一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟装置及模拟方法

摘要

一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟装置包括供水装置、渗流装置和泉水控制装置。所述渗流柱为模拟单斜构造倾斜放置的圆柱体筒状结构，所述渗流柱的封闭端设置有出水口，所述出口处设置有泉水控制装置。所述渗流柱内填充有寒武纪—奥陶纪石灰岩渗流介质，所述渗流柱的侧壁上设置有若干个测压口和取水口，所述的各测压口上均连接有测压管，且所述个测压管上均设置有阀门，所述的各取水口上均设置有流量计和阀门。所述供水装置包括含水层越流补给装置和雨水补给装置；所述渗流柱的上端侧壁上设置有溢流口，且所述溢流口通过管道与溢流瓶相连。通过模拟北方岩溶大泉水质演化过程，探究岩溶大泉水质演化规律，为制定泉水保护措施提供科学依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟装置和模拟方法，具体地说是一种模拟北方岩溶大泉的形成、保 护、水质演化过程及人类开采对泉水影响的装置和模拟方法。

背景技术

由于泉所独有的观赏价值，自古以来就成为文人骚客争相吟咏的对象，到了今天，泉 仍然是人们所关注的焦点。这一方面是因为泉为人类提供了理想的水源，另一方面是因为 泉能构成许多观赏景观和旅游资源，如理疗泉，饮用泉等。我国泉水的数量不计其数，分 布十分广泛，类型也非常丰富，既有上升泉、也有下降泉，各地名泉不胜枚举。在各地名 泉中，尤其以北方岩溶大泉最为著名，其特点是流量之大、泉点数量之多、水质优良、动 态稳定。许多岩溶大泉具有丰富、悠久的历时文化内涵。但是随着人口的增长，工农业生 产的不断发展，造成了水资源供需矛盾的日益加剧，从上世纪初以来，到70年代中期， 全世界农业用水量增长了7倍，工业用水量增长了21倍。地下水开采量的增加，使部分 泉逐渐的消失。

以济南为例，济南以“泉城”而闻名，城区2.6平方千米范围内有名泉130多处，泉 水之多可算是全国之最。趵突泉有文字记载的历史可上溯至我国的商代，迄今长达3550 多年，历史文化源远流长，趵突泉的文化底蕴深厚。著名的趵突泉、珍珠泉、黑虎泉和五 龙潭四大泉群在上世纪五六十年代平均流量每天30万立方米，仅趵突泉每天就涌出7万 立方米的泉水。但是由于上世纪七十年代以来大量开采岩溶水，造成趵突泉于1972年首 次断流，即使这样的大泉，在上世纪八十年代后的历年枯水期断流停喷，其中最长的一次 断流时间是从1999年3月14日至2001年9月17日，停喷长达926天。为恢复与保护泉 水，当地政府采取了许多保泉措施，例如节水保泉、引黄保泉、关闭水厂、减少自备井开 采等，但是人口的增长以及工农业的发展，都意味着地下水用量必将增加，为保泉盲目的 减少地下水开采时又会造成水资源的浪费，因此如何合理在保泉条件下开采地下水是摆在 人们面前的一个问题。

然而，近年来保泉措施虽然取得了一些成效，但是泉水的水质却出现恶化，在1958 年～2014年56年间，趵突泉泉水矿化度、总硬度、氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子等 化学组分显著增大，其中氯离子增长近3.2倍，硫酸根离子增长了6.14倍，硝酸根离子 增长了8.9倍。氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子浓度大幅增加说明岩溶水水质已经受到 了污染，因此查明岩溶水水质演化规律及污染原因又成为当今一大难题。

发明内容

为了探讨北方奥陶纪石灰岩岩溶大泉的成因及水质变化过程，提出恢复与保护泉水景 观措施。本发明提供一种模拟北方岩溶大泉形成、保护与水质演化模拟装置及模拟方法， 可以模拟岩溶大泉的形成、泉水补给过程、泉水水质变化过程，进而为泉水保护措施提供 科学依据。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种北方岩溶大泉形成及水质演化模拟装置，包括供水部、渗流部和泉水控制部；

