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本文通过数值模拟的方法研究了岩溶系统发展演化过程。溶蚀过程的模拟包括初始介质场、渗流场的建立和介质场、渗流场随溶蚀过程的变化两部分。初始介质场的模拟可以通过Monte-carlo方法产生随机裂隙,确定性的裂隙通过直接输入的方法添加。介质场模拟的可靠性通过概率分布检验的方法进行了验证。渗流场的分布计算中,假设裂隙段为光滑平板裂隙,裂隙中的水流为平流状态,应用立方率描述水流在裂隙中的流动规律,通过节点水量均衡的方法建立各个节点之间的联系,利用迭代的方法完成整个渗流场的分布计算。岩溶系统的溶蚀过程模拟,假设碳酸盐的裂隙的溶蚀过程可以通过溶蚀动力学的经验公式进行表示。裂隙宽度由于溶蚀作用加宽,此时水流的分布需要重新计算,新的裂隙宽度条件下假设每个时间步长内,水流都处于稳定流状态,从而模拟水流和可溶性碳酸盐介质的相互作用。解析解验证表明渗流分布和溶蚀过程数值模拟是可靠性的。
此次研究将岩溶系统溶蚀过程模拟应用于讨论河间地块分水岭消失这一水文地质现象,模型定量的给出了岩溶系统的水流分布和裂隙张开度变化,分析表明,岩溶系统溶蚀是具有差异性的,岩溶最为发育的部位位于自由边界附近,而且垂向的裂隙段比水平向的裂隙段发育更为强烈。岩溶系统深部的裂隙段张开度变化很小,与自由边界附近的张开度扩展率相差近10000倍,岩溶的发育近乎处于停滞状态。潜水面附近可以形成优先水流通道,其强烈的汇水作用可以在岩溶系统的发育演化过程中汇集越来越多的水流,到分水岭从系统消失的时候,几乎90%的流出流量从此优先水流通道排出。这种强烈的汇水作用也使渗流场的分布发生了明显的变化,水流的方向甚至发生了反转。本文还探讨了河间地块的范围和降雨量对分水岭消失时间的影响。该模型计算结果表明,当河间地块的宽度增大至原来的5倍时,分水岭的存在时间几乎延长至原来的10倍,河间地块的范围愈大,分水岭越难以消失。降雨对分水岭消失时间的影响表现出先增加后减小的趋势。