不同补给条件下裂隙-管道介质间水流交换的示踪试验研究

牛子豪，束龙仓，林 欢，李 昶，冯佳琪，谭易成，王 熹，齐天松

(河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

不同补给条件下裂隙-管道介质间水流交换的示踪试验研究

牛子豪，束龙仓，林 欢，李 昶，冯佳琪，谭易成，王 熹，齐天松

(河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

为探究岩溶含水系统中裂隙-管道介质间不同补给方式下水流交换情况，在实验室内借助高精度摄像仪和有色示踪剂对其进行可视化观测。设计多组试验对单独补给裂隙、共同补给、裂隙和落水洞分开同时补给三种补给方式下水流交换情况进行探讨，从而定性地分析水流交换情况。试验结果表明：落水洞对裂隙水扩散的影响随裂隙距离落水洞的距离增大而减小；相较于共同补给情况，单独补给裂隙情况下落水洞对裂隙水扩散影响较大；在分开同时补给情况下裂隙与落水洞补给水量相同时，仅呈现裂隙对落水洞的单向补给。

岩溶含水系统；裂隙-管道介质；可视化；补给方式

裂隙-管道介质是我国西南地区碳酸盐岩地层的主要储水空间和导水通道。开展裂隙-管道复杂介质中地下水流运动规律的研究，对指导岩溶水可持续开发利用和石漠化治理，推动岩溶水运动规律研究具有重要科学意义[1]。岩溶含水系统具有高度的非均质性，其中发育有孔隙、裂隙、管道、洞穴等多种空隙，介质结构及水流特征都非常复杂，给岩溶地区水流运动规律的研究带来很多困难[2～3]。因此建立合适的物理模型进行室内试验成为近年研究岩溶地区水流运动的有效方法。

现有基于物理模型的探究岩溶水流运动规律的室内试验技术手段主要有分析泉流量过程特征和分析溶质运移穿透曲线两类。Faulkner建立了岩溶孔隙管道双重介质物理模型进行水流和溶质运移试验[4]。滕强等基于离散的裂隙网络模型和裂隙介质管道流模型，在室内建立了一套裂隙管道网络物理模型试验装置，通过随机地调整裂隙几何参数，实施了不同“裂隙岩体”的渗流和溶质运移试验[5]。在已有的室内试验中，采用有色示踪剂作为试验技术手段的试验在文献中并不多见。

现有的试验多仅以泉流量衰减过程为分析对象。季叶飞等采用英国研制的BHS物理模型模拟岩溶地区泉流量的衰减过程及不同水源间的转化机理[6]；孙晨等利用裂隙-管道双重介质物理模型，针对泉口大小、降雨、蓄水状态等因素对泉流量衰减过程的影响进行了定量分析[2]。然而，以泉流量全过程为分析对象的物理模型试验研究在文献中尚不多见。

本文运用可视化的物理模型、可自动化动态监测的高精度摄像仪，以有色示踪剂为技术手段对物理模型中地下水运动过程进行实时动态捕捉。分析泉口出流全过程对应的裂隙-管道介质内裂隙水流和管道水流的交换情况，进行多组试验，研究不同补给方式对裂隙水流和管道水流交互过程的影响，得到裂隙-管道含水介质内裂隙水流和管道水流交换对不同补给方式的响应规律。为今后岩溶多重介质的地下水流运动规律研究提供科学依据，得到的结论也可为岩溶地区地下水污染物迁移问题的研究提供参考。

