一种人工回灌岩溶水系统水环境演化模拟装置及模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种水环境质量演化的模拟装置及模拟方法，具体地说是一种研究人 工回灌岩溶水系统中水环境质量演化的模拟装置及模拟方法。
【背景技术】
[0002] 随着经济社会的发展，水资源短缺和水环境恶化等问题越来越突出，地下水是水 资源的重要组成部分，鉴于其水质优良、供水量稳定，成为工矿企业、城镇生活及农业的重 要水源，但是目前地下水水超采问题日趋严重，全国地下水超采区数量已已经超过164个， 超采区面积超过18万平方千米，地下水超采引发了一系列的环境水文地质问题，如地面沉 降、海水入侵、岩溶塌陷、地下水污染、土壤沙化、大泉景观消亡、地温变化等，地下水回灌补 源是目前防止地下水资源枯竭、遏制环境水文地质问题发生的最为有效措施，这一措施得 到广泛应用。如上海实施地下水回灌控制地面沉降、山东桓台实施人工回灌控制地下水降 落漏斗、山东济南趵突泉实施人工回灌补源保泉以及国外的很多岩溶大泉都实施回灌补源 措施。另一方面，污废水入渗补给引发地下水污染，局统计全国90%的地下水遭受了不同程 度的污染，地下水污染具有隐蔽性，水质污染直接威胁人类的健康。
[0003] 长期以来，人们更多的关注水资源的数量多寡，而忽视了水质问题，尤其是人工回 灌对地下水水系统所产生的水环境影响目前更是缺乏深入研究，这一模拟装置则是探讨回 灌对岩溶水系统水动力场、水化学场的影响。
[0004] 以济南为例，为了满足城市供水大量开采岩溶水造成泉水泉流，为了恢复泉水喷 涌采取了许多保泉措施，实践证明地下水回灌补源是目前最为有效的保泉措施，但是人工 回灌对岩溶水系统所产生的水环境影响目前尚没有充分的科学和理论依据。
【发明内容】
[0005] 为了研究人工回灌对岩溶水系统水环境质量的影响，并为探索地下水回灌补源技 术提供科学依据，本发明提供一种人工回灌岩溶水系统水环境质量演化模拟装置及模拟方 法，通过实验监测人工补源后潜水、承压水水质变化;监测人工补源后承压水水质变化;该 装置取得的实验数据揭示人工补源后地下水系统中发生的水文地球化学作用;并通过实测 数据进而分析研究人工回灌对岩溶水系统水动力场和水化学场所产生的影响，指导人工补 源岩溶水系统污染风险的控制。
[0006] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
[0007] -种人工回灌岩溶水系统水环境演化模拟装置，包括供水部、水头控制部和渗流 部；
[0008] 所述供水部包括第一供水瓶和第二供水瓶，且所述第一供水瓶和第二供水瓶的下 部均设置有出水管；
[0009] 盛放在所述第一供水瓶内的供试液为黄河水，盛放在所述第二供水瓶内的供试液 为岩溶水；
[0010] 所述渗流部包括第一渗流柱和第二渗流柱，所述第一渗流柱上端开口下端封闭， 所述第二渗流柱的上下两端均封闭，且所述第一渗流柱和第二渗流柱的底部通过管道连 通；
[0011]所述第一渗流柱的水平高度高于第二渗流柱；
[0012] 所述第一渗流柱内自上而下依次为砂质粉土层和石灰岩层，所述第二渗流柱内填 充的渗流介质为石灰岩；
[0013] 所述第一供水瓶的出水管与第一渗流柱的上端开口连通，并设有阀门；
[0014] 所述第二供水瓶的出水管与设置于第一渗流柱的上部的岩溶水入口连通，并设有 阀门；
[0015] 所述的第一渗流柱的侧壁上自上而下依次设置有第一取水口、第二取水口和第三 取水口；
[0016] 所述第二渗流柱的侧壁上自下而上依次设置有第四取水口、第五取水口和出水 P；
[0017] 所述第一渗流柱和第二渗流柱的底部的连通管道上设置有第六取水口；
[0018] 所述第一取水口、第二取水口、第三取水口、第四取水口和第五取水口上均分别设 置有阀门和测压管，所述第六取水口上设置有阀门，所述出水口上设置有测压管，且在所述 出水口的下方设置有收集瓶；
[0019] 所述水头控制部包括溢流口，以及设置于第一供水瓶出水管上的阀门；
[0020] 所述溢流口设置于第一渗流柱的顶端，且所述溢流口通过管道与溢流瓶连通。
[0021] 所述第一供水瓶的出水管上设置有第一流量计，所述第二供水瓶的出水管上设置 有第二流量计，所述的连接溢流口的管道上设置有第三流量计。
[0022] 根据本发明的一个【具体实施方式】，所述的第一渗流柱的高度均为1500mm，直径为 300mm，所述第二渗流柱的高度为1500mm，直径为300mm;
