牛子豪，束龍倉(cāng)，林 歡，李 昶，馮佳琪，譚易成，王 熹，齊天松

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

不同補(bǔ)給條件下裂隙-管道介質(zhì)間水流交換的示蹤試驗(yàn)研究

牛子豪，束龍倉(cāng)，林 歡，李 昶，馮佳琪，譚易成，王 熹，齊天松

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

為探究巖溶含水系統(tǒng)中裂隙-管道介質(zhì)間不同補(bǔ)給方式下水流交換情況，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)借助高精度攝像儀和有色示蹤劑對(duì)其進(jìn)行可視化觀測(cè)。設(shè)計(jì)多組試驗(yàn)對(duì)單獨(dú)補(bǔ)給裂隙、共同補(bǔ)給、裂隙和落水洞分開同時(shí)補(bǔ)給三種補(bǔ)給方式下水流交換情況進(jìn)行探討，從而定性地分析水流交換情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：落水洞對(duì)裂隙水?dāng)U散的影響隨裂隙距離落水洞的距離增大而減小；相較于共同補(bǔ)給情況，單獨(dú)補(bǔ)給裂隙情況下落水洞對(duì)裂隙水?dāng)U散影響較大；在分開同時(shí)補(bǔ)給情況下裂隙與落水洞補(bǔ)給水量相同時(shí)，僅呈現(xiàn)裂隙對(duì)落水洞的單向補(bǔ)給。

巖溶含水系統(tǒng)；裂隙-管道介質(zhì)；可視化；補(bǔ)給方式

裂隙-管道介質(zhì)是我國(guó)西南地區(qū)碳酸鹽巖地層的主要儲(chǔ)水空間和導(dǎo)水通道。開展裂隙-管道復(fù)雜介質(zhì)中地下水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，對(duì)指導(dǎo)巖溶水可持續(xù)開發(fā)利用和石漠化治理，推動(dòng)巖溶水運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究具有重要科學(xué)意義[1]。巖溶含水系統(tǒng)具有高度的非均質(zhì)性，其中發(fā)育有孔隙、裂隙、管道、洞穴等多種空隙，介質(zhì)結(jié)構(gòu)及水流特征都非常復(fù)雜，給巖溶地區(qū)水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究帶來(lái)很多困難[2～3]。因此建立合適的物理模型進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)成為近年研究巖溶地區(qū)水流運(yùn)動(dòng)的有效方法。

現(xiàn)有基于物理模型的探究巖溶水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)手段主要有分析泉流量過(guò)程特征和分析溶質(zhì)運(yùn)移穿透曲線兩類。Faulkner建立了巖溶孔隙管道雙重介質(zhì)物理模型進(jìn)行水流和溶質(zhì)運(yùn)移試驗(yàn)[4]。滕強(qiáng)等基于離散的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型和裂隙介質(zhì)管道流模型，在室內(nèi)建立了一套裂隙管道網(wǎng)絡(luò)物理模型試驗(yàn)裝置，通過(guò)隨機(jī)地調(diào)整裂隙幾何參數(shù)，實(shí)施了不同“裂隙巖體”的滲流和溶質(zhì)運(yùn)移試驗(yàn)[5]。在已有的室內(nèi)試驗(yàn)中，采用有色示蹤劑作為試驗(yàn)技術(shù)手段的試驗(yàn)在文獻(xiàn)中并不多見。

現(xiàn)有的試驗(yàn)多僅以泉流量衰減過(guò)程為分析對(duì)象。季葉飛等采用英國(guó)研制的BHS物理模型模擬巖溶地區(qū)泉流量的衰減過(guò)程及不同水源間的轉(zhuǎn)化機(jī)理[6]；孫晨等利用裂隙-管道雙重介質(zhì)物理模型，針對(duì)泉口大小、降雨、蓄水狀態(tài)等因素對(duì)泉流量衰減過(guò)程的影響進(jìn)行了定量分析[2]。然而，以泉流量全過(guò)程為分析對(duì)象的物理模型試驗(yàn)研究在文獻(xiàn)中尚不多見。