1 物理模型介绍

裂隙-管道介质物理模型以我国西南地区的岩溶含水系统为原型研制而成。裂隙管道介质在岩溶水的运动过程中起到了重要的作用[7]。卢耀如指出西南岩溶地区管道型岩溶水系统可分两大类:一类是岩溶暗河系统，即暗河集中管道系统，是依靠洼地、落水洞及溶蚀裂隙汇聚下渗的水流；另一类是地下伏流系统，是地表河水通过大管道流入地下，流经一段距离后，又流出地表[8]。结合国内众多学者对西南地区岩溶含水系统的研究，本文设计了三种不同的补给方式探究岩溶含水系统裂隙管道间水量相互交换过程。通过对模型进行单独补给裂隙、单独补给管道、裂隙管道共同补给的试验，分别模拟野外实际岩溶暗河含水系统中岩溶水的三种不同补给形式。研制的裂隙-管道介质模型示意图如图1所示。通过开关a对裂隙进行分散补给，通过开关b对管道进行集中补给，裂隙网络与管道补给系统之间设置有挡板c，用来改变不同的补给方式。模型泉口处连接流量计d，记录模型泉口的流量变化过程。通过有色示踪剂添加装置e,可将NaOH溶液、酚酞溶液混合制成的红色示踪剂自动、稳定地注入裂隙入口1～5及落水洞。对裂隙进行分散补给以及对管道进行集中补给的补给源为两个位势高度相等的水箱，两水箱通过固定高度的溢流装置确保补给水头恒定，在物理模型的开关a、b和各自对应的补给水箱之间设置两个可以改变开启度的阀门，补给强度仅受阀门开启度的影响。连接裂隙与补给水箱间的水管及阀门与连接管道与补给水箱间的水管及阀门规格相同。

图1 裂隙-管道介质模型概化示意图Fig.1 Schematic diagram showing the physical model of fissures and conduit,diagrammatic sketch of the physical model

物理试验装置按照其主要功能可以分为以下四个部分：裂隙-管道介质模拟区、有色示踪剂添加装置、水头恒定的降雨补给系统、泉口流量测量系统。

裂隙-管道介质模拟区：长1.30 m，高0.98 m，宽0.04 m，其材料主要为光滑有机玻璃板。模型内部通过玻璃砖和垫片构造成多组相间排列的层面裂隙(水平方向)和垂直层面裂隙(垂直方向)，层面裂隙平均隙宽为2 mm，共设8层；垂直层面裂隙平均隙宽1 mm，每层设10个垂直层面裂隙，共80个。它们共同组成相互垂直的裂隙网络。裂隙网络下方铺设一条截面为0.04 m×0.04 m的方形管道。裂隙网络右侧设置一条截面为0.04 m×0.04 m的方形落水洞。

有色示踪剂添加装置：在裂隙-管道介质模拟区的上方，设置一个装有有色示踪剂的输液装置，流量恒定地将有色示踪剂注入裂隙-管道介质模拟区中的指定位置，根据有色示踪剂的扩散路径对裂隙(管道)中水体的流动方向、范围等进行示踪。

水头恒定的降雨补给系统：降雨过程用高处连通的水箱模拟，水箱通过外部补给系统及顶部溢流装置控制水箱内水头恒定，以便于对裂隙或管道进行恒定强度的补给，模拟降雨补给的管道直径为15 mm。

泉口流量测量系统：泉口与底部管道连通，泉口大小可控：6 mm、8 mm、10 mm，泉口处连接电磁流量计(型号HSQ15-D)，可以实时记录泉水的流量和流速。

2 物理试验方案

2.1 实验目的

借助有色示踪剂和高精度摄像仪对物理模型中水流运动过程进行实时动态捕捉，研究不同补给方式对裂隙-管道间水量交换情况的影响，从而得到裂隙-管道间水量相互交换规律。

2.2 实验过程

(1)先对裂隙-管道系统进行定流量补给(在水箱蓄满状态下进行补给，由阀门控制水箱进行定水头补给裂隙-管道系统，由有色示踪剂添加装置将有色水流恒定地注入裂隙-管道系统)，同时开启摄像仪进行摄像，记录开始补给时刻T1；

(2)装置出口处安放流量计，测定出口处的流量变化情况；

(3)待泉口出流之后记录出流时间T2；

(4)随着试验的进行通过观测装置中液体颜色的变化判断裂隙水与管道水相互作用的情况，并监测出口处流量；

(5)待装置水位恒定或者达到蓄满状态以后停止补给，记录停止补给的时刻T3，观测装置中的有色水流变化情况，记录泉口停止出流时刻T4。

为了探究补给方式的不同对裂隙-管道间水量相互作用的影响，本文设计了三种不同的补给方式进行控制试验：共同补给裂隙与落水洞、单独补给裂隙、同时单独补给裂隙与落水洞。不同补给方式的试验过程均一致，即保持泉口大小、补给强度一定，改变有色水流添加位置，用高清摄像仪记录装置中液体颜色的变化。

