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岩溶地区地下发育着大量的溶洞和地下河管道,地下水流状态既有层流也有紊流,而紊流是溶洞管道形成的重要条件。紊流的形成受到岩石初始裂隙的影响,初始裂隙的张开度、分布、走向、迹长、密度等因素都影响着裂隙发育过程中水流状态的变化。通过对不同统计特征的初始裂隙网络进行水流和溶蚀的数值模拟发现,以张开度标准差反映的裂隙网络非均匀性越强,模拟紊流出现的时间就越早;主要裂隙的存在使裂隙网络的非均性增强,主要裂隙与水力梯度总方向的角度越小,紊流出现的时间就越早;当裂隙平均迹长过小时会导致裂隙连通性较差,影响裂隙水流和溶蚀作用;裂隙密度,尤其是主要裂隙密度,对岩溶发育的影响较大。相对于次要裂隙,如果主要裂隙密度偏小,紊流形成时间会大大增加,甚至很难形成紊流。当初始裂隙张开度小于0.001 cm,增大水力梯度仍没有紊流发生,岩溶几乎不发育。 相似文献
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为揭示隐伏型岩溶含水系统在不同边界条件与介质特征下的发育状况,基于地下水渗流和碳酸盐岩溶蚀理论构建耦合裂隙网络渗流与碳酸盐岩溶蚀的岩溶裂隙网络溶蚀扩展模型,模拟再现了河间隐伏型岩溶含水系统平面上发育演化过程。结果显示:岩溶系统发育过程中流量变化呈现三个阶段:第Ⅰ阶段为缓慢层流阶段,流量增速为2.2×10 -6 mL·(s·a) -1,持续时间与初始水头差呈对数关系;第Ⅱ阶段为极快速紊流阶段,流量增速为5.5×10 2 mL·(s·a) -1,持续时间与初始水头差呈线性关系;第Ⅲ阶段为快速紊流阶段,流量增速为26 mL·(s·a) -1。优势裂隙的存在使得岩溶裂隙网络溶蚀演化加快,非均质系统进入极快速紊流阶段所用时间较均质系统缩短了53%,裂隙溶蚀扩展的速度加快了12.5%。 相似文献
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裂隙岩溶含水系统溢流泉演化过程的数值模拟 总被引：5，自引：5，他引：0
本文利用非连续裂隙网络介质模型,耦合水动力条件和碳酸盐溶蚀动力条件,建立岩溶含水系统演化的数学模型,并用数值法进行模拟分析。在已建数值模型基础上,构造了两组实例模型(降水入渗补给的裂隙岩溶含水系统和河流补给的裂隙岩溶含水系统)来研究裂隙岩溶系统中溢流泉早期演化过程。模拟发现,裂隙岩溶含水系统演化过程中,裂隙不断被溶蚀拓宽,致使系统中潜水位不断下降,许多小泉被疏干;同时不同裂隙之间存在溶蚀差异,在潜水位及优势通道附近的裂隙溶蚀速度快,而其它位置则相对慢得多,差异溶蚀促使系统形成优势溶管,优势溶管逐渐袭夺水流,形成大泉。另外对比两模型发现,降水入渗为主要补给源的裂隙岩溶含水系统,泉管道从汇向源发育;而河流入渗为主要补给源的裂隙岩溶含水系统,泉管道则由源向汇发育。 相似文献
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岩溶水系统演化中河间地块分水岭消失过程的数值模拟分析 总被引：3，自引：0，他引：3
本文通过数值模拟的方法研究了岩溶系统发展演化过程,并对其中分水岭消失现象进行了探讨。岩溶系统发育模拟中,假设裂隙段为光滑平板裂隙,裂隙中的水流处于平流状态,可以应用立方率描述水流在裂隙中的流动规律;碳酸盐岩裂隙的溶蚀过程可以通过溶蚀动力学的经验公式表示,即每个时间步长内,水流都处于稳定流状态。研究结果表明,岩溶系统溶蚀具有差异性,岩溶最为发育的部位位于潜水面附近,而且垂向的裂隙段比水平向的裂隙段发育更为强烈,深部岩溶系统发育缓慢,其裂隙张开度扩展率与潜水面附近的相差8200多倍。差异性溶蚀还造成潜水面附近形成优先水流通道,至分水岭从系统消失时,其强烈的汇水作用使几乎90%的流出量从此优先水流通道排出。分水岭消失时间受河间地块的范围和降雨量的影响,当河间地块的宽度增大至原来的5倍时,分水岭的存在时间几乎延长至原来的10倍,河间地块的范围愈大,分水岭越难以消失;降雨量增加对分水岭消失时间的影响表现出先增加后减小的趋势。 相似文献
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基于岩溶演化模型的隧道突水危险性评价 总被引：1，自引：0，他引：1
《地质科技情报》2015,(5)
岩溶隧道是否发生涌突水,主要取决于洞身岩溶发育程度和岩溶系统结构类型,而这与岩溶系统的演化过程密切相关。岩溶系统的发育演化始于具有侵蚀性的水对可溶性岩体中裂隙的溶蚀扩展。基于此,本研究耦合了渗流模型和溶蚀扩展模型,并结合鸡公岭隧道区水文地质背景资料,建立了隧道区岩溶系统岩溶演化模拟模型,模拟再现了隧道区岩溶含水介质的发育情况。结果显示:随着岩溶系统的发育演化,整个系统中裂隙不断被溶蚀扩展,差异性溶蚀越来越显著,岩溶含水介质的非均质性越来越强;同时随着埋深的增加,岩溶发育程度及非均质性越来越弱;浅部和深部裂隙的平均溶蚀扩展率相差近1 500倍;鸡公岭隧道洞身标高处岩溶发育微弱,裂隙溶蚀扩展较小,仍为裂隙岩体,其等效渗透系数为0.51m/d,岩溶突水概率极低,隧道发生涌水时的涌水量为127.9m3/d,对隧道施工影响较小。 相似文献
