本發(fā)明涉及水利水電工程，特別涉及一種基于巖溶裂隙發(fā)育的管道-基質(zhì)水流交換計算方法。

背景技術(shù)：

1、巖溶含水層由于溶蝕作用形成了復(fù)雜的管道-裂隙二元介質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有慢速裂隙流與快速管道流并存、層流與紊流互相轉(zhuǎn)換、裂隙系統(tǒng)與管道系統(tǒng)交替補(bǔ)給的特點(diǎn)，因此巖溶管道與周圍基巖裂隙存在的水量交換關(guān)系導(dǎo)致巖溶管道-裂隙基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流的水文過程特征十分復(fù)雜。關(guān)于巖溶管道-基質(zhì)雙重介質(zhì)的水流交換量的計算，傳統(tǒng)的模型通常假設(shè)采用線性方程(達(dá)西定律)或固定冪指數(shù)的非線性方程對交換流進(jìn)行定量描述，即水量交換與管道水頭和裂隙基質(zhì)水頭之間的差成正比或者平方根成正比的關(guān)系。在巖溶寬裂隙發(fā)育地區(qū)可以形成局部的紊流地段，交換流存在非線性流態(tài)，因此傳統(tǒng)模型采用線性方程(達(dá)西定律)或固定冪指數(shù)的非線性方程定量描述管道-基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流，不能完全反映不同巖溶寬裂隙發(fā)育情況下與周圍管道存在的水量交換關(guān)系，導(dǎo)致計算交換量不準(zhǔn)確，難以表征巖溶含水層管道-基質(zhì)雙重介質(zhì)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(zhì)雙重介質(zhì)交換流的水動力特征以及交換流規(guī)律的問題，提出一種基于巖溶寬裂隙發(fā)育條件下，采用非線性方程計算巖溶管道-基質(zhì)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(zhì)雙重介質(zhì)的交換流為線性達(dá)西流展開研究，并且取得一定的成果。牛子豪等《不同補(bǔ)給條件下裂隙-管道介質(zhì)間水流交換的示蹤試驗(yàn)研究》為了探究巖溶含水系統(tǒng)中裂隙-管道介質(zhì)間不同補(bǔ)給方式下水流交換的情況，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)借助高精度攝像儀和有色示蹤劑對其進(jìn)行可視化觀測，并且設(shè)計多組實(shí)驗(yàn)對單獨(dú)補(bǔ)給裂隙、共同補(bǔ)給、裂隙和落水洞分開同時補(bǔ)給三種補(bǔ)給方式下水流交換情況進(jìn)行探討。結(jié)果表明落水洞對裂隙水?dāng)U散的影響隨裂隙距離落水洞的距離增大而減小，相比較于共同補(bǔ)給情況，單獨(dú)補(bǔ)給裂隙情況下落水洞對裂隙水?dāng)U散影響較大，在分開同時補(bǔ)給情況下裂隙與落水洞補(bǔ)給水量相同時，僅呈現(xiàn)裂隙對落水洞的單向補(bǔ)給。該實(shí)驗(yàn)基于線性方程(達(dá)西定律)的假設(shè)下對不同補(bǔ)給條件下的交換流進(jìn)行研究，忽略了巖溶寬裂隙發(fā)育地區(qū)廣泛存在管道-裂隙流交換現(xiàn)象，形成紊流地段導(dǎo)致交換流存在非線性流，不能正確反映管道與周圍基巖裂隙存在的水量交換關(guān)系。

3、束龍倉等《管道-裂隙巖溶含水介質(zhì)非均質(zhì)性的水文效應(yīng)》通過swmm模型對水文過程進(jìn)行了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，研究了管道-裂隙巖溶含水介質(zhì)非均質(zhì)性對系統(tǒng)水文過程的影響。結(jié)果表明管道尺寸、含水介質(zhì)空隙度和地下水與地表水水量交換系數(shù)對系統(tǒng)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(zhì)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(shù)則是對地下水水位的變化率和其能達(dá)到的最大值有著重要的影響。但是，swmm模型作為傳統(tǒng)模型的一種，通過使用線性方程對管道-基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流進(jìn)行定量描述，默認(rèn)交換流屬于達(dá)西流，欠缺考慮巖溶寬裂隙發(fā)育情況下的交換流存在非線性流態(tài)。