本文運(yùn)用可視化的物理模型、可自動(dòng)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的高精度攝像儀，以有色示蹤劑為技術(shù)手段對(duì)物理模型中地下水運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉。分析泉口出流全過(guò)程對(duì)應(yīng)的裂隙-管道介質(zhì)內(nèi)裂隙水流和管道水流的交換情況，進(jìn)行多組試驗(yàn)，研究不同補(bǔ)給方式對(duì)裂隙水流和管道水流交互過(guò)程的影響，得到裂隙-管道含水介質(zhì)內(nèi)裂隙水流和管道水流交換對(duì)不同補(bǔ)給方式的響應(yīng)規(guī)律。為今后巖溶多重介質(zhì)的地下水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究提供科學(xué)依據(jù)，得到的結(jié)論也可為巖溶地區(qū)地下水污染物遷移問題的研究提供參考。

1 物理模型介紹

裂隙-管道介質(zhì)物理模型以我國(guó)西南地區(qū)的巖溶含水系統(tǒng)為原型研制而成。裂隙管道介質(zhì)在巖溶水的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起到了重要的作用[7]。盧耀如指出西南巖溶地區(qū)管道型巖溶水系統(tǒng)可分兩大類:一類是巖溶暗河系統(tǒng)，即暗河集中管道系統(tǒng)，是依靠洼地、落水洞及溶蝕裂隙匯聚下滲的水流；另一類是地下伏流系統(tǒng)，是地表河水通過(guò)大管道流入地下，流經(jīng)一段距離后，又流出地表[8]。結(jié)合國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)西南地區(qū)巖溶含水系統(tǒng)的研究，本文設(shè)計(jì)了三種不同的補(bǔ)給方式探究巖溶含水系統(tǒng)裂隙管道間水量相互交換過(guò)程。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)給裂隙、單獨(dú)補(bǔ)給管道、裂隙管道共同補(bǔ)給的試驗(yàn)，分別模擬野外實(shí)際巖溶暗河含水系統(tǒng)中巖溶水的三種不同補(bǔ)給形式。研制的裂隙-管道介質(zhì)模型示意圖如圖1所示。通過(guò)開關(guān)a對(duì)裂隙進(jìn)行分散補(bǔ)給，通過(guò)開關(guān)b對(duì)管道進(jìn)行集中補(bǔ)給，裂隙網(wǎng)絡(luò)與管道補(bǔ)給系統(tǒng)之間設(shè)置有擋板c，用來(lái)改變不同的補(bǔ)給方式。模型泉口處連接流量計(jì)d，記錄模型泉口的流量變化過(guò)程。通過(guò)有色示蹤劑添加裝置e,可將NaOH溶液、酚酞溶液混合制成的紅色示蹤劑自動(dòng)、穩(wěn)定地注入裂隙入口1～5及落水洞。對(duì)裂隙進(jìn)行分散補(bǔ)給以及對(duì)管道進(jìn)行集中補(bǔ)給的補(bǔ)給源為兩個(gè)位勢(shì)高度相等的水箱，兩水箱通過(guò)固定高度的溢流裝置確保補(bǔ)給水頭恒定，在物理模型的開關(guān)a、b和各自對(duì)應(yīng)的補(bǔ)給水箱之間設(shè)置兩個(gè)可以改變開啟度的閥門，補(bǔ)給強(qiáng)度僅受閥門開啟度的影響。連接裂隙與補(bǔ)給水箱間的水管及閥門與連接管道與補(bǔ)給水箱間的水管及閥門規(guī)格相同。

圖1 裂隙-管道介質(zhì)模型概化示意圖Fig.1 Schematic diagram showing the physical model of fissures and conduit,diagrammatic sketch of the physical model

物理試驗(yàn)裝置按照其主要功能可以分為以下四個(gè)部分：裂隙-管道介質(zhì)模擬區(qū)、有色示蹤劑添加裝置、水頭恒定的降雨補(bǔ)給系統(tǒng)、泉口流量測(cè)量系統(tǒng)。

