發(fā)布時間：2018-03-09 16:09

  本文選題：巖溶發(fā)育　切入點：溶解潛力　出處：《中國地質大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：巖溶水系統(tǒng)含水介質的非均質性大大增加了調查分析巖溶空間分布和時間演變規(guī)律的難度。在研究局部巖溶水流動和非均質巖溶介質分布時,基于水文地質地表調查的定性分析或者工程勘察的局部調查是現(xiàn)有的主要手段。目前可實現(xiàn)巖溶演化的少數(shù)數(shù)值模型僅可模擬1-2個主方向裂隙網絡的溶解,與實際巖溶空間分布差異較大�，F(xiàn)有數(shù)值模型多為可視化程度較低的源代碼程序,普及性不佳�；趨^(qū)域地下水流動系統(tǒng)理論和碳酸鹽巖化學溶解機理,本文提出以溶解潛力來刻畫地下水可以溶解并攜帶碳酸鹽巖的最大數(shù)量,將表征“溶解潛力”的概念參數(shù)稱為巖溶發(fā)育指數(shù)ΦK(Karstification Index).巖溶發(fā)育指數(shù)的物理意義為在單位時間內地下水可溶解的碳酸鹽巖物質的量[MT1]。巖溶發(fā)育指數(shù)的數(shù)學表達式為：ΦK=q·s式中q為巖溶水系統(tǒng)任意空間位置點的地下水流量[L3T1]；s為單位體積地下水與碳酸鹽巖完全反應達到飽和時地下水中增加的碳酸鹽巖[ML-3]；本研究設定非飽和帶巖溶發(fā)育指數(shù)為零。巖溶水系統(tǒng)中地下水徑流是不均勻的,水流的不均勻性造成可溶巖的差異性溶解,這種漸強的不均勻性徑流與介質差異性溶解的正反饋過程是巖溶水系統(tǒng)特有的自組織機制。巖溶發(fā)育模型需要體現(xiàn)巖溶水系統(tǒng)自組織機制、模擬巖溶形成過程與相對規(guī)模大小。根據(jù)研究區(qū)水文地質條件和化學反應條件構建巖溶水流動、熱量運移數(shù)值模型,由任意點鈣離子背景值、流量、水溫、二氧化碳分壓計算任意時刻的巖溶發(fā)育指數(shù)。根據(jù)巖溶發(fā)育指數(shù)值計算經歷一段時間(一個時間步長)溶解作用后介質隙寬的擴大量,進而獲取透水介質的滲透系數(shù)和溶解進入水中的鈣離子數(shù)量。在該時刻水流與鈣離子運移耦合模型中添加隨時間變化的溶解鈣離子量,模擬獲取下一時刻鈣離子背景值。利用計算的透水介質滲透系數(shù)構建下一時刻的水流-熱量運移模型,根據(jù)模擬的流量、水溫,結合新的鈣離子濃度背景值計算下一時刻巖溶發(fā)育指數(shù)。以巖溶發(fā)育指數(shù)作為巖溶介質和地下水正反饋過程的橋梁,通過反復模擬-計算-迭代來實現(xiàn)巖溶發(fā)育過程的方法就是基于溶解潛力的巖溶發(fā)育數(shù)值模型。本研究把早期透水介質概化成一系列可沿任意方向相互連通的細小圓管,含水層內的地下水流動簡化為達西流。本文選用功能齊全的地下水水量、熱量、溶質運移軟件系統(tǒng)FEFLOW來模擬巖溶水系統(tǒng)任意時刻的流場、溫度場及溶質場。相對巖溶發(fā)育的漫長地質歷史時間而言,巖溶介質和水流分布在一定時期內變化并不顯著。因此,本研究構建的巖溶發(fā)育數(shù)值模型假設任意時間步長內碳酸鹽巖勻速溶解,且一個時間步長內系統(tǒng)狀態(tài)不變。這樣的處理方法雖然沒有精細刻畫出實時的巖溶發(fā)育過程,但是對于分析系統(tǒng)內巖溶化的階段性進程是合理且有意義的。另外,巖溶發(fā)育進入成熟期將形成大型管道和洞穴,地下水物理侵蝕作用占主導地位,基于溶解機制建立的巖溶發(fā)育數(shù)值模型不再適用。此時,一般情況下地下水中將出現(xiàn)紊流,因此,本研究以雷諾數(shù)作為模型時效性的判斷依據(jù)。但是,基于溶解潛力的早期巖溶發(fā)育模型已經奠定了整個巖溶水系統(tǒng)巖溶發(fā)育的總體趨勢和介質巖溶化格局的基本雛形。如果模擬的時間過程沒有出現(xiàn)大的構造運動改變基本地質結構,本文提出的研究思路和建立的數(shù)值模型,可以定量刻畫巖溶發(fā)育宏觀特征,預測巖溶發(fā)育的空間差異性和趨勢性規(guī)律。以均質各向同性灰?guī)r河間地塊作為水文地質理論模型,本文分析了巖溶發(fā)育的一般過程。100ky時,河間地塊理論模型地下水中出現(xiàn)紊流。