4、常勇《裂隙-管道二元結(jié)構(gòu)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(nèi)的水文過程，cfp模型用于模擬飽水帶內(nèi)的水文過程。模擬結(jié)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(tài)變化過程，在暴雨期間，大于33.6％的降雨經(jīng)表層巖溶帶調(diào)蓄后以集中補(bǔ)給的方式直接補(bǔ)給管道。cfp模型作為modflow數(shù)值模擬軟件中計算管道-裂隙基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流的計算模塊，雖然能夠表征管道-裂隙二元介質(zhì)間的水動力性質(zhì)差異，但該模型基于達(dá)西流假設(shè)計算裂隙-管道介質(zhì)水流交換量，忽略巖溶寬裂隙發(fā)育時，管道與裂隙基質(zhì)之間廣泛存在管道-裂隙流交換現(xiàn)象，形成紊流地段導(dǎo)致交換流存在非線性流態(tài)，從而計算交換量不準(zhǔn)確。

5、王熹等《裂隙-管道介質(zhì)調(diào)蓄系數(shù)與補(bǔ)給強(qiáng)度之間關(guān)系的試驗(yàn)研究》為了探究裂隙-管道介質(zhì)調(diào)蓄功能的影響機(jī)制，通過建立裂隙-管道介質(zhì)物理模型分析不同補(bǔ)給方式下模型的調(diào)蓄系數(shù)與補(bǔ)給強(qiáng)度之間的關(guān)系，結(jié)果表明隨著補(bǔ)給強(qiáng)度的增大，調(diào)蓄系數(shù)逐漸增大。單獨(dú)補(bǔ)給裂隙情景下，調(diào)蓄系數(shù)與補(bǔ)給強(qiáng)度呈指數(shù)型增加趨勢，單獨(dú)補(bǔ)給落水洞、共同補(bǔ)給裂隙與落水洞時，調(diào)蓄系數(shù)與補(bǔ)給強(qiáng)度呈線性增加趨勢。但是，該試驗(yàn)是基于管道-基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流是線性方程的前提下對裂隙-管道介質(zhì)調(diào)蓄系數(shù)與補(bǔ)給強(qiáng)度的關(guān)系展開研究，沒有考慮在巖溶寬裂隙發(fā)育地區(qū)可以形成局部的紊流地段，此時交換流存在非線性流態(tài)。

6、孫晨等《裂隙-管道介質(zhì)泉流量衰減過程試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬》利用自主研發(fā)的裂隙-管道介質(zhì)物理模型，模擬巖溶裂隙-管道介質(zhì)的泉流量衰減過程，設(shè)計多組試驗(yàn)探討不同因素對泉流量衰減過程的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，衰減過程隨釋水介質(zhì)的變化分為3個亞動態(tài)，即衰減系數(shù)的大小主要受泉口大小、補(bǔ)給狀態(tài)、含水介質(zhì)初始蓄水狀態(tài)的影響。該自主研發(fā)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(zhì)雙重介質(zhì)交換流，然而處于寬裂隙發(fā)育的情況下，交換流存在非線性流態(tài)，其規(guī)律并不適用于線性方程來描述。

7、束龍倉等《裂隙-管道介質(zhì)泉流域水文地質(zhì)模擬試驗(yàn)》為了深入認(rèn)識巖溶泉流域的流量過程影響因素和作用機(jī)制，以西南巖溶泉流域水文地質(zhì)概念模型為原型，建立了實(shí)驗(yàn)室尺度下的裂隙-管道介質(zhì)物理模型和數(shù)值模型。選取補(bǔ)給雨強(qiáng)、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(yàn)結(jié)果表明，單次降水實(shí)驗(yàn)可以觀測得到泉流量增加、平穩(wěn)波動和衰減共三個階段。在同一泉口直徑條件下，補(bǔ)給強(qiáng)度對泉流量衰減系數(shù)的影響極小，直徑為3、4、5、6、7mm的泉口直徑對應(yīng)的衰減系數(shù)分別為0.0036、0.0067、0.0115、0.0129。但是，該物理模型和數(shù)值模型中的管道-裂隙基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流是基于線性方程來定量描述的，忽略了當(dāng)寬裂隙發(fā)育時，管道與裂隙基質(zhì)之間廣泛存在管道-裂隙流交換現(xiàn)象，形成紊流地段導(dǎo)致交換流存在非線性流態(tài)，從而計算不準(zhǔn)確。

