基于泉流量时间序列的岩溶含水系统水动力特征研究

A karst aquifer consists of interconnected karst conduits with a high hydraulic conductivity and a low hydraulic conductivity media. These particular void structures make it difficult to analyze the hydraulic behavior of karst aquifers and determine the characteristics of their hydrodynamic cycle. The dynamic responses observed from the outlet are influenced by predominate flowing characteristics in karstic water system. Discharge is the unit response to the rainfall input signal. Based on the sping discharge processes in the karstic water systems, the Houzhai kastic water system was taken as an example to study the hydrodynamic characteristics. First, the spring discharge recession analysis will be conducted by coupling the water chemistry process in the karstic water systems on watershed scale. The integrated response characteristics to rainfall events will be analyzed by time series analysis and conduit flow process model. Second, the transition between the Darcian and non-Darcian flow will be studied by laboratory experiment on rock mass scale. Finally, the integrated discharge hydrograph will be modeled through combining the hydrodynamic parameters of watershed and rock mass scale. An understanding of hydrodynamic characteristics in karstic systems provides insight into hydrologic processes and aquifer structure, water-use management, and aquifer vulnerability to contaminants.

岩溶含水系统是由高渗透性相互连通的管道、大裂隙和低渗透性小裂隙介质组成的多重介质系统，水循环动力过程复杂多变。岩溶含水系统的泉流量过程受制于其内部主导的流动特征，是系统对外部输入信号的独特反映。基于岩溶含水系统的泉流量时间序列，在泉流域尺度上采用水动力场和水化学场的耦合分析、时间序列分析及管道流数值模拟，探讨泉流量的局部衰减特性和整体响应特性，揭示岩溶含水系统的调蓄能力、非均质程度的分带性，以及岩溶含水系统本身的结构层次对降雨的动态表现和整体响应特征。同时，在岩块尺度上，进行达西流和非达西流流态转化的室内物理实验和数值模拟，准确捕捉达西流向非达西流流态转化的临界参数阈值。最后，综合流域尺度和岩块尺度水动力特征参数，建立泉流量集总式参数模型，为岩溶水资源的合理开发利用及石漠化治理等实际工作提供科学依据。

研究工作围绕岩溶含水系统水动力特征中的关键科学问题展开了系统的、深入研究，取得了实质性研究进展和研究成果，发表论文9篇，专著1部，另外还有3篇中文核心待刊出，1篇英文在投。研究工作以后寨典型小流域为例，将Mangin岩溶含水系统水动力特征分析方法引入到岩溶含水系统水动力特征分析中，定义了综合参数θ将Mangin方法中的水动力特征参数与水化学参数耦合起来，揭示了岩溶含水系统的调蓄能力和系统对降雨入渗信号的扭曲程度，避免仅仅采用水动力参数表征岩溶含水系统的盲目性；通过泉流量时间序列分析及岩溶含水系统管道流数值模拟方法研究了岩溶含水系统本身的结构层次对降雨的动态表现和整体响应特征，提取了岩溶含水系统对降雨输入信号的过滤方式，获得了岩溶含水系统上、中、下游不同比例的快慢速流成分；从后寨典型岩溶小流域选取岩溶化程度高低不同的两典型岩块试样，通过室内渗透系数物理试验和数值模拟，在岩块尺度下，准确捕捉到后寨典型岩溶小流域的岩溶化程度高低不同的两岩块试样达西流向非达西流流态转化的临界雷诺数、临界水力梯度、临界流速等参数阈值，并采用Shoemaker模型与Forchheimer模型对非达西流态进行了对比分析研究。考虑岩溶含水系统中地下河与地表天窗、落水洞相连的快速流运移，系统雨前储水量等方面的调蓄特征，改进了CW流量曲线模型，并用于岩溶小流域泉流量过程模拟，分析了模型中的滞后时间参数，研究了改进的CW模型参数灵敏度及影响因素等特性。