[0023] 所述第一渗流柱轴线和第二渗流柱轴线之间的水平距离为1300mm;
[0024] 所述岩溶水入口与第一渗流柱的管口之间的距离为300mm;
[0025] 所述第一取水口与岩溶水入口之间的距离为200mm;
[0026] 所述第一取水口与第二取水口之间的距离为400mm;
[0027] 所述第二取水口与第三取水口之间的距离为400mm;
[0028] 所述出水口与第二渗流柱的管口之间的距离为50mm-100mm;
[0029] 所述出水口与第五取水口之间的距离为400mm;
[0030] 所述第五取水口与第四取水口之间的距离为400mm;
[0031]所述砂质粉土层的厚度为50mm。
[0032] 根据本发明的另一个【具体实施方式】，所述第一渗流柱内的水位比第二渗流柱内的 水位高50mm。
[0033] 根据本发明的又一个【具体实施方式】，所述第一渗流柱和第二渗流柱为透明的有机 玻璃材质。
[0034] 根据本发明的又一个【具体实施方式】，所述测压管采用医用软管制作而成。
[0035]根据本发明的又一个【具体实施方式】，设置于所述出水口下方的收集瓶采用窄口 瓶，且所述窄口瓶上设置有刻度。
[0036] -种人工回灌岩溶水系统水环境演化模拟方法，包括以下步骤：
[0037] 第一步，制备供试水样和渗流介质，具体为，
[0038] al、将砂质粉土和石灰岩分别烘干，然后分别将砂质粉土和石灰岩敲击破碎至粒 径〈0.2cm，然后分别对其称重，然后将烘干后的石灰岩和砂质粉土先后依次装填到第一渗 流柱内，将石灰岩填装到第二渗流柱内；
[0039] a2、将黄河水和岩溶水分别用0.45um微孔滤膜过滤除杂；
[0040]第二步，组装并形成模拟装置，并测定渗流柱的内径；
[0041 ]第三步，打开第二供水瓶的阀门，使供水部持续向第一渗流柱内供水，直至第一渗 流柱和第二渗流柱内均达到饱和状态；
[0042] 第四步，打开第一供水瓶和第二供水瓶的阀门，调整黄河水与岩溶水的供水比例， 具体为，
[0043] bl、读取第一流量计的读数记为A1，第二流量计的读数记为A2,第三流量计的读数 记为A3，且第三流量计的读数A3不能为零；
[0044] b2、分别调整第一供水瓶出水管和第二供水瓶出水管上的阀门，使(Al-A3)/A2 = 3/5;
[0045] 第五步，关闭所有取水口的阀门，使流经渗流柱的供试液只能从第二渗流柱上端 的出水口流出进入窄口瓶，待该出水口流量稳定后根据需要对供试液进行取样和检测，具 体为，
[0046] cl、保持所有取水口的阀门为关闭的状态，每隔30min通过窄口瓶上的刻度读取渗 出水的体积和水头差，并实时测定渗出水的电导率、温度、PH值，测定硝酸根、硫酸根、氯离 子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子等的离子浓度，并记录；
[0047] c2、按照黄河水与岩溶水比例为3/5的比例配制供试水样，并测定供试水样的电导 率、温度、PH值，测定硝酸根、硫酸根、氯离子、重碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子等的离子浓 度，并记录；
[0048] c3、依次打开第一取水口、第二取水口、第三取水口、第四取水口、第五取水口以及 第六取水口的阀门，并依次记录各个取水口的水头后对其进行采样，记为水样I，水样Π ，水 样m，水样iv，水样v和水样VI，并记录取样时间；
[0049] C4、分别测定c3中所取水样的电导率、温度、PH值，测定硝酸根、硫酸根、氯离子、重 碳酸根、钠离子、钙离子、镁离子等的离子浓度，并记录；
[0050] C5、打开第三取水口，通过带刻度的窄口瓶收集渗出的供试液，且每隔30min记录 一次渗出体积；
[0051] c6、调整黄河水与岩溶水比例，然后重复cl_c4的操作，且所述比例范围为1/5至3/ 5〇
[0052]本发明的有益效果是：
[0053]本发明通过模拟人工回灌岩溶水系统中的水环境质量演化，
[0054] 第一、可以探究人工补源对潜水岩溶水系统和承压岩溶水系统水质的影响；
[0055] 第二、可以反演人类活动干预下岩溶水系统的水文地球化学作用；
[0056]第三、通过供试水流经分别代表潜水系统和承压水系统的两柱体，揭示潜水系统 和承压水系统地下水动力场和水化学场的变化;实现了中国北方岩溶水系统的物理模拟；
[0057]第四、通过实验数据测试分析与计算，可以为人工补源岩溶水系统污染风险分析 提供依据；
[0058]第五、可以用于教育教学。
【附图说明】