多重岩溶含水介质地下河流量衰减过程实验研究

In Southwest China, there exist abundant karst underground water resources which are important supportive points for local social economic development. The underground river is an important carrier of karst underground water resources. It is the research emphasis for how to use underground river water resources reasonably. Flow attenuation analysis is one of the main approaches in the areas of analyzing flow motion law in karst muti-media, groundwater resources evaluation and identifying hydrological geology characteristics of the aquifer. It has an important role in research significance. It is wrong to pay attention only to application and neglect mechanism research in the flow attenuation field. The research builds physical model of conduit-fissure-pore underground river discharge attenuation. To discuss the factors influencing the discharge attenuation process and more groups of experiments are designed. The factors are sponor, permeability of aquifer medium, the size of the outlet from underground river, rainfall supply situation and initial water condition. Using numerical simulation method to establish the numerical model which fits the physical model structure. The global sensitivity analysis is used to discuss how the model parameters affect the underground river flow attenuation process. The research will provide technical support for studying the flow motion law in karst muti-media and underground water resources evaluation.

我国西南岩溶地区地下水资源丰富，是当地社会经济发展的重要支撑点。地下河作为岩溶地下水资源的重要载体，如何合理利用地下河水资源已成为研究重点。流量衰减分析是分析岩溶多重介质水流运动规律、地下水资源评价和含水层水文地质特征识别的主要研究方法之一，有着重要的研究意义。但目前流量衰减领域存在着重实例应用，轻机理研究的现状。因此本研究拟依托自主研发的多重岩溶含水介质（管道-裂隙-孔隙型）地下河流量衰减物理模型，通过多组控制性实验，分析落水洞、含水介质渗透性、地下河出口大小、降雨补给状态和初始水位状态对衰减过程和衰减系数的影响。同时采用数值模拟方法，建立符合物理模型结构的数值模型，运用全局灵敏度分析法探讨模型参数对地下河流量衰减过程的影响作用。本研究可为岩溶多重介质水流运动规律研究、地下河水资源评价源提供技术支撑。

我国西南岩溶地区地下水资源丰富，地下河是其重要载体，是当地社会经济发展的重要支撑点，如何合理利用地下河水资源已成为研究重点。流量衰减分析是分析岩溶水流运动规律、地下水资源评价和含水层特征识别的主要方法之一，有重要研究意义。但目前该领域存在着重实例应用，轻机理研究的现状。针对这些问题，利用野外试验、室内物理实验和数值模拟等方法，建立了一套研究地下河流量衰减过程的技术方法体系，包括不同水力条件下水循环试验、多重岩溶含水介质地下河流量衰减过程物理模型的构建、地下河流量衰减过程分组控制性实验和地下水数值模型敏感度分析等内容，取得如下主要成果：（1）不同水动力条件下地下水循环试验反映出，随着水动力的增强，不同类型水文地质参数的增幅程度不同，原因是岩溶管道垂向上的结构差异，即上宽下窄的管道结构；（2）建立了多重岩溶含水介质地下河流量衰减模型，主要由以下四部分组成：介质模拟区、降雨补给系统、数据采集控制系统和数据监控软件。模型内部通过玻璃砖和垫片构造多组层面裂隙和垂直层面裂隙，构成裂隙介质；内部的玻璃砖打孔放入细砂、粗砂等介质，且外壁包裹细网，构成孔隙介质；裂隙介质右方和下方布设方形管道，代表落水洞和地下河，构成管道介质。（3）开展了多组控制性实验，得出了不同因素对地下河流量衰减过程的影响程度。有落水洞的比无落水洞的衰减系数大；随着隙宽的增大，衰减系数明显增大，但孔隙介质影响较小；随着地下河出口逐渐变小，衰减系数快速减小；随着降雨补给强度增加，衰减系数呈下降趋势；除蓄满有压的衰减系数明显偏小外，处于无压各初始水位状态下的衰减系数未发生变化。（4）构建了多重岩溶含水介质地下水流数值模型，开展了关键参数灵敏度分析，不同参数对地下河流量的影响程度各不相同，即管道渗透系数>裂隙渗透系数>孔隙渗透系数>孔隙给水度。研究成果可为岩溶多重介质水流运动规律研究、地下河水资源评价源提供技术支撑。