岩溶地下水系统分异演化过程的数值模拟研究

Karst groundwater system is evolved from fractur water bearing medium of carbonate rock. The initial fracture network characters and boundary conditions is the determinant of the evolution process. However, the research about the contributions of these factors are insufficient. Moreover, the existing karst groundwater system evolution model has defects. That the improved fracture network dissolution model will be establised bases on the theory of karst dynamics and rock mass hydraulics. Then, the parameter of this coupled model canbe estimated and revised by conditional fracture network corrosion experiment. The evolution process of fracture network groundwater system to the karst groundwater system which is under different boundary conditions and different combination features canbe simulated by this model. The contribution size of different factors canbe simulated and the characteristics and regularity of karst evolution process will be revealed by this research. In this research, it can provide a new perspective for study of karst evolution law. It also can provide a scientific basis for the study of karst water resources development and utilization, coal mine water disaster prevention, and karst geological hazard which related to engineering problems.

岩溶地下水系统是由碳酸盐岩裂隙含水介质演化形成的。系统初始的裂隙网络介质特征及边界条件决定了其岩溶演化过程，这些因素的贡献如何？至今尚无明确的结论。此外，现有的岩溶地下水系统演化模型均存在着不足或缺陷。针对这些问题，以岩溶动力学和岩体水力学理论为指导，改进并完善现有的非连续裂隙网络溶蚀扩展模型，并借助室内特定条件下的裂隙网络溶蚀试验结果进行模型参数校正和可靠性检验。而后基于模拟模型，开展不同边界条件下不同组合特征的裂隙网络地下水系统向岩溶地下水系统演化过程的数值模拟，模拟各因素对岩溶地下水系统分异演化的贡献，阐明岩溶分异演化过程的特点和规律。本项研究的开展，可为岩溶发育规律的研究提供了新的视角，同时也可为岩溶水资源开发利用、煤矿水害防治以及与工程有关的岩溶地质灾害问题的研究提供科学依据。

岩溶地下水系统初始的裂隙网络介质特征及边界条件决定了其演化的过程。为定量评价网络介质特征、边界条件的贡献，针对现有岩溶演化模拟模型存在的不足，以岩溶动力学和岩体水力学理论为指导，重构了非连续裂隙网络溶蚀扩展模型，设计并研制了碳酸盐岩隙面溶蚀和裂隙网络溶蚀试验装置，开展了特定条件下的溶蚀试验，并对不同边界条件下，不同组合特征的岩溶裂隙网络地下水系统演化过程进行了模拟。取得如下认识：.（1）耦合非连续裂隙网络渗流模型和既包括低级次的快速溶解，又包含高级次的缓慢溶解的溶蚀速率方程的岩溶系统演化模拟模型更符合实际。.（2）室内溶蚀试验和数值模拟结果表明：岩溶裂隙的溶蚀扩展是水动力场、裂隙介质场、水化学场耦合作用的结果。水交替条件（水动力条件），初始隙宽B0、水流的侵蚀性（CO2分压、初始的Ca2+浓度）等影响着碳酸盐岩的溶蚀扩展。水动力条件越好、初始隙宽B0差异性越显著、初始的Ca2+浓度越低、侵蚀性越强，碳酸盐岩的溶解量就越大，其中岩溶系统初始隙宽B0的影响最为显著。.（3）在岩溶裂隙系统发育演化过程中，潜水面附近的溶蚀扩展较快，岩溶较发育。优势裂隙的存在，导致了含水介质的非均一性，极大地加快了岩溶系统的发育演化。.（4）不同补给条件下，岩溶演化特征不同。在降雨补给下，深部裂隙很难被溶蚀扩展，系统中的管道是由排泄口的泉向系统内部发育的；而在降雨、河流共同补给下，深部裂隙存在溶蚀扩展，含水系统中管道是由河流补给端向排泄端发育的。.研究成果为北方岩溶区岩溶发育规律的定量化研究、地下水资源开发利与工程有关的岩溶地质灾害的评价提供了科学依据。