本文關(guān)鍵詞：裂隙—管道二元結(jié)構(gòu)的巖溶泉水文過程分析與模擬，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：我國西南地區(qū)巖溶分布面積廣泛,巖溶水資源極其豐富,巖溶水為當(dāng)?shù)鼐用裆詈蜕a(chǎn)的主要水源。由于碳酸鹽巖的可溶性,巖溶含水系統(tǒng)中除微小裂隙外,往往發(fā)育大型管道,巖溶含水系統(tǒng)總體上可分為裂隙系統(tǒng)和管道系統(tǒng)兩部分,裂隙系統(tǒng)一般為巖溶含水系統(tǒng)主要的儲水空間,而管道系統(tǒng)為巖溶含水系統(tǒng)主要排泄通道,巖溶含水系統(tǒng)中地下水主要通過管道以泉的形式排泄。研究巖溶含水系統(tǒng)中裂隙-管道二元結(jié)構(gòu)的巖溶泉水文過程及其模擬對于正確認識、管理和預(yù)測巖溶水資源都起著重要的作用。MODFLOW-CFP為美國地調(diào)局開發(fā),能用于巖溶含水系統(tǒng)中裂隙-管道二元結(jié)構(gòu)的地下水流模型。在該模型中,巖溶含水層內(nèi)的裂隙系統(tǒng)被概化為等效多孔介質(zhì),管道系統(tǒng)被概化為多段相連的管道疊加于裂隙系統(tǒng)之上,兩系統(tǒng)之間的通過流量邊界進行耦合,交換流量與兩系統(tǒng)間的水頭差呈線性正比關(guān)系,該模型能考慮管道系統(tǒng)地下水層流和紊流兩種狀態(tài)。本文根據(jù)巖溶含水系統(tǒng)中裂隙-管道二元結(jié)構(gòu)特點,通過一個簡單的含水單元,基于MODFLOW-CFP模型分析了分散補給條件下巖溶泉水文過程。模擬結(jié)果顯示當(dāng)泉流量不受交換系數(shù)和管道影響時,泉流量基流衰減曲線可分為初期的非指數(shù)衰減和后期的指數(shù)衰減兩部分,前期的非指數(shù)衰減過程與裂隙系統(tǒng)內(nèi)部特征和降雨條件均存在密切關(guān)系,裂隙系統(tǒng)滲透系數(shù)與給水度比值(K/μ)與降雨強度越大時,初始的指數(shù)衰減系數(shù)也越大,指數(shù)衰減系數(shù)隨著流量的降低而逐漸減小。后期的指數(shù)衰減曲線僅與裂隙系統(tǒng)的內(nèi)部特征有關(guān),不受降雨條件的影響。含水層內(nèi)管道壁滲透系數(shù)Kw也可能影響泉流量衰減曲線,當(dāng)Kw影響泉流量的基流衰減曲線,其后期衰減曲線仍服從指數(shù)衰減,但指數(shù)衰減系數(shù)α隨著Kw的減小而逐漸減小,但該指數(shù)衰減系數(shù)與Kw之間呈明顯的非線性關(guān)系。管道主要從管道滲透性(管道直徑)和儲量兩方面影響泉流量過程和基流衰減曲線,紊流或?qū)恿鞴艿榔骄睆交蚓植恐睆降臏p小均能抬高管道中的地下水位,導(dǎo)致全部管道或部分管道偏離定水頭邊界,從而對泉流量曲線造成影響。局部管道對泉流量的影響除與其直徑有關(guān)外,與其在管道中的分布位置也存在密切關(guān)系,越靠近管道系統(tǒng)下游(遠離泉出口)對泉流量影響越小。管道儲量的存在能臨時儲存含水層內(nèi)部的地下水,降低泉流量峰值。當(dāng)泉流量受管道影響時,紊流和層流管道對泉流量和衰減曲線的影響存在顯著差異。當(dāng)管道流為層流時,管道對整個基流衰減過程均具有明顯影響,且對后期指數(shù)衰減曲線的影響不隨泉流量或降雨強度變化,后期的指數(shù)衰減系數(shù)隨著管道直徑的減小而逐漸減小。紊流管道對泉流量或衰減曲線的影響隨著泉流量或降雨強度的減小而逐漸減弱,當(dāng)泉流量或降雨強度低于某一閾值時,紊流管道對泉流量的影響將完全消失。巖溶含水層內(nèi)裂隙系統(tǒng)和管道系統(tǒng)可分別概化為不同的水箱,當(dāng)忽略管道中儲水量的變化時,整個巖溶含水層可以被簡化為一個平行串聯(lián)的水箱-管道模型。根據(jù)巖溶含水層的具體性質(zhì),裂隙水箱可以為線性或非線性,而管道中的水流也可以為層流或紊流。經(jīng)相關(guān)分析,該水箱-管道模型的衰減曲線與基于MODFLOW-CFP模型分析的簡單巖溶含水層泉流量衰減曲線分析結(jié)果基本一致,表明該模型能夠良好的反映巖溶含水層二元結(jié)構(gòu)的水文過程。丫吉試驗場位于桂林市東郊,為典型的巖溶峰叢洼地地貌,整個試驗場可大致劃分為4個子泉域,其中S31泉域為丫吉試驗場內(nèi)最大子泉域,主要受到1號、3號和4號洼地的補給,本文分別將第三章中的水箱-管道模型和MODFLOW-CFP模型用于S31泉流量模擬。模擬結(jié)果表明水箱-紊流管道模型能夠較好地模擬S31泉流量過程,S31泉域裂隙系統(tǒng)為強非線性系統(tǒng),非線性水箱指數(shù)系數(shù)達2.95,這可能主要由該泉域內(nèi)表層巖溶帶的強烈發(fā)育造成。在暴雨條件下含水系統(tǒng)內(nèi)的管道對裂隙系統(tǒng)具有明顯的阻礙作用,而在小降雨過程中,管道對泉流量影響非常小,泉流量過程基本由裂隙系統(tǒng)控制,該結(jié)果也與試驗場野外的觀測現(xiàn)象一致。MODFLOW-CFP模型雖然能良好的模擬巖溶含水層內(nèi)管道-裂隙二元結(jié)構(gòu)的水文過程,但該模型很難考慮非飽和帶內(nèi)表層巖溶帶內(nèi)的水文過程,鑒于此,本論文提出一種新的水箱-CFP組合模型,利用水箱反映表層巖溶帶內(nèi)的水文過程,CFP模型用于模擬飽水帶內(nèi)的水文過程。模擬結(jié)果也顯示出該模型能良好的模擬不同降雨條件下S31泉的動態(tài)變化過程,在暴雨期間,大于33.6%的降雨經(jīng)表層巖溶帶調(diào)蓄后直接以集中補給的方式直接補給管道。
【關(guān)鍵詞】：巖溶泉 水箱模型 紊流管道 MODFLOW-CFP 衰減曲線 丫吉試驗場
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P641.134
【目錄】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 第一章 緒論12-37
• 1. 選題意義與目的12-14
• 2. 研究現(xiàn)狀14-35
• 2.1 巖溶水文系統(tǒng)14-16
• 2.2 巖溶水文模型16-25
• 2.3 衰減曲線分析25-34
• 2.4 存在問題34-35
• 3. 主要研究內(nèi)容和技術(shù)路線35-36
• 4. 論文創(chuàng)新點36-37
• 第二章 MODFLOW-CFP模型簡介37-47
• 1. 模型功能37-39
• 2. 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)39-41
• 3. 理論基礎(chǔ)41-45
• 4. 程序結(jié)構(gòu)45-46
• 5. 本章小結(jié)46-47
• 第三章 巖溶泉流量曲線分析47-82
• 1. 理想模型48-53
• 2. 裂隙介質(zhì)的排水過程53-60
• 3. 管道壁滲透性對泉流量的影響60-63
• 4. 管道對泉流量的影響63-80
• 5. 本章小結(jié)80-82
• 第四章 管道-裂隙二元結(jié)構(gòu)水箱模型82-102
• 1. 線性水箱模型82-89
• 2. 多層管道系統(tǒng)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. 本章小結(jié)100-102
• 第五章 桂林丫吉試驗場泉流量模擬102-127
• 1. 試驗場簡介102-107
• 2. 水箱-紊流管道模型107-117
• 3. 水箱-CFP模型117-126
• 4. 本章小結(jié)126-127
• 第六章 結(jié)論與建議127-130
• 1. 主要結(jié)論127-129
• 2. 建議129-130
• 主要參考文獻130-138
• 附錄138-150
• 致謝150-151
• 攻讀博士期間主要發(fā)表論文151-152

