落水洞對裂隙—管道介質泉流量衰減過程影響的試驗研究

周玥+束龍倉+方依雯+翟月+王碩+魯程鵬

摘要：巖溶裂隙-管道是我國西南地區的主要地下儲水空間和導水通道，落水洞是巖溶地區臨時性吸收地表水流的重要過水通道，在西南地區分布密集。開展落水洞大小對裂隙-管道介質中泉流量過程影響的研究，對指導巖溶水可持續開發利用和推動巖溶水研究具有深刻意義。文章研究了落水洞對泉流量衰減過程的影響，利用自制的裂隙-管道物理模型，模擬落水洞不同斷面尺寸、填充程度下的泉流量衰減過程，由衰減曲線探求衰減系數受不同因子的敏感程度。試驗表明：泉流量衰減過程可分為三個亞動態，大致符合指數型衰減。其中，第一亞動態的衰減系數受落水洞斷面尺寸影響較大，落水洞斷面尺寸越小，衰減系數越大；落水洞的填充程度越高，衰減系數越大。

關鍵詞：落水洞；裂隙-管道介質；物理模型；泉流量過程

中圖分類號：P641 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）03-0108-05

Abstract：The karstic fissures and conduits are the main underground water-storing space and water-conducting channels in Southwest China.Sinkholes are important water discharge channels for temporary storage of the surface water in karst area，and are widely distributed in the Southwest.To study the effects of sinkholes on the spring flow attenuation process is of great importance of karst water resources and the study of the karst hydrology.A physical model of fissure-conduit medium was set up in this study，and was used to simulate the spring flow attenuation process for different cross-section sizes and filling degrees of the sinkhole.The sensitivity of the attenuation coefficient to different factors was explored with the attenuation curve.Results of the experiments demonstrated that the exponential attenuation formulation can describe the attenuation process generally，and the attenuation curve can be divided into three phases.The attenuation coefficient of the first phase is much subject to the cross-section size of the sinkhole.The attenuation coefficient will increase as the sinkhole cross-section size decreases，and it has positive correlation with the filling degree of sinkholes.

Key words：sinkhole；fissure-conduit media；physical model；spring flow process

1 研究背景

我國西南巖溶面積占全國巖溶總面積的1/3左右，裂隙-管道是其主要的儲水空間和導水通道。管道部分主要由臨時性吸收地表水的落水洞、地下暗河等組成。落水洞導水、匯水能力強，通道較寬大，補給地下河速度快[1]。因此在降雨季節，落水洞會對泉流量衰減產生一定影響。

第15卷 總第90期·南水北調與水利科技·2017年6月 周 玥等·落水洞對裂隙-管道介質泉流量衰減過程影響的試驗研究巖溶水在地下的運動過程與運動規律難以直接觀測，但地下水一般以泉的形式出露地面，因而研究泉流量過程是研究巖溶水運動的有效方法。在降水補給影響下，泉流量過程分為泉流量增大過程，穩定波動過程和衰減過程三部分[2]。泉流量衰減分析是獲取含水介質結構特征的重要工具[3]。研究者發現泉流量衰減曲線可以反映含水介質的滲透系數、給水度等特征[4]。楊立錚[1]建立了后寨河冒水坑站泉流量單一指數型衰減方程，將其衰減分為三個亞動態。陳犖等[5]和李頌章等[6]分別根據所研究區域的泉流量資料擬合泉流量過程以探究人類活動對巖溶泉流量衰減的影響機制。

很多學者已對裂隙—管道的水流運動進行大量研究，Király等[7]建立第一個管流和滲流耦合的巖溶水數值模型，此后研究者多利用滲流—管道流耦合的數值模型模擬巖溶含水系統以探究巖溶水運動基本規律[8-10]及溶質運移機理并應用于含水層污染評價[11-13]，而沈振中等[14-16]則是通過室內試驗探究多重含水介質的特性。上述研究發現：泉口大小是影響泉流量衰減的主要因素，泉口越大衰減系數越大，此外補給狀態、含水介質初始蓄水狀態同樣影響泉流量衰減過程[2，17]。在高度發育的巖溶地區，落水洞作為巖溶含水系統中地表水向下集中滲流的主要通道[18]，其斷面尺寸及填充程度與泉流量衰減特征之間的關系研究，對促進巖溶水理論研究和可持續開發利用，提高石漠化治理水平具有重要作用。