8、綜上文獻(xiàn)研究顯示，實(shí)驗(yàn)均是基于線性方程(達(dá)西定律)的假設(shè)下對管道-裂隙雙重介質(zhì)交換流進(jìn)行研究，忽略了巖溶寬裂隙發(fā)育地區(qū)可以形成局部的紊流地段，交換流存在非線性流態(tài)，因此基于達(dá)西定律定量描述交換流的實(shí)驗(yàn)不能準(zhǔn)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(xué)者在研究管道-裂隙基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流的過程中發(fā)現(xiàn)達(dá)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(yàn)研究》聚焦碳酸鹽巖微觀滲流特性與破裂機(jī)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(yàn)，基于巖石塊體尺度實(shí)驗(yàn)結(jié)果定量分析管道流體向裂隙流體過渡的流態(tài)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(yàn)結(jié)果表明碳酸鹽巖流態(tài)穩(wěn)定性與破裂狀態(tài)相關(guān)，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(tài)交替，管道流體向裂隙流體轉(zhuǎn)變的前兆特征主要表現(xiàn)為過渡流態(tài)臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)。該研究考慮管道-裂隙基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流存在非達(dá)西流，但是對于計算交換流的方法并沒有開展相關(guān)研究，并且試驗(yàn)沒有考慮當(dāng)巖溶存在不同程度寬裂隙時，滲透系數(shù)的變化對交換流的影響。

10、趙良杰《巖溶裂隙-管道雙重含水介質(zhì)水流交換機(jī)理研究》設(shè)計了巖溶管道與基巖裂隙介質(zhì)水動力模擬的物理模型，提出6組管道裂隙組合模式，定量研究不同水流狀態(tài)下，基巖裂隙和巖溶管道水動力特征以及介質(zhì)間水流交換規(guī)律，通過多組實(shí)驗(yàn)以及回歸分析得出水流交換量與水頭差的平方根成正比，并且該非線性公式的冪指數(shù)是固定值0.5的結(jié)論。該物理模型考慮了管道-裂隙基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流存在非達(dá)西流，并且經(jīng)過擬合計算，得出水流交換量與管道和裂隙基質(zhì)之間的水頭差的平方根成正比，非線性公式的冪指數(shù)是固定值0.5的結(jié)論。

11、但是在巖溶裂隙存在不同寬度情況下，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)隨著裂隙寬度的增大，交換流的流速逐漸增大，流態(tài)逐漸由層流轉(zhuǎn)化為紊流，對應(yīng)管道和裂隙基質(zhì)的水頭差的冪指數(shù)(非線性度n)從1(當(dāng)交換流完全處于層流狀態(tài))逐漸減小，當(dāng)交換流流態(tài)完全轉(zhuǎn)化為紊流時，基于福希海默紊流定律，冪指數(shù)(非線性度n)是0.5(當(dāng)交換流完全處于紊流狀態(tài))。該實(shí)驗(yàn)沒有針對裂隙發(fā)育充分形成寬裂隙情況下的交換流進(jìn)行研究，即當(dāng)裂隙存在不同寬度情況下，不同的滲透系數(shù)導(dǎo)致的交換流非線性度n值不一樣，管道-裂隙基質(zhì)的雙重介質(zhì)交換流非線性公式也不同。n的取值根據(jù)交換流區(qū)域周圍的管道-裂隙系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件決定，滲透系數(shù)越小，該值越趨于1；滲透系數(shù)越大，該值越趨于0.5。因此，管道-裂隙基質(zhì)雙重介質(zhì)的交換流公式中的冪指數(shù)n不應(yīng)該是固定值0.5，而是可變化的數(shù)值n(0.5≤n≤1)。

12、綜上文獻(xiàn)研究顯示，前人在管道-裂隙基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流的研究過程中發(fā)現(xiàn)存在非線性達(dá)西流，并且將線性交換流公式改進(jìn)為冪指數(shù)是固定值0.5的非線性公式，但是忽略了巖溶裂隙存在不同寬度情況下，隨著滲透系數(shù)的變化，非線性公式的非線性度n值也會變化，而不是固定值0.5。

