裸露型岩溶管道介质降雨-地下径流特征模拟

陆燕飞

(宁波涌腾工程检测有限公司，浙江 宁波 315192)

1 研究背景

中国水资源总量居世界前列，但由于人口众多、水资源的区域分布不均匀，人均淡水资源量的极度匮乏。为了满足日益增长的工农业用水量，人们在努力挖掘可利用地表水资源量的同时，对于地下水的开采量也逐年增加。地下水水资源量在很大程度上缓解了地表水的供需矛盾，特别是在南方岩溶地质发育的地区，在发展经济的同时，需要更好地利用岩溶水，以最大程度地促进国民经济的发展，以期实现可持续发展。

水在岩溶发育过程中起着极其重大的作用，作为一种重要的环境地质营力，深入了解水流在岩溶发育地区的运动规律，对于掌握岩溶地区环境地质问题的形成机理和演变规律，有着重要的指导意义，以便更好地解决此类问题。

本文在基于前辈学者辛勤研究探索的基础上，利用英国Armfield公司生产的Basic Hydrology System(简称BHS)，在室内建立裸露型岩溶管道介质降雨—地下径流模型，研究其径流过程中流量和水位的变化过程，以期得出管道介质条件下径流特征。

2 岩溶地下水系统特征

岩溶地下水系统极具复杂性，其根本原因在于其系统基本组成部分与结构层次间联系异常多样，关系网及其复杂。主要体现在3个方面，即整体性、质能转换性和自身调整性。

(1)整体性，顾名思义，由于其系统的基本组成部分与结构层次关系及其复杂，无法对于单个个体进行定性定量的研究，因为其整体性的重要性远远高于单个组成部分。

(2)质能转换性，通俗地讲是物质和能量之间的相互转化，岩溶地下水系统物质和能量处于不停地转化过程中，失去物质获得能量亦或是失去能量获得物质，在这样的过程中，岩溶地下水系统自身的结构不断发生着变化，孕育着新的结构。

(3)自身调整性，从哲学上来讲，系统中新的物质生成，其整体的结构发生变化，达到稳定需要系统经历一定的时间与方法进行调整，举个简单的例子，即为水的自净能力，也是水体自身调整性的1种表现。同样，岩溶地下水系统不断发生着物质和能量的转化，在这个过程中，系统表现出强大的调整能力，将整个系统重新有机组合，从而使得系统处于相对稳定状态，这样岩溶地下水系统更能适应环境变化。

3 实验及研究方法

3.1 实验仪器简介

本次研究需建立模拟降雨—径流模型，故实验以BHS为平台，在室内建立起裸露型岩溶管道与裂隙介质，模拟裸露型岩溶降雨—径流特征，不考虑蒸发过程。

BHS长220cm、宽100cm、高20cm。该装置用1个小型的泵抽水，然后利用雨强控制装置对雨强进行控制，实现定量化的人工降雨。装置顶部有8个规格一致的降雨喷头进行一定强度的降雨，对称覆盖整个BHS系统。整个降雨径流系统通过1个泉口出流，每5秒钟读数1次，以记录下整个降雨径流过程中，流量的全过程。岩溶区降雨必然也伴随着水位的上升，而水位的观测分为管道水位和裂隙水位，同样每5秒读数1次。

如图1所示，1～13号为管道水位测压管，14～19号为裂隙水位测压管，本次模拟实验选取了18号测压管观测裂隙水位，4号测压管观测管道水位。由于人力、时间有限，无法对于每个测压管都进行观测，相互比较，因此选了上述2个比较典型的测压管，以期得到相对合理的结论，深入探求其中的物理机理。

图1 BHS测压管平面分布图

3.2 物理机理

降雨径流过程中，岩溶介质对降雨的响应可以分为3个连续的阶段，其中对于泉口出流量来说，分别是：流量增大阶段、流量稳定阶段和流量衰减阶段；很显然的，对于测压管中的水位来说，自然也是分为：水位增大阶段、水位稳定阶段和水位衰减阶段。

由于岩溶介质内部结构的差异，使得流量和水位的衰减过程具有多个亚动态，并且每一个亚动态的衰减速度各异。经过多年的研究探讨，南方岩溶地区流量衰减过程由多个亚动态组成这个结论已经得到了很多学者的认可。本实验通过对于不同介质降雨径流的模拟，以期得到流量水位3个联系的响应阶段，并分析衰减过程中的亚动态组成情况以及其衰减速率的差异。

3.3 研究方法

自1978年原国家地质总局岩溶考察组发表“赴南斯拉夫岩溶地质考察技术报告”以来，我国开始引入指数衰减方程，国外这一方程广泛应用于地下水水文曲线研究中。

缪钟灵在《指数衰减方程在地下水研究中的运用》一文中指出，指数衰减方程是地下水非稳定运动的布西涅斯克方程的1种，该方程描述地下水流量及水位在无补给的干旱期动态变化过程。

Boussinesq推导出了潜水非稳定运动方程，在推导过程中假设水是不可压缩的以及潜水是在均质岩体中作缓变流动。在二维流的情况下，Boussinesq方程可化为以下形式：

(1)