本文基于自主研發的裂隙-管道雙重介質模型對巖溶含水系統進行物理模擬，初步探究落水洞斷面尺寸及填充程度對泉流量衰減過程的影響及其作用機理。

2 模型及方法介紹

2.1 模型介紹

該試驗研究在貴州省普定縣后寨河水文地質概念模型基礎上將其簡化成相應的裂隙-管道介質地下水流運動的物理模型。

物理模型（圖1）主要包括四部分：降雨補給系統，裂隙-管道介質模擬區，水頭采集系統和排氣系統。其中裂隙-管道介質模擬區長1.30 m，高0.98 m，寬0.04 m，材料為光滑有機玻璃板。模型內部層面裂隙隙寬為2 mm，共設8層；垂直層面裂隙隙寬為1 mm，每層設10條；裂隙網絡最右側落水洞斷面尺寸為4 cm×4 cm，裂隙網格下方鋪設一條斷面為4 cm×4 cm的水平管道。該裝置對裂隙-管道介質設置降水噴淋供水系統，作為單獨的供水系統。進入模擬區的降雨強度可通過入口處的閥門進行控制，閥門處有均勻刻度0至8。閥門關閉時記為補給強度0，閥門開至最大時，記為補給強度8，其余各閥門開度分別對應不同補給強度。補給強度為8時流量大小為127 cm3/s，強度為7時，流量為126 cm3/s，強度為6時，流量122 cm3/s，強度5時112 cm3/s，強度為4時，流量為92.7 cm3/s。管道出口處連接電磁流量計測量不同時刻的流量。層面裂隙左側每間隔一層設置一條橡皮管作為排氣設施。另外用厚度分別為2.5 mm和5.0 mm的若干有機玻璃條模擬整個落水洞的斷面尺寸，以及長寬高為3 cm×2 cm×10 cm的若干有機玻璃塊模擬實際落水洞的填充情況。

2.2 衰減方程法

式中：Qt為t時刻的流量（m3/s）；Q0 為衰減開始時刻的流量（m3/s）；α為衰減系數，無量綱。在高度發育的巖溶地區，多使用指數衰減方程（2）對泉流量衰減過程進行擬合[19]。因為當水流主體為重力水時，指數衰減方程更能擬合實際水流運動。

衰減系數α即為半對數坐標紙上直線的斜率，是定量描述泉流量衰減過程的重要指標，本文利用公式（2）對模擬試驗區泉流量衰減過程進行定量分析。2.3 試驗方案及過程

本文通過控制落水洞斷面尺寸和填充程度的不同，分析其對泉流量衰減過程的影響。具體設計方案如下。

實驗1：通過控制出流閥門開度使泉口大小相同，控制補給閥門開度使補給強度相同，通過增加墊片來研究落水洞的整個斷面尺寸對泉流量衰減系數的影響。隨著加入墊片厚度的增加，落水洞斷面尺寸減小。實驗1共設置5組實驗，各組落水洞斷面尺寸為3.75 cm × 4 cm、3.5 cm × 4 cm、3.25 cm × 4 cm、3 cm × 4 cm、2.5 cm × 4 cm。

實驗2：本實驗共設計2組對照實驗，分別為：a.同等體積不同位置的堵塞物對衰減系數的影響。b.不同體積同一位置的堵塞物對落水洞衰減系數的影響。a組實驗共設3組實驗，分別在落水洞底部、中部、中下部增加1塊2 cm×3 cm×10 cm的有機玻璃塊，即堵塞物。b組實驗共設5組實驗，在落水洞底部分別增加1至4塊同等規格的有機玻璃塊，即設底部1塊、底部2塊、底部3塊、底部4塊有機玻璃塊的四組實驗。

試驗步驟如下。

（1）接通流量計電源，打開水箱補給開關，在其溢流后開啟補給閥門，記錄開始補給時間；

（2）觀測泉口出流情況，記錄出流時間，待落水洞中水位穩定后，記錄穩定水位；

（3）關閉補給閥門，記錄停止補給時間，觀測泉口出流情況，記錄斷流時間；

（4）將流量計中讀數導出，進行后期處理分析。

在試驗中流量計讀數與真實流量間存在差值，采用滑動平均法對流量計進行校準。在泉流量衰減后期，因為流量計量程受限無法測量小流量數據，采用人工方法測量衰減后期流量。

3 結果分析

3.1 泉流量衰減過程亞動態劃分

已有研究表明在整個衰減過程中，衰減系數是不斷變化的，一般可根據衰減系數的大小將衰減曲線分為三個亞動態[20]。

由圖2可見，泉流量衰減過程大致可分為三個亞動態，其衰減系數分別為0.0291，0.0031，0.0009。不同亞動態衰減系數相差近一個數量級。參照楊立錚[1]對貴州普定后寨河地下河出口泉流量衰減過程的分析，可判斷第一亞動態為管道釋水階段，第二亞動態為少量管道釋水及裂隙釋水階段，第三亞動態為裂隙釋水階段。泉流量衰減過程第一亞動態擬合效果較差，單獨研究得圖3。

