裸露型巖溶管道介質(zhì)降雨-地下徑流特征模擬

陸燕飛

(寧波涌騰工程檢測有限公司，浙江 寧波 315192)

1 研究背景

中國水資源總量居世界前列，但由于人口眾多、水資源的區(qū)域分布不均勻，人均淡水資源量的極度匱乏。為了滿足日益增長的工農(nóng)業(yè)用水量，人們?cè)谂ν诰蚩衫玫乇硭Y源量的同時(shí)，對(duì)于地下水的開采量也逐年增加。地下水水資源量在很大程度上緩解了地表水的供需矛盾，特別是在南方巖溶地質(zhì)發(fā)育的地區(qū)，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，需要更好地利用巖溶水，以最大程度地促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以期實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

水在巖溶發(fā)育過程中起著極其重大的作用，作為一種重要的環(huán)境地質(zhì)營力，深入了解水流在巖溶發(fā)育地區(qū)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)于掌握巖溶地區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題的形成機(jī)理和演變規(guī)律，有著重要的指導(dǎo)意義，以便更好地解決此類問題。

本文在基于前輩學(xué)者辛勤研究探索的基礎(chǔ)上，利用英國Armfield公司生產(chǎn)的Basic Hydrology System(簡稱BHS)，在室內(nèi)建立裸露型巖溶管道介質(zhì)降雨—地下徑流模型，研究其徑流過程中流量和水位的變化過程，以期得出管道介質(zhì)條件下徑流特征。

2 巖溶地下水系統(tǒng)特征

巖溶地下水系統(tǒng)極具復(fù)雜性，其根本原因在于其系統(tǒng)基本組成部分與結(jié)構(gòu)層次間聯(lián)系異常多樣，關(guān)系網(wǎng)及其復(fù)雜。主要體現(xiàn)在3個(gè)方面，即整體性、質(zhì)能轉(zhuǎn)換性和自身調(diào)整性。

(1)整體性，顧名思義，由于其系統(tǒng)的基本組成部分與結(jié)構(gòu)層次關(guān)系及其復(fù)雜，無法對(duì)于單個(gè)個(gè)體進(jìn)行定性定量的研究，因?yàn)槠湔w性的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單個(gè)組成部分。

(2)質(zhì)能轉(zhuǎn)換性，通俗地講是物質(zhì)和能量之間的相互轉(zhuǎn)化，巖溶地下水系統(tǒng)物質(zhì)和能量處于不停地轉(zhuǎn)化過程中，失去物質(zhì)獲得能量亦或是失去能量獲得物質(zhì)，在這樣的過程中，巖溶地下水系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生著變化，孕育著新的結(jié)構(gòu)。

(3)自身調(diào)整性，從哲學(xué)上來講，系統(tǒng)中新的物質(zhì)生成，其整體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，達(dá)到穩(wěn)定需要系統(tǒng)經(jīng)歷一定的時(shí)間與方法進(jìn)行調(diào)整，舉個(gè)簡單的例子，即為水的自凈能力，也是水體自身調(diào)整性的1種表現(xiàn)。同樣，巖溶地下水系統(tǒng)不斷發(fā)生著物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化，在這個(gè)過程中，系統(tǒng)表現(xiàn)出強(qiáng)大的調(diào)整能力，將整個(gè)系統(tǒng)重新有機(jī)組合，從而使得系統(tǒng)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，這樣巖溶地下水系統(tǒng)更能適應(yīng)環(huán)境變化。

3 實(shí)驗(yàn)及研究方法

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器簡介

本次研究需建立模擬降雨—徑流模型，故實(shí)驗(yàn)以BHS為平臺(tái)，在室內(nèi)建立起裸露型巖溶管道與裂隙介質(zhì)，模擬裸露型巖溶降雨—徑流特征，不考慮蒸發(fā)過程。

BHS長220cm、寬100cm、高20cm。該裝置用1個(gè)小型的泵抽水，然后利用雨強(qiáng)控制裝置對(duì)雨強(qiáng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)定量化的人工降雨。裝置頂部有8個(gè)規(guī)格一致的降雨噴頭進(jìn)行一定強(qiáng)度的降雨，對(duì)稱覆蓋整個(gè)BHS系統(tǒng)。整個(gè)降雨徑流系統(tǒng)通過1個(gè)泉口出流，每5秒鐘讀數(shù)1次，以記錄下整個(gè)降雨徑流過程中，流量的全過程。巖溶區(qū)降雨必然也伴隨著水位的上升，而水位的觀測分為管道水位和裂隙水位，同樣每5秒讀數(shù)1次。

