一種北方巖溶大泉保護與水質演化模擬裝置及模擬方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種模擬裝置和模擬方法，具體地說是一種模擬北方巖溶大泉的形 成、保護、水質演化過程及人類開采對泉水影響的裝置和模擬方法。
【背景技術】
[0002] 由于泉所獨有的觀賞價值，自古以來就成為文人騷客爭相吟詠的對象，到了今天， 泉仍然是人們所關注的焦點。這一方面是因為泉為人類提供了理想的水源，另一方面是因 為泉能構成許多觀賞景觀和旅游資源，如理療泉，飲用泉等。我國泉水的數(shù)量不計其數(shù)，分 布十分廣泛，類型也非常豐富，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，其特點是流量之大、泉點數(shù)量之多、水質優(yōu)良、動態(tài)穩(wěn) 定。許多巖溶大泉具有豐富、悠久的歷時文化內涵。但是隨著人口的增長，工農業(yè)生產的不 斷發(fā)展，造成了水資源供需矛盾的日益加劇，從上世紀初以來，到70年代中期，全世界農業(yè) 用水量增長了 7倍，工業(yè)用水量增長了 21倍。地下水開采量的增加，使部分泉逐漸的消失。
[0003] 以濟南為例，濟南以"泉城"而聞名，城區(qū)2.6平方千米范圍內有名泉130多處，泉水 之多可算是全國之最。趵突泉有文字記載的歷史可上溯至我國的商代，迄今長達3550多年， 歷史文化源遠流長，趵突泉的文化底蘊深厚。著名的趵突泉、珍珠泉、黑虎泉和五龍?zhí)端拇?泉群在上世紀五六十年代平均流量每天30萬立方米，僅趵突泉每天就涌出7萬立方米的泉 水。但是由于上世紀七十年代以來大量開采巖溶水，造成趵突泉于1972年首次斷流，即使這 樣的大泉，在上世紀八十年代后的歷年枯水期斷流停噴，其中最長的一次斷流時間是從 1999年3月14日至2001年9月17日，停噴長達926天。為恢復與保護泉水，當?shù)卣扇×嗽S 多保泉措施，例如節(jié)水保泉、引黃保泉、關閉水廠、減少自備井開采等，但是人口的增長以及 工農業(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采時又會造成 水資源的浪費，因此如何合理在保泉條件下開采地下水是擺在人們面前的一個問題。
[0004] 然而，近年來保泉措施雖然取得了一些成效，但是泉水的水質卻出現(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、硝酸根離子等化學組 分顯著增大，其中氯離子增長近3.2倍，硫酸根離子增長了 6.14倍，硝酸根離子增長了 8.9 倍。氯離子、硫酸根離子、硝酸根離子濃度大幅增加說明巖溶水水質已經受到了污染，因此 查明巖溶水水質演化規(guī)律及污染原因又成為當今一大難題。

【發(fā)明內容】

[0005] 為了探討北方奧陶紀石灰?guī)r巖溶大泉的成因及水質變化過程，提出恢復與保護泉 水景觀措施。本發(fā)明提供一種模擬北方巖溶大泉形成、保護與水質演化模擬裝置及模擬方 法，可以模擬巖溶大泉的形成、泉水補給過程、泉水水質變化過程，進而為泉水保護措施提 供科學依據(jù)。
[0006] 本發(fā)明解決其技術問題所采取的技術方案是：
[0007] -種北方巖溶大泉形成及水質演化模擬裝置，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構；
[0009] 所述滲流柱為傾斜放置的圓柱狀結構，且上端開口下端封閉，所述滲流柱的封閉 端設置有出水口；
[0010] 所述泉水控制部包括軟管、第一支架、標尺和夾子；
[0011] 所述軟管設置于滲流柱封閉端的出水口上，所述第一支架設置于滲流柱封閉端的 一側；
[0012] 所述第一支架上安裝有標尺和夾子，所述夾子與軟管的開口端相連，且所述夾子 可沿第一支架上下移動；
[0013] 所述滲流柱內填充有滲流介質；
[0014] 所述滲流柱的側壁上設置有若干個測壓口和取水口；
[0015] 所述的各測壓口上均連接有測壓管，且所述個測壓管上均設置有閥門；
[0016] 所述的各取水口上均設置有流量計和閥門；
[0017] 所述供水部包括含水層越流補給組件和雨水補給組件；
[0018] 所述含水層越流補給組件包括第七供水瓶，且所述第七供水瓶的出水管上設置有 閥門和流量計；
[0019] 所述第七供水瓶內裝有巖溶水，且與滲流柱上部的側壁連通；
[0020] 所述雨水補給組件通過所述的設置于滲流柱側壁上的各測壓管向滲流柱內供水；
[0021] 所述滲流柱的頂端設置有溢流口，且所述溢流口通過管道與溢流瓶相連。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一個【具體實施方式】，所述滲流介質取自于寒武紀上統(tǒng)至奧陶紀中統(tǒng) 地層，所述滲流介質包括自下而上依次填充的寒武紀鳳山組、奧陶紀冶里組、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碳酸鹽巖地層。