所述渗流部包括渗流柱和支撑结构；

所述渗流柱为倾斜放置的圆柱状结构，且上端开口下端封闭，所述渗流柱的封闭端设 置有出水口；

所述泉水控制部包括软管、第一支架、标尺和夹子；

所述软管设置于渗流柱封闭端的出水口上，所述第一支架设置于渗流柱封闭端的一 侧；

所述第一支架上安装有标尺和夹子，所述夹子与软管的开口端相连，且所述夹子可沿 第一支架上下移动；

所述渗流柱内填充有渗流介质；

所述渗流柱的侧壁上设置有若干个测压口和取水口；

所述的各测压口上均连接有测压管，且所述个测压管上均设置有阀门；

所述的各取水口上均设置有流量计和阀门；

所述供水部包括含水层越流补给组件和雨水补给组件；

所述含水层越流补给组件包括第七供水瓶，且所述第七供水瓶的出水管上设置有阀门 和流量计；

所述第七供水瓶内装有岩溶水，且与渗流柱上部的侧壁连通；

所述雨水补给组件通过所述的设置于渗流柱侧壁上的各测压管向渗流柱内供水；

所述渗流柱的顶端设置有溢流口，且所述溢流口通过管道与溢流瓶相连。

根据本发明的一个具体实施方式，所述渗流介质取自于寒武纪上统至奥陶纪中统地 层，所述渗流介质包括自下而上依次填充的寒武纪凤山组、奥陶纪冶里组、亮甲山组、马 家沟组一段、马家沟组二段、马家沟组三段以及马家沟组四段七类碳酸盐岩地层。

进一步地，所述各测压口分别设置于冶里组、亮甲山组、马家沟组一段、马家沟组二 段和马家沟组三段的上方。

进一步地，所述各取水口分别设置于亮甲山组、马家沟组一段、马家沟组二段、马家 沟组三段以及马家沟组四段的下端。

进一步地，所述雨水补给装置包括第一供水瓶、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装有雨水，且所述第一供水瓶与冶里组上方的测压管连通，所 述第二供水瓶与亮甲山组上方的测压管连通，所述第三供水瓶与马家沟组一段上方的测压 管连通，所述第四供水瓶与马家沟组二段上方的测压管连通，所述第五供水瓶与马家沟组 三段上方的测压管连通，所述第六供水瓶与渗流柱的上端开口连通，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设置有阀门 和流量计。

根据本发明的另一个具体实施方式，所述支撑机构包括第二支架和第三支架，所述第 二支架和第三支架分别与渗流柱的两端相连，且所述第三支架高于第二支架。

根据本发明的又一个具体实施方式，所述渗流柱的倾斜角度为20°。

根据本发明的又一个具体实施方式，所述测压管和渗流柱均采用透明的有机玻璃材 质，且所述测压管上设置有刻度。

根据本发明的又一个具体实施方式，所述软管为透明的胶质软管，且所述软管的开口 处设置有硬质弯管，所述硬质弯管上设置有流量计。

一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟方法，包括以下步骤，

第一步，制备供试水样和渗流介质，具体为，

a1、分别将寒武纪凤山组、奥陶纪冶里组、亮甲山组、马家沟组一段、马家沟组二段、 马家沟组三段以及马家沟组四段七类碳酸盐岩敲击破碎，使粒径均<0.2cm，分别对其烘干， 然后分别对其称重，然后将烘干后的寒武纪凤山组、奥陶纪冶里组、亮甲山组、马家沟组 一段、马家沟组二段、马家沟组三段以及马家沟组四段先后依次装填到渗流柱内；

a2、将雨水和岩溶水分别用0.45um微孔滤膜过滤除杂；

第二步，组装并形成模拟装置，并测定渗流柱的内径；

第三步，模拟马家沟组四段降水补给，具体为，

b1、打开第七供水瓶阀门，关闭第一供水瓶、第二供水瓶、第三供水瓶、第四供水瓶 和第五供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第二供水瓶、第三供水瓶、第四供水瓶和第 五供水瓶相应的测压管上的阀门，使供试水饱和渗流柱；

b2、打开第六供水瓶阀门，调节供水流量，并且第六供水瓶中的雨水保持供大于求， 避免出现断流；

b3、关闭所有取水口的阀门，只打开右侧模拟泉水的出水口，固定模拟泉出口的硬质 弯管的位置，且高度低于1026mm，待该出水口流量稳定后，依次打开第一取水口、第二取 水口、第三取水口、第四取水口和第五取水口的阀门进行采样，并即为水样Ⅰ，水样Ⅱ， 水样Ⅲ，水样Ⅳ，水样Ⅴ，采样完毕后，关闭各个取水口的阀门；

b4、分别测定b3中所取水样的电导率、温度、PH值以及硝酸根、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；

