不同補給條件下裂隙-管道介質(zhì)間水流交換的示蹤試驗研究

牛子豪，束龍倉，林 歡，李 昶，馮佳琪，譚易成，王 熹，齊天松

(河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

不同補給條件下裂隙-管道介質(zhì)間水流交換的示蹤試驗研究

牛子豪，束龍倉，林 歡，李 昶，馮佳琪，譚易成，王 熹，齊天松

(河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

為探究巖溶含水系統(tǒng)中裂隙-管道介質(zhì)間不同補給方式下水流交換情況，在實驗室內(nèi)借助高精度攝像儀和有色示蹤劑對其進行可視化觀測。設計多組試驗對單獨補給裂隙、共同補給、裂隙和落水洞分開同時補給三種補給方式下水流交換情況進行探討，從而定性地分析水流交換情況。試驗結(jié)果表明：落水洞對裂隙水擴散的影響隨裂隙距離落水洞的距離增大而減?。幌噍^于共同補給情況，單獨補給裂隙情況下落水洞對裂隙水擴散影響較大；在分開同時補給情況下裂隙與落水洞補給水量相同時，僅呈現(xiàn)裂隙對落水洞的單向補給。

巖溶含水系統(tǒng)；裂隙-管道介質(zhì)；可視化；補給方式

裂隙-管道介質(zhì)是我國西南地區(qū)碳酸鹽巖地層的主要儲水空間和導水通道。開展裂隙-管道復雜介質(zhì)中地下水流運動規(guī)律的研究，對指導巖溶水可持續(xù)開發(fā)利用和石漠化治理，推動巖溶水運動規(guī)律研究具有重要科學意義[1]。巖溶含水系統(tǒng)具有高度的非均質(zhì)性，其中發(fā)育有孔隙、裂隙、管道、洞穴等多種空隙，介質(zhì)結(jié)構(gòu)及水流特征都非常復雜，給巖溶地區(qū)水流運動規(guī)律的研究帶來很多困難[2～3]。因此建立合適的物理模型進行室內(nèi)試驗成為近年研究巖溶地區(qū)水流運動的有效方法。

現(xiàn)有基于物理模型的探究巖溶水流運動規(guī)律的室內(nèi)試驗技術手段主要有分析泉流量過程特征和分析溶質(zhì)運移穿透曲線兩類。Faulkner建立了巖溶孔隙管道雙重介質(zhì)物理模型進行水流和溶質(zhì)運移試驗[4]。滕強等基于離散的裂隙網(wǎng)絡模型和裂隙介質(zhì)管道流模型，在室內(nèi)建立了一套裂隙管道網(wǎng)絡物理模型試驗裝置，通過隨機地調(diào)整裂隙幾何參數(shù)，實施了不同“裂隙巖體”的滲流和溶質(zhì)運移試驗[5]。在已有的室內(nèi)試驗中，采用有色示蹤劑作為試驗技術手段的試驗在文獻中并不多見。

現(xiàn)有的試驗多僅以泉流量衰減過程為分析對象。季葉飛等采用英國研制的BHS物理模型模擬巖溶地區(qū)泉流量的衰減過程及不同水源間的轉(zhuǎn)化機理[6]；孫晨等利用裂隙-管道雙重介質(zhì)物理模型，針對泉口大小、降雨、蓄水狀態(tài)等因素對泉流量衰減過程的影響進行了定量分析[2]。然而，以泉流量全過程為分析對象的物理模型試驗研究在文獻中尚不多見。

本文運用可視化的物理模型、可自動化動態(tài)監(jiān)測的高精度攝像儀，以有色示蹤劑為技術手段對物理模型中地下水運動過程進行實時動態(tài)捕捉。分析泉口出流全過程對應的裂隙-管道介質(zhì)內(nèi)裂隙水流和管道水流的交換情況，進行多組試驗，研究不同補給方式對裂隙水流和管道水流交互過程的影響，得到裂隙-管道含水介質(zhì)內(nèi)裂隙水流和管道水流交換對不同補給方式的響應規(guī)律。為今后巖溶多重介質(zhì)的地下水流運動規(guī)律研究提供科學依據(jù)，得到的結(jié)論也可為巖溶地區(qū)地下水污染物遷移問題的研究提供參考。