[0023] 進一步地，所述各測壓口分別設置于冶里組、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] 進一步地，所述各取水口分別設置于亮甲山組、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]進一步地，所述雨水補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壓管連通，所 述第二供水瓶與亮甲山組上方的測壓管連通，所述第三供水瓶與馬家溝組一段上方的測壓 管連通，所述第四供水瓶與馬家溝組二段上方的測壓管連通，所述第五供水瓶與馬家溝組 三段上方的測壓管連通，所述第六供水瓶與滲流柱的上端開口連通，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置有閥門和流 量計。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的另一個【具體實施方式】，所述支撐機構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【具體實施方式】，所述滲流柱的傾斜角度為20°。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的又一個【具體實施方式】，所述測壓管和滲流柱均采用透明的有機玻璃 材質，且所述測壓管上設置有刻度。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的又一個【具體實施方式】，所述軟管為透明的膠質軟管，且所述軟管的 開口處設置有硬質彎管，所述硬質彎管上設置有流量計。
[0030] -種北方巖溶大泉保護與水質演化模擬方法，包括以下步驟，
[0031] 第一步，制備供試水樣和滲流介質，具體為，
[0032] al、分別將寒武紀鳳山組、奧陶紀冶里組、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碳酸鹽巖敲擊破碎，使粒徑均〈0.2cm，分別對其烘 干，然后分別對其稱重，然后將烘干后的寒武紀鳳山組、奧陶紀冶里組、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；
[0033] a2、將雨水和巖溶水分別用0.45um微孔濾膜過濾除雜；
[0034]第二步，組裝并形成模擬裝置，并測定滲流柱的內徑；
[0035]第三步，模擬馬家溝組四段降水補給，具體為，
[0036]bl、打開第七供水瓶閥門，關閉第一供水瓶、第二供水瓶、第三供水瓶、第四供水瓶 和第五供水瓶的閥門，并關閉與第一供水瓶、第二供水瓶、第三供水瓶、第四供水瓶和第五 供水瓶相應的測壓管上的閥門，使供試水飽和滲流柱；
[0037] b2、打開第六供水瓶閥門，調節(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、關閉所有取水口的閥門，只打開右側模擬泉水的出水口，固定模擬泉出口的硬 質彎管的位置，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進行采樣，并即為水樣I，水樣Π，水樣 m，水樣IV，水樣V，采樣完畢后，關閉各個取水口的閥門；
[0039] b4、分別測定b3中所取水樣的電導率、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為關閉的狀態(tài)，每隔30min通過窄口瓶上的刻度讀取出 水口處滲出水的體積和水頭，并實時測定滲出水的電導率、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)設定的各個供水瓶的進水流量值，配制供試水樣，并測定供試水樣的硝酸 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、打開第一取水口的閥門，其余取水口的閥門保持關閉狀態(tài)，分別設定第一取水 口的流量為Q1、Q2和Q3,然后測定對應情況穩(wěn)定時右側泉水位和泉流量情況和各個測壓口 的水頭，并記錄；
[0043] b8、打開第二取水口的閥門，其余取水口的閥門保持關閉狀態(tài)，重復步驟b7中的操 作；
[0044] b9、打開第三取水口的閥門，其余取水口的閥門保持關閉狀態(tài)，重復步驟b7中的操 作；
[0045] blO、打開第四取水口的閥門，其余取水口的閥門保持關閉狀態(tài)，重復步驟b7中的 操作；
[0046] bl1、打開第五取水口的閥門，其余取水口的閥門保持關閉狀態(tài)，重復步驟b7中的 操作；
[0047]bl2、設定各個取水口的流量均為Q1，分別打開第一取水口和第二取水口，然后測 定右側泉水位和泉流量情況和各個測壓口的水頭，并記錄；
[0048] bl3、設定各個取水口的流量均為Q1，分別打開第一取水口和第三取水口，然后測 定右側泉水位和泉流量情況和各個測壓口的水頭，并記錄；
[0049]bl4、設定各個取水口的流量均為Q1，分別打開第一取水口和第四取水口，然后測 定右側泉水位和泉流量情況和各個測壓口的水頭，并記錄；
[0050]bl5、設定各個取水口的流量均為Q1，分別打開第一取水口和第五取水口，然后測 定右側泉水位和泉流量情況和各個測壓口的水頭，并記錄；
[0051 ]bl6、設定各個取水口的流量均為Q1，分別打開第一取水口、第二取水口和第三取 水口，然后測定右側泉水位和泉流量情況和各個測壓口的水頭，并記錄；
[0052]bl7、設定各個取水口的流量均為Q1，分別打開第一取水口、第二取水口和第四取 水口，然后測定右側泉水位和泉流量情況和各個測壓口的水頭，并記錄；
[0053]bl8、設定各個取水口的流量均為Q1，分別打開第一取水口、第二取水口和第五取 水口