b5、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出水 口处渗出水的体积和水头，并实时测定渗出水的电导率、温度、PH值以及硝酸根、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；

b6、根据设定的各个供水瓶的进水流量值，配制供试水样，并测定供试水样的硝酸根、 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；

b7、打开第一取水口的阀门，其余取水口的阀门保持关闭状态，分别设定第一取水口 的流量为Q1、Q2和Q3，然后测定对应情况稳定时右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口 的水头，并记录；

b8、打开第二取水口的阀门，其余取水口的阀门保持关闭状态，重复步骤b7中的操 作；

b9、打开第三取水口的阀门，其余取水口的阀门保持关闭状态，重复步骤b7中的操 作；

b10、打开第四取水口的阀门，其余取水口的阀门保持关闭状态，重复步骤b7中的操 作；

b11、打开第五取水口的阀门，其余取水口的阀门保持关闭状态，重复步骤b7中的操 作；

b12、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口和第二取水口，然后测定 右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b13、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口和第三取水口，然后测定 右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b14、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口和第四取水口，然后测定 右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b15、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口和第五取水口，然后测定 右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b16、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口、第二取水口和第三取水 口，然后测定右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b17、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口、第二取水口和第四取水 口，然后测定右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b18、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口、第二取水口和第五取水 口，然后测定右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b19、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口、第二取水口、第三取水 口和第四取水口，然后测定右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b20、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口、第二取水口、第三取水 口和第五取水口，然后测定右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b21、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口、第二取水口、第三取水 口、第四取水口、第五取水口，然后测定右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头， 并记录；

b22、分别设定各个取水口的流量均为Q2，Q3，然后重复b3-b21的操作。

第四步，模拟马家沟组四段和马家沟组三段同时降水补给，具体为，

打开第七供水瓶、第六供水瓶和第五供水瓶的阀门，关闭第一供水瓶、第二供水瓶、 第三供水瓶和第四供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第二供水瓶、第三供水瓶和第四 供水瓶相应的测压管上的阀门，然后重复b3-b22的操作；

第五步，模拟马家沟组四段和马家沟组二段同时降水补给，具体为，

打开第七供水瓶、第六供水瓶和第四供水瓶的阀门，关闭第一供水瓶、第二供水瓶、 第三供水瓶和第五供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第二供水瓶、第三供水瓶和第五 供水瓶相应的测压管上的阀门，然后重复b3-b22的操作；

第六步，模拟马家沟组四段和马家沟组一段同时降水补给，具体为，

打开第七供水瓶、第六供水瓶和第三供水瓶的阀门，关闭第一供水瓶、第二供水瓶、 第四供水瓶和第五供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第二供水瓶、第四供水瓶和第五 供水瓶相应的测压管上的阀门，然后重复b3-b22的操作；

第七步，模拟马家沟组四段和亮甲山组同时降水补给，具体为，

打开第七供水瓶、第六供水瓶和第二供水瓶的阀门，关闭第一供水瓶、第三供水瓶、 第四供水瓶和第五供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第三供水瓶、第四供水瓶和第五 供水瓶相应的测压管上的阀门，然后重复b3-b22的操作；

第八步，模拟马家沟组四段和冶里组同时降水补给，具体为，

打开第七供水瓶、第六供水瓶和第一供水瓶的阀门，关闭第二供水瓶、第三供水瓶、 第四供水瓶和第五供水瓶的阀门，并关闭与第二供水瓶、第三供水瓶、第四供水瓶和第五 供水瓶相应的测压管上的阀门，然后重复b3-b22的操作；

第九步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段和马家沟组二段同时降水补给，具体为，

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶和第四供水瓶的阀门，关闭第一供水瓶、 第二供水瓶和第三供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第二供水瓶和第三供水瓶相应的 测压管上的阀门，然后重复b3-b22的操作；

第十步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段和马家沟组一段同时降水补给，具体为，

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶和第三供水瓶的阀门，关闭第一供水瓶、 第二供水瓶和第四供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第二供水瓶和第四供水瓶相应的 测压管上的阀门，然后重复b3-b22的操作；

第十一步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段和亮甲山组同时降水补给，具体为，

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶和第二供水瓶的阀门，关闭第一供水瓶、 第三供水瓶和第四供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第三供水瓶和第四供水瓶相应的 测压管上的阀门，然后重复b3-b22的操作；

第十一步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段和冶里组同时降水补给，具体为，

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶和第一供水瓶的阀门，关闭第二供水瓶、 第三供水瓶和第四供水瓶的阀门，并关闭与第二供水瓶、第三供水瓶和第四供水瓶相应的 测压管上的阀门，然后重复b3-b22的操作；

