩溶含水系统中裂隙-管道二元结构特点,通过一个简单的含水单元,基于MODFLOW-CFP模型分析了分散补给条件下岩溶泉水文过程。模拟结果显示当泉流量不受交换系数和管道影响时,泉流量基流衰减曲线可分为初期的非指数衰减和后期的指数衰减两部分,前期的非指数衰减过程与裂隙系统内部特征和降雨条件均存在密切关系,裂隙系统渗透系数与给水度比值(K/μ)与降雨强度越大时,初始的指数衰减系数也越大,指数衰减系数随着流量的降低而逐渐减小。后期的指数衰减曲线仅与裂隙系统的内部特征有关,不受降雨条件的影响。含水层内管道壁渗透系数Kw也可能影响泉流量衰减曲线,当Kw影响泉流量的基流衰减曲线,其后期衰减曲线仍服从指数衰减,但指数衰减系数α随着Kw的减小而逐渐减小,但该指数衰减系数与Kw之间呈明显的非线性关系。管道主要从管道渗透性(管道直径)和储量两方面影响泉流量过程和基流衰减曲线,紊流或层流管道平均直径或局部直径的减小均能抬高管道中的地下水位,导致全部管道或部分管道偏离定水头边界,从而对泉流量曲线造成影响。局部管道对泉流量的影响除与其直径有关外,与其在管道中的分布位置也存在密切关系,越靠近管道系统下游(远离泉出口)对泉流量影响越小。管道储量的存在能临时储存含水层内部的地下水,降低泉流量峰值。当泉流量受管道影响时,紊流和层流管道对泉流量和衰减曲线的影响存在显著差异。当管道流为层流时,管道对整个基流衰减过程均具有明显影响,且对后期指数衰减曲线的影响不随泉流量或降雨强度变化,后期的指数衰减系数随着管道直径的减小而逐渐减小。紊流管道对泉流量或衰减曲线的影响随着泉流量或降雨强度的减小而逐渐减弱,当泉流量或降雨强度低于某一阈值时,紊流管道对泉流量的影响将完全消失。岩溶含水层内裂隙系统和管道系统可分别概化为不同的水箱,当忽略管道中储水量的变化时,整个岩溶含水层可以被简化为一个平行串联的水箱-管道模型。根据岩溶含水层的具体性质,裂隙水箱可以为线性或非线性,而管道中的水流也可以为层流或紊流。经相关分析,该水箱-管道模型的衰减曲线与基于MODFLOW-CFP模型分析的简单岩溶含水层泉流量衰减曲线分析结果基本一致,表明该模型能够良好的反映岩溶含水层二元结构的水文过程。丫吉试验场位于桂林市东郊,为典型的岩溶峰丛洼地地貌,整个试验场可大致划分为4个子泉域,其中S31泉域为丫吉试验场内最大子泉域,主要受到1号、3号和4号洼地的补给,本文分别将第三章中的水箱-管道模型和MODFLOW-CFP模型用于S31泉流量模拟。模拟结果表明水箱-紊流管道模型能够较好地模拟S31泉流量过程,S31泉域裂隙系统为强非线性系统,非线性水箱指数系数达2.95,这可能主要由该泉域内表层岩溶带的强烈发育造成。在暴雨条件下含水系统内的管道对裂隙系统具有明显的阻碍作用,而在小降雨过程中,管道对泉流量影响非常小,泉流量过程基本由裂隙系统控制,该结果也与试验场野外的观测现象一致。MODFLOW-CFP模型虽然能良好的模拟岩溶含水层内管道-裂隙二元结构的水文过程,但该模型很难考虑非饱和带内表层岩溶带内的水文过程,鉴于此,本论文提出一种新的水箱-CFP组合模型,利用水箱反映表层岩溶带内的水文过程,CFP模型用于模拟饱水带内的水文过程。模拟结果也显示出该模型能良好的模拟不同降雨条件下S31泉的动态变化过程,在暴雨期间,大于33.6%的降雨经表层岩溶带调蓄后直接以集中补给的方式直接补给管道。
【关键词】：岩溶泉 水箱模型 紊流管道 MODFLOW-CFP 衰减曲线 丫吉试验场
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P641.134
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 第一章 绪论12-37
• 1. 选题意义与目的12-14
• 2. 研究现状14-35
• 2.1 岩溶水文系统14-16
• 2.2 岩溶水文模型16-25
• 2.3 衰减曲线分析25-34
• 2.4 存在问题34-35
• 3. 主要研究内容和技术路线35-36
• 4. 论文创新点36-37
• 第二章 MODFLOW-CFP模型简介37-47
• 1. 模型功能37-39
• 2. 网格结构39-41
• 3. 理论基础41-45
• 4. 程序结构45-46
• 5. 本章小结46-47
• 第三章 岩溶泉流量曲线分析47-82
• 1. 理想模型48-53
• 2. 裂隙介质的排水过程53-60
• 3. 管道壁渗透性对泉流量的影响60-63
• 4. 管道对泉流量的影响63-80
• 5. 本章小结80-82
• 第四章 管道-裂隙二元结构水箱模型82-102
• 1. 线性水箱模型82-89
• 2. 多层管道系统的水箱模型89-91
• 3. 紊流管道水箱模型91-93
• 4. 裂隙水箱-紊流管道模型93-100
• 5. 本章小结100-102
• 第五章 桂林丫吉试验场泉流量模拟102-127
• 1. 试验场简介102-107
• 2. 水箱-紊流管道模型107-117
• 3. 水箱-CFP模型117-126
• 4. 本章小结126-127
• 第六章 结论与建议127-130
• 1. 主要结论127-129
• 2. 建议129-130
• 主要参考文献130-138
• 附录138-150
• 致谢150-151
• 攻读博士期间主要发表论文151-152

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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3 郝庆庆;陈喜;马建良;;新安江模型在贵州岩溶地区的改进与应用[J];水电能源科学;2009年04期

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7 曾成;杨睿;杨明明;胡君春;武贵华;樊宇红;;丽江市黑龙潭泉群断流的人工神经网络模拟[J];中国岩溶;2013年04期

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本文编号：338066