一种小流域岩溶水系统的高分辨率水文监测方法

技术领域

本发明涉及水文地质勘察水文监测技术领域，尤其涉及一种小流域岩溶水系统的高分辨率水文监测方法。

背景技术

长期以来岩溶地区隧道涌水量预测的方法和理论一直是水文地质工作者研究的重点和难点。由于岩溶区隧道穿越空间的复杂性、多变性和特殊性，加之地区差异性和水文循环系统的不确定性，岩溶地下水系统由岩溶化的可溶岩体的空间分布格局所决定。作为岩溶水赋存空间的岩溶含水介质，其空间形态主要由管道、裂隙和孔隙及其组合形态构成。受岩性、构造、地质条件等诸多因素的影响，岩溶含水介质往往具有不均匀性的特点，导致其赋存的地下水资源量有很大的差异和不均匀性，这往往给勘查、评价和开发带来很大的困难。致使准确预测岩溶区隧道涌水量大小特别是分段涌水量的预测很困难。

相关技术中，岩溶隧道涌水量的方法和模型的预测计算因对实际对象水文地质条件的勘察精度不够，缺乏长期高精度的水文观测资料，导致预测结果远达不到实际工程需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种小流域岩溶水系统的高分辨率水文的监测方法。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案是，一种小流域岩溶水系统的高分辨率水文监测方法，包括以下步骤：

(1)收集目标岩溶水系统所在区域的地质资料和隧道线位资料，进行初步分析确定合适的调查区范围；

(2)在所述调查区范围内进行野外水文地质条件调查，确定目标区岩溶地貌类型、岩溶发育情况及水文地质条件，划分流域系统、圈定分水岭、确定汇水面积；

(3)根据划分的流域系统、圈定的分水岭及确定的汇水面积对岩溶水系统进行分级划分，确定子流域系统；

(4)在所述流域系统及其子流域系统设置复式矩形堰流量监测站、降雨监测装置或钻孔水位监测装置，监测降雨量、水流量、水温及水位数据信息；

(5)将监测的降雨量、水流量、水温及水位数据信息传输至终端处理器进行数据处理，计算入渗系数、滞后时间、地下水径流模数进行岩溶含水介质特征识别，建立涌水预测模型对岩溶水系统进行实时涌水预测。

优选地，所述步骤(3)中，所述岩溶水系统分级划分为单级岩溶流域系统、双级岩溶流域系统或者是多级岩溶流域系统，所述双级岩溶流域系统为两个子流域系统，所述多级岩溶流域系统为多个子流域系统。

优选地，所述步骤(4)中，所述复式矩形堰流量监测站包括复式矩形流量堰及监测装置，所述复式矩形流量堰包括左侧堰体、右侧堰体和基底，所述左侧堰体与右侧堰体为对称结构，所述左侧堰体包括紧邻河沟岸的矩形结构及呈阶梯型的矩形结构；所述左侧堰体、右侧堰体和基底形成复式矩形堰口，所述监测装置位于所述复式矩形堰口的上游。

优选地，所述复式矩形堰口包括第一层薄壁堰口、第二层砌砖堰口，所述第一层薄壁堰口采用不锈钢板制作成薄壁堰口；所述不锈钢板的厚度为3mm～5mm；所述第二层砌砖堰口的厚度为9cm～11cm。

优选地，所述复式矩形流量堰的施工方法是，包括以下步骤：

(1)将堰体分为三部分，包括左侧堰体、复式矩形堰口、右侧堰体，在河床中放置木板，在木板上铺设柔性引流隔水膜将水流引至河床右侧，并密封隔水膜与河床连接处；

(2)待河床左侧干枯后修建左侧堰体，所述左侧堰体的基底为钢筋混凝土结构，修建在河床基岩上，其堰身采用河床卵石混合水泥砂浆灌注而成；

(3)紧邻所述左侧堰体修建复式矩形堰口，所述复式矩形堰口包括两层，从下往上依次为第一层薄壁堰口、第二层砌砖堰口，所述复式矩形堰口的基底为钢筋混凝土结构，修建在河床基岩上；

(4)待所述左侧堰体、复式矩形堰口干固后，在水流上游紧邻所述复式矩形堰口处安装监测装置，然后将河床右侧所述木板及铺设其上的柔性引流隔水膜置于河床左侧，将水流引至河床左侧，并密封隔水膜与河床连接处；