第十二步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段、马家沟组二段和马家沟组一段同时降 水补给，具体为，

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶、第四供水瓶和第三供水瓶的阀门，关闭 第一供水瓶和第二供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶和第二供水瓶相应的测压管上的阀 门，然后重复b3-b22的操作；

第十三步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段、马家沟组二段和亮甲山组同时降水补 给，具体为，

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶、第四供水瓶和第二供水瓶的阀门，关闭 第一供水瓶和第三供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶和第三供水瓶相应的测压管上的阀 门，然后重复b3-b22的操作；

第十四步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段、马家沟组二段和冶里组同时降水补给， 具体为，

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶、第四供水瓶和第一供水瓶的阀门，关闭 第二供水瓶和第三供水瓶的阀门，并关闭与第二供水瓶和第三供水瓶相应的测压管上的阀 门，然后重复b3-b22的操作；

第十五步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段、马家沟组二段、马家沟组一段和亮甲 山组同时降水补给，具体为，

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶、第四供水瓶、第三供水瓶和第二供水瓶 的阀门，关闭第一供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶相应的测压管上的阀门，然后重复 b3-b22的操作；

第十六步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段、马家沟组二段、马家沟组一段和冶里 组同时降水补给，具体为，

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶、第四供水瓶、第三供水瓶和第一供水瓶 的阀门，关闭第二供水瓶的阀门，并关闭与第二供水瓶相应的测压管上的阀门，然后重复 b3-b22的操作；

第十七步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段、马家沟组二段、马家沟组一段、亮甲 山组和冶里组同时降水补给，具体为，

打开所有供水瓶的阀门，然后重复b3-b22的操作。

本发明的有益效果是：

本发明通过模拟北方岩溶大泉的形成以及水质演化过程，

第一、可以模拟各个地区不同地层岩性的降水入渗补给，进而研究对岩溶水系统水质 的影响；

第二、可以模拟各个地区不同地层岩性的降水入渗补给，进而研究降水入渗对泉水水 质的影响；

第三、模拟雨水、地下水以及含水层之间的水-岩作用，反演岩溶水系统的水文地球 化学作用；

第四、模拟不同含水层地下水开采布局，研究地下水开采对泉水的影响，为寻求合理 化开采布局提供依据；

第五、将雨水改为地表水可用于模拟回灌水对泉水水质的影响；

第六、可应用于教育教学。

附图说明

图1为本模拟装置的结构示意图。

图中：11-第一供水瓶，12-第二供水瓶，13-第三供水瓶，14-第四供水瓶，15-第五 供水瓶，16-第六供水瓶，17-第七供水瓶，2-渗流柱，21-寒武纪凤山组，22-冶里组，23- 亮甲山组，24-马家沟组一段，25-马家沟组二段，26-马家沟组三段，27-马家沟组四段， 28-出水口，29-软管，291-硬质弯管，31-第一取水口，32-第二取水口，33-第三取水口， 34-第四取水口，35-第五取水口，4-窄口瓶，51-第一测压口，52-第二测压口，53-第三 测压口，54-第四测压口，55-第五测压口，6-测压管，7-阀门，81-第三支架，82-第二支 架，83-第一支架，831-标尺，832-夹子，9-流量计,10-溢流瓶。

具体实施方式

济南泉水是中国北方岩溶发育特征的代表，出露于奥陶纪石灰岩地层之中，其特点是 历史文化久远性、泉点分布集中性、泉水动态的稳定性、泉水形成条件的独特性、泉群流 量大与泉水水质优良等。济南泉水的形成是地质条件、构造条件与地势条件的巧妙结合， 造就了这一地理奇观，具有其独特性。济南泉域是一相对独立的地下水系统，其补给面积 广、储存量大，是中国北方岩溶发育特征的典型代表，具有极其重要的科研价值，因此， 模拟研究岩溶大泉形成、水环境演化与水质恶化、地下水开采与补给、泉水喷涌等问题， 对于指导北方岩溶大泉的保护有重要指导意义。故本实施例以济南的趵突泉为例，模拟趵 突泉的形成和水质演化过程。

本说明书中出现的寒武纪凤山组、奥陶纪冶里组、亮甲山组、马家沟组一段、马家沟 组二段、马家沟组三段以及马家沟组四段也是地质学专业术语，具体可参考地质年代表。

所述的一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟装置包括供水部、水头控制部、渗流部、 取水部、测压部、泉水控制部以及支撑组件。