裂隙-管道介質(zhì)模擬區(qū)：長(zhǎng)1.30 m，高0.98 m，寬0.04 m，其材料主要為光滑有機(jī)玻璃板。模型內(nèi)部通過(guò)玻璃磚和墊片構(gòu)造成多組相間排列的層面裂隙(水平方向)和垂直層面裂隙(垂直方向)，層面裂隙平均隙寬為2 mm，共設(shè)8層；垂直層面裂隙平均隙寬1 mm，每層設(shè)10個(gè)垂直層面裂隙，共80個(gè)。它們共同組成相互垂直的裂隙網(wǎng)絡(luò)。裂隙網(wǎng)絡(luò)下方鋪設(shè)一條截面為0.04 m×0.04 m的方形管道。裂隙網(wǎng)絡(luò)右側(cè)設(shè)置一條截面為0.04 m×0.04 m的方形落水洞。

有色示蹤劑添加裝置：在裂隙-管道介質(zhì)模擬區(qū)的上方，設(shè)置一個(gè)裝有有色示蹤劑的輸液裝置，流量恒定地將有色示蹤劑注入裂隙-管道介質(zhì)模擬區(qū)中的指定位置，根據(jù)有色示蹤劑的擴(kuò)散路徑對(duì)裂隙(管道)中水體的流動(dòng)方向、范圍等進(jìn)行示蹤。

水頭恒定的降雨補(bǔ)給系統(tǒng)：降雨過(guò)程用高處連通的水箱模擬，水箱通過(guò)外部補(bǔ)給系統(tǒng)及頂部溢流裝置控制水箱內(nèi)水頭恒定，以便于對(duì)裂隙或管道進(jìn)行恒定強(qiáng)度的補(bǔ)給，模擬降雨補(bǔ)給的管道直徑為15 mm。

泉口流量測(cè)量系統(tǒng)：泉口與底部管道連通，泉口大小可控：6 mm、8 mm、10 mm，泉口處連接電磁流量計(jì)(型號(hào)HSQ15-D)，可以實(shí)時(shí)記錄泉水的流量和流速。

2 物理試驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

借助有色示蹤劑和高精度攝像儀對(duì)物理模型中水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉，研究不同補(bǔ)給方式對(duì)裂隙-管道間水量交換情況的影響，從而得到裂隙-管道間水量相互交換規(guī)律。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)先對(duì)裂隙-管道系統(tǒng)進(jìn)行定流量補(bǔ)給(在水箱蓄滿狀態(tài)下進(jìn)行補(bǔ)給，由閥門控制水箱進(jìn)行定水頭補(bǔ)給裂隙-管道系統(tǒng)，由有色示蹤劑添加裝置將有色水流恒定地注入裂隙-管道系統(tǒng))，同時(shí)開啟攝像儀進(jìn)行攝像，記錄開始補(bǔ)給時(shí)刻T1；

(2)裝置出口處安放流量計(jì)，測(cè)定出口處的流量變化情況；

(3)待泉口出流之后記錄出流時(shí)間T2；

(4)隨著試驗(yàn)的進(jìn)行通過(guò)觀測(cè)裝置中液體顏色的變化判斷裂隙水與管道水相互作用的情況，并監(jiān)測(cè)出口處流量；

(5)待裝置水位恒定或者達(dá)到蓄滿狀態(tài)以后停止補(bǔ)給，記錄停止補(bǔ)給的時(shí)刻T3，觀測(cè)裝置中的有色水流變化情況，記錄泉口停止出流時(shí)刻T4。

為了探究補(bǔ)給方式的不同對(duì)裂隙-管道間水量相互作用的影響，本文設(shè)計(jì)了三種不同的補(bǔ)給方式進(jìn)行控制試驗(yàn)：共同補(bǔ)給裂隙與落水洞、單獨(dú)補(bǔ)給裂隙、同時(shí)單獨(dú)補(bǔ)給裂隙與落水洞。不同補(bǔ)給方式的試驗(yàn)過(guò)程均一致，即保持泉口大小、補(bǔ)給強(qiáng)度一定，改變有色水流添加位置，用高清攝像儀記錄裝置中液體顏色的變化。