三种补给方式分别模拟自然界中岩溶地区的补给方式：

(1)裂隙与落水洞共同补给试验模拟岩溶地区补给的主要方式，即裂隙网络与落水洞共同接受入渗补给。

(2)单独补给裂隙试验模拟了补给强度小于裂隙网络介质的过流能力的情况，地表径流在进入落水洞之前已经通过裂隙网络完全入渗，即仅裂隙网络接受补给，落水洞不接受补给。

(3)裂隙和落水洞同时分别接受补给试验，模拟了补给强度大于裂隙网络介质过流能力的情况，地表径流一部分入渗裂隙网络，另一部分经由岩溶洼地汇入落水洞。

3 试验结果及其分析

3.1 裂隙与落水洞共同补给

本试验将上部补给水槽的裂隙与落水洞连接处的挡板c撤除，利用分散补给装置(仅打开开关a)对落水洞和裂隙进行共同补给。该情景也是实际岩溶地区补给的主要方式之一，裂隙网络与落水洞共同接受入渗补给。

流量计记录相同补给强度、泉口大小情况后，分别在5个不同裂隙(图1)投入示踪剂得到的泉流量过程线，见图2。

图2 补给强度、泉口大小相同时各裂隙示踪试验泉 流量过程线图Fig.2 Discharge hydrographs of tracing experiments of fissures with the same recharge intensity and size of outlet

在共同补给每次试验中补给开始时与管道水量稳定阶段(即泉流量稳定阶段)分别截图进行对比。补给强度恒定，补给开始时刻有色示踪剂的扩散范围反映当裂隙-管道介质蓄水量为0时，在一定补给强度下水在其中的扩散状况，在泉流量过程线图上对应上升阶段；当模型水位不再上升时，表示一定补给强度下模型中所能储存的水量达到最大，在泉流量过程线图上对应为上部的水平稳定阶段。该时刻有色示踪剂的扩散区域表示在该补给强度下特定的裂隙水最终的扩散范围，若保持补给强度不变继续进行补给，有色区域的范围保持不变。

图3分别为裂隙5、裂隙4、裂隙3、裂隙2、裂隙1在共同补给条件下的实验结果。其中左半部分截图为实验刚开始，裂隙-管道介质蓄水量为0时有色示踪剂的扩散情况；右半部分截图为落水洞中水位达到稳定时有色示踪剂的扩散情况。

图3 裂隙与落水洞共同补给试验结果对比图Fig.3 Contrast pictures for the experimental results of recharge through both the sinkholes and fissures

将左列图(图3(a1)、(b1)、(c1)、(d1)、(e1))进行对比可以发现，有色示踪剂在模型中的分布范围在上部呈三角形分布，下部大约呈四边形分布，且越往下，有色示踪剂越趋近侧向落水洞，图3(d1)和图3(e1)尤其明显。将右列图(图3(a2)、(b2)、(c2)、(d2)、(e2))进行对比可以发现，随着裂隙越近于落水洞，有色示踪剂在模型中的扩散范围越小，即部分有色示踪剂在裂隙中扩散的同时也通过裂隙与落水洞的连接处进入了落水洞，通过图3(e2)和图3(a2)的对比可以明显看出裂隙5中水的分散范围远大于裂隙1中水的分散范围，同时根据图3(a2)和图3(b2)看出裂隙4、5中有色溶液均可竖向扩散至底部管道，说明落水洞对其影响较小。

产生上述现象的原因是在补给刚开始时裂隙并未完全饱和，裂隙中的水注入后呈三角形自由扩散；在补给过程中，模型左侧裂隙中的水仅通过竖向扩散进入下部管道，靠近落水洞一侧裂隙中的水向远离落水洞侧扩散程度较低，进而呈现下部有色示踪剂向落水洞倾斜的四边形分布。

综上可知，落水洞对裂隙水扩散情况的影响随裂隙距离落水洞的距离增大而减小。

3.2 单独补给裂隙

单独补给裂隙的试验，是将模型上部补给水槽的裂隙与落水洞连接处用挡板c隔开，只对裂隙进行分散补给，落水洞仅接受来自裂隙中水流的补给。此种情景模拟了补给强度小于裂隙网络介质过流能力的情况，地表径流在进入落水洞之前就已经通过裂隙网络完全入渗。

