一種北方巖溶大泉保護(hù)與水質(zhì)演化模擬裝置及模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種模擬裝置和模擬方法，具體地說(shuō)是一種模擬北方巖溶大泉的形 成、保護(hù)、水質(zhì)演化過(guò)程及人類(lèi)開(kāi)采對(duì)泉水影響的裝置和模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于泉所獨(dú)有的觀賞價(jià)值，自古以來(lái)就成為文人騷客爭(zhēng)相吟詠的對(duì)象，到了今天， 泉仍然是人們所關(guān)注的焦點(diǎn)。這一方面是因?yàn)槿獮槿祟?lèi)提供了理想的水源，另一方面是因 為泉能構(gòu)成許多觀賞景觀和旅游資源，如理療泉，飲用泉等。我國(guó)泉水的數(shù)量不計(jì)其數(shù)，分 布十分廣泛，類(lèi)型也非常豐富，既有上升泉、也有下降泉，各地名泉不勝枚舉。在各地名泉 中，尤其以北方巖溶大泉最為著名，其特點(diǎn)是流量之大、泉點(diǎn)數(shù)量之多、水質(zhì)優(yōu)良、動(dòng)態(tài)穩(wěn) 定。許多巖溶大泉具有豐富、悠久的歷時(shí)文化內(nèi)涵。但是隨著人口的增長(zhǎng)，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不 斷發(fā)展，造成了水資源供需矛盾的日益加劇，從上世紀(jì)初以來(lái)，到70年代中期，全世界農(nóng)業(yè) 用水量增長(zhǎng)了 7倍，工業(yè)用水量增長(zhǎng)了 21倍。地下水開(kāi)采量的增加，使部分泉逐漸的消失。
[0003] 以濟(jì)南為例，濟(jì)南以"泉城"而聞名，城區(qū)2.6平方千米范圍內(nèi)有名泉130多處，泉水 之多可算是全國(guó)之最。趵突泉有文字記載的歷史可上溯至我國(guó)的商代，迄今長(zhǎng)達(dá)3550多年， 歷史文化源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，趵突泉的文化底蘊(yùn)深厚。著名的趵突泉、珍珠泉、黑虎泉和五龍?zhí)端拇?泉群在上世紀(jì)五六十年代平均流量每天30萬(wàn)立方米，僅趵突泉每天就涌出7萬(wàn)立方米的泉 水。但是由于上世紀(jì)七十年代以來(lái)大量開(kāi)采巖溶水，造成趵突泉于1972年首次斷流，即使這 樣的大泉，在上世紀(jì)八十年代后的歷年枯水期斷流停噴，其中最長(zhǎng)的一次斷流時(shí)間是從 1999年3月14日至2001年9月17日，停噴長(zhǎng)達(dá)926天。為恢復(fù)與保護(hù)泉水，當(dāng)?shù)卣扇×嗽S 多保泉措施，例如節(jié)水保泉、引黃保泉、關(guān)閉水廠、減少自備井開(kāi)采等，但是人口的增長(zhǎng)以及 工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，都意味著地下水用量必將增加，為保泉盲目的減少地下水開(kāi)采時(shí)又會(huì)造成 水資源的浪費(fèi)，因此如何合理在保泉條件下開(kāi)采地下水是擺在人們面前的一個(gè)問(wèn)題。
