落水洞直徑對巖溶泉流量影響的試驗研究

溫忠輝+張依楠+蘇佳林

摘要：基于裂隙-管道介質物理模型，通過設計多組試驗方案，研究落水洞直徑的改變對巖溶含水系統調蓄能力及泉流量過程的影響。經試驗數據分析發現：調蓄系數隨著落水洞直徑增大而增大；在低強度下，落水洞直徑的改變對裂隙和落水洞共同釋水階段的衰減能力影響不大，而在高強度下，其衰減能力隨著落水洞直徑的增大明顯減??；底部管道釋水階段的衰減系數不受補給強度和落水洞直徑的影響，其值約為0.0017 1/h ；調蓄系數與第一階段衰減系數的乘積與落水洞直徑無關，與補給強度呈負相關關系。

關鍵詞：巖溶泉流量；物理試驗；落水洞直徑；調蓄系數；衰減系數

中圖分類號：P641 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）04-0111-06

Abstract：Using the physical model of fissure-conduit media，we designed several experiments to study the effects of sinkhole diameter variations on the storage capacity and spring flow process of the karst aquifer system.Data analysis revealed that the regulating coefficient increased with the increase of sinkhole diameter.At low recharge rates，the variation of sinkhole diameter had little effect on the attenuation capacity at the stage where the fissure and sinkhole released water simultaneously.However，at high recharge rates，the attenuation capacity obviously declined with the increase of sinkhole diameter.The attenuation coefficient at the stage where the bottom pipeline released water was about 0.0017 1/h，and it was not affected by the recharge rate or the sinkhole diameter.The product of the regulating coefficient and the attenuation coefficient of the first stage was negatively correlated to the recharge rate，but was independent of the sinkhole diameter.

Key words：karst spring flow；physical experiment；sinkhole diameter；regulating coefficient；attenuation coefficient

1 研究背景

在我國西南巖溶地區，雖降水充沛，但由于該地區的落水洞、巖溶漏斗、地下河天窗等地表巖溶地貌極其發育，大氣降水及地表水會沿著這些巖溶通道集中入滲補給地下水，從而導致地表水匱乏，人水矛盾突出[1]，并且水資源短缺問題將隨著巖溶地貌進一步發育而更加嚴重。近年來，許多學者對西南巖溶地區含水系統水動力特征展開研究，以便為解決水資源問題提供有力的理論支撐。

落水洞作為巖溶垂直發育階段的產物，是巖溶含水介質內主要的集水區域和過流通道[2]。其在形成的初始階段，侵蝕作用以沿垂直裂隙的溶蝕為主。當孔洞擴大以后，補給強度很大時，大量地表水流集中匯入落水洞，水流所攜帶的大量泥沙石礫不斷地對洞壁四周進行磨蝕，同時還會伴隨著巖體的崩塌，使落水洞迅速擴大[3]。相比落水洞的擴大速度，巖溶裂隙和地下河因受地下水流的溶蝕所引起的尺寸改變可忽略。落水洞除起著匯水和輸水作用外，在補給強度很大的情況下，落水洞內很可能來不及消水，水位壅高[4]，這時落水洞還起著儲水作用。由此可見，落水洞對巖溶含水介質水流運動有著重要影響。

巖溶含水介質水流運動研究的一個重要方面是泉流量過程的研究，特別是泉流量衰減過程[5]。泉流量衰減過程不僅反映含水層的結構特征，亦反映含水介質對地下水的調蓄能力。黃敬熙[6]利用流量衰減方程計算各亞動態貯水量占總貯水量的百分比，分析了洛塔地區不同塊段巖溶水的主要賦存形式。程星等[7]從影響巖溶地下水調蓄功能的因素出發，對影響巖溶泉流量衰減的巖性、構造、降水入滲方式、洞穴地貌演化階段、排泄條件等因素進行了定性分析。孫晨等[8]利用裂隙-管道雙重介質物理模型，定量分析了泉口大小、降雨、蓄水狀態等對泉流量衰減過程的影響。