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碳酸盐岩单裂隙渗流-溶蚀耦合模型及其参数敏感性分析 总被引：1，自引：1，他引：0
岩溶地下水系统是由碳酸盐岩裂隙含水介质演化形成的,系统初始的裂隙网络介质特征及边界条件决定了其演化过程。为揭示岩溶系统演化过程中裂隙介质特征和边界条件的影响程度,建立了裂隙溶蚀扩展的渗流-溶蚀耦合模型,并对不同边界条件下不同隙宽的单裂隙溶蚀扩展特征进行了模拟分析。结果表明:裂隙溶蚀扩展受水的侵蚀性(CO2分压)、水动力条件(水力梯度)、裂隙介质特征(裂隙初始隙宽)等综合作用影响,Ca2+的平衡浓度、水力梯度以及裂隙初始隙宽等参数的增加均能促进裂隙的快速扩展。在这些参数中,初始隙宽B0对岩溶发育的影响最为敏感,水力梯度J和Ca2+平衡浓度Ceq对岩溶发育具有相同的敏感性;此外,随着各参数值的不断增大,参数变化对岩溶发育的敏感程度越来越低。 相似文献
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溶蚀作用下古岩溶盆地系统中介质场演化模拟 总被引：2，自引：1，他引：1
为了研究古岩溶盆地在溶蚀作用下碳酸盐岩油气储层介质场的演化规律,基于地下水渗流理论和碳酸盐溶蚀动力理论,用数值模型模拟了均质盆地和非均质盆地2种岩溶盆地含水系统发育过程。岩溶盆地含水系统演化过程中总伴随着裂隙差异溶蚀,不管均质盆地还是非均质盆地,都越来越非均质化,强溶蚀带集中在潜水位及优势裂隙附近,在侵蚀基准面和构造裂隙及层理等大裂隙处会形成高孔隙率、渗透率的良好储层。受介质场非均质化反作用,岩溶高地区潜水位随系统演化不断下降,潜水面处的强烈溶蚀随水位不断下切而使高地区改造成竖直裂隙发育的厚储层;坡地区水平径流活跃,易于形成水平裂隙发育的储层;平原区水位相对稳定,溶蚀作用主要发生大裂隙和侵蚀基准面处,但在大裂隙网内经溶蚀可形成局部高孔隙率储层。对比两子模型发现,在岩溶盆地含水系统中,主导渗流场都要经历由局部流场向二级流场、二级流场向全局流场的转变,前者发生在坡地区内部,后者发生在坡地区与平原区之间;流畅的渗流场转换更有利于介质场发育,受大裂隙网导水作用,非均质盆地比均质盆地更快捷、更顺利地实现主导流场升级,溶蚀作用更强烈,3 ka后非均质盆地比均质盆地的孔隙率增幅大34%。 相似文献
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提出一个数学模型以研究碳酸盐岩含水层由其原始状态到成熟岩溶含水系统的发展过程。模型由３个模块组成：（ａ）二维连续空隙水渗流模块,表示裂隙系统（“分散流”系统）,即岩溶空管道之间水性差而贮水性强的那部分岩体;（ｂ）非连续管道网络模块,模拟冉溶道内发生的层流、紊流运动和溶质运移过程;（ｃ）碳酸盐岩溶蚀模块。管道－裂隙系统模型的模拟结果表明,模拟那种复杂的、具有多种地下水补给方式的岩溶含水盆地的演化是可 相似文献
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岩溶区多重介质水流模型研究进展 总被引：9，自引：7，他引：2
数值模拟技术广泛应用于地下水资源评价工作中,为水资源合理开发利用提供科学依据。本文针对岩溶区的数值模拟技术展开研究,综述了岩溶区地下水流建模技术的主要方法和研究进展,介绍了SWMM模型、UGRFLOW模型、CAVE模型、CFP模型等多重介质模型的建模方式和运行原理。岩溶区地下水赋存介质复杂,管道、裂隙和空隙多重介质并存,水流特征多样,等效连续介质模型不能很好地刻画岩溶区复杂的地下水流特征。随着对岩溶水流系统研究的深入,二重和三重介质模型逐渐应用于岩溶区地下水流模拟工作中,取得较好成果,但仍存在如忽略中宽裂隙的导水作用、岩溶管道设置单一、模型适用性不强等问题。今后应从解析岩溶含水介质的结构特征入手,关注中宽裂隙在地下水流系统中的导水作用和水流特征,改进管道流模块以更好地刻画复杂的地下河管道,改进不同介质间水流交换量算法,提高模型精确性和适用性。 相似文献
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本文将北方岩溶介质划分为两种基本类型:溶隙网络—溶孔型和溶隙网络—微裂隙型。概化出裂隙岩溶介质的双重介质水流模型。解决了下面几个问题:（1）认识北方岩溶介质所具有的双重介质性;（2）分别对孔隙和微裂隙所构成的岩块域和溶隙网络域建立数学模型,并用岩块和裂隙的水量交换项将两者耦合起来。模型中岩块并未被概化成某一特殊几何形态如球体或平行板,而是按其实际产出形态处理;（3）在岩块中也应用了二维水流模型。以往作者多用一维流方程,目的在于求其解析解,这有许多不足之处;（4）在裂隙和岩块域均采用有限单元法,将两个域的模型联立求数值解,克服了解析法或解析—数值法联合的局限性。 在给定参数情况下,本文进行了典型水文地质条件下的计算,证明了模型是能够较好地刻画溶隙网络—溶孔或微裂隙型介质的特征和水流特点的。同时,本文成功地应用了济南西南郊岩溶含水层的实际资料进行了模拟计算,对双重介质方法的实用进行了听的尝试。 相似文献
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Yu Qingchun 《中国地质大学学报(英文版)》1999,10(4):314-321
