西南典型岩溶含水介质特征识别方法研究

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我国岩溶地下水资源占地下水资源总量的1/4,在区域社会经济发展中占据重要地位。岩溶地下水以岩溶含水介质为运移和存储场所。受物质迁移和碳酸盐岩差异化溶蚀,岩溶含水介质的非均质性和水力联系的各向异性突出。管道、裂隙和孔隙等介质形态组合具有多重性、复杂性。同时,岩溶区地形崎岖,在地表无法观察到地下水系统含水介质的特征,水文勘探难度较大。这就使得对其研究方法与地表水有所不同,单一方法难以获取对含水介质的系统认识,需要多种方法相互验证。基于此,本文以金佛山水房泉流域为研究对象,在掌握区域气候、水文地质、地貌及人类活动情况的基础上,通过自动化监测气温、降雨量、流量及电导率等气象与水文地化指标的高分辨率数据;并开展野外示踪试验,将在线监测与定量解译相结合;同时按天采集降雨条件下的水房泉水样,分析水中阴阳离子。综合运用流量指数衰减法、示踪试验、电导率频率分布(CFDs)和水化学分析四种方法,探讨水房泉流域岩溶含水介质的组合特征。通过流量过程曲线分析发现,曲线形态呈上升翼陡而下降翼缓的不对称尖峰型,区域发育岩溶管道的同时,还有相当岩溶裂隙、孔隙介质,其对地下水具有一定调蓄功能。分析流量增长曲线,求得地下水平均流速为41.52m/h,地下水基本库容量约为117-145m3。强降雨下流量衰减曲线可划分出三个亚动态,弱降雨下第一亚动态表现不明显。溶洞-管道介质水量占储水总量的7.6%,而裂隙-孔隙介质占总水量的92.36%,裂隙-孔隙介质对流域水资源的储存和调蓄发挥重要作用。示踪试验表明,1号落水洞与水房泉间存在直接水力联系。天来宝回收率仅为65.2%,与其非保守的性质有关。研究区地下水流路径通畅,最大流速可达1431m/d,雷诺数大于4000,呈紊流流态。试验段岩溶含水介质极不均匀,发育两条过水通道,为主管道并联支管道或裂隙结构,无地下湖和溶潭发育。流道形态可分为三种:分支串联型、先分支再串联后汇流型以及先汇流再串联后分支型。利用Qtracer2程序,求得1号落水洞至水房泉段岩溶管道储水量为2244-4317m3,横截面积为2.84-5.47m3,管道直径为1.9-2.64m,雷诺数为4518-5374。其它水文地质参数:摩擦系数为0.26-0.35,弥散系数为0.12-0.29m2/s,纵向弥散度为35.89-148.08m,舍伍德数为259.46-299.81,水力深度为1.49-2.07m,分子扩散边界层厚度为6.35-10.17mm。CFDs分析表明,流域内存在四种水源组分,其又可归并为两大类:储存于岩溶裂隙、孔隙介质中的P1组分,主要是基质或者岩溶裂隙重力水。以及来自于地表雨水、土壤及酒店污水的P2、P3、P4组分,其主要以管道介质为运移载体。研究区的这种裂隙介质与管道介质并存的特征解释了CFDs的多峰现象,验证了该方法的适用性。而水化学结果同样表明,研究区地下水化学组分有多个来源,水岩作用产生的HCO3、Ca2+、Mg2+、Sr2+等离子变异系数较小,存储于裂隙、孔隙和溶隙等岩溶非饱和带中,在降雨期间受活塞效应影响,随扩散流补给地下河。来自酒店污水以及水土流失的NO3-、Cl-、全Fe和Al3+等化学组分未得到岩溶非饱和带的调蓄,变异系数大,主要通过落水洞等地表通道直接灌入地下河,以管道流形式快速输送。研究认为,可利用流量指数衰减方程查明水房泉流域不同含水介质的构成比例,并结合示踪试验分析地下河管道直径和形态特征,划定流域范围并计算相关水文地质参数,同时以CFDs和地球化学分析为辅助,识别地下水不同组分运移路径的差异,从而验证不同含水介质并存的事实。
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