[0004] 然而，近年來(lái)保泉措施雖然取得了一些成效，但是泉水的水質(zhì)卻出現(xiàn)惡化，在1958 年~2014年56年間，趵突泉泉水礦化度、總硬度、氯離子、硫酸根離子、硝酸根離子等化學(xué)組 分顯著增大，其中氯離子增長(zhǎng)近3.2倍，硫酸根離子增長(zhǎng)了 6.14倍，硝酸根離子增長(zhǎng)了 8.9 倍。氯離子、硫酸根離子、硝酸根離子濃度大幅增加說(shuō)明巖溶水水質(zhì)已經(jīng)受到了污染，因此 查明巖溶水水質(zhì)演化規(guī)律及污染原因又成為當(dāng)今一大難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了探討北方奧陶紀(jì)石灰?guī)r巖溶大泉的成因及水質(zhì)變化過(guò)程，提出恢復(fù)與保護(hù)泉 水景觀措施。本發(fā)明提供一種模擬北方巖溶大泉形成、保護(hù)與水質(zhì)演化模擬裝置及模擬方 法，可以模擬巖溶大泉的形成、泉水補(bǔ)給過(guò)程、泉水水質(zhì)變化過(guò)程，進(jìn)而為泉水保護(hù)措施提 供科學(xué)依據(jù)。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是：
[0007] -種北方巖溶大泉形成及水質(zhì)演化模擬裝置，包括供水部、滲流部和泉水控制部；
[0008] 所述滲流部包括滲流柱和支撐結(jié)構(gòu)；
[0009] 所述滲流柱為傾斜放置的圓柱狀結(jié)構(gòu)，且上端開(kāi)口下端封閉，所述滲流柱的封閉 端設(shè)置有出水口；
[0010] 所述泉水控制部包括軟管、第一支架、標(biāo)尺和夾子；
[0011] 所述軟管設(shè)置于滲流柱封閉端的出水口上，所述第一支架設(shè)置于滲流柱封閉端的 一側(cè)；
[0012] 所述第一支架上安裝有標(biāo)尺和夾子，所述夾子與軟管的開(kāi)口端相連，且所述夾子 可沿第一支架上下移動(dòng)；
[0013] 所述滲流柱內(nèi)填充有滲流介質(zhì)；
[0014] 所述滲流柱的側(cè)壁上設(shè)置有若干個(gè)測(cè)壓口和取水口；
[0015] 所述的各測(cè)壓口上均連接有測(cè)壓管，且所述個(gè)測(cè)壓管上均設(shè)置有閥門(mén)；
[0016] 所述的各取水口上均設(shè)置有流量計(jì)和閥門(mén)；
[0017] 所述供水部包括含水層越流補(bǔ)給組件和雨水補(bǔ)給組件；
[0018] 所述含水層越流補(bǔ)給組件包括第七供水瓶，且所述第七供水瓶的出水管上設(shè)置有 閥門(mén)和流量計(jì)；
[0019] 所述第七供水瓶?jī)?nèi)裝有巖溶水，且與滲流柱上部的側(cè)壁連通；
[0020] 所述雨水補(bǔ)給組件通過(guò)所述的設(shè)置于滲流柱側(cè)壁上的各測(cè)壓管向滲流柱內(nèi)供水；
[0021] 所述滲流柱的頂端設(shè)置有溢流口，且所述溢流口通過(guò)管道與溢流瓶相連。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)【具體實(shí)施方式】，所述滲流介質(zhì)取自于寒武紀(jì)上統(tǒng)至奧陶紀(jì)中統(tǒng) 地層，所述滲流介質(zhì)包括自下而上依次填充的寒武紀(jì)鳳山組、奧陶紀(jì)冶里組、亮甲山組、馬 家溝組一段、馬家溝組二段、馬家溝組三段以及馬家溝組四段七類(lèi)碳酸鹽巖地層。
[0023] 進(jìn)一步地，所述各測(cè)壓口分別設(shè)置于冶里組、亮甲山組、馬家溝組一段、馬家溝組 二段和馬家溝組三段的上方。
[0024] 進(jìn)一步地，所述各取水口分別設(shè)置于亮甲山組、馬家溝組一段、馬家溝組二段、馬 家溝組三段以及馬家溝組四段的下端。