与共同补给的试验过程相同，在单独补给裂隙试验中每次补给刚开始时与管道水量稳定阶段(即泉流量稳定阶段)分别截图进行对比。由于裂隙2与裂隙5实验现象不明显，单独补给裂隙实验取裂隙1、裂隙3、裂隙4三组裂隙进行分析。

图4 单独补给裂隙试验结果对比图Fig.4 Contrast pictures for the experimental results of recharge only through fissures

对比图3和图4可以发现，在单独补给裂隙条件下有色示踪剂的扩散规律和共同补给条件下的扩散规律大致相同。通过对比图4(a1)、图4(b1)和图4(c1)可以发现随着裂隙与落水洞之间距离的增大，有色示踪剂扩散范围的下部四边形部分斜率较小且扩散区域逐渐增大，该现象验证了共同补给下裂隙水流的扩散规律：落水洞对裂隙水扩散情况的影响随裂隙距离落水洞的距离增大而减小。

图5 单独补给裂隙与共同补给试验结果对比图Fig.5 Contrast pictures for the experimental results of recharging only through fissure and recharge through both the sinkholes and fissures

图6 裂隙和落水洞分开同时补给试验结果对比图Fig.6 Contrast pictures for the experimental results of separated recharge through fissures and sinkholes at the same time

对比每一相同时间共同补给条件下有色示踪剂的扩散情况和单独补给裂隙情况下有色示踪剂的扩散情况(图5)，可以看出有色示踪剂在单独补给裂隙情况下横向扩散更为迅速，整个有色示踪剂分散区域更加接近于落水洞。根据以上现象推测原因是在共同补给情况下，由于落水洞上部与裂隙上部连通，两者同时受到补给，而水流在落水洞中扩散速度较裂隙中迅速，在上部裂隙出现落水洞对裂隙的补给。而在单独补给情况下，由于隔断了裂隙与落水洞上部的联系，落水洞的水量补给完全来自于裂隙。

综上可知，在共同补给与单独补给裂隙两种不同补给方式下，裂隙水的扩散趋势大致相同，在单独补给裂隙情况下落水洞对裂隙水扩散情况的影响较大。

3.3 裂隙和落水洞分开同时补给

裂隙和落水洞分开同时补给试验，是将模型上部补给水槽的裂隙与落水洞连接处用挡板隔开，在对裂隙进行分散补给的同时对落水洞进行集中补给，有色示踪剂直接投放至落水洞。此种情景模拟了补给强度大于裂隙网络介质过流能力的情况，地表径流一部分入渗裂隙网络，另一部分经由岩溶洼地汇入落水洞。把两次试验(即裂隙、落水洞补给阀门打开至相同刻度；裂隙、落水洞补给阀门打开至不同(落水洞大于裂隙)刻度，取实验现象最明显的一组对比，落水洞的补给强度为裂隙补给强度的3倍)试验中6 s、14 s、38 s对应的视频分别截图进行对比，见图6。

由图6可知，对于裂隙和落水洞分开同时补给，在补给水量相同的情况下，补给初期在模型裂隙区域上部靠近落水洞侧出现有色示踪剂，随着补给的进行，有色示踪剂扩散区域逐渐减小，最后裂隙中有色示踪剂完全消失；在落水洞补给强度大于裂隙补给强度时，随着实验进行，有色示踪剂扩散区从落水洞的一侧逐渐向另一侧扩大，最终趋于平衡。推测原因是：当裂隙、落水洞水量补给强度相同时，由于落水洞是集中补给，有色水流扩散较快，在补给初期呈现了对裂隙的补给，但随着补给的进行，裂隙中的水呈现对落水洞的补给，说明补给量相同的情况下，是裂隙对落水洞的单向补给；当落水洞补给水量远大于裂隙时，模型下部裂隙被有色示踪剂充满，裂隙中的水通过上部补给落水洞，下部的裂隙保持恒定。

综上可知，对于裂隙和落水洞分开同时补给试验，补给水量相同时，仅呈现裂隙对落水洞的单向补给，整个模型区域在补给稳定阶段不存在落水洞对裂隙的补给。出现落水洞补给裂隙的条件是落水洞补给量远大于裂隙补给量，在本模型条件下仅当单独补给落水洞水量不小于单独补给裂隙水量的3倍时方能出现落水洞补给裂隙的情况。

