裸露型巖溶管道介質降雨-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業用水量，人們在努力挖掘可利用地表水資源量的同時，對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發育的地區，在發展經濟的同時，需要更好地利用巖溶水，以最大程度地促進國民經濟的發展，以期實現可持續發展。

水在巖溶發育過程中起著極其重大的作用，作為一種重要的環境地質營力，深入了解水流在巖溶發育地區的運動規律，對于掌握巖溶地區環境地質問題的形成機理和演變規律，有著重要的指導意義，以便更好地解決此類問題。

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

2 巖溶地下水系統特征

巖溶地下水系統極具復雜性，其根本原因在于其系統基本組成部分與結構層次間聯系異常多樣，關系網及其復雜。主要體現在3個方面，即整體性、質能轉換性和自身調整性。

(1)整體性，顧名思義，由于其系統的基本組成部分與結構層次關系及其復雜，無法對于單個個體進行定性定量的研究，因為其整體性的重要性遠遠高于單個組成部分。

(2)質能轉換性，通俗地講是物質和能量之間的相互轉化，巖溶地下水系統物質和能量處于不停地轉化過程中，失去物質獲得能量亦或是失去能量獲得物質，在這樣的過程中，巖溶地下水系統自身的結構不斷發生著變化，孕育著新的結構。

(3)自身調整性，從哲學上來講，系統中新的物質生成，其整體的結構發生變化，達到穩定需要系統經歷一定的時間與方法進行調整，舉個簡單的例子，即為水的自凈能力，也是水體自身調整性的1種表現。同樣，巖溶地下水系統不斷發生著物質和能量的轉化，在這個過程中，系統表現出強大的調整能力，將整個系統重新有機組合，從而使得系統處于相對穩定狀態，這樣巖溶地下水系統更能適應環境變化。

3 實驗及研究方法

3.1 實驗儀器簡介

本次研究需建立模擬降雨—徑流模型，故實驗以BHS為平臺，在室內建立起裸露型巖溶管道與裂隙介質，模擬裸露型巖溶降雨—徑流特征，不考慮蒸發過程。

BHS長220cm、寬100cm、高20cm。該裝置用1個小型的泵抽水，然后利用雨強控制裝置對雨強進行控制，實現定量化的人工降雨。裝置頂部有8個規格一致的降雨噴頭進行一定強度的降雨，對稱覆蓋整個BHS系統。整個降雨徑流系統通過1個泉口出流，每5秒鐘讀數1次，以記錄下整個降雨徑流過程中，流量的全過程。巖溶區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1次。

如圖1所示，1～13號為管道水位測壓管，14～19號為裂隙水位測壓管，本次模擬實驗選取了18號測壓管觀測裂隙水位，4號測壓管觀測管道水位。由于人力、時間有限，無法對于每個測壓管都進行觀測，相互比較，因此選了上述2個比較典型的測壓管，以期得到相對合理的結論，深入探求其中的物理機理。

圖1 BHS測壓管平面分布圖

3.2 物理機理

降雨徑流過程中，巖溶介質對降雨的響應可以分為3個連續的階段，其中對于泉口出流量來說，分別是：流量增大階段、流量穩定階段和流量衰減階段；很顯然的，對于測壓管中的水位來說，自然也是分為：水位增大階段、水位穩定階段和水位衰減階段。

由于巖溶介質內部結構的差異，使得流量和水位的衰減過程具有多個亞動態，并且每一個亞動態的衰減速度各異。經過多年的研究探討，南方巖溶地區流量衰減過程由多個亞動態組成這個結論已經得到了很多學者的認可。本實驗通過對于不同介質降雨徑流的模擬，以期得到流量水位3個聯系的響應階段，并分析衰減過程中的亞動態組成情況以及其衰減速率的差異。

3.3 研究方法

自1978年原國家地質總局巖溶考察組發表“赴南斯拉夫巖溶地質考察技術報告”以來，我國開始引入指數衰減方程，國外這一方程廣泛應用于地下水水文曲線研究中。

繆鐘靈在《指數衰減方程在地下水研究中的運用》一文中指出，指數衰減方程是地下水非穩定運動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給的干旱期動態變化過程。