13、綜上所述，在巖溶裂隙發(fā)育充分形成寬裂隙情況下，現(xiàn)有的針對管道-裂隙基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流的研究方法難以有效精準(zhǔn)的計算水流交換量，方法主要分為兩類，即第一類是使用“線性方程”方法定量描述管道-裂隙基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流，該方法不考慮交換流存在非線性流的情況，物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬都基于交換流是線性流的條件下進(jìn)行。第二類是在研究過程中發(fā)現(xiàn)交換流存在非達(dá)西流現(xiàn)象，并且將線性公式改進(jìn)為水流交換量與管道和裂隙基質(zhì)之間的水頭差的冪指數(shù)是固定值0.5，但是忽略了在巖溶裂隙存在不同寬度情況下，非線性度n的數(shù)值是隨著裂隙寬度的不同而變化的。顯然，在巖溶存在寬裂隙發(fā)育情況下，目前亟需一種方法能夠準(zhǔn)確刻畫巖溶管道-基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流的水動力特征以及交換流的規(guī)律。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種基于巖溶裂隙發(fā)育的管道-基質(zhì)水流交換計算方法，能夠準(zhǔn)確刻畫巖溶管道-基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流的水動力特征以及交換流的規(guī)律。具體技術(shù)方案如下：

2、一種基于巖溶裂隙發(fā)育的管道-基質(zhì)水流交換計算方法，包括以下步驟：

3、步驟s1，建立巖溶管道-裂隙雙重介質(zhì)的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鑫锢韺?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ǎ?/p>

4、模型箱體，所述模型箱體相對的兩側(cè)分別設(shè)置入管口和出管口；

5、供水箱，所述供水箱固定在垂直電動滑臺模組上，可通過垂直電動滑臺模組調(diào)整供水箱的高度以控制供水強(qiáng)度，并可固定在一定高度以保持水頭穩(wěn)定；

6、水泵，所述水泵與供水箱連接；

7、管道，所述管道與供水箱連通，并且依次穿過模型箱體的入管口和出管口；所述管道上均勻設(shè)置有若干第一交換孔；

8、若干石英砂容器，若干所述石英砂容器必要時可設(shè)置在模型箱體內(nèi)，并且緊密布設(shè)于管道的兩側(cè)與上方，通過在相鄰兩個石英砂容器之間安置不同厚度的墊片并進(jìn)行粘貼固定，以模擬不同滲透系數(shù)的裂隙網(wǎng)絡(luò)；所述石英砂容器為長方體，6個面皆均勻設(shè)置有若干第二交換孔；若干旋轉(zhuǎn)噴頭，若干所述旋轉(zhuǎn)噴頭均勻設(shè)置在模型箱體上方，所述旋轉(zhuǎn)噴頭與供水箱通過塑料管網(wǎng)連通；

9、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括3m個壓力傳感器和流量計、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、上位機(jī)，具體地，在管道的底部均勻設(shè)置m個壓力傳感器，在管道的左右兩側(cè)的石英砂容器的底部各均勻?qū)ΨQ設(shè)置m個壓力傳感器，且管道左右兩側(cè)的m個壓力傳感器以管道底部的m個壓力傳感器分別對稱；所述流量計設(shè)置在管道入管口和出管口處；所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊分別與壓力傳感器、流量計、上位機(jī)電連接；

10、步驟s2，設(shè)置若干組裂隙寬度不同的實(shí)驗(yàn)組；開啟水泵模擬單一落水洞點(diǎn)狀匯流補(bǔ)給，單次實(shí)驗(yàn)內(nèi)供水強(qiáng)度恒定；其中改變裂隙寬度即改變相鄰兩個石英砂容器之間的墊片厚度；

11、步驟s3，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集管道底部的壓力值、石英砂容器底部的壓力值以及管道出入口的流量值，并根據(jù)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(zhì)的水頭差值，根據(jù)管道出入口的流量值得到管道與裂隙的交換流量值；基于得到的管道和裂隙基質(zhì)的水頭差值、管道與裂隙的交換流量值，使用回歸分析方法進(jìn)行擬合，計算各個實(shí)驗(yàn)組條件下擬合曲線的回歸方程，確定各個實(shí)驗(yàn)組的非線性度ni，其中i表示實(shí)驗(yàn)組數(shù)；基于巖溶裂隙發(fā)育程度的不同，得到不同的非線性度數(shù)值ni，因此各實(shí)驗(yàn)組的交換流公式如下：