1 物理模型介紹

裂隙-管道介質(zhì)物理模型以我國西南地區(qū)的巖溶含水系統(tǒng)為原型研制而成。裂隙管道介質(zhì)在巖溶水的運動過程中起到了重要的作用[7]。盧耀如指出西南巖溶地區(qū)管道型巖溶水系統(tǒng)可分兩大類:一類是巖溶暗河系統(tǒng)，即暗河集中管道系統(tǒng)，是依靠洼地、落水洞及溶蝕裂隙匯聚下滲的水流；另一類是地下伏流系統(tǒng)，是地表河水通過大管道流入地下，流經(jīng)一段距離后，又流出地表[8]。結(jié)合國內(nèi)眾多學者對西南地區(qū)巖溶含水系統(tǒng)的研究，本文設計了三種不同的補給方式探究巖溶含水系統(tǒng)裂隙管道間水量相互交換過程。通過對模型進行單獨補給裂隙、單獨補給管道、裂隙管道共同補給的試驗，分別模擬野外實際巖溶暗河含水系統(tǒng)中巖溶水的三種不同補給形式。研制的裂隙-管道介質(zhì)模型示意圖如圖1所示。通過開關a對裂隙進行分散補給，通過開關b對管道進行集中補給，裂隙網(wǎng)絡與管道補給系統(tǒng)之間設置有擋板c，用來改變不同的補給方式。模型泉口處連接流量計d，記錄模型泉口的流量變化過程。通過有色示蹤劑添加裝置e,可將NaOH溶液、酚酞溶液混合制成的紅色示蹤劑自動、穩(wěn)定地注入裂隙入口1～5及落水洞。對裂隙進行分散補給以及對管道進行集中補給的補給源為兩個位勢高度相等的水箱，兩水箱通過固定高度的溢流裝置確保補給水頭恒定，在物理模型的開關a、b和各自對應的補給水箱之間設置兩個可以改變開啟度的閥門，補給強度僅受閥門開啟度的影響。連接裂隙與補給水箱間的水管及閥門與連接管道與補給水箱間的水管及閥門規(guī)格相同。

圖1 裂隙-管道介質(zhì)模型概化示意圖Fig.1 Schematic diagram showing the physical model of fissures and conduit,diagrammatic sketch of the physical model

物理試驗裝置按照其主要功能可以分為以下四個部分：裂隙-管道介質(zhì)模擬區(qū)、有色示蹤劑添加裝置、水頭恒定的降雨補給系統(tǒng)、泉口流量測量系統(tǒng)。

裂隙-管道介質(zhì)模擬區(qū)：長1.30 m，高0.98 m，寬0.04 m，其材料主要為光滑有機玻璃板。模型內(nèi)部通過玻璃磚和墊片構(gòu)造成多組相間排列的層面裂隙(水平方向)和垂直層面裂隙(垂直方向)，層面裂隙平均隙寬為2 mm，共設8層；垂直層面裂隙平均隙寬1 mm，每層設10個垂直層面裂隙，共80個。它們共同組成相互垂直的裂隙網(wǎng)絡。裂隙網(wǎng)絡下方鋪設一條截面為0.04 m×0.04 m的方形管道。裂隙網(wǎng)絡右側(cè)設置一條截面為0.04 m×0.04 m的方形落水洞。

有色示蹤劑添加裝置：在裂隙-管道介質(zhì)模擬區(qū)的上方，設置一個裝有有色示蹤劑的輸液裝置，流量恒定地將有色示蹤劑注入裂隙-管道介質(zhì)模擬區(qū)中的指定位置，根據(jù)有色示蹤劑的擴散路徑對裂隙(管道)中水體的流動方向、范圍等進行示蹤。

水頭恒定的降雨補給系統(tǒng)：降雨過程用高處連通的水箱模擬，水箱通過外部補給系統(tǒng)及頂部溢流裝置控制水箱內(nèi)水頭恒定，以便于對裂隙或管道進行恒定強度的補給，模擬降雨補給的管道直徑為15 mm。

泉口流量測量系統(tǒng)：泉口與底部管道連通，泉口大小可控：6 mm、8 mm、10 mm，泉口處連接電磁流量計(型號HSQ15-D)，可以實時記錄泉水的流量和流速。

2 物理試驗方案

2.1 實驗目的

借助有色示蹤劑和高精度攝像儀對物理模型中水流運動過程進行實時動態(tài)捕捉，研究不同補給方式對裂隙-管道間水量交換情況的影響，從而得到裂隙-管道間水量相互交換規(guī)律。

2.2 實驗過程

(1)先對裂隙-管道系統(tǒng)進行定流量補給(在水箱蓄滿狀態(tài)下進行補給，由閥門控制水箱進行定水頭補給裂隙-管道系統(tǒng)，由有色示蹤劑添加裝置將有色水流恒定地注入裂隙-管道系統(tǒng))，同時開啟攝像儀進行攝像，記錄開始補給時刻T1；