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 袁道先;巖溶作用對環(huán)境變化的敏感性及其記錄[J];科學(xué)通報;1995年13期

2 林敏;;泉流量衰減方程中α系數(shù)物理意義的探討[J];勘察科學(xué)技術(shù);1984年05期

3 郝慶慶;陳喜;馬建良;;新安江模型在貴州巖溶地區(qū)的改進與應(yīng)用[J];水電能源科學(xué);2009年04期

4 袁道先;我國西南巖溶石山的環(huán)境地質(zhì)問題[J];世界科技研究與發(fā)展;1997年05期

5 孫晨;束龍倉;魯程鵬;張春艷;;裂隙-管道介質(zhì)泉流量衰減過程試驗研究及數(shù)值模擬[J];水利學(xué)報;2014年01期

6 柳大偉;蔣忠誠;陳偉韋;;基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表層巖溶泉動態(tài)預(yù)測及應(yīng)用——以廣西平果縣果化鎮(zhèn)布洋1號表層巖溶泉為例[J];中國巖溶;2007年01期

7 曾成;楊睿;楊明明;胡君春;武貴華;樊宇紅;;麗江市黑龍?zhí)度簲嗔鞯娜斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬[J];中國巖溶;2013年04期

  本文關(guān)鍵詞：裂隙—管道二元結(jié)構(gòu)的巖溶泉水文過程分析與模擬，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：338066