Karstsystemsaredynamicsystemsinspontaneoussuc-cessiveevolutionarisenfromtheinteractionbetweenwaterflowandsolub1emedium-Thecircu1ationofwaterprogres-sivelyandcontinuouslymodifiesthestructureofmediumfield,consequentlymodifyingthehydraulicbehaviorofthesystemitself'Someauthors(e.g.,FordandWilliams,l989)believedthatmostcarbonaterockswillbecomeconduitaquifersifsurficialerosionisnegligibleorsufficienttimeisgiven.Karstsystemsfailtodevelopconnectedconduiteitherduetoincompleteextension(becauseinsuffici… 相似文献
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Simulating flow in karst aquifers at laboratory and sub-regional scales using MODFLOW-CFP 总被引：5，自引：1，他引：4
Groundwater flow in a well-developed karst aquifer dominantly occurs through bedding planes, fractures, conduits, and caves created by and/or enlarged by dissolution. Conventional groundwater modeling methods assume that groundwater flow is described by Darcian principles where primary porosity (i.e. matrix porosity) and laminar flow are dominant. However, in well-developed karst aquifers, the assumption of Darcian flow can be questionable. While Darcian flow generally occurs in the matrix portion of the karst aquifer, flow through conduits can be non-laminar where the relation between specific discharge and hydraulic gradient is non-linear. MODFLOW-CFP is a relatively new modeling program that accounts for non-laminar and laminar flow in pipes, like karst caves, within an aquifer. In this study, results from MODFLOW-CFP are compared to those from MODFLOW-2000/2005, a numerical code based on Darcy’s law, to evaluate the accuracy that CFP can achieve when modeling flows in karst aquifers at laboratory and sub-regional (Woodville Karst Plain, Florida, USA) scales. In comparison with laboratory experiments, simulation results by MODFLOW-CFP are more accurate than MODFLOW 2005. At the sub-regional scale, MODFLOW-CFP was more accurate than MODFLOW-2000 for simulating field measurements of peak flow at one spring and total discharges at two springs for an observed storm event. 相似文献