(2)裝置出口處安放流量計，測定出口處的流量變化情況；

(3)待泉口出流之后記錄出流時間T2；

(4)隨著試驗的進行通過觀測裝置中液體顏色的變化判斷裂隙水與管道水相互作用的情況，并監(jiān)測出口處流量；

(5)待裝置水位恒定或者達到蓄滿狀態(tài)以后停止補給，記錄停止補給的時刻T3，觀測裝置中的有色水流變化情況，記錄泉口停止出流時刻T4。

為了探究補給方式的不同對裂隙-管道間水量相互作用的影響，本文設計了三種不同的補給方式進行控制試驗：共同補給裂隙與落水洞、單獨補給裂隙、同時單獨補給裂隙與落水洞。不同補給方式的試驗過程均一致，即保持泉口大小、補給強度一定，改變有色水流添加位置，用高清攝像儀記錄裝置中液體顏色的變化。

三種補給方式分別模擬自然界中巖溶地區(qū)的補給方式：

(1)裂隙與落水洞共同補給試驗模擬巖溶地區(qū)補給的主要方式，即裂隙網(wǎng)絡與落水洞共同接受入滲補給。

(2)單獨補給裂隙試驗模擬了補給強度小于裂隙網(wǎng)絡介質(zhì)的過流能力的情況，地表徑流在進入落水洞之前已經(jīng)通過裂隙網(wǎng)絡完全入滲，即僅裂隙網(wǎng)絡接受補給，落水洞不接受補給。

(3)裂隙和落水洞同時分別接受補給試驗，模擬了補給強度大于裂隙網(wǎng)絡介質(zhì)過流能力的情況，地表徑流一部分入滲裂隙網(wǎng)絡，另一部分經(jīng)由巖溶洼地匯入落水洞。

3 試驗結(jié)果及其分析

3.1 裂隙與落水洞共同補給

本試驗將上部補給水槽的裂隙與落水洞連接處的擋板c撤除，利用分散補給裝置(僅打開開關a)對落水洞和裂隙進行共同補給。該情景也是實際巖溶地區(qū)補給的主要方式之一，裂隙網(wǎng)絡與落水洞共同接受入滲補給。

流量計記錄相同補給強度、泉口大小情況后，分別在5個不同裂隙(圖1)投入示蹤劑得到的泉流量過程線，見圖2。

圖2 補給強度、泉口大小相同時各裂隙示蹤試驗泉 流量過程線圖Fig.2 Discharge hydrographs of tracing experiments of fissures with the same recharge intensity and size of outlet

在共同補給每次試驗中補給開始時與管道水量穩(wěn)定階段(即泉流量穩(wěn)定階段)分別截圖進行對比。補給強度恒定，補給開始時刻有色示蹤劑的擴散范圍反映當裂隙-管道介質(zhì)蓄水量為0時，在一定補給強度下水在其中的擴散狀況，在泉流量過程線圖上對應上升階段；當模型水位不再上升時，表示一定補給強度下模型中所能儲存的水量達到最大，在泉流量過程線圖上對應為上部的水平穩(wěn)定階段。該時刻有色示蹤劑的擴散區(qū)域表示在該補給強度下特定的裂隙水最終的擴散范圍，若保持補給強度不變繼續(xù)進行補給，有色區(qū)域的范圍保持不變。

圖3分別為裂隙5、裂隙4、裂隙3、裂隙2、裂隙1在共同補給條件下的實驗結(jié)果。其中左半部分截圖為實驗剛開始，裂隙-管道介質(zhì)蓄水量為0時有色示蹤劑的擴散情況；右半部分截圖為落水洞中水位達到穩(wěn)定時有色示蹤劑的擴散情況。

圖3 裂隙與落水洞共同補給試驗結(jié)果對比圖Fig.3 Contrast pictures for the experimental results of recharge through both the sinkholes and fissures