如圖1所示，1～13號(hào)為管道水位測壓管，14～19號(hào)為裂隙水位測壓管，本次模擬實(shí)驗(yàn)選取了18號(hào)測壓管觀測裂隙水位，4號(hào)測壓管觀測管道水位。由于人力、時(shí)間有限，無法對(duì)于每個(gè)測壓管都進(jìn)行觀測，相互比較，因此選了上述2個(gè)比較典型的測壓管，以期得到相對(duì)合理的結(jié)論，深入探求其中的物理機(jī)理。

圖1 BHS測壓管平面分布圖

3.2 物理機(jī)理

降雨徑流過程中，巖溶介質(zhì)對(duì)降雨的響應(yīng)可以分為3個(gè)連續(xù)的階段，其中對(duì)于泉口出流量來說，分別是：流量增大階段、流量穩(wěn)定階段和流量衰減階段；很顯然的，對(duì)于測壓管中的水位來說，自然也是分為：水位增大階段、水位穩(wěn)定階段和水位衰減階段。

由于巖溶介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，使得流量和水位的衰減過程具有多個(gè)亞動(dòng)態(tài)，并且每一個(gè)亞動(dòng)態(tài)的衰減速度各異。經(jīng)過多年的研究探討，南方巖溶地區(qū)流量衰減過程由多個(gè)亞動(dòng)態(tài)組成這個(gè)結(jié)論已經(jīng)得到了很多學(xué)者的認(rèn)可。本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)于不同介質(zhì)降雨徑流的模擬，以期得到流量水位3個(gè)聯(lián)系的響應(yīng)階段，并分析衰減過程中的亞動(dòng)態(tài)組成情況以及其衰減速率的差異。

3.3 研究方法

自1978年原國家地質(zhì)總局巖溶考察組發(fā)表“赴南斯拉夫巖溶地質(zhì)考察技術(shù)報(bào)告”以來，我國開始引入指數(shù)衰減方程，國外這一方程廣泛應(yīng)用于地下水水文曲線研究中。

繆鐘靈在《指數(shù)衰減方程在地下水研究中的運(yùn)用》一文中指出，指數(shù)衰減方程是地下水非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的布西涅斯克方程的1種，該方程描述地下水流量及水位在無補(bǔ)給的干旱期動(dòng)態(tài)變化過程。

Boussinesq推導(dǎo)出了潛水非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)方程，在推導(dǎo)過程中假設(shè)水是不可壓縮的以及潛水是在均質(zhì)巖體中作緩變流動(dòng)。在二維流的情況下，Boussinesq方程可化為以下形式：

(1)

式中，K—滲透系數(shù)，m/d；μ—給水度，m3/h；h—含水層厚度，m；t—時(shí)間，h；x—距離，m；W—補(bǔ)給量，m3。

此方程在現(xiàn)代數(shù)學(xué)發(fā)展水平下，無法得到其精確的解析解，先前提到的指數(shù)衰減方程是當(dāng)W=0時(shí)的1個(gè)特解，其形式如下：

Qt=Q0e-αt

(2)

(3)

式中，Q0—開始衰減時(shí)的流量，m3/s；Qt—衰減開始后t時(shí)刻的流量，m3/s；α—衰減系數(shù)；L—地下水流域長度，km。

式(2)即為現(xiàn)今地下水研究廣泛使用的流量衰減方程，指數(shù)衰減系數(shù)則可反映介質(zhì)不同所帶來的衰減速率影響，它隨著巖溶含水系統(tǒng)的水動(dòng)力條件和含水介質(zhì)空間的不同而改變。

巖溶地下水的衰減動(dòng)態(tài)分析對(duì)于研究巖溶含水層的水動(dòng)力性質(zhì)有著重要作用，巖溶出口泉流量在消耗期內(nèi)不斷衰減并具有多亞動(dòng)態(tài)，其動(dòng)態(tài)過程可以分解為若干個(gè)衰減系數(shù)不相同的亞動(dòng)態(tài)，其典型形式如圖2所示。

圖2 流量衰減過程亞動(dòng)態(tài)疊加曲線

上圖所示曲線可以采用疊加形式的衰減方程來表示：

Qt=Q01e-α1t+Q02e-α2t+Q03e-α3t+Q04e-α4t

(4)

式中，Qt—時(shí)刻流量，m3/s；Q01、Q02、Q03、Q04-t=0—時(shí)刻每個(gè)亞動(dòng)態(tài)的初始流量，m3/s；α1、α2、α3、α4—每個(gè)亞動(dòng)態(tài)的衰減系數(shù)。

本次模擬實(shí)驗(yàn)衰減過程分析中，就是以上述公式為基礎(chǔ)，對(duì)比不同雨強(qiáng)不同介質(zhì)衰減過程的差異，衰減系數(shù)α可以從定性的角度，十分形象客觀的反應(yīng)所需要研究降雨徑流特征。