三種補(bǔ)給方式分別模擬自然界中巖溶地區(qū)的補(bǔ)給方式：

(1)裂隙與落水洞共同補(bǔ)給試驗(yàn)?zāi)M巖溶地區(qū)補(bǔ)給的主要方式，即裂隙網(wǎng)絡(luò)與落水洞共同接受入滲補(bǔ)給。

(2)單獨(dú)補(bǔ)給裂隙試驗(yàn)?zāi)M了補(bǔ)給強(qiáng)度小于裂隙網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的過(guò)流能力的情況，地表徑流在進(jìn)入落水洞之前已經(jīng)通過(guò)裂隙網(wǎng)絡(luò)完全入滲，即僅裂隙網(wǎng)絡(luò)接受補(bǔ)給，落水洞不接受補(bǔ)給。

(3)裂隙和落水洞同時(shí)分別接受補(bǔ)給試驗(yàn)，模擬了補(bǔ)給強(qiáng)度大于裂隙網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)過(guò)流能力的情況，地表徑流一部分入滲裂隙網(wǎng)絡(luò)，另一部分經(jīng)由巖溶洼地匯入落水洞。

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 裂隙與落水洞共同補(bǔ)給

本試驗(yàn)將上部補(bǔ)給水槽的裂隙與落水洞連接處的擋板c撤除，利用分散補(bǔ)給裝置(僅打開開關(guān)a)對(duì)落水洞和裂隙進(jìn)行共同補(bǔ)給。該情景也是實(shí)際巖溶地區(qū)補(bǔ)給的主要方式之一，裂隙網(wǎng)絡(luò)與落水洞共同接受入滲補(bǔ)給。

流量計(jì)記錄相同補(bǔ)給強(qiáng)度、泉口大小情況后，分別在5個(gè)不同裂隙(圖1)投入示蹤劑得到的泉流量過(guò)程線，見圖2。

圖2 補(bǔ)給強(qiáng)度、泉口大小相同時(shí)各裂隙示蹤試驗(yàn)泉 流量過(guò)程線圖Fig.2 Discharge hydrographs of tracing experiments of fissures with the same recharge intensity and size of outlet

在共同補(bǔ)給每次試驗(yàn)中補(bǔ)給開始時(shí)與管道水量穩(wěn)定階段(即泉流量穩(wěn)定階段)分別截圖進(jìn)行對(duì)比。補(bǔ)給強(qiáng)度恒定，補(bǔ)給開始時(shí)刻有色示蹤劑的擴(kuò)散范圍反映當(dāng)裂隙-管道介質(zhì)蓄水量為0時(shí)，在一定補(bǔ)給強(qiáng)度下水在其中的擴(kuò)散狀況，在泉流量過(guò)程線圖上對(duì)應(yīng)上升階段；當(dāng)模型水位不再上升時(shí)，表示一定補(bǔ)給強(qiáng)度下模型中所能儲(chǔ)存的水量達(dá)到最大，在泉流量過(guò)程線圖上對(duì)應(yīng)為上部的水平穩(wěn)定階段。該時(shí)刻有色示蹤劑的擴(kuò)散區(qū)域表示在該補(bǔ)給強(qiáng)度下特定的裂隙水最終的擴(kuò)散范圍，若保持補(bǔ)給強(qiáng)度不變繼續(xù)進(jìn)行補(bǔ)給，有色區(qū)域的范圍保持不變。

圖3分別為裂隙5、裂隙4、裂隙3、裂隙2、裂隙1在共同補(bǔ)給條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中左半部分截圖為實(shí)驗(yàn)剛開始，裂隙-管道介質(zhì)蓄水量為0時(shí)有色示蹤劑的擴(kuò)散情況；右半部分截圖為落水洞中水位達(dá)到穩(wěn)定時(shí)有色示蹤劑的擴(kuò)散情況。

圖3 裂隙與落水洞共同補(bǔ)給試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.3 Contrast pictures for the experimental results of recharge through both the sinkholes and fissures

