【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及水利水電工程，特別涉及一種基于巖溶裂隙發育的管道-基質水流交換計算方法。
技術介紹
1、巖溶含水層由于溶蝕作用形成了復雜的管道-裂隙二元介質結構，具有慢速裂隙流與快速管道流并存、層流與紊流互相轉換、裂隙系統與管道系統交替補給的特點，因此巖溶管道與周圍基巖裂隙存在的水量交換關系導致巖溶管道-裂隙基質雙重介質交換流的水文過程特征十分復雜。關于巖溶管道-基質雙重介質的水流交換量的計算，傳統的模型通常假設采用線性方程(達西定律)或固定冪指數的非線性方程對交換流進行定量描述，即水量交換與管道水頭和裂隙基質水頭之間的差成正比或者平方根成正比的關系。在巖溶寬裂隙發育地區可以形成局部的紊流地段，交換流存在非線性流態，因此傳統模型采用線性方程(達西定律)或固定冪指數的非線性方程定量描述管道-基質雙重介質交換流，不能完全反映不同巖溶寬裂隙發育情況下與周圍管道存在的水量交換關系，導致計算交換量不準確，難以表征巖溶含水層管道-基質雙重介質交換流過程。針對不同巖溶寬度裂隙條件下，如何刻畫巖溶管道-基質雙重介質交換流的水動力特征以及交換流規律的問題，提出一種基于巖溶寬裂隙發育條件下，采用非線性方程計算巖溶管道-基質交換流的方法是解決該難題的最有效方法之一。
2、前人基于管道-基質雙重介質的交換流為線性達西流展開研究，并且取得一定的成果。牛子豪等《不同補給條件下裂隙-管道介質間水流交換的示蹤試驗研究》為了探究巖溶含水系統中裂隙-管道介質間不同補給方式下水流交換的情況，在實驗室內借助高精度攝像儀和有色示蹤劑對其進行可視化觀測，并且設計
3、束龍倉等《管道-裂隙巖溶含水介質非均質性的水文效應》通過swmm模型對水文過程進行了室內模擬實驗，研究了管道-裂隙巖溶含水介質非均質性對系統水文過程的影響。結果表明管道尺寸、含水介質空隙度和地下水與地表水水量交換系數對系統出口處的水位和流量過程的影響均較小，但管道尺寸對地下水的最高水位有一定的控制作用。含水介質空隙度對地下水水位的增長和消落過程有一定影響，地下水與地表水水量交換系數則是對地下水水位的變化率和其能達到的最大值有著重要的影響。但是，swmm模型作為傳統模型的一種，通過使用線性方程對管道-基質雙重介質交換流進行定量描述，默認交換流屬于達西流，欠缺考慮巖溶寬裂隙發育情況下的交換流存在非線性流態。
4、常勇《裂隙-管道二元結構的巖溶泉水文過程分析與模擬》提出一種新的水箱-cfp組合模型，利用水箱反映表層巖溶帶內的水文過程，cfp模型用于模擬飽水帶內的水文過程。模擬結果也顯示出該模型能良好的模擬不同降雨條件下s31泉的動態變化過程，在暴雨期間，大于33.6％的降雨經表層巖溶帶調蓄后以集中補給的方式直接補給管道。cfp模型作為modflow數值模擬軟件中計算管道-裂隙基質雙重介質交換流的計算模塊，雖然能夠表征管道-裂隙二元介質間的水動力性質差異，但該模型基于達西流假設計算裂隙-管道介質水流交換量，忽略巖溶寬裂隙發育時，管道與裂隙基質之間廣泛存在管道-裂隙流交換現象，形成紊流地段導致交換流存在非線性流態，從而計算交換量不準確。
5、王熹等《裂隙-管道介質調蓄系數與補給強度之間關系的試驗研究》為了探究裂隙-管道介質調蓄功能的影響機制，通過建立裂隙-管道介質物理模型分析不同補給方式下模型的調蓄系數與補給強度之間的關系，結果表明隨著補給強度的增大，調蓄系數逐漸增大。單獨補給裂隙情景下，調蓄系數與補給強度呈指數型增加趨勢，單獨補給落水洞、共同補給裂隙與落水洞時，調蓄系數與補給強度呈線性增加趨勢。但是，該試驗是基于管道-基質雙重介質交換流是線性方程的前提下對裂隙-管道介質調蓄系數與補給強度的關系展開研究，沒有考慮在巖溶寬裂隙發育地區可以形成局部的紊流地段，此時交換流存在非線性流態。
6、孫晨等《裂隙-管道介質泉流量衰減過程試驗研究及數值模擬》利用自主研發的裂隙-管道介質物理模型，模擬巖溶裂隙-管道介質的泉流量衰減過程，設計多組試驗探討不同因素對泉流量衰減過程的影響。試驗結果表明，衰減過程隨釋水介質的變化分為3個亞動態，即衰減系數的大小主要受泉口大小、補給狀態、含水介質初始蓄水狀態的影響。該自主研發的物理模型主要研究不同因素對泉流量衰減過程的影響，由線性方程定量描述管道-裂隙基質雙重介質交換流，然而處于寬裂隙發育的情況下，交換流存在非線性流態，其規律并不適用于線性方程來描述。