4 结论

通过三种不同补给方式对裂隙-管道介质间水量交换情况的研究，得出如下结论：

(1)通过对裂隙与落水洞共同补给试验的对比分析，得出落水洞对裂隙网络中水流运动的影响随裂隙距离落水洞的距离增大而减小。

(2)相较于共同补给情况，单独补给裂隙情况下落水洞对裂隙水扩散影响较大。

(3)在裂隙和管道分开同时补给并且补给水量相同时，仅呈现裂隙对落水洞的单向补给。因此，在岩溶地区，出现落水洞中水对裂隙水的补给情况是很少见的，仅当落水洞集中补给强度远远大于裂隙分散补给强度时才会出现。

本文通过一系列的可视化实验总结了在不同补给情况下裂隙水流的扩散状况，开拓性地以高清摄像机为工具整体性地记录了不同条件下裂隙水的扩散过程，对裂隙-管道介质中的岩溶水流运动过程有了更加直观的描述。

[1] 岳坤前, 顾再柯, 李瑞. 喀斯特石漠化地区地下水土流失研究进展与展望[J]. 中国水土保持, 2015 (5): 58-61. [YUE K Q,GU Z K,LI R. Research progress and prospect of underground water and soil loss in karst rocky desertification area [J]. Soil and Water Conservation in China, 2015 (5): 58-61. (in Chinese)]

[2] 孙晨, 束龙仓, 鲁程鹏, 等. 裂隙-管道介质泉流量衰减过程试验研究及数值模拟[J]. 水利学报, 2014, 45(1): 50-57. [SUN C, SHU L C,LU C P,etal. Physical experiment and numerical simulation of spring flow attenuationprocess in fissure-conduit media [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(1): 50-57. (in Chinese)]

[3] Quinn J J, Tomasko D, Kuiper J A. Modeling complex flow in a karst aquifer[J].Sedimentary Geology, 2006, 184(3): 343-351.

[4] Faulkner J, Hu B, Kish S,etal. Laboratory analog and numerical study of groundwater flow and solute transport in a karst aquifer with conduit and matrixdomains[J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2009, 110(1/2):34-44.

[5] 滕强, 王明玉, 王慧芳. 裂隙管道网络物理模型水流与溶质运移模拟试验[J]. 中国科学院大学学报, 2014, 31(1):54-60. [TENG Q,WANG M Y,WANG H F. Experiments on fluid flow and solute transport in the fracture network pipe model[J]. Journal of University of Chinese Academy of Sciences,2014,31(1): 54-60.(in Chinese)]

[6] 季叶飞, 束龙仓, 董贵明，等. 基于物理试验的岩溶区PSSK转化关系研究[J].水文地质工程地质, 2010, 37(2):91-94. [JI Y F, SHU L C,DONG G M,etal. A study of the transformation mechanism of a precipitation-soilwater-surface water-karstwater system based on physical experiments[J].Hydrogeology & Engineering Geology, 2010, 37(2):91-94. (in Chinese)]

[7] 王熹,束龙仓,张春艳,等.平行裂隙沿程水头损失规律的实验研究[J].水文地质工程地质,2015,42(3):1-6. [WANG X, SHU L C,ZHANG C Y,etal. Experimental study of the law on hydraulic head loss in paralleled fractures [J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2015,42(3):1-6. (in Chinese)]

[8] 卢耀如. 中国西南地区岩溶地下水资源的开发利用与保护[C]//贵州师范大学. 喀斯特与环境地学——卢耀如院士80华诞祝寿论文选集.贵阳: 贵州师范大学,2011:236-241. [LU Y R. Exploitation and protection of karst groundwater resources in Southwest China[C]//Guizhou Normal University. Karst and environmental geology:the 80 birthday of academician Lu Yaoru.Guiyang: Guizhou Normal University,2011:236-241. (in Chinese)]

责任编辑：张若琳

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

国家自然科学基金(41172203)；国家大学生创新训练项目(201510294056)

牛子豪(1995-)，男，硕士研究生，主要从事地下水数值模拟研究。E-mail:635743131@qq.com

束龙仓(1964-)，男，教授，主要从事地下水资源评价与管理研究。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