將左列圖(圖3(a1)、(b1)、(c1)、(d1)、(e1))進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，有色示蹤劑在模型中的分布范圍在上部呈三角形分布，下部大約呈四邊形分布，且越往下，有色示蹤劑越趨近側(cè)向落水洞，圖3(d1)和圖3(e1)尤其明顯。將右列圖(圖3(a2)、(b2)、(c2)、(d2)、(e2))進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著裂隙越近于落水洞，有色示蹤劑在模型中的擴(kuò)散范圍越小，即部分有色示蹤劑在裂隙中擴(kuò)散的同時(shí)也通過(guò)裂隙與落水洞的連接處進(jìn)入了落水洞，通過(guò)圖3(e2)和圖3(a2)的對(duì)比可以明顯看出裂隙5中水的分散范圍遠(yuǎn)大于裂隙1中水的分散范圍，同時(shí)根據(jù)圖3(a2)和圖3(b2)看出裂隙4、5中有色溶液均可豎向擴(kuò)散至底部管道，說(shuō)明落水洞對(duì)其影響較小。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是在補(bǔ)給剛開始時(shí)裂隙并未完全飽和，裂隙中的水注入后呈三角形自由擴(kuò)散；在補(bǔ)給過(guò)程中，模型左側(cè)裂隙中的水僅通過(guò)豎向擴(kuò)散進(jìn)入下部管道，靠近落水洞一側(cè)裂隙中的水向遠(yuǎn)離落水洞側(cè)擴(kuò)散程度較低，進(jìn)而呈現(xiàn)下部有色示蹤劑向落水洞傾斜的四邊形分布。

綜上可知，落水洞對(duì)裂隙水?dāng)U散情況的影響隨裂隙距離落水洞的距離增大而減小。

3.2 單獨(dú)補(bǔ)給裂隙

單獨(dú)補(bǔ)給裂隙的試驗(yàn)，是將模型上部補(bǔ)給水槽的裂隙與落水洞連接處用擋板c隔開，只對(duì)裂隙進(jìn)行分散補(bǔ)給，落水洞僅接受來(lái)自裂隙中水流的補(bǔ)給。此種情景模擬了補(bǔ)給強(qiáng)度小于裂隙網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)過(guò)流能力的情況，地表徑流在進(jìn)入落水洞之前就已經(jīng)通過(guò)裂隙網(wǎng)絡(luò)完全入滲。

與共同補(bǔ)給的試驗(yàn)過(guò)程相同，在單獨(dú)補(bǔ)給裂隙試驗(yàn)中每次補(bǔ)給剛開始時(shí)與管道水量穩(wěn)定階段(即泉流量穩(wěn)定階段)分別截圖進(jìn)行對(duì)比。由于裂隙2與裂隙5實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，單獨(dú)補(bǔ)給裂隙實(shí)驗(yàn)取裂隙1、裂隙3、裂隙4三組裂隙進(jìn)行分析。

圖4 單獨(dú)補(bǔ)給裂隙試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.4 Contrast pictures for the experimental results of recharge only through fissures

對(duì)比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，在單獨(dú)補(bǔ)給裂隙條件下有色示蹤劑的擴(kuò)散規(guī)律和共同補(bǔ)給條件下的擴(kuò)散規(guī)律大致相同。通過(guò)對(duì)比圖4(a1)、圖4(b1)和圖4(c1)可以發(fā)現(xiàn)隨著裂隙與落水洞之間距離的增大，有色示蹤劑擴(kuò)散范圍的下部四邊形部分斜率較小且擴(kuò)散區(qū)域逐漸增大，該現(xiàn)象驗(yàn)證了共同補(bǔ)給下裂隙水流的擴(kuò)散規(guī)律：落水洞對(duì)裂隙水?dāng)U散情況的影響隨裂隙距離落水洞的距離增大而減小。

圖5 單獨(dú)補(bǔ)給裂隙與共同補(bǔ)給試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.5 Contrast pictures for the experimental results of recharging only through fissure and recharge through both the sinkholes and fissures