模擬結果表明基準面排泄點的溶解潛力最大,早期巖溶通道沿排泄基準面水平逐漸向內延伸。根據(jù)理論模型巖溶發(fā)育過程,本研究將巖溶早期發(fā)育分為3個階段：(1)潛伏期(0-40ky),指潛水位逐漸降低直至穩(wěn)定不變的階段,以排泄高程的降低時間作為劃分依據(jù)；(2)發(fā)育期(40-90ky),指溶解作用集中在排泄基準面緩慢進行的階段,巖溶發(fā)育指數(shù)增加幅度占比少于10%；(3)突變期(90-100ky),排泄區(qū)形成水平向內延伸的早期巖溶通道,該階段巖溶發(fā)育指數(shù)增加幅度占比大于90%。不同區(qū)域巖溶發(fā)育過程在以上3個階段的時間分配可能不同,但是以上過程符合早期巖溶發(fā)育的一般規(guī)律。本研究逐次改變理論模型的基巖滲透性、補給源鈣離子濃度,并依次添加相對隔水層、導水帶,以分析以上影響因素對巖溶發(fā)育的影響。結果表明,溶解潛力及其非均質性與基巖滲透性成正比、與補給源鈣離子濃度成反比,且?guī)r溶發(fā)育對前者的敏感系數(shù)比后者大2個數(shù)量級。在理論模型中添加相對隔水層或導水帶,系統(tǒng)內巖溶發(fā)育規(guī)模和空間分布都變化顯著。添加水平相對隔水層后,理論模型巖溶發(fā)育出現(xiàn)分層現(xiàn)象,巖溶僅在隔水層上部含水層發(fā)育,最終在隔水底板形成水平巖溶管道,下部含水層巖溶不發(fā)育。添加導水帶后,巖溶化作用集中在導水帶,介質非均質性增強,巖溶發(fā)育進程加快。不同位置的導水帶巖溶水系統(tǒng)內巖溶發(fā)育空間位置也不同。導水帶與排泄基準面重合的系統(tǒng)主要沿排泄基準面發(fā)育水平延伸的巖溶管道；350m水平延伸的導水帶系統(tǒng)僅可能在排泄口發(fā)育小溶洞；150m水平延伸的導水帶系統(tǒng)的巖溶通道沿導水帶水平延伸、沿河床垂直向下,基準排泄點還可能發(fā)育溶洞；導水帶斜穿含水層的系統(tǒng)在導水帶下端發(fā)育巖溶管道,兩側基準排泄點發(fā)育溶洞。筆者攻讀博士學位期間在湖北興山縣境內對香溪河流域巖溶發(fā)育進行了研究,依托1：5萬水文地質調查項目積累了大量基礎數(shù)據(jù)資料。在對香溪河流域巖溶水系統(tǒng)劃分流動系統(tǒng)的基礎上,本研究分別構建霧龍洞小流域和響龍洞小流域巖溶發(fā)育模型。目的一是分析不同地質結構巖溶水系統(tǒng)的巖溶發(fā)育特征,嘗試解答地表調查和局部水文地質勘察無法準確說明的問題；二是通過野外現(xiàn)象與模型的對比驗證說明巖溶發(fā)育模型的可靠性與可行性。模擬結果表明霧龍洞流域上層寒武系巖溶水系統(tǒng)內發(fā)育局部垂直相通的多層水平巖溶管道,斷裂帶局部還可能形成串珠狀小溶洞。下層震旦系巖溶水系統(tǒng)溶解潛力僅為上層系統(tǒng)的1/105～1/106,僅在高嵐河河床和斷裂帶附近發(fā)生溶解作用。響龍洞流域二疊-三疊系巖溶水系統(tǒng)內部巖溶發(fā)育程度較低,僅在排泄點形成溶洞。霧龍洞流域和響龍洞流域巖溶發(fā)育模型的宏觀特征都較好重現(xiàn)并解釋了主要的實際巖溶現(xiàn)象,包括巖溶泉、溶洞、巖溶管道的空間位置及基本規(guī)模、形態(tài)等。并且,霧龍洞流域模型中上層寒武系巖溶水系統(tǒng)巖溶泉的水文動態(tài)過程與監(jiān)測序列相似度較高。因此,巖溶發(fā)育模型在香溪河流域的實例應用是成功的,說明本文構建的巖溶發(fā)育數(shù)值模型合理可行。巖溶發(fā)育模型可用于劃分復雜巖溶水流動系統(tǒng)的結構和層級,協(xié)助水文地質工作者判斷區(qū)域主要的巖溶發(fā)育強度和部位、分析深部巖溶水資源空間分布,更好地根據(jù)工作目的選擇重點靶區(qū)開展高精度水文地質勘察工作、制定更科學的水資源開發(fā)保護方案。由于巖溶發(fā)育過程包含有多個物理化學過程,因此巖溶發(fā)育模型可基于溶解潛力概念進行模塊拓展。由簡單因素拓展至復雜因素、由單一因素拓展至多個因素是溶解潛力模型發(fā)展的必然趨勢。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P642.25

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