[0025]進(jìn)一步地，所述雨水補(bǔ)給裝置包括第一供水瓶、第二供水瓶、第三供水瓶、第四供 水瓶、第五供水瓶和第六供水瓶，所述第一供水瓶、第二供水瓶、第三供水瓶、第四供水瓶、 第五供水瓶和第六供水瓶均裝有雨水，且所述第一供水瓶與冶里組上方的測(cè)壓管連通，所 述第二供水瓶與亮甲山組上方的測(cè)壓管連通，所述第三供水瓶與馬家溝組一段上方的測(cè)壓 管連通，所述第四供水瓶與馬家溝組二段上方的測(cè)壓管連通，所述第五供水瓶與馬家溝組 三段上方的測(cè)壓管連通，所述第六供水瓶與滲流柱的上端開(kāi)口連通，所述的第一供水瓶、第 二供水瓶、第三供水瓶、第四供水瓶、第五供水瓶和第六供水瓶出水管上均設(shè)置有閥門(mén)和流 量計(jì)。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)【具體實(shí)施方式】，所述支撐機(jī)構(gòu)包括第二支架和第三支架，所 述第二支架和第三支架分別與滲流柱的兩端相連，且所述第三支架高于第二支架。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)【具體實(shí)施方式】，所述滲流柱的傾斜角度為20°。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)【具體實(shí)施方式】，所述測(cè)壓管和滲流柱均采用透明的有機(jī)玻璃 材質(zhì)，且所述測(cè)壓管上設(shè)置有刻度。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)【具體實(shí)施方式】，所述軟管為透明的膠質(zhì)軟管，且所述軟管的 開(kāi)口處設(shè)置有硬質(zhì)彎管，所述硬質(zhì)彎管上設(shè)置有流量計(jì)。
[0030] -種北方巖溶大泉保護(hù)與水質(zhì)演化模擬方法，包括以下步驟，
[0031] 第一步，制備供試水樣和滲流介質(zhì)，具體為，
[0032] al、分別將寒武紀(jì)鳳山組、奧陶紀(jì)冶里組、亮甲山組、馬家溝組一段、馬家溝組二 段、馬家溝組三段以及馬家溝組四段七類(lèi)碳酸鹽巖敲擊破碎，使粒徑均〈0.2cm，分別對(duì)其烘 干，然后分別對(duì)其稱(chēng)重，然后將烘干后的寒武紀(jì)鳳山組、奧陶紀(jì)冶里組、亮甲山組、馬家溝組 一段、馬家溝組二段、馬家溝組三段以及馬家溝組四段先后依次裝填到滲流柱內(nèi)；
[0033] a2、將雨水和巖溶水分別用0.45um微孔濾膜過(guò)濾除雜；
[0034]第二步，組裝并形成模擬裝置，并測(cè)定滲流柱的內(nèi)徑；
[0035]第三步，模擬馬家溝組四段降水補(bǔ)給，具體為，
[0036]bl、打開(kāi)第七供水瓶閥門(mén)，關(guān)閉第一供水瓶、第二供水瓶、第三供水瓶、第四供水瓶 和第五供水瓶的閥門(mén)，并關(guān)閉與第一供水瓶、第二供水瓶、第三供水瓶、第四供水瓶和第五 供水瓶相應(yīng)的測(cè)壓管上的閥門(mén)，使供試水飽和滲流柱；
[0037] b2、打開(kāi)第六供水瓶閥門(mén)，調(diào)節(jié)供水流量，并且第六供水瓶中的雨水保持供大于 求，避免出現(xiàn)斷流；
[0038] b3、關(guān)閉所有取水口的閥門(mén)，只打開(kāi)右側(cè)模擬泉水的出水口，固定模擬泉出口的硬 質(zhì)彎管的位置，且高度低于1026mm，待該出水口流量穩(wěn)定后，依次打開(kāi)第一取水口、第二取 水口、第三取水口、第四取水口和第五取水口的閥門(mén)進(jìn)行采樣，并即為水樣I，水樣Π，水樣 m，水樣IV，水樣V，采樣完畢后，關(guān)閉各個(gè)取水口的閥門(mén)；
