【摘 要】
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岩溶管道中发育的溶潭结构常导致野外穿透曲线的拖尾,管道长度对穿透曲线也有显著影响,溶潭和管道长度对岩溶管道溶质运移的影响研究对野外穿透曲线的正确认识以及岩溶管道溶质运移的预测具有重要意义。虽然前期研究已经探讨了溶潭形态对岩溶管道溶质运移的影响,溶潭容积和管道长度对岩溶管道溶质运移的影响仍缺乏认识。本文将岩溶管道和溶潭结构概化为PVC圆管和水箱,设计不同尺寸、不同个数的水箱和不同管道长度,开展了室内
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(No.42002259);
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岩溶管道中发育的溶潭结构常导致野外穿透曲线的拖尾,管道长度对穿透曲线也有显著影响,溶潭和管道长度对岩溶管道溶质运移的影响研究对野外穿透曲线的正确认识以及岩溶管道溶质运移的预测具有重要意义。虽然前期研究已经探讨了溶潭形态对岩溶管道溶质运移的影响,溶潭容积和管道长度对岩溶管道溶质运移的影响仍缺乏认识。本文将岩溶管道和溶潭结构概化为PVC圆管和水箱,设计不同尺寸、不同个数的水箱和不同管道长度,开展了室内示踪试验,分析了穿透曲线整体形态和校正峰值浓度、平均运移时间、时间方差、后段溶质羽穿透时间、主体溶质穿透时间及溶质羽穿透时间六个特征参数与溶潭容积、流量、管道长度的关系,同时用用暂时存储模型模拟实验穿透曲线,建立了弥散系数、主通道横截面积、存储区横截面积、交换系数及存储区容积五个溶质运移模型参数与水箱容积、流量、管道长度的关系式,最后根据该关系式对岩溶管道的几何结构如管道横截面面积、溶潭容积进行预测。实验结果表明:随着水箱容积(尺寸或个数)增加,穿透曲线拖尾程度逐渐增强,峰值浓度逐渐减小;随着流量升高,曲线拖尾程度逐渐减弱,对称和不对称水箱的峰值浓度先升高后降低,随着管道长度的增加,曲线拖尾逐渐变短,峰值浓度轻微降低,逐渐接近正态分布。除了对称水箱的主体溶质穿透时间随着尺寸增大基本不变,与水箱个数呈指数增长关系外,时间特征参数基本与水箱容积呈线性关系,校正峰值浓度与水箱容积呈幂函数关系。容积相同时,两种水箱形态下集中分布(不同尺寸)的运移时间方差、后段溶质羽穿透时间、全部溶质穿透时间大于离散分布(不同个数),而两种分布的平均运移时间基本一致。不对称水箱的主体溶质穿透时间、校正峰值浓度在两种分布条件下基本一致。平均运移时间与水箱容积呈良好的线性关系,不对称水箱中主体溶质穿透时间、校正峰值浓度与水箱容积呈良好的线性、幂函数关系,对野外利用穿透曲线特征参数预测岩溶管道中溶潭的容积具有指示意义。随着流速增大,平均运移时间、运移时间方差与容积的线性关系式的斜率逐渐减小。所有时间特征参数与流量呈幂函数关系;随着水箱尺寸增大,两种水箱的运移时间方差及不对称水箱的主体溶质穿透时间与流量关系的斜率变化较为明显。平均运移时间随着管道长度的增加呈显著线性增大,运移时间方差、后段溶质羽穿透时间、溶质羽穿透时间随着管道长度的增加而线性减小。校正峰值浓度随管道长度的增加略微降低,主体溶质穿透时间随管道长度的增加轻微增大。模拟结果表明:存储区横截面积、存储区容积与水箱容积呈良好的线性关系(As=0.00766V+2.481E-6,R2=0.97,Vs=0.8058V+1.923E-4,R2=0.97),不随流量的增加而增大,故两参数可用于预测水箱的实际容积,使用存储区横截面积估计水箱容积的最大误差为23.3%。主通道横截面积随水箱容积的增大基本不变,随流量的增加轻微增大,其值在不同条件下都与管道实际横截面积大致相同,故可用该参数预测管道横截面积。弥散系数在两种水箱下的规律不同,交换系数在两种水箱分布情况下的规律不同,且两参数都随着流量的增大逐渐增加,与流量呈良好的正相关关系。不同水箱形态、不同水箱分布及不同流量条件下弥散系数和交换系数和水箱容积的关系有明显的区别,不能得到统一的关系式,难以直接预测内部管道结构。弥散系数、存储区横截面积及交换系数都随着管道长度的增加而减小,且与管道长度呈良好的线性关系。主通道横截面积和存储区容积都随管道长度的增加保持不变。本文分析了穿透曲线和溶质运移模型参数与溶潭容积、流量和管道长度的关系,对野外岩溶管道穿透曲线的定量分析和管道结构的解析具有重要意义,为进一步预测和控制地下水污染提供了重要依据。
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