如图1所示，所述的支架组件包括第三支架81、第二支架82和第一支架83，所述的 第三支架81高于第二支架82，所述的第一支架83上设置有标尺831和夹子832，所述夹 子832可沿第一支架83上下移动。

所述的渗流部采用倾斜设置的渗流柱2，来模拟南高北低的单斜地质构造。如图1所 示，所述渗流柱2通过第三支架81和第二支架82固定，且所述渗流柱2倾斜设置，优选 的，所述渗流柱2的倾斜角度为20°。所述渗流柱2采用长为3000mm，直径为300mm的 圆柱体筒状结构，优选的，所述的渗流柱2采用有机玻璃制作而成。其左侧较高的一端为 开口设置，与大气接触，右侧较低的一端封闭，且封闭端设置有出水口28，所述出水口 28上设置有泉水控制部，用于模拟泉水排泄，包括软管29以及设置于第一支架83上的标 尺831和夹子832，所述软管29用于控制泉水出流标高，进一步地，所述的软管29我透 明的软胶管。为了便于对出水口28的供试液进行采样，所述软管29的上端开口处设置有 硬质弯管291，且所述硬质弯管291通过夹子832固定到第一支架83上，且可跟随夹子 832沿第一支架83上下移动。所述硬质弯管291上设置有流量计9，所述硬质弯管291的 下方设置有窄口瓶4，用于收集流出的供试液，所述的窄口瓶4上设置有刻度，这样不仅 可以减少供试液的蒸发，还可以及时的读取水量值，从而保证实验数据的准确性。为了模 拟济南的地质结构，所述渗流柱2内自下而上依次填充有寒武纪凤山组21、冶里组22、 亮甲山组23、马家沟组一段24、马家沟组二段25、马家沟组三段26以及马家沟组四段 27七类碳酸盐岩，各类碳酸盐岩的厚度是按照济南的地质结构模拟的。所述马家沟组四段 27的上方填充有10mm厚度的粉砂，且所述粉砂层的上表面到管口之间的距离小于50mm。

所述的供水部包括第一供水瓶11、第二供水瓶12、第三供水瓶13、第四供水瓶14、 第五供水瓶15、第六供水瓶16和第七供水瓶17，其中所述的第七供水瓶17内装有岩溶 水，用于模拟地下岩溶水，且用于模拟地下岩溶水的第七供水瓶17一直处于供水状态， 所述第七供水瓶17的供水口位于管口以下50mm处。其余所有供水瓶均装有雨水，且根据 需要间隙性供水，用于模拟不同区域降水对不同含水层的补给。本实施例主要是对于冶里 组22、亮甲山组23、马家沟组一段24、马家沟组二段25、马家沟组三段26以及马家沟 组四段27这六类含水层进行补给，其中冶里组22对应第一供水瓶11，亮甲山组23对应 第二供水瓶14，马家沟组一段24对应第三供水瓶13，马家沟组二段25对应第四供水瓶 14，马家沟组三段26对应第五供水瓶15，马家沟组四段27对应第六供水瓶16。其中所 述第一供水瓶11、第二供水瓶12、第三供水瓶13、第四供水瓶14和第五供水瓶15分别 通过设置于渗流柱2侧壁上的第一测压口51、第二测压口52、第三测压口53、第四测压 口54和第五测压口55供水，所述第六供水瓶16通过渗流柱2管口直接供水。所述第一 测压口51、第二测压口52、第三测压口53、第四测压口54和第五测压口55上均设置有 测压管6，所述测压管6上均设置有阀门7，优选的，所述的测压管6采用有机玻璃制作 而成，且所述测压管6上设置有刻度，可直接读取水头。如图1所示，所述各供水瓶的出 水管上均设置有阀门7。这样，当需要测量某位置水头时，只需要将该位置测压管6上的 阀门7打开，然后通过测压管6上的刻度读取该位置的水头，若需要进一步模拟该位置的 降水，只需将与该位置对应的供水瓶的阀门7也打开即可。

为了保证供水的水头恒定，所述的一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟装置还设置 有水头控制部，所述的水头控制部包括溢流瓶10，所述的渗流柱2的上端设置有溢流口， 所述溢流口设置于填充介质的上方，且所述溢流口位于地下岩溶水进口的上方，在实验过 程中，始终保持地下岩溶水的供给处于供大于求的状态，这样通过第七供水瓶17流入到 渗流柱内的多余的岩溶水会通过溢流口经管道流入到溢流瓶10内，从而保证供水的水头 恒定。