4 模擬成果

為了研究不同介質(zhì)下裸露型巖溶區(qū)降雨—地下徑流特征，本次試驗(yàn)分別以水泥磚、紅磚、石灰?guī)r薄板介質(zhì)進(jìn)行模擬，對(duì)比分析相同條件下不同介質(zhì)降雨—地下徑流特征。由于篇幅所限，本文模擬成果均以雨強(qiáng)11.3L/min的實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行比較。

4.1 流量過程特征

不同介質(zhì)流量過程對(duì)比如圖3所示，從中可以看出，紅磚、石灰?guī)r薄板在模擬過程中，流量也分為3個(gè)階段：增長階段、穩(wěn)定階段、衰減階段。流量過程的前2個(gè)階段，三者差別不是很大，關(guān)鍵的差別還是在于流量衰減階段。

圖3 不同介質(zhì)流量過程對(duì)比圖

不同介質(zhì)亞動(dòng)態(tài)衰減系數(shù)見表1，從中可以看出，這3種介質(zhì)在流量衰減過程中的第一、第二亞動(dòng)態(tài)衰減系數(shù)以水泥磚為最大，這是由于水泥磚自身的吸水持水能力較差，降雨經(jīng)水泥磚較多直接產(chǎn)生徑流，故流量衰減過程最快；紅磚的吸水能力較強(qiáng)，流量衰減過程稍慢；石灰?guī)r薄板流量衰減過程最慢。

表1 雨強(qiáng)11.3L/min不同介質(zhì)亞動(dòng)態(tài)衰減系數(shù)表

4.2 水位過程特征

在水泥磚介質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，我們觀察到管道水位低于裂隙水位，而在紅磚和石灰?guī)r介質(zhì)中出現(xiàn)了相反的現(xiàn)象，如圖4—6所示。

圖4 水泥磚介質(zhì)管道、裂隙水位對(duì)比圖

圖5 紅磚介質(zhì)管道、裂隙水位對(duì)比圖

很明顯看出，在這2種介質(zhì)中，管道水位要高于裂隙水位，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)、準(zhǔn)確核對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本無誤，記錄準(zhǔn)確的前提下，我們發(fā)現(xiàn)，紅磚的裂隙率為11.8%，石灰?guī)r的裂隙率為30.6%，而之前所做水泥磚的裂隙率僅為1.59%，過大的裂隙率促使裂隙中的水不斷流向管道，而導(dǎo)致水位高低發(fā)生變化，這是一個(gè)具有較大可能的原因。鑒于此，我們轉(zhuǎn)而對(duì)比分析不同介質(zhì)，管道、裂隙水位的衰減特征。見表2—3。

表2 雨強(qiáng)11.3L/min不同介質(zhì)管道水位衰減系數(shù)表

圖6 石灰?guī)r薄板介質(zhì)管道、裂隙水位對(duì)比圖

3種介質(zhì)管道水位衰減過程的第一亞動(dòng)態(tài)衰減系數(shù)略有不同，而第二亞動(dòng)態(tài)衰減系數(shù)基本一致，唯一有所差別的是石灰?guī)r薄板介質(zhì)第一亞動(dòng)態(tài)持續(xù)時(shí)間較另外兩種長，而水泥磚和紅磚介質(zhì)第一亞動(dòng)態(tài)持續(xù)時(shí)間基本相同。在模擬實(shí)驗(yàn)過程中，上述差異一般由介質(zhì)特性和介質(zhì)形態(tài)不同造成。

表3 雨強(qiáng)11.3L/min不同介質(zhì)裂隙水位衰減系數(shù)表

與上表比最明顯的是管道、裂隙水位衰減過程第二亞動(dòng)態(tài)衰減系數(shù)相同，故衰減速度、形式等特征基本一致。而裂隙水位第一亞動(dòng)態(tài)衰減特征差別較大，三者的持續(xù)時(shí)間也相差很大。

以上是對(duì)于3種介質(zhì)的對(duì)比分析，綜合上述，本實(shí)驗(yàn)中最適合作裸露型巖溶區(qū)降雨—徑流模擬的介質(zhì)為水泥磚，其實(shí)驗(yàn)效果與理論比較接近；紅磚、石灰?guī)r薄板由于其本身特性，在此次降雨徑流模擬過程中管道、裂隙水位的效果不是很理想。

5 結(jié)語

本次模擬實(shí)驗(yàn)在流量、水位衰減系數(shù)中得到了與實(shí)際地區(qū)相一致的數(shù)量級(jí)，各亞動(dòng)態(tài)水量及管道水量比例也與實(shí)際情況相符，總體模擬成果較為理想。而無論裸露型、覆蓋型，天然條件下的巖溶地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型均及其復(fù)雜，本文所建立的BHS降雨—徑流模擬系統(tǒng)，雖然能在一定程度上反映裸露型巖溶地下水降雨徑流的一般特征，但限于作者的水平與認(rèn)知，思路和想法有一定局限性，仍需不斷完善，望能為巖溶地區(qū)地下水的研究提供稍許借鑒。