目前，針對落水洞對巖溶泉流量過程影響的研究還未多見。本文將以落水洞為研究對象，探究巖溶通道的發育程度對含水系統地下水流運動規律的影響。因實測資料有限，理想化數學模型適用范圍受限制，所以依據西南巖溶地區的水文地質概念模型，建立了含有落水洞的裂隙-管道介質物理模型，通過改變落水洞直徑來探討其對巖溶含水系統調蓄能力及泉流量過程的影響，以期為巖溶地貌發育對地下水流運動規律影響的研究提供參考。

2 研究方法

2.1 物理模型

物理模型之所以成為研究巖溶含水系統的有效工具，是因為其在一定程度上可以按照野外實際的水文地質條件進行任意改變[9]。本文通過對裂隙-管道介質水文地質概念模型合理簡化，建立了如圖1中的裂隙-管道介質物理模型。該物理模型由三部分組成：裂隙-管道介質區、降雨補給系統、流量采集系統。裂隙-管道介質模擬區長1.20 m，高 0.89 m，寬0.04 m，其中水平層間裂隙隙寬為2 mm，共設8層；垂直裂隙隙寬為1 mm，每層10條。裂隙網絡右側和底部均設置一條截面為0.04 m×0.04 m的方形管道，其中右側管道模擬落水洞，底部管道模擬地下暗河。降雨補給系統采用共同補給方式，即裂隙分散補給和落水洞集中補給，并通過調節閥門控制補給強度大小。流量采集系統與底部管道連通的泉口處接有電磁流量計，以便實時記錄出口流量的變化過程。

3 試驗過程與結果分析

3.1 試驗過程

3.1.1 方案設計

準備2種不同尺寸的墊片，其中尺寸為85 cm×4 cm×0.5 cm的墊片4個，尺寸為85 cm×4 cm×0.25 cm的墊片1個。然后，將兩種墊片進行隨機組合，放入模型右側的落水洞中，以改變落水洞的直徑。落水洞直徑從2 cm增加到4 cm，每增加0.25 cm為一組方案，共九組試驗方案。

此外，由于泉流量過程與補給強度有關，為保證結果的合理性與可靠性，每組方案下設置多種不同補給強度。

3.1.2 操作過程

開啟補給閥門，并保持補給強度不變，直至裝置內水位不再變化時停止補給。當泉口停止排水時，即為一個完整的泉流量過程。此過程由電磁流流量計每隔一秒記錄一次，數據可用U盤直接從溫壓補償流量積算器設備中拷貝，節省人力與時間。

3.2 結果分析

3.2.1 泉流量過程

根據試驗所得到的時間流量序列，繪制泉流量過程曲線，見圖2。由圖2可見，一個完整的泉流量過程分為三個階段：上升階段，平穩階段和下降階段。其中下降階段又分為四個階段，先陡然下降，再平緩下降，后急劇減小至零，最終以零流量持續至斷流。其中，后兩個階段是當模型中水位降至泉口后的衰減過程，由于此階段泉口不飽和，流量計無法準確測出其流量值。因此，在后面分析中不做考慮。不同補給強度及不同落水洞直徑情況下，其泉流量過程曲線均與圖2類似。

3.2.2 補給強度與穩定水位

補給強度與穩定水位存在著正相關關系，補給強度越大，穩定水位越高。本試驗共有九種不同的落水洞直徑方案，取落水洞直徑為2 cm、2.5 cm、3 cm、3.5 cm和4 cm五種情況，將其不同補給強度下的穩定水位點繪在同一張圖上，見圖3。

由圖3可見，這些散點大致分布在某一固定的直線上，經計算可確定這一直線方程為y=0.011 36 x+0.988 09。即在不同的落水洞直徑下，補給強度與穩定水位之間的關系是確定的。