为了揭示北方岩溶大泉的水质演化过程、降水渗入对岩溶水系统水质及泉水水质的影 响，所述的一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟装置还设置有取水部，以便在供试液在 流经渗流柱的过程中，进行采样，从而为分析岩溶大泉在形成的过程中水质演化的过程以 及降水入渗对岩溶水系统水质的影响提供依据。所述的取水部包括第一取水口31、第二取 水口32、第三取水口33、第四取水口34和第五取水口35，且所述第一取水口31、第二 取水口32、第三取水口33、第四取水口34和第五取水口35上均设置有阀门7。所述的第 一取水口31、第二取水口32、第三取水口33、第四取水口34和第五取水口35均设置于 渗流柱2的侧壁上，其中第一取水口31与亮甲山组23的底部相对应，第二取水口32与 马家沟组一段24的底部相对应，第三取水口33与马家沟组二段25的底部相对应，第四 取水口34与马家沟组三段26的底部相对应，第五取水口35与马家沟组四段27的底部相 对应。所述各取水口的下方均设置有窄口瓶4。

为了进一步探讨地下水开采以及降水量对泉水水位的影响，所述的第一供水瓶11、第 二供水瓶12、第三供水瓶13、第四供水瓶14、第五供水瓶15、第六供水瓶16和第七供 水瓶17的出水管上以及第一取水口31、第二取水口32、第三取水口33、第四取水口34 和第五取水口35上均设置有流量计9。

一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟方法包括以下几个步骤：

第一步，制备供试水样和渗流介质，具体操作如下：

a1、分别将寒武纪凤山组、奥陶纪冶里组、亮甲山组、马家沟组一段、马家沟组二段、 马家沟组三段以及马家沟组四段七类碳酸盐岩敲击破碎，使粒径<0.2cm，分别对其烘干， 然后分别对其称重，然后将烘干后的寒武纪凤山组、冶里组、亮甲山组、马家沟组一段、 马家沟组二段、马家沟组三段以及马家沟组四段先后依次装填到渗流柱内；

a2、将雨水和岩溶水分别用0.45um微孔滤膜过滤除杂。

第二步，按照图1所示的模拟装置结构示意图，组装实验装置，并测定渗流柱的内径。

第三步，模拟马家沟组四段降水补给，具体操作如下：

b1、打开第七供水瓶和第六供水瓶阀门，关闭第一供水瓶、第二供水瓶、第三供水瓶、 第四供水瓶和第五供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第二供水瓶、第三供水瓶、第四 供水瓶和第五供水瓶相应的测压管上的阀门；

b2、调节供水流量，并且第六供水瓶中的雨水保持供大于求，避免出现断流，使供试 水饱和渗流柱；

b3、关闭所有取水口的阀门，只打开右侧模拟泉水的出水口，固定模拟泉出口的硬质 弯管的位置，且高度低于1026mm，待该出水口流量稳定后，依次打开第一取水口、第二取 水口、第三取水口、第四取水口和第五取水口的阀门进行采样，并即为水样1、水样2、 水样3、水样4和水样5，采样完毕后，关闭各个取水口的阀门。

b4、分别测定b3中所取水样的电导率、温度、PH值以及硝酸根、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；

b5、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出水 口处渗出水的体积和水头，并实时测定渗出水的电导率、温度、PH值以及硝酸根、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；

b6、根据设定的各个供水瓶的进水流量值，配制供试水样，并测定供试水样的硝酸根、 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；

b7、打开第一取水口的阀门，其余取水口的阀门保持关闭状态，分别设定第一取水口 的流量为Q1、Q2和Q3，然后测定对应情况下右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水 头，并记录；

b8、根据步骤b6中所得到的数据，绘制泉水位和泉流量随第一取水口流量的变化曲 线，并寻求在对泉水位和泉流量影响不大的情况下，第一取水口的最大的流量，并记录；

b9、打开第二取水口的阀门，其余取水口的阀门保持关闭状态，重复步骤b7和b8中 的操作；

b10、打开第三取水口的阀门，其余取水口的阀门保持关闭状态，重复步骤b7和b8 中的操作；

b11、打开第四取水口的阀门，其余取水口的阀门保持关闭状态，重复步骤b7和b8 中的操作；

b12、打开第五取水口的阀门，其余取水口的阀门保持关闭状态，重复步骤b7和b8 中的操作；

b13、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口和第二取水口，然后测定 右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b14、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口和第三取水口，然后测定 右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b15、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口和第四取水口，然后测定 右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b16、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口和第五取水口，然后测定 右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b17、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口、第二取水口和第三取水 口，然后测定右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b18、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口、第二取水口和第四取水 口，然后测定右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b19、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口、第二取水口和第五取水 口，然后测定右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b20、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口、第二取水口、第三取水 口和第四取水口，然后测定右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b21、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口、第二取水口、第三取水 口和第五取水口，然后测定右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头，并记录；