7、束龍倉等《裂隙-管道介質泉流域水文地質模擬試驗》為了深入認識巖溶泉流域的流量過程影響因素和作用機制，以西南巖溶泉流域水文地質概念模型為原型，建立了實驗室尺度下的裂隙-管道介質物理模型和數值模型。選取補給雨強、泉口直徑、落水洞與開采井的位置作為影響因子，模擬了泉流量過程。試驗結果表明，單次降水實驗可以觀測得到泉流量增加、平穩波動和衰減共三個階段。在同一泉口直徑條件下，補給強度對泉流量衰減系數的影響極小，直徑為3、4、5、6、7mm的泉口直徑對應的衰減系數分別為0.0036、0.0067、0.0115、0.0129。但是，該物理模型和數值模型中的管道-裂隙基質雙重介質交換流是基于線性方程來定量描述的，忽略了當寬裂隙發育時，管道與裂隙基質之間廣泛存在管道-裂隙流交換現象，形成紊流地段導致交換流存在非線性流態，從而計算不準確。
8、綜上文獻研究顯示，實驗均是基于線性方程(達西定律)的假設下對管道-裂隙雙重介質交換流進行研究，忽略了巖溶寬裂隙發育地區可以形成局部的紊流地段，交換流存在非線性流態，因此基于達西定律定量描述交換流的實驗不能準確表征管道與周圍基巖裂隙存在的水量交換過程。
9、一些學者在研究管道-裂隙基質雙重介質交換流的過程中發現達西定律不適用于交換流。孫歡等《碳酸鹽巖破裂過程中管道-裂隙水非線性流動特性試驗研究》聚焦碳酸鹽巖微觀滲流特性與破裂機制的研究，開展了巖石破裂過程中管道-裂隙水流動可視化試驗，基于巖石塊體尺度實驗結果定量分析管道流體向裂隙流體過渡的流態演化過程，研究多級荷載對管道-裂隙水流動特性的影響。試驗結果表明碳酸鹽巖流態穩定性與破裂狀態相關，管壁破壞初期管道流主要以層流為主，局部管壁劈裂造成管道流體時域性流態交替，管道流體向裂隙流體轉變的前兆特征主要表現為過渡流態臨界轉換點。該研究考慮管道-裂隙基質雙重介質交換流存在非達西流，但是對于計算交換流的方法并沒有開展相關研究，并且試驗沒有考慮當巖溶存在不同程度寬裂隙時，滲透系數的變化對交換流的影響。
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【技術保護點】
1.一種基于巖溶裂隙發育的管道-基質水流交換計算方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于巖溶裂隙發育的管道-基質水流交換計算方法，其特征在于，所述步驟S1中的管道上的第一交換孔的孔徑為4.5-5.5mm，中心距為9.5mm-10.5mm，管道外壁包裹1.5-2.5mm孔徑的鋼絲濾網。
3.根據權利要求1所述的一種基于巖溶裂隙發育的管道-基質水流交換計算方法，其特征在于，所述步驟S1中石英砂容器盛裝的石英砂的粒徑為2.8-3.2mm。
4.根據權利要求1所述的一種基于巖溶裂隙發育的管道-基質水流交換計算方法，其特征在于，所述步驟S1中石英砂容器的尺寸為4.5-5.5cm×4.5-5.5cm×4.5-5.5cm，6個面均勻布置若干個孔徑為0.8-1.2mm的第二交換孔；所述石英砂容器內壁包括0.8-1.2mm孔徑的鋼絲濾網。
5.根據權利要求1所述的一種基于巖溶裂隙發育的管道-基質水流交換計算方法，其特征在于，所述步驟S4中根據采集的管道底部的壓力值、石英砂容器底部的壓力值計算得到管道和裂隙基質的水頭差值具體包
6.根據權利要求1或5所述的一種基于巖溶裂隙發育的管道-基質水流交換計算方法，其特征在于，所述水量交換系數α的計算方式如下：
...【技術特征摘要】
1.一種基于巖溶裂隙發育的管道-基質水流交換計算方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于巖溶裂隙發育的管道-基質水流交換計算方法，其特征在于，所述步驟s1中的管道上的第一交換孔的孔徑為4.5-5.5mm，中心距為9.5mm-10.5mm，管道外壁包裹1.5-2.5mm孔徑的鋼絲濾網。
3.根據權利要求1所述的一種基于巖溶裂隙發育的管道-基質水流交換計算方法，其特征在于，所述步驟s1中石英砂容器盛裝的石英砂的粒徑為2.8-3.2mm。
4.根據權利要求1所述的一種基于巖溶裂隙發育的管道-基質水流交換計算方...
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳立華，郭光華，盧康明，張文明，錢燕，杜勇，陳學秋，
申請(專利權)人：廣西大學，
類型：發明
國別省市：
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