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Due to the high heterogeneity and complexity of water flow movement for multiple karst water-bearing mediums,the evaluation,effective development,and utilization of karst water resources are significantly limited.Matrix flow is usually laminar,whereas conduit flow is usually turbulent.The driving mechanisms of water exchange that occur between the karst conduit and its adjacent matrix are not well understood.This paper investigates the hydrodynamic characteristics and the mechanism of flow exchange in dual water-bearing mediums(conduit and matrix)of karst aquifers through laboratory experimentation and numerical simulation.A karst aquifer consisting of a matrix network and a conduit was proposed,and the relationship between the water exchange flux and hydraulic head differences generated from the laboratory experiments was analyzed.Two modes of experimental tests were performed with different fixed water level boundaries in the laboratory karst aquifer.The results indicate that the water exchange capacity was proportional to the square root of hydraulic head differences.The linear exchange term in the conduit flow process(CFP)source program was modified according to experimental results.The modified CFP and the original CFP model experimental data results were compared,and it was found that the modified CFP model had better fitting effects.These results showed that the water exchange mechanism between conduit and matrix is very important for solid-liquid interface reaction,water resource evaluation,and understanding of karst hydrodynamic behavior. 相似文献
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基于Modflow的岩溶管道概化与模拟探讨 总被引：2，自引：0，他引：2
在复杂岩溶介质中,由于岩溶形态存在小尺度的溶缝到大尺度的岩溶管道的变化,岩溶地下水流呈现为层流-紊流多种流态共存的复杂系统。对含水层中岩溶管道的准确概化是精确模拟复杂岩溶介质地下水流动的前提。在较为成熟的三维有限差分地下水流动模型（等效多孔介质）条件下寻找一种概化岩溶管道的方法,基于Modflow地下水流动模型,分别讨论模型软件中的单元渗流计算子模块（ BCF ）、排水沟子模块（ DRN ）、河流子模块（ RIV ）以及溪流子模块（ STR）对岩溶管道的概化模拟效果,发现河流子模块（ RIV）与溪流子模块（ STR）是概化岩溶管道的最优模块。 相似文献
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为了描述岩溶多重含水介质存在非达西流问题,研究管道流CFP模型在岩溶区数值模拟中的应用。在分析管道流CFP基本原理的基础上,通过建立概念模型算例(5个管道,上下临界雷诺数分别为2 000和4 000),探讨不同管道水文地质参数对出口流量及水流状态的影响,并对参数敏感性进行分析,最后将CFPM1模型应用于广西寨底岩溶地下河系统,探讨在实际应用中的管道流模型适用性。概念模型结果表明,参数敏感度从大到小依次为:管道直径、水力梯度、管道渗透系数、弯曲度及粗糙度,流量与雷诺数随管道参数增大而增大,水流状态从层流变为紊流。寨底岩溶管道流模型中3个观测井及地下河出口实测流量表明CFPM1能较好地模拟出岩溶地下水水位变化趋势。得出结论:CFPM1管道流模型允许岩溶管道与基岩含水层进行水流交换,能够较好地刻画岩溶区管道介质非达西流特征,但管道参数获取较为困难,且不能刻画岩溶管道形态变化。该方法具有一定通用性,可为实际应用提供指导。 相似文献