3.2.3 調蓄系數

選取各方案下泉流量過程的第一階段，即泉流量上升階段，采用式（2）計算不同直徑的落水洞的調蓄系數，計算結果見表1，并繪圖4。

由表1可見，同一直徑下，補給強度越大，調蓄系數越小。由前面可知，補給強度越大，穩定水位越高，模型中蓄水量越大，但同時達到穩定水位所需要的時間也越長，因而，補給量在模型中滯留的比例越小，調蓄能力越弱。由圖4可見，在同一補給強度下，調蓄系數隨著落水洞直徑的增大有增大的趨勢。由前面可知，補給強度相等時，穩定水位也基本相等，落水洞直徑越大，模型中蓄水量越大，同時達到穩定水位所需時間基本相等，因而，補給量在模型中滯留的比例越大，調蓄能力越強。

3.2.4 衰減系數

泉流量衰減過程僅考慮前兩個階段，即陡然下降階段和平緩下降階段，詳見圖5中的①和②。經數據分析可知，前者為裂隙和落水洞共同釋水階段，后者為底部管道部分釋水階段。采用式（3）分別對兩個階段進行曲線擬合，求出相應的衰減系數。

（1）第一階段衰減系數。

裂隙和落水洞共同釋水階段的衰減系數與補給強度和落水洞直徑的關系見圖6和圖7。由圖6可見，衰減系數隨著補給強度先增加后趨于不變，轉折點在補給強度為1.5 m3/h左右。其它不同直徑落水洞的第一階段衰減系數變化趨勢均與上述相同。由圖7可見，在不同補給強度下，衰減系數均隨著落水洞直徑的增大而減小。其中在低強度下，落水洞直徑的改變對衰減能力的影響不大，斜率小于0.001。而在中等強度和高強度下，衰減系數均隨著落水洞直徑的增大呈直線下降趨勢。這是因為補給強度越高，穩定水位越高，不同直徑落水洞的穩定蓄水量相差越大。

此外，利用式（4）計算第一階段的衰減速率，取其中五種直徑，點繪其衰減速率與補給強度的散點圖。由圖8可見，同一直徑下，衰減速率隨著補給強度的增加先增加后趨于平穩，轉折點在補給強度為1.7 m3/h左右。在低強度下，不同直徑落水洞下的衰減速率相差不大。高強度下，落水洞直徑越大，其衰減速率越小。上述變化規律與衰減系數基本一致。

（2）第二階段衰減系數。

底部管道釋水階段的衰減系數與補給強度和落水洞直徑的關系見圖9和圖10。由圖9可知，衰減系數隨著補給強度變化不大，因此，可求其均值作為不同直徑落水洞下的衰減系數。由圖10可知，落水洞直徑的改變對底部管道釋水能力的影響不大。經計算，第二階段的衰減系數大約為0.001 7 1/h ，數量級為-2，比第一階段小一個數量級。平均衰減時間為23 s，相當于模型蓄水一半時第一階段的衰減歷時。

由表2可見，B值范圍在0.007～0.012。在同一補給強度下，不同直徑落水洞的B值相差不大，可認為B值與落水洞直徑無關。在同一直徑下，B值隨著補給強度增大而減小。經計算，可確定B與i之間的關系為：B=-0.004 29i+0.016 24。

4 結論

本文通過設計多種試驗方案，探討了落水洞直徑大小對巖溶含水系統調蓄能力及泉流量衰減過程的影響。主要得出以下結論。

（1） 調蓄能力與補給強度呈負相關關系，與落水洞直徑呈正相關關系。

（2）裂隙和落水洞共同釋水階段的衰減系數隨著補給強度先增加后趨于不變，存在轉折點。在低強度下，落水洞直徑的改變對衰減能力影響不大。而在高強度下，衰減能力隨著落水洞直徑的增大明顯減小。

（3） 底部管道釋水階段的衰減系數不受補給強度和落水洞直徑的影響，衰減系數大約為0.001 7 1/h ，比第一階段小一個數量級。

（4） 調蓄系數與第一階段衰減系數的乘積與落水洞直徑無關，與補給強度呈負相關關系。