圖6 裂隙和落水洞分開同時(shí)補(bǔ)給試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.6 Contrast pictures for the experimental results of separated recharge through fissures and sinkholes at the same time

對(duì)比每一相同時(shí)間共同補(bǔ)給條件下有色示蹤劑的擴(kuò)散情況和單獨(dú)補(bǔ)給裂隙情況下有色示蹤劑的擴(kuò)散情況(圖5)，可以看出有色示蹤劑在單獨(dú)補(bǔ)給裂隙情況下橫向擴(kuò)散更為迅速，整個(gè)有色示蹤劑分散區(qū)域更加接近于落水洞。根據(jù)以上現(xiàn)象推測(cè)原因是在共同補(bǔ)給情況下，由于落水洞上部與裂隙上部連通，兩者同時(shí)受到補(bǔ)給，而水流在落水洞中擴(kuò)散速度較裂隙中迅速，在上部裂隙出現(xiàn)落水洞對(duì)裂隙的補(bǔ)給。而在單獨(dú)補(bǔ)給情況下，由于隔斷了裂隙與落水洞上部的聯(lián)系，落水洞的水量補(bǔ)給完全來(lái)自于裂隙。

綜上可知，在共同補(bǔ)給與單獨(dú)補(bǔ)給裂隙兩種不同補(bǔ)給方式下，裂隙水的擴(kuò)散趨勢(shì)大致相同，在單獨(dú)補(bǔ)給裂隙情況下落水洞對(duì)裂隙水?dāng)U散情況的影響較大。

3.3 裂隙和落水洞分開同時(shí)補(bǔ)給

裂隙和落水洞分開同時(shí)補(bǔ)給試驗(yàn)，是將模型上部補(bǔ)給水槽的裂隙與落水洞連接處用擋板隔開，在對(duì)裂隙進(jìn)行分散補(bǔ)給的同時(shí)對(duì)落水洞進(jìn)行集中補(bǔ)給，有色示蹤劑直接投放至落水洞。此種情景模擬了補(bǔ)給強(qiáng)度大于裂隙網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)過(guò)流能力的情況，地表徑流一部分入滲裂隙網(wǎng)絡(luò)，另一部分經(jīng)由巖溶洼地匯入落水洞。把兩次試驗(yàn)(即裂隙、落水洞補(bǔ)給閥門打開至相同刻度；裂隙、落水洞補(bǔ)給閥門打開至不同(落水洞大于裂隙)刻度，取實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象最明顯的一組對(duì)比，落水洞的補(bǔ)給強(qiáng)度為裂隙補(bǔ)給強(qiáng)度的3倍)試驗(yàn)中6 s、14 s、38 s對(duì)應(yīng)的視頻分別截圖進(jìn)行對(duì)比，見圖6。

由圖6可知，對(duì)于裂隙和落水洞分開同時(shí)補(bǔ)給，在補(bǔ)給水量相同的情況下，補(bǔ)給初期在模型裂隙區(qū)域上部靠近落水洞側(cè)出現(xiàn)有色示蹤劑，隨著補(bǔ)給的進(jìn)行，有色示蹤劑擴(kuò)散區(qū)域逐漸減小，最后裂隙中有色示蹤劑完全消失；在落水洞補(bǔ)給強(qiáng)度大于裂隙補(bǔ)給強(qiáng)度時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，有色示蹤劑擴(kuò)散區(qū)從落水洞的一側(cè)逐漸向另一側(cè)擴(kuò)大，最終趨于平衡。推測(cè)原因是：當(dāng)裂隙、落水洞水量補(bǔ)給強(qiáng)度相同時(shí)，由于落水洞是集中補(bǔ)給，有色水流擴(kuò)散較快，在補(bǔ)給初期呈現(xiàn)了對(duì)裂隙的補(bǔ)給，但隨著補(bǔ)給的進(jìn)行，裂隙中的水呈現(xiàn)對(duì)落水洞的補(bǔ)給，說(shuō)明補(bǔ)給量相同的情況下，是裂隙對(duì)落水洞的單向補(bǔ)給；當(dāng)落水洞補(bǔ)給水量遠(yuǎn)大于裂隙時(shí)，模型下部裂隙被有色示蹤劑充滿，裂隙中的水通過(guò)上部補(bǔ)給落水洞，下部的裂隙保持恒定。