第一亞動態的釋水過程部分點據呈現極緩衰減段、快速衰減段和緩慢衰減段三個部分。經分析，本文認為出現此過程的原因是流量計測流管中的水流由有壓流轉變為無壓流。當水位降至出水口處時，水流未能充滿整個流量計接水管，流量計測流管內水由有壓流轉變為無壓流。當測流管中水流逐漸轉變為無壓流過程中，由于裝置性能限制無法徹底排除氣泡影響，流量計讀數略有異常，在選取第一亞動態衰減系數時應排除其干擾。

3.2 落水洞對泉流量衰減過程的影響

實驗1研究落水洞不同尺寸對衰減系數的影響，當補給強度為6，墊片厚度分別為0.25 cm、0.5 cm、0.75 cm、1 cm、1.5 cm時，得到不同情況下泉流量衰減情況，見圖4。

由圖4可見增加不同尺寸的墊片，第一亞動態的衰減系數差別較大，如表1所示。所加墊片較少時，落水洞衰減系數較小，不斷增加墊片衰減系數也逐漸增大。當所加墊片尺寸大于0.75 cm時，衰減系數增大幅度減小。因此落水洞尺寸越大，第一亞動態衰減系數越小。當落水洞斷面尺寸大于等于3.25 cm × 4 cm時，衰減系數隨落水洞尺寸的減小而增大，當落水洞斷面尺寸小于3.25 cm×4 cm時，衰減系數變化幅度較小。可能的原因是：當落水洞尺寸較大時，落水洞中導水和儲水能力較大，補給管道能力強，衰減系數小；當落水洞尺寸較小時，落水洞導水和儲水能力較小，在同樣的泉口大小下，落水洞補給管道的能力相對較弱，衰減系數增大。

實驗2研究落水洞的局部斷面形態對衰減系數的影響，通過在落水洞的不同位置增加不同數量的形狀規則的玻璃塊改變落水洞填充程度。本實驗共設計兩組對照組，分別為：a.同等體積不同位置的影響；b.不同體積同一位置的影響，具體衰減情況如圖5。

由圖5（a）、5（b）及表2發現落水洞不同斷面處的同等形態變化對泉流量衰減過程無明顯影響，由圖5（c）、5（d）及表2可得，同一位置不同體積的堵塞物對第一亞動態衰減系數有一定影響。堵塞體積越大，衰減系數越大。實驗結果可能是因為落水洞有極強的導水特性，堵塞物的體積直接影響到落水洞的導水和儲水能力，所以當堵塞物尺寸較小時不同的堵塞位置影響不顯著；但當堵塞物尺寸增大時，落水洞的導水和儲水能力顯著減小，所以當加入的玻璃塊體積越大，落水洞導水能力越小，第一亞動態泉流量衰減系數越大。由圖5（e）、5（f）可得，落水洞形態對泉流量衰減第二、三亞動態的衰減系數影響很小，幾乎可以忽略。這是因為泉流量衰減第二、三亞動態主要是裂隙和底部管道釋水，基本上不受落水洞的影響，這也進一步證實了對不同亞動態劃分的合理性。

4 結論

通過落水洞對裂隙—管道介質泉流量衰減過程影響的一系列物理試驗，得出以下結論。

（1）泉流量衰減過程大致可分為三個亞動態：第一亞動態為管道釋水階段，第二亞動態為少量管道釋水及裂隙釋水階段，第三亞動態為裂隙及底部管道釋水階段。

（2）落水洞的尺寸大小對第一亞動態的衰減系數的影響較大，落水洞尺寸越小衰減系數越大。當落水洞的尺寸減小到一定程度時，衰減系數增大幅度逐漸減小。

（3）在保證落水洞與地下暗河連通的前提下，落水洞斷面形態變化的位置對泉流量衰減過程無明顯影響，落水洞的填充程度大小對第一亞動態衰減系數有一定影響。落水洞的填充程度越大，衰減系數則越大。

（4）落水洞形態對泉流量衰減第二、三亞動態的衰減系數影響很小，幾乎可以忽略。

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