岩溶裂隙-管道水动力弥散特征室内模拟研究

摘要

岩溶含水系统的特殊性使传统的野外地质手段受到很大的限制，室内模拟成为现今研究岩溶裂隙-管道水渗流理论及溶质运移问题的一个有效手段。为揭示岩溶裂隙-管道含水系统中水流及溶质的运移特性，本文基于系统、完整的裂隙-管道含水层补、径、排等特征建立岩溶裂隙-管道含水系统概念模型，以概念模型为设计依据、针对含水通道结构的相似性，设计并制作了用于室内试验的岩溶裂隙-管道三维物理模型，进行水动力和溶质运移模拟。该模型主体部分包含降雨模拟器、表层岩溶带入渗箱、交叉裂隙带和管道网络几个组件，降雨模拟器降雨均匀度高、降雨强度可控，表层岩溶带充填的介质灵活装卸，裂隙、管道启闭方便。 本试验规划了不同降雨条件下和不同含水结构中的水文过程模拟方案；设计了非饱和流和饱和流条件下，溶质在裂隙-管道、裂隙和管道中的运移过程模拟方案。试验结果发现：（1）裂隙-管道出口泉流量过程受降雨强度、表层岩溶带和含水结构的影响，流量过程曲线可分为三个阶段：流量迅速增涨阶段、流量稳定波动阶段和流量衰退阶段；（2）退水过程分数多项式的非线性数学拟合优度很高，但拟合参数的物理意义有待进一步探索，传统的退水方程二次式拟合的初始流量比指数衰减函数的拟合值更接近实测数据；（3）非饱和流中溶质运移穿透曲线（BTCs）的对称性比饱和流的好，初现时间和峰现时间均较早，多点注入时BTCs存在多峰现象；（4）纵向弥散系数的影响因素主要有示踪剂投放点-接收点间的线性距离（x）、初现时间（t0）、峰现时间（tm）、峰值浓度（cm）、示踪剂平均运移速度（V）和含水介质空隙率（p）等；（5）高斯多峰拟合能很好地预测多峰BTCs的整体形状和变化趋势。 本试验的研究成果在岩溶裂隙-管道水动力特性及岩溶地下水溶质运移的试验研究领域具有重要的参考意义。同时可为野外示踪试验的设计提供参考。

目录

第一章 绪论

1.1选题意义与目的

1.2国内外研究现状

1.2.1岩溶水文地质学方法研究

1.2.2岩溶裂隙、管道水研究

1.2.3岩溶裂隙-管道室内模型研究

1.2.4存在问题

1.3主要研究内容和技术路线

1.3.1主要研究内容

1.3.2技术路线

1.4论文创新点

第二章 岩溶裂隙-管道试验模型设计与制作

2.1岩溶裂隙-管道系统概念模型概述

2.1.1岩溶地下水的补给来源及方式

2.1.2裂隙模型

2.1.3管道模型

2.1.4岩溶裂隙-管道概念模型

2.2岩溶裂隙-管道物理模型

2.2.1物理模型各组成部分

2.2.2模型制作与实施方式

2.3本章小结

第三章 岩溶裂隙-管道水动力试验模拟

3.1岩溶裂隙-管道水动力试验方案及过程

3.1.1岩溶裂隙-管道水动力试验方案

3.1.2岩溶裂隙-管道水动力试验过程

3.2岩溶裂隙-管道水动力试验结果及分析

3.2.1岩溶裂隙-管道渗流过程试验结果及分析

3.2.2岩溶裂隙-管道退水过程试验结果及分析

3.2.3退水过程的非线性拟合

3.3本章小结

第四章 岩溶裂隙-管道溶质运移试验模拟

4.1溶质运移试验方案及过程

4.1.1岩溶水溶质运移试验方案

4.1.2岩溶水溶质运移试验过程

4.2岩溶裂隙-管道溶质运移试验结果及分析

4.2.1岩溶裂隙-管道非饱和流中的溶质运移

4.2.2岩溶裂隙-管道饱和流中的溶质运移

4.2.3纵向弥散系数影响因素分析

4.2.4高斯多峰拟合在裂隙-管道溶质运移中的应用

4.3本章小结

第五章 岩溶裂隙-管道水动力弥散试验模型实例对比

5.1工程区基本概况

5.2实例示踪试验弥散参数求解

5.3示踪试验结果对比

5.4本章小结

第六章 结论及展望

6.1主要结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录

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