(5)待河床右侧干枯后修建右侧堰体，所述右侧堰体的基底为钢筋混凝土结构，修建在溪沟基岩上，其堰身采用河床卵石混合水泥砂浆灌注而成；

(6)待所述右侧堰体干固后，取出所述木板及隔水膜。

与相关技术比较，本发明实施例提供的技术方案的有益效果是，一种小流域岩溶水系统的高分辨率水文监测方法，收集目标岩溶水系统所在区域的地质资料和隧道线位资料，进行初步分析确定合适的调查区范围；在所述调查区范围内进行野外水文地质条件调查，确定目标区岩溶地貌类型、岩溶发育情况及水文地质条件，划分流域系统、圈定分水岭、确定汇水面积；对大的岩溶水系统进行划分分级，分为单级、双级或多级子流域系统，在每个子流域系统设置复式矩形流量堰监测站，监测降雨量、水位、水流量等信息，并将传输至终端处理器进行数据处理计算得到入渗系数、滞后时间、地下水径流模数等数据，通过这些数据识别岩溶含水介质特征，可以准确的监测到每个子流域的入渗系数及其流量滞后变化规律，为隧道涌水预测提供重要的水文地质数据，在隧道涌水分段预测中起到关键性作用；提升了监测工作的效率和自动化水平，可以节省了大量的人力物力成本；且本发明实施例的监测方法工程量小、成本低廉、对当地环境没有影响，适合广泛的应用到岩溶区隧道涌水预测特别是分段预测工作中，具有很大的现实意义。

附图说明

图1是本发明实施例一的监测方法流程示意图；

图2是本发明实施例一的单级流域系统分级示意图；

图3是本发明实施例一的双级流域系统分级示意图；

图4是本发明实施例一的多级流域系统分级示意图；

图5是本发明实施例一的复式矩形流量监测站结构示意图；

图6是本发明实施例一的复式矩形流量堰施工方法流程示意图；

图7是本发明实施例一的复式矩形流量堰施工方法示意图；

图8是本发明实施例一的流量衰减曲线及分段示意图；

图9是本发明实施例二的兰花洞双级岩溶流域系统示意图；

图10是本发明实施例二的兰花洞双级岩溶流域系统流量衰减曲线；

图11是本发明实施例二的兰花洞双级岩溶流域系统某场降雨时间洪峰-兰花洞暗河流量洪峰滞后变化曲线面图。

其中：降雨监测装置1、复式矩形堰流量监测站2、复式矩形流量堰21、监测装置22、钻孔水位监测装置3、左侧堰体4、右侧堰体5、基底6、复式矩形堰口7、第一层薄壁堰口71、第二层砌砖堰口72、不锈钢板73、水位监测装置孔8、不锈钢管81、小孔82、河床9、木板10、隔水膜11。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

实施例一

请参考图1，本发明的实施例提供了一种小流域岩溶水系统的高分辨率水文监测方法，包括以下步骤：

(1)收集目标岩溶水系统所在区域的地质资料和隧道线位资料，进行初步分析确定合适的调查区范围；

(2)在所述调查区范围内进行野外水文地质条件调查，确定目标区岩溶地貌类型、岩溶发育情况及水文地质条件，划分流域系统、圈定分水岭、确定汇水面积；

(3)根据划分的流域系统、圈定的分水岭及确定的汇水面积对岩溶水系统进行分级划分，确定子流域系统；

参照附图2，具体地，所述岩溶水系统分级划分为单级岩溶流域系统、双级岩溶流域系统或者是多级岩溶流域系统；所述单级岩溶流域系统为一个流域系统，所述双级岩溶流域系统为两个子流域系统，所述多级岩溶流域系统为多个子流域系统。

(4)在所述流域系统及其子流域系统设置降雨监测装置1、复式矩形堰流量监测站2或钻孔水位监测装置3，监测降雨量、水流量、水温及水位数据信息；

参照附图3，具体地，所述复式矩形堰流量监测站2包括复式矩形流量堰21及监测装置22，所述复式矩形流量堰21包括左侧堰体4、右侧堰体5和基底6，所述左侧堰体4与右侧堰体5为对称结构，所述左侧堰体4包括紧邻河沟岸的矩形结构及呈阶梯型的矩形结构；所述左侧堰体4、右侧堰体5和基底6形成复式矩形堰口7，所述监测装置12位于所述复式矩形堰口7的上游；所述监测装置22的监测步长为5min，水位监测的精度为1mm，通过复式矩形流量堰21的监测的水位变化得到各级流域系统的水流量、降雨量数据信息；

