流场流态的多变性
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发布时间：2022-05-23 21:03
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时间：2023-09-09 17:17
喀斯特流域水文流场属双重含水介质结构，与降水—入渗—损失（包气带持水与蒸发）—含水层汇流（包括扩散流与管道流）—排泄相联系，并构成一个完整的喀斯特水系统，在此系统流场中，不仅有反映水力学特性的层流和紊流，无压流和有压流并存，而且还有反映喀斯特水介质结构，水源和形成过程的快速流和慢速流（崔光中，1986；严启坤等，1986），且会在一定的流场边界条件下互相转化。
一般来说，由于喀斯特含水系统，管道发育，喀斯特水大量处于紊流状态，但当管径＜0.5～1cm，流速＜1～5cm/s时，即表现为层流状态（引自张英骏等，1986）。一般当雷诺数小于500时，水流将处于层流（图3-1）。
图3-1 达西定律适用范围（据Freeze,1979）
因此，除了在孔隙细小裂隙中渗流水进入管道转化为管道流出现紊流状态外，喀斯特地下水由峰丛山地进入坡立谷、溶原或网状管道发育地区，其流速在0.1～1cm/s时，也会由紊流态转化为层流态。
而有压流和无压流的转化也十分普遍，即或同一个管道，在平水时属无压流自由水，洪水全充水时就能变为有压流，而许多峡谷区的岸边纵向径流带或地下水凹槽，均具压力流的特征，脱离该地段后又能变为无压流。由补排水位差和特殊的内部结构形成的虹吸管道，也属压力流，一些在河床中溢流泉也是有压流。贵阳东郊汪家大井，即在鱼梁河床中涌出，其枯季流量达1.28m3/s。山东济南著名的趵突泉，打帮河黄果树天星桥下的涌泉都具有压力流性质（图3-2）。
图3-2 黄果树天星桥（伏流）涌泉（据杨汉奎）
实际上，从峰丛洼地到峰林平原，喀斯特地下水的性质不仅会从无压流转为有压流，而且泉水常在承压区和无压区的边界出露（郭纯青，1985），且因峰丛洼地土层薄，基岩多裸露，落水洞发育，降水常通过落水洞以“灌入式”补给喀斯特地下水系，这种补给方式汇流时间短，入渗系数大，对降水反应灵敏，是一种快速补给，形成集中性的或强径流带的快速流（严启坤，1986），相反，降水沿着基岩裂隙以缓慢的入渗方式补给喀斯特地下水系统，构成慢速补给，形成慢速流。由于喀斯特管隙空间对降水强度及其补给强度和排泄滞后状态响应不同，这就导致快速流和慢速流的产生及水文过程上的差异（图3-3）。
图3-3 喀斯特地下水流量过程线上水源组成（据P.Williams）
此外，由于喀斯特含水系统，因管道半径的组合上的不同，对一次随机输入的水量响应也会不同，其水文过程线有很大的差别（图3-4）。
图3-4 三种组分的地表、地下流泉水系统对一次随机输入水量的响应水文过程线（据C.Smart,1983）
Q—有效流量；R—管道半径
所以，快速流产生于喀斯特流域天然流场裂隙管道发育，导水系数极高（常大于弱径流带数十倍），水力梯度大（常大于一般天然流场的2～3倍），动态年变幅明显（常达数米至数十米），不稳定系数大于10～1000的这种含水介质结构体中，而地下河正是具有快速流的性质。在我国南方，裸露喀斯特区的流域，地下水对降水的反应迅速，洪峰滞后时间仅1～2天，最快的在雨后几小时即达峰值，其排泄量可达总量的70%～80%，最高者可达总量的89.7%（崔光中，1986）。
分割喀斯特水的快速流和慢速流，最简便的方法是利用大泉或地下河排泄量进行衰减分析和水文学上喀斯特径流退水曲线的二次分割方法，第一次分割慢速流（基流），第二次分割快速流，余下为地表径流。