將左列圖(圖3(a1)、(b1)、(c1)、(d1)、(e1))進行對比可以發(fā)現(xiàn)，有色示蹤劑在模型中的分布范圍在上部呈三角形分布，下部大約呈四邊形分布，且越往下，有色示蹤劑越趨近側(cè)向落水洞，圖3(d1)和圖3(e1)尤其明顯。將右列圖(圖3(a2)、(b2)、(c2)、(d2)、(e2))進行對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著裂隙越近于落水洞，有色示蹤劑在模型中的擴散范圍越小，即部分有色示蹤劑在裂隙中擴散的同時也通過裂隙與落水洞的連接處進入了落水洞，通過圖3(e2)和圖3(a2)的對比可以明顯看出裂隙5中水的分散范圍遠大于裂隙1中水的分散范圍，同時根據(jù)圖3(a2)和圖3(b2)看出裂隙4、5中有色溶液均可豎向擴散至底部管道，說明落水洞對其影響較小。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是在補給剛開始時裂隙并未完全飽和，裂隙中的水注入后呈三角形自由擴散；在補給過程中，模型左側(cè)裂隙中的水僅通過豎向擴散進入下部管道，靠近落水洞一側(cè)裂隙中的水向遠離落水洞側(cè)擴散程度較低，進而呈現(xiàn)下部有色示蹤劑向落水洞傾斜的四邊形分布。

綜上可知，落水洞對裂隙水擴散情況的影響隨裂隙距離落水洞的距離增大而減小。

3.2 單獨補給裂隙

單獨補給裂隙的試驗，是將模型上部補給水槽的裂隙與落水洞連接處用擋板c隔開，只對裂隙進行分散補給，落水洞僅接受來自裂隙中水流的補給。此種情景模擬了補給強度小于裂隙網(wǎng)絡介質(zhì)過流能力的情況，地表徑流在進入落水洞之前就已經(jīng)通過裂隙網(wǎng)絡完全入滲。

與共同補給的試驗過程相同，在單獨補給裂隙試驗中每次補給剛開始時與管道水量穩(wěn)定階段(即泉流量穩(wěn)定階段)分別截圖進行對比。由于裂隙2與裂隙5實驗現(xiàn)象不明顯，單獨補給裂隙實驗取裂隙1、裂隙3、裂隙4三組裂隙進行分析。

圖4 單獨補給裂隙試驗結(jié)果對比圖Fig.4 Contrast pictures for the experimental results of recharge only through fissures

對比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，在單獨補給裂隙條件下有色示蹤劑的擴散規(guī)律和共同補給條件下的擴散規(guī)律大致相同。通過對比圖4(a1)、圖4(b1)和圖4(c1)可以發(fā)現(xiàn)隨著裂隙與落水洞之間距離的增大，有色示蹤劑擴散范圍的下部四邊形部分斜率較小且擴散區(qū)域逐漸增大，該現(xiàn)象驗證了共同補給下裂隙水流的擴散規(guī)律：落水洞對裂隙水擴散情況的影響隨裂隙距離落水洞的距離增大而減小。

圖5 單獨補給裂隙與共同補給試驗結(jié)果對比圖Fig.5 Contrast pictures for the experimental results of recharging only through fissure and recharge through both the sinkholes and fissures

圖6 裂隙和落水洞分開同時補給試驗結(jié)果對比圖Fig.6 Contrast pictures for the experimental results of separated recharge through fissures and sinkholes at the same time

對比每一相同時間共同補給條件下有色示蹤劑的擴散情況和單獨補給裂隙情況下有色示蹤劑的擴散情況(圖5)，可以看出有色示蹤劑在單獨補給裂隙情況下橫向擴散更為迅速，整個有色示蹤劑分散區(qū)域更加接近于落水洞。根據(jù)以上現(xiàn)象推測原因是在共同補給情況下，由于落水洞上部與裂隙上部連通，兩者同時受到補給，而水流在落水洞中擴散速度較裂隙中迅速，在上部裂隙出現(xiàn)落水洞對裂隙的補給。而在單獨補給情況下，由于隔斷了裂隙與落水洞上部的聯(lián)系，落水洞的水量補給完全來自于裂隙。

綜上可知，在共同補給與單獨補給裂隙兩種不同補給方式下，裂隙水的擴散趨勢大致相同，在單獨補給裂隙情況下落水洞對裂隙水擴散情況的影響較大。

3.3 裂隙和落水洞分開同時補給

裂隙和落水洞分開同時補給試驗，是將模型上部補給水槽的裂隙與落水洞連接處用擋板隔開，在對裂隙進行分散補給的同時對落水洞進行集中補給，有色示蹤劑直接投放至落水洞。此種情景模擬了補給強度大于裂隙網(wǎng)絡介質(zhì)過流能力的情況，地表徑流一部分入滲裂隙網(wǎng)絡，另一部分經(jīng)由巖溶洼地匯入落水洞。把兩次試驗(即裂隙、落水洞補給閥門打開至相同刻度；裂隙、落水洞補給閥門打開至不同(落水洞大于裂隙)刻度，取實驗現(xiàn)象最明顯的一組對比，落水洞的補給強度為裂隙補給強度的3倍)試驗中6 s、14 s、38 s對應的視頻分別截圖進行對比，見圖6。