所述复式矩形堰口7的上游挖设有水位监测装置孔8，所述水位监测装置孔8中埋设不锈钢管81，所述不锈钢管81的管身上均匀设置小孔82，所述不锈钢管81中安装所述监测装置22；所述不锈钢管81的外径为5cm，壁厚4mm；

(5)将监测的降雨量、水流量、水温及水位数据信息传输至终端处理器进行数据处理，计算入渗系数、滞后时间、地下水径流模数进行岩溶含水介质特征识别，建立涌水预测模型对岩溶水系统进行实时涌水预测。

本发明实施例的监测方法可以准确的监测到每个子流域的入渗系数及其流量滞后变化规律，为隧道涌水预测提供重要的水文地质数据，在隧道涌水分段预测中起到关键性作用；提升了监测工作的效率和自动化水平，可以节省了大量的人力物力成本；且本发明实施例的监测方法工程量小、成本低廉、对当地环境没有影响，适合广泛的应用到岩溶区隧道涌水预测特别是分段预测工作中。

进一步地，所述复式矩形堰口7包括第一层薄壁堰口71、第二层砌砖堰口72，所述第一层薄壁堰口71采用不锈钢板73制作成薄壁堰口；所述不锈钢板的厚度为3mm～5mm；所述第二层砌砖堰口72的厚度为9cm～11cm。

参照附图4，进一步地，本发明实施例还提供了一种所述复式矩形流量堰的施工方法，包括以下步骤：

(1)将堰体分为三部分，包括左侧堰体4、复式矩形堰口7、右侧堰体5，在河床9中放置木板10，在木板10上铺设柔性引流隔水膜11将水流引至河床9右侧，并密封隔水膜11与河床9连接处；

(2)待河床9左侧干枯后修建左侧堰体5，所述左侧堰体4的基底6为钢筋混凝土结构，修建在河床9的基岩上，其堰身采用河床卵石混合水泥砂浆灌注而成；

(3)紧邻所述左侧堰体4修建复式矩形堰口7，所述复式矩形堰口7包括两层，从下往上依次为第一层薄壁堰口71、第二层砌砖堰口72，所述复式矩形堰口7的基底6为钢筋混凝土结构，修建在河床9的基岩上；

具体地，所述基低6修建时在河床9的基岩上钻孔安置钢筋及模板，同时在所述第一层薄壁堰口71处安装所述不锈钢板73，进行混凝土筑底；待混凝土凝固后拆除所述模板；

(4)待所述左侧堰体4、复式矩形堰口7干固后，在水流上游紧邻所述复式矩形堰口7处安装监测装置22，然后将河床9右侧所述木板10及铺设其上的柔性引流隔水膜11置于河床9的左侧，将水流引至河床9的左侧，并密封隔水膜11与河床连接处；

(5)待河床9的右侧干枯后修建右侧堰体5，所述右侧堰体5的基底6为钢筋混凝土结构，修建在溪沟基岩上，其堰身采用河床卵石混合水泥砂浆灌注而成；

(6)待所述右侧堰体5干固后，取出所述木板10及隔水膜11。

所述复式矩形流量堰11施工完成后，分别测量第一层薄壁堰口71的宽度、第二层砌砖堰口72的宽度、最大堰顶高度、第一层薄壁堰口71对应的小堰上游坎高、第二层砌砖堰口72对应的大堰上游坎高；流量根据堰前水位与最大堰顶高度之间的关系采用不同的计算方式；当所述堰前水位小于最大堰顶高度采用公式(1)计算流量，所述堰前水位大于最大堰顶高度采用公式(2)计算流量；

其中：Q为流量，单位为每秒每立方米；m为流量系数；B₁为第一层薄壁堰口71的宽度，单位为米；B₂为第二层砌砖堰口72的宽度，单位为米；g为重力加速度；H为堰前水位，单位为米；P₁为第一层薄壁堰口71对应的小堰上游坎高，单位为米；h₁为最大堰顶高度，单位为米；P₂为第二层砌砖堰口72对应的大堰上游坎高，单位为米。

进一步地，根据暗河流量衰减方程(3)中的衰减系数α进行岩溶含水介质特征识别；

其中：衰减期任意时刻--t；：衰减开始时刻--t₀；t时刻相应的流量--Q_t；t₀时刻相应的流量--Q₀；衰减系数—α；

得到衰减系数为：

其中，α的范围为n×10^-1～n×10^-4。

参照附图5，由于岩溶含水介质的高度非均质性，根据衰减系数值将岩溶水的衰减动态分解为若干个衰减段，判断岩溶水水流状态；

AB段：曲线较陡，α值较大，在n×10^-1～n×10^-2之间，表明在流量衰减初期各种泄水通道的总和，但水量主要来自大型的岩溶管道和地下暗河或洞穴的快速排泄，地下水流速大，流量衰减快，持续时间较短，仅几天至十几天，水流常呈现紊流状态；

