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岩溶裂隙-管道双重含水介质水流交换机理研究

2020-12-02阅读(384)

岩溶裂隙-管道双重含水介质水流交换机理研究

论文摘要

我国岩溶地下水资源丰富,但由于岩溶多重含水介质的高度非均匀性和水流运动的复杂性,严重制约了岩溶水资源的评价和有效开发利用。开展岩溶多重介质水流运动规律研究来解决岩溶水资源评价问题是一个前瞻性科学命题,该研究对正确管理、预测以及开发岩溶水资源起着重要作用。本研究通过野外调查和试验、室内试验和物理模拟、数值模拟等手段,以广西寨底岩溶试验场为典型研究区,开展岩溶裂隙-管道双重含水介质水动力特征研究,探索岩溶双重介质水流交换机理,取得的成果主要如下:（1）探讨岩溶管道裂隙介质结构、形成机理以及垂直分带特征。通过野外部署管道和裂隙介质水动力自动监测系统,获取的水位、流量、温度、电导率、降雨量以及水化学等监测数据,分析证实了岩溶管道和基岩裂隙水动力特征差异较大,丰、枯水期出口流量相差825倍。根据降雨、流量以及水力梯度的动态变化关系研究了岩溶管道与基岩裂隙水流运动规律,通过多组流量与水力梯度的线性和非线性回归方程,得出管道流与裂隙流的临界流量为0.8 m3/s。（2）通过钻孔注水试验和拟合曲线分别计算管道介质（ZK13）和裂隙介质（ZK16）的渗透系数分别为2.63 m/d、0.018 m/d;利用示踪试验和QTRACE2计算了岩溶管道和裂隙的平均速度、弥散系数、储水体积和雷诺数,管道水文地质参数远远大于基岩裂隙介质,两种介质具有截然不同的水动力特征,管道介质比裂隙介质具有更好的水循环能力与渗透性能。（3）通过进一步分析管道介质（ZK7）和裂隙介质（ZK6）暴雨期的电导率、硝酸根离子（NO3-）、pH值等参数证实两种介质间存在水流交换;利用AquaLITE流速流向仪确定水流从基岩裂隙流向管道介质的速度和方向,流速介于305 um/s-1056.7 um/s,流动方向介于324.7NW-257.3SW之间,可以判断地下水从基岩裂隙流向岩溶管道介质。（4）设计了岩溶管道与基岩裂隙介质水动力模拟的物理模型,提出6组管道裂隙组合模式,定量研究不同水流状态下,基岩裂隙和岩溶管道水动力特征以及介质间水流交换规律。通过多组试验以及回归分析得出水流交换量与水头差的平方根成正比。（5）修改（CFP Conduit Flow Process）源程序中管道与基岩裂隙水流交换项,构建理想模型并讨论了裂隙介质渗透系数及给水度、管道形态、水流交换系数、降雨强度以及管道非承压对水流交换的影响,并将CFP模型应用于寨底岩溶含水系统水流模拟,对比修改前后模型精确度,修改后CFP模型能够较好的模拟出岩溶水流运动规律。

论文目录

  • 中文摘要
  • abstract
  • 第1章 引言
  •   1.1 选题背景与研究意义
  •   1.2 国内外研究现状及进展
  •     1.2.1 裂隙-管道介质水流交换规律研究
  •     1.2.2 多重含水介质数值模拟研究
  •     1.2.3 CFP双重介质耦合模型
  •     1.2.4 存在问题及发展趋势
  •   1.3 研究内容及技术路线
  •     1.3.1 研究目标和内容
  •     1.3.2 技术路线
  •     1.3.3 创新点
  • 第2章 岩溶含水介质结构特征
  •   2.1 岩溶含水介质
  •   2.2 岩溶含水介质非均质性
  •   2.3 岩溶管道裂隙介质形成机理
  •   2.4 岩溶含水层的垂直分带
  •   2.5 岩溶水流运动概念模型
  •   2.6 典型岩溶含水介质结构与水动力特征
  •     2.6.1 自然地理条件
  •     2.6.2 岩溶含水介质系统
  •     2.6.3 岩性及构造对岩溶含水介质的作用
  •     2.6.4 水动力对岩溶含水介质的作用
  •     2.6.5 岩溶裂隙-管道含水介质水流特征
  •   2.7 本章小结
  • 第3章 基岩裂隙与岩溶管道水动力特征
  •   3.1 寨底岩溶水监测系统及野外试验装置
  •     3.1.1 岩溶水监测系统
  •     3.1.2 野外试验设备与装置
  •   3.2 不同介质系统水动力特征
  •     3.2.1 管道与裂隙介质水动力特征
  •     3.2.2 不同介质类型对降水的响应特征
  •     3.2.3 不同介质类型水文地质参数特征
  •   3.3 基于泉流量过程线管道流与裂隙流识别
  •   3.4 管道与裂隙介质水流交换规律
  •     3.4.1 裂隙-管道介质水化学变化特征
  •     3.4.2 水流交换流速及方向
  •   3.5 裂隙-管道水流交换规律
  •   3.6 本章小结
  • 第4章 裂隙与管道双重介质物理模型
  •   4.1 物理模型结构
  •     4.1.1 基岩裂隙-岩溶管道介质系统
  •     4.1.2 数据采集系统
  •     4.1.3 定水头装置
  •     4.1.4 数据监控软件
  •   4.2 试验方案
  •   4.3 试验结果讨论
  •     4.3.1 基岩裂隙与岩溶管道流量数据分析
  •     4.3.2 水流交换规律
  •   4.4 本章小结
  • 第5章 改进CFP程序模拟岩溶水流特征
  •   5.1 CFP（Conduit Flow Process）子程序简介
  •     5.1.1 CFP（Conduit Flow Process）子程序模块
  •     5.1.2 理论基础
  •   5.2 管道流CFP程序改进
  •   5.3 改进CFP理想模型应用
  •     5.3.1 理想模型
  •     5.3.2 模拟网格和时间步长敏感性分析
  •     5.3.3 讨论不同参数对水流交换的影响
  •   5.4 模拟物理模型
  •   5.5 改进CFP模型应用于岩溶含水层
  •     5.5.1 概念模型
  •     5.5.2 数学模型
  •     5.5.3 结果分析
  •   5.6 本章小结
  • 第6章 结论与展望
  •   6.1 结论
  •   6.2 工作展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 论文发表
  • 作者简介

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 赵良杰

    导师: 邵景力,夏日元

    关键词: 岩溶管道,双重介质,物理模型,水流交换,数值模型

    来源: 中国地质大学(北京)

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 地质学

    单位: 中国地质大学(北京)

    分类号: P641.134

    DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.001590

    总页数: 128

    文件大小: 14611K

    下载量: 442

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