式中，K—渗透系数，m/d；μ—给水度，m3/h；h—含水层厚度，m；t—时间，h；x—距离，m；W—补给量，m3。

此方程在现代数学发展水平下，无法得到其精确的解析解，先前提到的指数衰减方程是当W=0时的1个特解，其形式如下：

Qt=Q0e-αt

(2)

(3)

式中，Q0—开始衰减时的流量，m3/s；Qt—衰减开始后t时刻的流量，m3/s；α—衰减系数；L—地下水流域长度，km。

式(2)即为现今地下水研究广泛使用的流量衰减方程，指数衰减系数则可反映介质不同所带来的衰减速率影响，它随着岩溶含水系统的水动力条件和含水介质空间的不同而改变。

岩溶地下水的衰减动态分析对于研究岩溶含水层的水动力性质有着重要作用，岩溶出口泉流量在消耗期内不断衰减并具有多亚动态，其动态过程可以分解为若干个衰减系数不相同的亚动态，其典型形式如图2所示。

图2 流量衰减过程亚动态叠加曲线

上图所示曲线可以采用叠加形式的衰减方程来表示：

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

(4)

式中，Qt—时刻流量，m3/s；Q01、Q02、Q03、Q04-t=0—时刻每个亚动态的初始流量，m3/s；α1、α2、α3、α4—每个亚动态的衰减系数。

本次模拟实验衰减过程分析中，就是以上述公式为基础，对比不同雨强不同介质衰减过程的差异，衰减系数α可以从定性的角度，十分形象客观的反应所需要研究降雨径流特征。

4 模拟成果

为了研究不同介质下裸露型岩溶区降雨—地下径流特征，本次试验分别以水泥砖、红砖、石灰岩薄板介质进行模拟，对比分析相同条件下不同介质降雨—地下径流特征。由于篇幅所限，本文模拟成果均以雨强11.3L/min的实验组进行比较。

4.1 流量过程特征

不同介质流量过程对比如图3所示，从中可以看出，红砖、石灰岩薄板在模拟过程中，流量也分为3个阶段：增长阶段、稳定阶段、衰减阶段。流量过程的前2个阶段，三者差别不是很大，关键的差别还是在于流量衰减阶段。

图3 不同介质流量过程对比图

不同介质亚动态衰减系数见表1，从中可以看出，这3种介质在流量衰减过程中的第一、第二亚动态衰减系数以水泥砖为最大，这是由于水泥砖自身的吸水持水能力较差，降雨经水泥砖较多直接产生径流，故流量衰减过程最快；红砖的吸水能力较强，流量衰减过程稍慢；石灰岩薄板流量衰减过程最慢。

表1 雨强11.3L/min不同介质亚动态衰减系数表

4.2 水位过程特征

在水泥砖介质实验中，我们观察到管道水位低于裂隙水位，而在红砖和石灰岩介质中出现了相反的现象，如图4—6所示。

图4 水泥砖介质管道、裂隙水位对比图

图5 红砖介质管道、裂隙水位对比图

很明显看出，在这2种介质中，管道水位要高于裂隙水位，经反复试验、准确核对实验数据基本无误，记录准确的前提下，我们发现，红砖的裂隙率为11.8%，石灰岩的裂隙率为30.6%，而之前所做水泥砖的裂隙率仅为1.59%，过大的裂隙率促使裂隙中的水不断流向管道，而导致水位高低发生变化，这是一个具有较大可能的原因。鉴于此，我们转而对比分析不同介质，管道、裂隙水位的衰减特征。见表2—3。

表2 雨强11.3L/min不同介质管道水位衰减系数表

图6 石灰岩薄板介质管道、裂隙水位对比图

3种介质管道水位衰减过程的第一亚动态衰减系数略有不同，而第二亚动态衰减系数基本一致，唯一有所差别的是石灰岩薄板介质第一亚动态持续时间较另外两种长，而水泥砖和红砖介质第一亚动态持续时间基本相同。在模拟实验过程中，上述差异一般由介质特性和介质形态不同造成。

表3 雨强11.3L/min不同介质裂隙水位衰减系数表

与上表比最明显的是管道、裂隙水位衰减过程第二亚动态衰减系数相同，故衰减速度、形式等特征基本一致。而裂隙水位第一亚动态衰减特征差别较大，三者的持续时间也相差很大。

以上是对于3种介质的对比分析，综合上述，本实验中最适合作裸露型岩溶区降雨—径流模拟的介质为水泥砖，其实验效果与理论比较接近；红砖、石灰岩薄板由于其本身特性，在此次降雨径流模拟过程中管道、裂隙水位的效果不是很理想。

5 结语

本次模拟实验在流量、水位衰减系数中得到了与实际地区相一致的数量级，各亚动态水量及管道水量比例也与实际情况相符，总体模拟成果较为理想。而无论裸露型、覆盖型，天然条件下的岩溶地下水系统结构类型均及其复杂，本文所建立的BHS降雨—径流模拟系统，虽然能在一定程度上反映裸露型岩溶地下水降雨径流的一般特征，但限于作者的水平与认知，思路和想法有一定局限性，仍需不断完善，望能为岩溶地区地下水的研究提供稍许借鉴。