Boussinesq推導出了潛水非穩定運動方程，在推導過程中假設水是不可壓縮的以及潛水是在均質巖體中作緩變流動。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，m/d；μ—給水度，m3/h；h—含水層厚度，m；t—時間，h；x—距離，m；W—補給量，m3。

此方程在現代數學發展水平下，無法得到其精確的解析解，先前提到的指數衰減方程是當W=0時的1個特解，其形式如下：

Qt=Q0e-αt

(2)

(3)

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

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

巖溶地下水的衰減動態分析對于研究巖溶含水層的水動力性質有著重要作用，巖溶出口泉流量在消耗期內不斷衰減并具有多亞動態，其動態過程可以分解為若干個衰減系數不相同的亞動態，其典型形式如圖2所示。

圖2 流量衰減過程亞動態疊加曲線

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—時刻流量，m3/s；Q01、Q02、Q03、Q04-t=0—時刻每個亞動態的初始流量，m3/s；α1、α2、α3、α4—每個亞動態的衰減系數。

本次模擬實驗衰減過程分析中，就是以上述公式為基礎，對比不同雨強不同介質衰減過程的差異，衰減系數α可以從定性的角度，十分形象客觀的反應所需要研究降雨徑流特征。

4 模擬成果

為了研究不同介質下裸露型巖溶區降雨—地下徑流特征，本次試驗分別以水泥磚、紅磚、石灰巖薄板介質進行模擬，對比分析相同條件下不同介質降雨—地下徑流特征。由于篇幅所限，本文模擬成果均以雨強11.3L/min的實驗組進行比較。

4.1 流量過程特征

不同介質流量過程對比如圖3所示，從中可以看出，紅磚、石灰巖薄板在模擬過程中，流量也分為3個階段：增長階段、穩定階段、衰減階段。流量過程的前2個階段，三者差別不是很大，關鍵的差別還是在于流量衰減階段。

圖3 不同介質流量過程對比圖

不同介質亞動態衰減系數見表1，從中可以看出，這3種介質在流量衰減過程中的第一、第二亞動態衰減系數以水泥磚為最大，這是由于水泥磚自身的吸水持水能力較差，降雨經水泥磚較多直接產生徑流，故流量衰減過程最快；紅磚的吸水能力較強，流量衰減過程稍慢；石灰巖薄板流量衰減過程最慢。

表1 雨強11.3L/min不同介質亞動態衰減系數表

4.2 水位過程特征

在水泥磚介質實驗中，我們觀察到管道水位低于裂隙水位，而在紅磚和石灰巖介質中出現了相反的現象，如圖4—6所示。

圖4 水泥磚介質管道、裂隙水位對比圖

圖5 紅磚介質管道、裂隙水位對比圖

很明顯看出，在這2種介質中，管道水位要高于裂隙水位，經反復試驗、準確核對實驗數據基本無誤，記錄準確的前提下，我們發現，紅磚的裂隙率為11.8%，石灰巖的裂隙率為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，而導致水位高低發生變化，這是一個具有較大可能的原因。鑒于此，我們轉而對比分析不同介質，管道、裂隙水位的衰減特征。見表2—3。

表2 雨強11.3L/min不同介質管道水位衰減系數表

圖6 石灰巖薄板介質管道、裂隙水位對比圖

3種介質管道水位衰減過程的第一亞動態衰減系數略有不同，而第二亞動態衰減系數基本一致，唯一有所差別的是石灰巖薄板介質第一亞動態持續時間較另外兩種長，而水泥磚和紅磚介質第一亞動態持續時間基本相同。在模擬實驗過程中，上述差異一般由介質特性和介質形態不同造成。

表3 雨強11.3L/min不同介質裂隙水位衰減系數表

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

以上是對于3種介質的對比分析，綜合上述，本實驗中最適合作裸露型巖溶區降雨—徑流模擬的介質為水泥磚，其實驗效果與理論比較接近；紅磚、石灰巖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 結語

本次模擬實驗在流量、水位衰減系數中得到了與實際地區相一致的數量級，各亞動態水量及管道水量比例也與實際情況相符，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結構類型均及其復雜，本文所建立的BHS降雨—徑流模擬系統，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，望能為巖溶地區地下水的研究提供稍許借鑒。