中国西南岩溶地下河系统旱涝致灾因素模拟分析

潘林艳，张文婷，郭纯青

(1.桂林理工大学a.环境科学与工程学院;b.广西环境污染控制理论与技术重点实验室;

c.岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西桂林 541004; 2.桂林水文工程地质勘察院，广西桂林 541002;3.广西区域地质调查研究院，广西桂林 541003)

中国西南岩溶地下河系统旱涝致灾因素模拟分析

潘林艳1，2，张文婷1，3，郭纯青1

(1.桂林理工大学a.环境科学与工程学院;b.广西环境污染控制理论与技术重点实验室;

c.岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西桂林 541004; 2.桂林水文工程地质勘察院，广西桂林 541002;3.广西区域地质调查研究院，广西桂林 541003)

选取地下岩溶管道不同埋深、平面展布形态、坡降3种岩溶地下因素以控制变量法在室内进行物理模拟对比实验，分析在同等暴雨强度下，地下因素对降雨的响应过程，得出这3种因素影响下的消涨水时间和速度，分析了岩溶管道特征对岩溶地下河系统旱涝致灾的影响。岩溶管道特征对岩溶地下河系统流量和水位的影响主要表现在:岩溶管道埋深较浅、岩溶管道下游坡降较陡和岩溶管道分支较多的岩溶地下河系统对降雨输入较敏感，响应较迅速;流量平稳期水位较低的是岩溶管道埋藏深、岩溶管道坡降较陡和岩溶管道分支较多的岩溶地下河系统。

岩溶地下河系统;岩溶管道结构特征;旱涝致灾;模拟

岩溶地下河系统作为岩溶环境中水体的主要调节和汇集中心，其独特的内部结构、功能和水文过程影响和决定了岩溶旱涝的发生和发展［1－2］。旱涝灾害的发生和发展往往受该岩溶区地下复杂的岩溶管道系统所制约，岩溶管道结构特征是影响和控制岩溶地下河系统中水流贮蓄、径流和排泄的主要因素［3］。因此，研究中国西南岩溶地下河系统的发育和结构特征，找到影响和控制岩溶地下河系统旱涝致灾的内部因素，对解决中国西南岩溶区干旱缺水，浸没内涝加剧，以及应对和防治旱涝灾害等具有非常重要的意义［4］。

目前国内外对岩溶地下河系统水文过程影响的物理模型建设研究较少。文献 ［5－7］分别利用砂箱物理模型和原状岩样为模型介质，研究岩溶地下水水流运动规律及对岩溶地下水系统物理模型的出流进行衰减曲线分析。文献［8－9］研究的岩溶地下河系统模型由一个双重裂隙流构成，即具有弱渗透裂隙的基岩区和具有大裂隙快速流的强渗透区。为了更突出表现中国西南岩溶地下河系统中岩溶管道的特征，需要在Drogue岩溶地下河系统二元裂隙网格概念模型的基础上，结合典型岩溶地下河系统概念模型，将中国西南岩溶地下河系统概化成由表层强渗透区、具有弱渗透裂隙的基岩区和岩溶管道快速流的强渗透区组成的地下水系统，其中，岩溶管道概化成发育于强渗透区的，具有特殊空间展布形态的，多个岩溶管道组成存在主、支干基本轮廓的管道结构。但是，与野外岩溶地下河系统复杂的内部含水介质结构相比较，概化后的模型结构简单，因此，本模型仅适用于指导室内物理建模，以研究岩溶管道结构特征对岩溶地下河系统水文过程的影响。

1 岩溶地下河系统水文过程模拟

1.1 物理模拟实验装置

笔者等构建了具有不同岩溶管道结构特征的岩溶地下河系统物理模型，以研究降雨条件下，岩溶管道结构对岩溶地下河系统水文响应过程的影响。本物理模型主要研究具有不同岩溶管道结构特征的岩溶地下河系统流量和水位对相同降雨条件的响应快慢和影响程度。

1.1.1 模型箱和测流装置 模型箱几何尺寸的设计如图1所示。箱体长、宽、高分别为100、60、30 cm。为了减小箱体变形，箱体采用10 mm厚的钢化玻璃。模型箱共设置了3个出流孔，孔径为12 mm，最底端的出流孔圆心位置距离实验箱底面为3 cm，各出流孔圆心间相隔距离均为6 cm。模型箱侧面低端设置一放水阀，用于排水。数据采集系统包括水位传感器、AD转换模块、稳压电源模块、单片机、串口通信模块、键盘输入模块和计算机，其工作原理为:AD转换模块将水位传感器的模拟信号转换成数字信号，单片机控制系统开启内部定时器，通过读取键盘输入的间隔时间等信息来初始化系统，然后定时地从AD转换模块中读取变换后的数字信号，并将读取到的数字信号换算成水位值，最后将水位值通过串口发送给计算机，计算机通过串口将水位数值读取到相应的文件中进行储存。