由圖6可知，對于裂隙和落水洞分開同時補給，在補給水量相同的情況下，補給初期在模型裂隙區(qū)域上部靠近落水洞側(cè)出現(xiàn)有色示蹤劑，隨著補給的進行，有色示蹤劑擴散區(qū)域逐漸減小，最后裂隙中有色示蹤劑完全消失；在落水洞補給強度大于裂隙補給強度時，隨著實驗進行，有色示蹤劑擴散區(qū)從落水洞的一側(cè)逐漸向另一側(cè)擴大，最終趨于平衡。推測原因是：當裂隙、落水洞水量補給強度相同時，由于落水洞是集中補給，有色水流擴散較快，在補給初期呈現(xiàn)了對裂隙的補給，但隨著補給的進行，裂隙中的水呈現(xiàn)對落水洞的補給，說明補給量相同的情況下，是裂隙對落水洞的單向補給；當落水洞補給水量遠大于裂隙時，模型下部裂隙被有色示蹤劑充滿，裂隙中的水通過上部補給落水洞，下部的裂隙保持恒定。

綜上可知，對于裂隙和落水洞分開同時補給試驗，補給水量相同時，僅呈現(xiàn)裂隙對落水洞的單向補給，整個模型區(qū)域在補給穩(wěn)定階段不存在落水洞對裂隙的補給。出現(xiàn)落水洞補給裂隙的條件是落水洞補給量遠大于裂隙補給量，在本模型條件下僅當單獨補給落水洞水量不小于單獨補給裂隙水量的3倍時方能出現(xiàn)落水洞補給裂隙的情況。

4 結(jié)論

通過三種不同補給方式對裂隙-管道介質(zhì)間水量交換情況的研究，得出如下結(jié)論：

(1)通過對裂隙與落水洞共同補給試驗的對比分析，得出落水洞對裂隙網(wǎng)絡中水流運動的影響隨裂隙距離落水洞的距離增大而減小。

(2)相較于共同補給情況，單獨補給裂隙情況下落水洞對裂隙水擴散影響較大。

(3)在裂隙和管道分開同時補給并且補給水量相同時，僅呈現(xiàn)裂隙對落水洞的單向補給。因此，在巖溶地區(qū)，出現(xiàn)落水洞中水對裂隙水的補給情況是很少見的，僅當落水洞集中補給強度遠遠大于裂隙分散補給強度時才會出現(xiàn)。

本文通過一系列的可視化實驗總結(jié)了在不同補給情況下裂隙水流的擴散狀況，開拓性地以高清攝像機為工具整體性地記錄了不同條件下裂隙水的擴散過程，對裂隙-管道介質(zhì)中的巖溶水流運動過程有了更加直觀的描述。

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責任編輯：張若琳

Experimental study of water quantity exchange between fissures andsinkholes under different recharge modes in the fissure-conduit media

NIU Zihao, SHU Longcang, LIN Huan, LI Chang, FENG Jiaqi, TAN Yicheng, WANG Xi, QI Tiansong

(CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China)

To explore the movement of groundwater between fissures and sinkholes under different recharge modes through a fissure-conduit medium model, the HD camera and colored tracer are adopted to observe the movement of groundwater in a karst groundwater system. In this paper, we design three kinds of recharge mode: recharge only through fissures, recharge through both the sinkholes and fissures and separated recharge through fissures and sinkholes at the same time. The results indicate that the influence of the sinkhole on the diffusion of the fissure water decreases with the increasing distance between the fissure and the sinkhole. Compared with the recharge mode only through fissures, sinkholes have more influence on the diffusion of the fissure water when recharge through both sinkholes and fissures exists. When separated recharge through sinkholes and fissures with equal water quantity exists simultaneously, only the groundwater in fissures flows into sinkholes.

karstic water system; fissure-conduit medium model; visualization; recharge mode

2016-04-10;

2016-07-10

國家自然科學基金(41172203)；國家大學生創(chuàng)新訓練項目(201510294056)

牛子豪(1995-)，男，碩士研究生，主要從事地下水數(shù)值模擬研究。E-mail:635743131@qq.com

束龍倉(1964-)，男，教授，主要從事地下水資源評價與管理研究。E-mail: lcshu@hhu.edu.cn

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.03.02

P641.2

A

1000-3665(2017)03-0006-06