b22、设定各个取水口的流量均为Q1，分别打开第一取水口、第二取水口、第三取水 口、第四取水口、第五取水口，然后测定右侧泉水位和泉流量情况和各个测压口的水头， 并记录；

b23、分别设定各个取水口的流量均为Q2和Q3，然后重复b3-b21的操作；

b24、根据b13-b23所得数据，确定最佳的组合方式，并结合b8-b12所得数据分析 探究合理的地下水开采布局。

第四步，模拟马家沟组四段和马家沟组三段同时降水补给，具体操作如下：

打开第七供水瓶、第六供水瓶和第五供水瓶的阀门，关闭第一供水瓶、第二供水瓶、 第三供水瓶和第四供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第二供水瓶、第三供水瓶和第四 供水瓶相应的测压管上的阀门，然后重复b3-b24的操作。

第五步，模拟马家沟组四段和马家沟组二段同时降水补给，具体操作如下：

打开第七供水瓶、第六供水瓶和第四供水瓶的阀门，关闭第一供水瓶、第二供水瓶、 第三供水瓶和第五供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第二供水瓶、第三供水瓶和第五 供水瓶相应的测压管上的阀门，然后重复b3-b24的操作。

第六步，模拟马家沟组四段和马家沟组一段同时降水补给，具体操作如下：

打开第七供水瓶、第六供水瓶和第三供水瓶的阀门，关闭第一供水瓶、第二供水瓶、 第四供水瓶和第五供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第二供水瓶、第四供水瓶和第五 供水瓶相应的测压管上的阀门，然后重复b3-b24的操作。

第七步，模拟马家沟组四段和亮甲山组同时降水补给，具体操作如下：

打开第七供水瓶、第六供水瓶和第二供水瓶的阀门，关闭第一供水瓶、第三供水瓶、 第四供水瓶和第五供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第三供水瓶、第四供水瓶和第五 供水瓶相应的测压管上的阀门，然后重复b3-b24的操作。

第八步，模拟马家沟组四段和冶里组同时降水补给，具体操作如下：

打开第七供水瓶、第六供水瓶和第一供水瓶的阀门，关闭第二供水瓶、第三供水瓶、 第四供水瓶和第五供水瓶的阀门，并关闭与第二供水瓶、第三供水瓶、第四供水瓶和第五 供水瓶相应的测压管上的阀门，然后重复b3-b24的操作。

第九步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段和马家沟组二段同时降水补给，具体操作 如下：

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶和第四供水瓶的阀门，关闭第一供水瓶、 第二供水瓶和第三供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第二供水瓶和第三供水瓶相应的 测压管上的阀门，然后重复b3-b24的操作。

第十步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段和马家沟组一段同时降水补给，具体操作 如下：

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶和第三供水瓶的阀门，关闭第一供水瓶、 第二供水瓶和第四供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第二供水瓶和第四供水瓶相应的 测压管上的阀门，然后重复b3-b24的操作。

第十一步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段和亮甲山组同时降水补给，具体操作如 下：

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶和第二供水瓶的阀门，关闭第一供水瓶、 第三供水瓶和第四供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶、第三供水瓶和第四供水瓶相应的 测压管上的阀门，然后重复b3-b24的操作。

第十一步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段和冶里组同时降水补给，具体操作如下：

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶和第一供水瓶的阀门，关闭第二供水瓶、 第三供水瓶和第四供水瓶的阀门，并关闭与第二供水瓶、第三供水瓶和第四供水瓶相应的 测压管上的阀门，然后重复b3-b24的操作。

第十二步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段、马家沟组二段和马家沟组一段同时降 水补给，具体操作如下：

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶、第四供水瓶和第三供水瓶的阀门，关闭 第一供水瓶和第二供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶和第二供水瓶相应的测压管上的阀 门，然后重复b3-b24的操作。

第十三步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段、马家沟组二段和亮甲山组同时降水补 给，具体操作如下：