綜上可知，對(duì)于裂隙和落水洞分開同時(shí)補(bǔ)給試驗(yàn)，補(bǔ)給水量相同時(shí)，僅呈現(xiàn)裂隙對(duì)落水洞的單向補(bǔ)給，整個(gè)模型區(qū)域在補(bǔ)給穩(wěn)定階段不存在落水洞對(duì)裂隙的補(bǔ)給。出現(xiàn)落水洞補(bǔ)給裂隙的條件是落水洞補(bǔ)給量遠(yuǎn)大于裂隙補(bǔ)給量，在本模型條件下僅當(dāng)單獨(dú)補(bǔ)給落水洞水量不小于單獨(dú)補(bǔ)給裂隙水量的3倍時(shí)方能出現(xiàn)落水洞補(bǔ)給裂隙的情況。

4 結(jié)論

通過(guò)三種不同補(bǔ)給方式對(duì)裂隙-管道介質(zhì)間水量交換情況的研究，得出如下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)裂隙與落水洞共同補(bǔ)給試驗(yàn)的對(duì)比分析，得出落水洞對(duì)裂隙網(wǎng)絡(luò)中水流運(yùn)動(dòng)的影響隨裂隙距離落水洞的距離增大而減小。

(2)相較于共同補(bǔ)給情況，單獨(dú)補(bǔ)給裂隙情況下落水洞對(duì)裂隙水?dāng)U散影響較大。

(3)在裂隙和管道分開同時(shí)補(bǔ)給并且補(bǔ)給水量相同時(shí)，僅呈現(xiàn)裂隙對(duì)落水洞的單向補(bǔ)給。因此，在巖溶地區(qū)，出現(xiàn)落水洞中水對(duì)裂隙水的補(bǔ)給情況是很少見的，僅當(dāng)落水洞集中補(bǔ)給強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裂隙分散補(bǔ)給強(qiáng)度時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。

本文通過(guò)一系列的可視化實(shí)驗(yàn)總結(jié)了在不同補(bǔ)給情況下裂隙水流的擴(kuò)散狀況，開拓性地以高清攝像機(jī)為工具整體性地記錄了不同條件下裂隙水的擴(kuò)散過(guò)程，對(duì)裂隙-管道介質(zhì)中的巖溶水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程有了更加直觀的描述。

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責(zé)任編輯：張若琳

Experimental study of water quantity exchange between fissures andsinkholes under different recharge modes in the fissure-conduit media

NIU Zihao, SHU Longcang, LIN Huan, LI Chang, FENG Jiaqi, TAN Yicheng, WANG Xi, QI Tiansong

(CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China)

To explore the movement of groundwater between fissures and sinkholes under different recharge modes through a fissure-conduit medium model, the HD camera and colored tracer are adopted to observe the movement of groundwater in a karst groundwater system. In this paper, we design three kinds of recharge mode: recharge only through fissures, recharge through both the sinkholes and fissures and separated recharge through fissures and sinkholes at the same time. The results indicate that the influence of the sinkhole on the diffusion of the fissure water decreases with the increasing distance between the fissure and the sinkhole. Compared with the recharge mode only through fissures, sinkholes have more influence on the diffusion of the fissure water when recharge through both sinkholes and fissures exists. When separated recharge through sinkholes and fissures with equal water quantity exists simultaneously, only the groundwater in fissures flows into sinkholes.

karstic water system; fissure-conduit medium model; visualization; recharge mode

2016-04-10;

2016-07-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(41172203)；國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201510294056)

牛子豪(1995-)，男，碩士研究生，主要從事地下水?dāng)?shù)值模擬研究。E-mail:635743131@qq.com

束龍倉(cāng)(1964-)，男，教授，主要從事地下水資源評(píng)價(jià)與管理研究。E-mail: lcshu@hhu.edu.cn

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.03.02

P641.2

A

1000-3665(2017)03-0006-06