一种识别及预测岩溶管道涡流区占比的方法

本发明涉及水文地质，更具体的说是涉及一种识别及预测岩溶管道涡流区占比的方法。

背景技术：

1、近年来，岩溶管道(karst conduit)成为地下水循环中有效渗流传输工具，被越来越多的研究者把研究重点放在此上。岩溶管道是一种由碳酸盐岩溶作用侵蚀形成的天然孔道，地下水及污染物在进入岩溶管道后快速运动及迁移，是我国南方岩溶地下水主要赋存场所和径流通道，对污染物的迁移行为起着控制性作用。

2、传统的认识将地下水污染物(示踪剂)穿透曲线的拖尾等非菲克运移现象归因于吸附解析、基岩水量交换以及分支管道作用，因岩溶管道边界条件不规则产生涡流导致的污染物浓度效应没有得到重视，甚至被忽略。

3、因此，提出一种识别及预测岩溶管道涡流区占比的方法，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种识别及预测岩溶管道涡流区占比的方法，能够在获取野外常见水文地质参数条件下实现涡流区占比的精准预测。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种识别及预测岩溶管道涡流区占比的方法，包括以下步骤：

4、s1、从水力条件及管道结构角度选取流速、形状系数、相对粗糙度作为主控因素，设计人工粗糙管道并开展实验及数值模拟；

5、s2、基于三个主控因素的岩溶粗糙管道数值模拟流场，计算涡流区占比；

6、s3、构建涡流区占比与不同流速、不同形状系数、不同相对粗糙度的定量关系，结合多元统计回归方法生成涡流区占比的预测方程。

7、上述的方法，可选的，s1中，设计的人工粗糙管道由不同大小且形状各异的凸起组成，包括半圆粗糙单元岩溶管道与顶部和底部长度可变的梯形粗糙单元岩溶管道。

8、上述的方法，可选的，s1中形状系数ε表征不同类型梯形粗糙单元，梯形的短边为l1，长边为l2，当岩溶管道的绝对粗糙度相同时，形状系数ε定义为：

9、

10、当形状系数ε＝0时，粗糙单元为三角形；

11、相对粗糙度η为粗糙凸起高度δ与管道直径d的比值：

12、

13、上述的方法，可选的，s1中，开展实验及数值模拟的装置由供水装置、人工岩溶管道实验段、测流装置组成；

14、供水装置：包括离心泵、供水箱和定水头装置，使用离心泵从供水箱中抽水至定水头装置；

15、测流装置：由出水管路、测流容器和一个压力传感器组成，在测流容器靠近底部的侧壁上设有一个测压孔，通过压力传感器自动采集实验过程容器中不同时刻的水位，通过水位与时间关系曲线的斜率计算出水流量。

16、上述的方法，可选的，s2中，粗糙单元之间，流线会产生弯曲，流线回旋会形成涡流区；

17、两个相邻粗糙单元间的孔隙为abc区域；

18、将边壁ac沿着y轴投影为直线y1y2，直线ac的x、y方向的速度分量在与y轴同交于m点，m点x、y方向的速度分量都为0，是流速方向的转折点，沿着y1y2方向，x方向的速度分量由负向转为正向，y方向的速度分量由正向转为负向，m点涡流区与主流通道的分界点；

19、将直线ac沿着x轴投影为直线x1x2，分别绘制x1x2上沿着ac截线的x、y方向流速分量的大小，找到分界点h点；

20、f点的横坐标为h点的x坐标，纵坐标为m点的y坐标；

21、流场空间内且只有一条流线通过f点，得到涡流区的分界线ef；

22、将直线ab沿着y轴进行投影为y3y4，同样在y3y4上绘制ab截线的x、y方向速度分量曲线，能得到直线x1x2上的分界点g、直线y3y4上分界点l；

23、直线gh、ji为对应两个粗糙单元的中轴线，hi为岩溶管道x方向的中轴线，总涡流区占比为多边形abc的面积比上多边形aghij的面积：

24、

25、式中，ω为总的涡流区占比，sr为岩溶管道内总的涡流区面积，即多边形abc的面积，单位是m2；sz为岩溶管道内孔隙空间总面积，即多边形aghij的面积，单位是m2。

26、上述的方法，可选的，s3中，预测涡流区占比的方程如下：

27、ω＝-18.325·ε+142.901·η+5.012·ln(v)+2.312

28、其中，ω为总的涡流区占比，ε为形状系数，η表示相对粗糙度，v表示流速，单位是m/s。

29、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种识别及预测岩溶管道涡流区占比的方法，其有益效果为：

30、提出了一种涡流区占比大小定量表征方法，厘清了不同流速、不同形状系数和不同相对粗糙度与涡流区占比大小之间的定量关系，构建了三个主控因素与涡流区占比的预测关系式；本发明的方法方便操作，预测结果准确；能够在获取野外常见、较易获取的水文地质参数条件下，实现对涡流区占比的精确预测；本方法对岩溶区水害、污染物防治等领域具有重要意义。

技术特征：

1.一种识别及预测岩溶管道涡流区占比的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种识别及预测岩溶管道涡流区占比的方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的一种识别及预测岩溶管道涡流区占比的方法，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的一种识别及预测岩溶管道涡流区占比的方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的一种识别及预测岩溶管道涡流区占比的方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的一种识别及预测岩溶管道涡流区占比的方法，其特征在于，

技术总结
本发明公开了一种识别及预测岩溶管道涡流区占比的方法，涉及水文地质技术领域。包括：从水力条件及管道结构角度选取流速、形状系数、相对粗糙度作为主控因素，设计人工粗糙管道并开展实验及数值模拟；基于三个主控因素的岩溶粗糙管道数值模拟流场，计算涡流区占比；构建涡流区占比与不同流速、不同形状系数、不同相对粗糙度的定量关系，结合多元统计回归方法生成涡流区占比的预测方程。本发明方便操作，识别及测试结果准确，能够在获取野外常见水文地质参数条件下实现涡流区占比的精准预测。

技术研发人员：李仲夏,杨赟,冯海波,万军伟,杨显硕
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：
技术公布日：2024/12/23