1.1.2 降雨装置 降雨系统(图2)主要由降雨喷头、支架和供水控制系统组成。16个可调式铜制微喷头均匀分布于模型箱上部，单个喷头流量范围0.2～0.7 L/min。该降雨系统由24 V直流潜水泵供水，潜水泵通过稳压直流电源模块控制抽水量大小，进而控制降雨量的大小，显示屏显示电压大小对应不同降雨强度。通过蓄水箱内水量的变化和降雨时间，计算各次降雨强度大小。

图1 室内物理模拟模型Fig.1 Model design of indoor physical simulation

图2 降雨系统设计图Fig.2 Model design of rain system

1.2 实验材料

选用工业橡皮泥作为实验介质，材料不透水，材质与实际碳酸盐岩虽不同，但易于塑变，能塑造出各种大小不一和形状各异的岩溶裂隙、岩溶管道、天窗、漏斗等单一或组合的岩溶结构，在人工降雨条件下模拟出符合西南岩溶地下河系统水流特征的水流。实验选用1∶10 000的比例尺，模拟实际面积约为60 km2。模拟大裂隙宽度约为2～4 mm，岩溶管道宽度10～12 mm，高约10 mm，小裂隙宽度0.1～2 mm，模型最上层的形态岩溶漏斗和天窗为圆形，直径大小约8～10 mm。

2 物理模拟实验步骤

2.1 管道结构特征选取

实验选取的管道断面几何形态为矩形;管道连接方式为叶脉状和主干型;管道在空间上主要处于径流区和排泄区，所以为水平管道;管道宏观展布的平面形态有单一管道、平行管道、叶脉状和树枝状;管道有坡降全段平缓的、坡降上游陡下游缓的以及坡降全段陡的;管道埋藏深度有浅埋、中等埋深和深埋(表1)。

2.2 模型搭建

本实验共制作了4组具有不同岩溶管道结构的岩溶地下河系统物理模型(表2)。模型上下分为3层:最底层主要模拟大块岩石间的大裂隙;中间层设置岩溶管道，管道周围有小裂隙;最上层是小块岩石间的小裂隙，还有岩溶漏斗和天窗。本次物理模拟实验主要研究的是岩溶管道特征对岩溶地下河系统水文过程的影响，为了突出主要矛盾因素，控制变量，所以忽略地表形态的因素，所有模型最上层都是统一形态。

表1 岩溶管道结构特征选取Table 1 Selection of karst conduit characteristics

模型Ⅰ为不同埋深的单一管道型岩溶地下河系统模型:中间层自下而上共设置3条岩溶管道，坡降平缓。搭建实验模型时，同时搭建了3条不同埋深的岩溶管道，因此，为探清某一埋深岩溶管道对岩溶地下河系统水文过程的影响，需将另外两条管道堵住，形成3个不同岩溶管道埋深的岩溶地下河系统。

模型Ⅱ为不同坡降的平行管道型岩溶地下河系统模型:岩溶管道上游段坡降相同，下游处坡降不同;在垂直方向上设置了两个出口，出口高度分别为2.4和8.4 cm。与模型Ⅰ相同，实验过程中，为探清某一坡降对岩溶地下河系统水文过程的影响，需将下游分叉处至出口处的另一条岩溶管道堵住，形成2个不同岩溶管道坡降的平行管道型岩溶地下河系统。

模型Ⅲ和模型Ⅳ分别为不同岩溶管道坡降的叶脉状和树枝状岩溶地下河系统模型:剖面设置均与模型Ⅱ相同(表2)。

2.3 实验过程

由降雨装置提供同时长(6 min)、同雨强(10 mm/min)的降雨(雨强设计值参照气象部门的降雨等级表中特大暴雨等级:12 h降雨量不小于140 mm)，雨量经模型中不同特征的岩溶管道调蓄后，从出流孔流入测流箱，水位变送器对模型箱和测流箱内的实时水位进行记录，出流孔流量停止后实验结束。