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶、第四供水瓶和第二供水瓶的阀门，关闭 第一供水瓶和第三供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶和第三供水瓶相应的测压管上的阀 门，然后重复b3-b24的操作。

第十四步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段、马家沟组二段和冶里组同时降水补给， 具体操作如下：

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶、第四供水瓶和第一供水瓶的阀门，关闭 第二供水瓶和第三供水瓶的阀门，并关闭与第二供水瓶和第三供水瓶相应的测压管上的阀 门，然后重复b3-b24的操作。

第十五步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段、马家沟组二段、马家沟组一段和亮甲 山组同时降水补给，具体操作如下：

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶、第四供水瓶、第三供水瓶和第二供水瓶 的阀门，关闭第一供水瓶的阀门，并关闭与第一供水瓶相应的测压管上的阀门，然后重复 b3-b24的操作。

第十六步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段、马家沟组二段、马家沟组一段和冶里 组同时降水补给，具体操作如下：

打开第七供水瓶、第六供水瓶、第五供水瓶、第四供水瓶、第三供水瓶和第一供水瓶 的阀门，关闭第二供水瓶的阀门，并关闭与第二供水瓶相应的测压管上的阀门，然后重复 b3-b24的操作。

第十七步，模拟马家沟组四段、马家沟组三段、马家沟组二段、马家沟组一段、亮甲 山组和冶里组同时降水补给，具体操作如下：

打开所有供水瓶的阀门，然后重复b3-b24的操作。

第十八步，对实验数据进行分析

c1、计算不同时间的渗透系数K

由达西公式$Q=KAJ=KA\frac{\Delta H}{L},$可推导出$K=\frac{QL}{A\Delta H}$

式中，Q为出水口渗流量(m³/s)；

A为过流断面面积(m²)；

ΔH为水头差(m)；

L为供试液流经距离(m)；

通过第三步到第十七步中步骤b5所得到的数据可计算每个时间段出水口的渗流量Q 和水头差ΔH，通过第二步所测得的渗流柱的内径可计算过流断面面积A，通过渗流柱的 长度为供试液流经距离L，这样通过上述数据便可计算在不同的降水补给下不同时间的渗 透系数。

c2、根据第三步到第十七步中步骤b5得到的渗出水的电导率、温度和步骤c1得到的 不同的降水补给下不同时间的渗透系数，绘制不同降水补给情况下的渗透系数、电导率、 水温历时关系曲线。

c3、根据第三步到第十七步中步骤b5得到的不同时间的渗出水中硝酸根、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和步骤第三步到第十七步中步 骤b6得到的供试水样中硝酸根、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，绘制不同降水补给情况下的离子浓度历时变化曲线。

c4、根据第三步到第十七步中步骤b5得到的不同时间的渗出水中硝酸根、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，通过phreeqc模拟软件模拟 供试液在流经渗流柱时随时间所发生的的水文地球化学作用。

c5、根据第三步到第十七步中步骤b4得到的不同取水口处的渗出水中硝酸根、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，通过phreeqc模拟软件 反演在不同降水补给情况下供试液在流经渗流柱的过程中所发生的的水文地球化学作用。

c6、根据步骤第三步到第十七步中步骤b5得到的不同时间的渗出水中硝酸根、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，通过分析软件分析得到 不同降水补给情况下的Piper三线图和离子毫克当量与矿化度相关性曲线图，从而为分析 成因提供依据。

c7、计算弥散系数D_L

弥散系数的计算公式为

$D_L=\frac{1}{8}{[\frac{x-{\mathrm{ut}}_{0.1587}}{\sqrt{t_{0.1587}}}-\frac{x-{\mathrm{ut}}_{0.8413}}{\sqrt{t_{0.8413}}}]}^2$

式中，x为供试液在柱体中运移的距离m；

U为C/C₀为0.5时对应的渗流速度m/s；

t_0.1587,t_0.8413分别为C/C₀为0.1587,0.8413时对应的时间s。

第十九步，根据第六步对数据的分析进一步探讨分析，

(1)、模拟降水补给不同含水层情况下岩溶水系统水质的变化；

(2)、模拟降水补给不同含水层情况下，降水入渗对泉水水质的影响；

(3)、根据观测数据计算分析雨水、地下水以及含水层之间的水-岩作用；

(4)、模拟不同岩溶含水层的地下水开采布局对泉水位的影响；

(5)、将降水改为地表水，可模拟回灌后泉水水质的演化。