BC段：曲线坡度较AB段有所变缓，α值也相应减小，一般在n×10^-2～n×10^-3之间；表明相应的反映来自大型岩溶管道和洞穴的水量有限，主要排泄的是岩溶化的大裂隙及其他溶洞裂隙系统的水，由于流量衰减速度减小，使得该段可以保持较长期的衰减趋势；

CD段：坡度变得更缓，其α值也更小，大多在n×10^-3～n×10^-4之间，表明地下水水力坡度大大减缓，以层流为主，主要是排泄细小裂隙、层间裂隙、节理中的储水；由于排泄速度进一步减慢，因而延长期比前两亚动态更长；

DE段：曲线趋于水平，α值最小，一般为n×10^-4数量级甚至更小，相当于较稳定的排泄充满于细小裂隙系统及洞穴充填物孔隙中的水。

利用地下暗河或流量衰减曲线还可以分析含水层储水空间的性质及其各占总储水量的比例。

由dV＝-Q_tdt(5)

当t＝0时V＝0(6)

故

如果衰减曲线是由几个亚动态迭加，则应为其积分之和，各亚动态贮水量(V_i)对总贮水量(V₀)的百分比为：

实施例二

采用本发明实施例一的方法实时预测芙蓉镇兰花洞暗河流域系统涌水情况。

芙蓉镇兰花洞暗河流域系统的高分辨率水文监测方法，包括以下步骤：

(1)收集芙蓉镇地区的地质资料和隧道线位资料，进行初步分析确定合适的调查区范围；芙蓉镇地区地质条件复杂，岩溶和地下水强烈发育，芙蓉镇方案线路主要为隧道穿越，岩溶强发育，地下水丰富，存在隧道突涌水的可能，环境水文地质条件较敏感，为极高风险工程；

(2)在芙蓉镇地区岩溶组合形态为核心的野外综合调查，查明研究区岩溶发育史、岩溶含水(透水)岩组类型、岩溶地貌形态和分布特征等，确定影响该隧道的岩溶流域范围兰花洞暗河流域系统；

(3)根据划分的流域系统、圈定的分水岭及确定的汇水面积对岩溶水系统进行分级划分，确定两个子流域系统为孔家湾子流域，其汇水面积为S1、涨潮湾子流域，其汇水面积为S₂；兰花洞暗河流域系统的总流量为Q，孔家湾子流域的流量为q₁、入渗系数为δ₁、洪峰滞后时间β₁，涨潮湾子流域的流量为q₂、入渗系数为δ₂、洪峰滞后时间β₂；

(4)在所述子流域系统设置复式矩形堰流量监测站，所述复式矩形堰流量监测站监测降雨量、水流量、水温及水位数据信息；

(5)将监测的降雨量、水流量、水温及水位数据信息传输至终端处理器进行数据处理，计算入渗系数、滞后时间、地下水径流模数进行岩溶含水介质特征识别，建立涌水预测模型对兰花洞暗河流域系统进行实时涌水预测。

其中，流量为q₁、q₂通过实施例一的流量计算公式(1)或(2)计算得到，总流量Q为两子流域流量总和；所述入渗系数为流量与汇水面积之比；所述洪峰滞后时间为兰花洞暗河流域的洪峰出现时间与子流域洪峰出现时间之差；地下水径流模数为总流量与总的汇水面积之比。

根据兰花洞暗河流域系统的数据监测得到不同的衰减系数，参照附图10，第一段曲线的衰减系数α＝0.088(1/h)，为衰减曲线中第一个亚动态，代表连通性较好的大型岩溶管道或洞穴；第二段曲线的衰减系数＝0.017(1/h)；因此，大的岩溶管道或洞穴的排泄量占总排泄量的36.38％，一般的岩溶裂隙和构造裂隙及孔隙所排泄的水量占总排泄量的63.62％；经计算说明兰花洞岩溶地下暗河的储水空间主要为溶蚀裂隙和小型岩溶管道，大型管道和洞穴只占整个储水空间的1/3比重。

参照附图11，采用本发明实施例的方法得到的兰花洞暗河流域系统降雨量与流量之间的关系，可根据降雨量对流量进行预测。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。