12、

13、其中，qexi表示第i實(shí)驗(yàn)組計算得到的交換流量；hci表示第i實(shí)驗(yàn)組計算得到的管道水頭；hmi表示第i實(shí)驗(yàn)組計算得到的裂隙水頭；α為水量交換系數(shù)。

14、優(yōu)選地，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(wǎng)。

15、優(yōu)選地，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。

16、優(yōu)選地，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(nèi)壁包括0.8-1.2mm孔徑的鋼絲濾網(wǎng)。

17、優(yōu)選地，所述步驟s4中根據(jù)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(zhì)的水頭差值具體包括以下：

18、設(shè)管道底部的m個壓力傳感器在同一直線上，且采集的壓力值序列為pg＝[pg1,pg2,pg3,…,pgm]；管道左側(cè)的m個壓力傳感器在同一直線上，且采集的壓力值序列為pl＝[pl1,pl2,pl3,…,plm]，管道右側(cè)的m個壓力傳感器在同一直線上，且采集的壓力值序列為pr＝[pr1,pr2,pr3,…,prm]；設(shè)置在管道入管口處的流量計采集的流量數(shù)據(jù)為q0，假設(shè)在管道上的出管口之前且在每個壓力傳感器之后處還分別設(shè)置有流量計，則流量計采集的數(shù)據(jù)分別為q1，q2，q3…，qm；

19、管道水頭的計算公式為：裂隙水頭的計算公式為：裂隙的交換流qexi＝q0-qm；

20、在第i組實(shí)驗(yàn)中，管道底部m個壓力傳感器處的交換流公式為：

21、

22、優(yōu)選地，所述水量交換系數(shù)α的計算方式如下：

23、

24、其中，k是連接的管道數(shù)；kw是管道壁滲透系數(shù)；dk是第k根管道的直徑；δlk是連接管道k之間兩管道節(jié)點(diǎn)的直線長度；rk是第k根管道的半徑；τk是第k根管道的曲折度。

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

26、相比較于前人采用線性方程(達(dá)西定律)或固定冪指數(shù)的非線性方程計算巖溶管道-裂隙基質(zhì)雙重介質(zhì)的水流交換量，而忽略當(dāng)巖溶存在不同寬度裂隙發(fā)育情況下，管道與裂隙基質(zhì)之間存在隨著裂隙寬度變化而變化的非線性交換流，導(dǎo)致計算交換量不準(zhǔn)確，并且難以刻畫巖溶管道-裂隙基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流的水動力特征以及交換流水文過程。本發(fā)明提出的一種基于巖溶裂隙發(fā)育的管道-基質(zhì)水流交換計算方法具有兩方面的優(yōu)勢，一方面是充分考慮交換流具有不同的流態(tài)，遵循在巖溶存在寬裂隙情況下的管道-裂隙基質(zhì)交換流的水文過程，相比較于傳統(tǒng)的基于達(dá)西定律的假設(shè)，默認(rèn)管道-裂隙基質(zhì)雙重介質(zhì)交換流為線性達(dá)西流，本發(fā)明基于物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(裂隙基質(zhì)的寬度、管道出口流量、降雨補(bǔ)給強(qiáng)度、落水洞補(bǔ)給強(qiáng)度、管道水頭和裂隙水頭)，使用回歸分析方法擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到管道-基質(zhì)水流交換公式的非線性度n，從而確定具體的非線性交換流公式，該公式不但考慮了當(dāng)裂隙發(fā)育不充分導(dǎo)致不存在寬裂隙時，交換流呈線性達(dá)西流，即非線性度n＝1。更考慮了存在寬裂隙發(fā)育情況下，交換流流態(tài)是非達(dá)西流狀態(tài)，即非線性度0.5≤n＜1；另一方面基于巖溶裂隙不同寬度情況下的物理實(shí)驗(yàn)得出的交換流量數(shù)據(jù)結(jié)果，通過回歸分析方法擬合交換流量數(shù)據(jù)得到具體的非線性交換流公式，確定管道和裂隙基質(zhì)之間的水頭差的冪指數(shù)(非線性度n)隨著巖溶裂隙寬度的不同而變化。因此提出的非線性交換流計算方法使得計算管道-基質(zhì)水流交換量更精準(zhǔn)，對巖溶水資源評價和巖溶水資源開發(fā)起著重要作用。