[0039] b4、分別測(cè)定b3中所取水樣的電導(dǎo)率、溫度、PH值以及硝酸根、硫酸根、氯離子、重 碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子等的離子濃度，并記錄；
[0040] b5、保持所有取水口的閥門(mén)為關(guān)閉的狀態(tài)，每隔30min通過(guò)窄口瓶上的刻度讀取出 水口處滲出水的體積和水頭，并實(shí)時(shí)測(cè)定滲出水的電導(dǎo)率、溫度、PH值以及硝酸根、硫酸根、 氯離子、重碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子等的離子濃度，并記錄；
[0041] b6、根據(jù)設(shè)定的各個(gè)供水瓶的進(jìn)水流量值，配制供試水樣，并測(cè)定供試水樣的硝酸 根、硫酸根、氯離子、重碳酸根、鈉離子、鈣離子、鎂離子等的離子濃度；
[0042]b7、打開(kāi)第一取水口的閥門(mén)，其余取水口的閥門(mén)保持關(guān)閉狀態(tài)，分別設(shè)定第一取水 口的流量為Q1、Q2和Q3,然后測(cè)定對(duì)應(yīng)情況穩(wěn)定時(shí)右側(cè)泉水位和泉流量情況和各個(gè)測(cè)壓口 的水頭，并記錄；
[0043] b8、打開(kāi)第二取水口的閥門(mén)，其余取水口的閥門(mén)保持關(guān)閉狀態(tài)，重復(fù)步驟b7中的操 作；
[0044] b9、打開(kāi)第三取水口的閥門(mén)，其余取水口的閥門(mén)保持關(guān)閉狀態(tài)，重復(fù)步驟b7中的操 作；
[0045] blO、打開(kāi)第四取水口的閥門(mén)，其余取水口的閥門(mén)保持關(guān)閉狀態(tài)，重復(fù)步驟b7中的 操作；
[0046] bl1、打開(kāi)第五取水口的閥門(mén)，其余取水口的閥門(mén)保持關(guān)閉狀態(tài)，重復(fù)步驟b7中的 操作；
[0047]bl2、設(shè)定各個(gè)取水口的流量均為Q1，分別打開(kāi)第一取水口和第二取水口，然后測(cè) 定右側(cè)泉水位和泉流量情況和各個(gè)測(cè)壓口的水頭，并記錄；
[0048] bl3、設(shè)定各個(gè)取水口的流量均為Q1，分別打開(kāi)第一取水口和第三取水口，然后測(cè) 定右側(cè)泉水位和泉流量情況和各個(gè)測(cè)壓口的水頭，并記錄；
[0049]bl4、設(shè)定各個(gè)取水口的流量均為Q1，分別打開(kāi)第一取水口和第四取水口，然后測(cè) 定右側(cè)泉水位和泉流量情況和各個(gè)測(cè)壓口的水頭，并記錄；
[0050]bl5、設(shè)定各個(gè)取水口的流量均為Q1，分別打開(kāi)第一取水口和第五取水口，然后測(cè) 定右側(cè)泉水位和泉流量情況和各個(gè)測(cè)壓口的水頭，并記錄；
[0051 ]bl6、設(shè)定各個(gè)取水口的流量均為Q1，分別打開(kāi)第一取水口、第二取水口和第三取 水口，然后測(cè)定右側(cè)泉水位和泉流量情況和各個(gè)測(cè)壓口的水頭，并記錄；
[0052]bl7、設(shè)定各個(gè)取水口的流量均為Q1，分別打開(kāi)第一取水口、第二取水口和第四取 水口，然后測(cè)定右側(cè)泉水位和泉流量情況和各個(gè)測(cè)壓口的水頭，并記錄；
[0053]bl8、設(shè)定各個(gè)取水口的流量均為Q1，分別打開(kāi)第一取水口、第二取水口和第五取 水口