本实验共设置两组对比实验(表3)，研究相同降雨条件下，管道的埋藏深度、坡降和平面展布形态对岩溶地下河系统流量和水位响应过程的影响。

表2 不同岩溶管道特征的岩溶地下河系统物理模型Table 2 Physicalmodels of karst underground river system with different karst conduit characteristics

3 模拟实验结果

3.1 岩溶管道的埋深

3.1.1 岩溶管道的埋深对流量的影响 实验数据分析结果表明，岩溶管道的埋深对岩溶地下河系统流量的降雨响应过程有影响并存在一定的规律(图3)。流量变化过程可分为:

(1)流量增长阶段:流量增长阶段为降雨初期，水量边蓄边排，部分水量存储在岩溶空隙中，部分水量通过岩溶管道排泄。随着可储存空间减少，储存量减少，出流量增大。不同岩溶管道埋深岩溶地下河系统流量对降雨响应时间的快慢顺序为T7cm埋深＞T13cm埋深＞T18cm埋深。

(2)流量平稳阶段:当岩溶系统达到饱水状态，降雨量基本等于排泄量，流量趋于稳定。不同岩溶管道埋深的岩溶地下河系统流量均在100 mL/s数值左右波动，与降雨补给量相等。

(3)流量衰减阶段:降雨停止后，贮存在岩溶地下河系统含水层的水量开始释放，随着系统内水量的减少，流量也逐渐衰退直至断流。不同岩溶管道埋深岩溶地下河系统的水位高度H7cm埋深＞H13cm埋深＞H18cm埋深。

3.1.2 岩溶管道的埋深对水位的影响 不同岩溶管道埋深的单一管道型岩溶地下河系统水位对降雨的响应过程与流量变化过程相似，同样分为增长、平稳和衰减3个阶段(图4)。降雨初期，系统水位迅速升高;随着降雨的持续，水位稳定在某一高度;降雨停止后，水位逐渐回落到岩溶管道出口位置高度。对比可知，流量平稳期，不同岩溶管道埋深岩溶地下河系统的水位高度H7cm埋深＞

表3 实验过程设计Table 3 Design of experiment procedure

图3 不同埋深的单一管道型岩溶地下河系统流量对降雨的响应过程Fig.3 Response process of single pipe type karst underground river system flow to the rainfall with different buried depths

图4 不同埋深的单一管道型岩溶地下河系统水位对降雨的响应过程Fig.4 Response process of single pipe type karst underground river system water table to the rainfallwith different buried depths

3.2岩溶管道坡降和平面展布形态

3.2.1 岩溶管道的坡降和平面展布形态对流量的影响 岩溶管道的坡降和平面展布形态对岩溶地下河系统流量和水位的降雨响应过程也有影响，相同降雨强度下，不同岩溶管道坡降(下游坡降分别为5‰和136‰)和平面展布形态(平行管道型、叶脉状和树枝状)岩溶地下河系统流量对降雨的响应过程相似。

对比同一岩溶管道平面展布形态，不同下游坡降的岩溶地下河系统流量对降雨响应的变化过程曲线(图5)，得到以下结论:

(1)流量增长阶段:下游岩溶管道坡降陡(136‰)的岩溶地下河系统流量增长较快。

(2)流量平稳阶段:不同岩溶管道坡降的岩溶地下河系统流量均在同一数值100 mL/s上下波动，与降雨补给量相同。

(3)流量衰减阶段:下游岩溶管道坡降陡(136‰)的岩溶地下河系统流量衰退较快。

对比岩溶管道坡降相同、平面展布形态不同的岩溶地下河系统流量对降雨响应的变化过程曲线(图5)，得到以下结论:

图5 同坡降和平面展布形态的岩溶地下河系统流量对降雨的响应过程Fig.5 Response process of karst underground river system flow to the rainfall with different slope and plane distribution pattern

(1)流量增长阶段:树枝状岩溶管道的岩溶地下河系统流量增长较快，其次是叶脉状岩溶管道的岩溶地下河系统，增长较慢的是平行管道型的岩溶地下河系统。

(2)流量平稳阶段:不同平面展布形态的岩溶地下河系统流量均在100 mL/s数值上下波动，与降雨补给量相同。

(3)流量衰减阶段:流量衰减较快的是树枝状岩溶管道的岩溶地下河系统，其次是叶脉状管道，较慢的是平行管道型。

3.2.2 岩溶管道的坡降和平面展布形态对水位的影响 在6 min时长、10 mm/min强度的相同降雨条件下，不同岩溶管道坡降和平面展布形态岩溶地下河系统水位对降雨的响应过程见图6，可知:

(1)岩溶管道平面展布形态相同的岩溶地下河系统，下游坡降为136‰的岩溶地下河系统水位平稳期上涨较慢。

(2)岩溶管道下游坡降相同的岩溶地下河系统，岩溶管道呈树枝状展布的岩溶地下河系统降雨前期水位增长最慢，衰减期水位下降最快，平稳期高度最低。

3.3 实验结论

物理模拟实验结果表明，岩溶管道的埋深、坡降和平面展布形态对岩溶地下河系统流量和水位的降雨响应过程有影响并存在一定的规律(表4)。影响主要表现在降雨初期的流量增长速度和降雨停止后的流量衰退速度，以及流量平稳期的水位保持高度，其规律体现在:

(1)岩溶管道埋深较浅的、岩溶管道下游坡降较陡的和岩溶管道分支数量较多的岩溶地下河系统对降雨输入较敏感，响应较迅速。

(2)流量平稳期水位较低的是岩溶管道埋藏深、岩溶管道坡降较陡和岩溶管道分支数量较多的岩溶地下河系统。

图6 不同坡降和平面展布形态的岩溶地下河系统水位对降雨的响应过程Fig.6 Response process of karst underground river system water table to the rainfallwith different slope and plane distribution pattern

4 结束语

岩溶管道埋深、坡降和平面展布形态直接影响和控制岩溶地下河系统的贮蓄空间、排水能力和径流量，间接导致岩溶旱涝灾害，是中国西南岩溶地下河系统旱涝致灾的内因。针对此因素，本文进行物理模拟实验分析，得到岩溶管道的埋深、坡降和平面展布形态对岩溶地下河系统流量和水位的降雨响应过程的影响规律。在6 min时长、10 mm/min强度的相同降雨条件下，岩溶管道特征(埋深、坡降和平面展布形态)对岩溶地下河系统流量和水位的影响主要表现在降雨初期流量的增长速度和降雨停止后的衰退速度、水位平稳期的保持高度:岩溶管道下游坡降较陡和岩溶管道分支较多的岩溶地下河系统对降雨输入较敏感，响应较迅速，水位在流量平稳期上升高度较高;岩溶管道埋藏较深的岩溶地下河系统流量衰减较慢，水位在流量平稳期上升高度较低。

表4 相同降雨条件下岩溶管道的空间分布特征对岩溶地下河系统流量和水位的影响Table 4 Affects of the flow and watertable of underground riverwith spatial distribution characteristics of karst conduit under the same rainfall conditions

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［2］光耀华，郭纯青，李文兴，等．岩溶浸没内涝灾害研究［M］．桂林:广西师范大学出版社，2001:55－67．

［3］郭纯青．中国岩溶生态水文学［M］．北京:地质出版社，2007:27－30．

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Simulation analysis of drought-flood disaster factors for karst underground river system，southwest China

PAN Lin-yan1，2，ZHANGWen-ting1，3，GUO Chun-qing1
(1.a．College of Environmental Science and Engineering;b．Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology;c.Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Water Safety in Karst Area，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China;2.Guilin Investigation Institute of Hydro-Engineering Geology，Guilin 541002，China;3．Guangxi Institute of Region Geological Survey，Guilin 541003，China)

The time and speed ofwater rising and falling under the impact of different depth，plane distribution shape and hydraulic gradient of underground karst conduitwere obtained through lab simulation and response analysis to the same rainfall intensity with various controlmethod．The influence of karst conduit causes leading to drought and flood disasterswas analyzed．The results show that the karst underground riverswith shallow-buried，gentle gradient in downstream and dendritic shape karst conduit are sensitive and so there is fast response to the rainfall input．The karstunderground riverswith deep-buried，steep gradient in downstream and dendritic shape karst conduit have lower water table in stable discharge period．

karst underground river system;structural characteristics of karst conduit;drought and flood disasters;simulation

P642.25;P641.134

:A

2015－10－23

国家自然科学基金项目 (41172230/D0213)

潘林艳 (1989—)，女，硕士，水文地质专业，100219682@qq.com。

郭纯青，教授，2000036@glut.edu.cn。

潘林艳，张文婷，郭纯青．中国西南岩溶地下河系统旱涝致灾因素模拟分析［J］．桂林理工大学学报，2016，36 (4):693－699．

1674－9057(2016)04－0693－07

10.3969/j．issn.1674－9057.2016.04.008