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

摘要

一种人工回灌岩溶水系统水环境质量演化模拟装置，包括供水装置、水头控制装置和渗流装置。所述供水装置包括第一供水瓶和第二供水瓶。所述渗流装置包括模拟潜水系统的第一渗流柱和模拟承压水的第二渗流柱，所述第一渗流柱和第二渗流柱的底部通过管道连通。所述第一渗流柱和第二渗流柱内分别填充有介质。所述第二渗流柱的上端设置有出水口；且所述的出水口上设置有测压管。所述第一渗流柱的上部设置有溢流口，且所述溢流口通过管道与溢流瓶连通。本发明通过供试水流经分别代表潜水系统和承压水系统的两个渗流柱，实现中国北方岩溶水系统的物理模拟。模拟装置结构简单，操作方便，可是实时准确的测得实验数据，为后期的分析提供依据。

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一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；

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；

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；

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；

所述第一渗流柱的水平高度高于第二渗流柱；

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；

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；

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；

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；

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 和出水口；

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；

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；

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；

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。

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。

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；

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；

所述岩溶水入口与第一渗流柱的管口之间的距离为300mm；

所述第一取水口与岩溶水入口之间的距离为200mm；

所述第一取水口与第二取水口之间的距离为400mm；

所述第二取水口与第三取水口之间的距离为400mm；

所述出水口与第二渗流柱的管口之间的距离为50mm-100mm；

所述出水口与第五取水口之间的距离为400mm；

所述第五取水口与第四取水口之间的距离为400mm；

所述砂质粉土层的厚度为50mm。

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。

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。

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。

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。

一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：

第一步，制备供试水样和渗流介质，具体为，

a1、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；

a2、将黄河水和岩溶水分别用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，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；

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，

b1、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；

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 (A1-A3)/A2＝3/5；

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，

c1、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；

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；

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Ⅱ，水样Ⅲ，水样Ⅳ，水样Ⅴ和水样Ⅵ，并记录取 样时间；

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；

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；

c6、调整黄河水与岩溶水比例，然后重复c1-c4的操作，且所述比例范 围为1/5至3/5。

本发明的有益效果是：

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，

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；

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；

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；

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；

第五、可以用于教育教学。

附图说明

图1为本模拟装置的结构示意图；

图2为本模拟装置中第一渗流柱的结构示意图；

图3为本模拟装置中第二渗流柱的结构示意图。

图中：1-第一供水瓶，11-第一流量计，2-第二供水瓶，21-第二流量计， 3-溢流瓶，31-第三流量计，4-第一渗流柱，41-第一取水口，42-第二取水口， 43-第三取水口，44-溢流口，45-岩溶水入口，5-第二渗流柱，51-第四取水 口，52-第五取水口，53-出水口，54-密封塞子，6-第六取水口，7-窄口瓶， 81-砂质粉土层，82-石灰岩层，9-阀门，10-测压管。

具体实施方式

如图1所示，所述的一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、渗流部和取水部。

所述的供水部包括第一供水瓶1和第二供水瓶2，所述的第一供水瓶1内 装有黄河水，用于供给地表黄河水，且所述第一供水瓶1的下部设置有出水 管，所述出水管上设置有阀门9.所述第二供水瓶2内装有岩溶水，用于供给 地下岩溶水，且所述第二供水瓶2的下部设置有出水管，所述出水管上设置 有阀门9。

所述的渗流部包括用于模拟潜水流动系统的第一渗流柱4和用于模拟承 压水流动系统的第二渗流柱5，如图1所示，所述第一渗流柱4内的潜水与第 二渗流柱5内的承压水的水位差为△H，所述的△H的值为50mm。所述的第一 渗流柱4和第二渗流柱5均呈上端开口下端封闭的圆柱体筒状结构，如图2 所示，所述的第一渗流柱的直径为D1，高度为H1，所述D1的值为300mm，所 述H1的值为1500mm；所述的第二渗流柱的直径为D2，高度为H2，所述D2的 值为300mm，所述H2的值为1500mm。优选的，所述的第一渗流柱4和第二渗 流柱5均采用有机玻璃制备而成。如图1所示，所述的第一渗流柱4和第二 渗流柱5的底部通过管道连通，且二者之间的水平距离为L，所述L的值为 1000mm。所述第一渗流柱4为敞口设置，在所述的第一渗流柱4内，上部填 充有厚度为50mm的砂质粉土层81，模拟第四系地层，下部填充有石灰岩层 82，模拟灰岩地层。所述的供水部分别通过第一供水瓶1和第二供水瓶2向 第一渗流柱4内供给黄河水和岩溶水，其中由第一供水瓶供1给的黄河水从 第一渗流柱4的顶部开口处流入第一渗流柱4内，模拟回灌的地表黄河水， 由第二供水瓶2供给的岩溶水从第一渗流柱4上部的岩溶水入口45流入，所 述岩溶水入口45与管口之间的距离为h4，所述h4的取值为300mm。所述第 二渗流柱5为封闭设置，如图1所示，其顶部开口处设置有密封塞子54。在 所述第二渗流柱5内，填充有石灰岩层82，模拟灰岩地层，所述第二渗流柱 5的上端设置有出水口53，且所述的出水口53上通过三通并联有测压管10， 进一步地，所述的测压管10采用医用软管制作而成。这样分别由第一供水瓶 1和第二供水瓶2提供的黄河水和岩溶水从开放体系的第一渗流柱4的上部流 入，依次流经模拟第四系地层的砂质粉土层81和模拟灰岩地层的石灰岩层82， 然后通过连接第一渗流柱4和第二渗流柱5底部的管道从第二渗流柱5的下 端进入到第二渗流柱5，由于第二渗流柱5的上端是封闭的，且所述第二渗流 柱5内的承压水水位要低于第一渗流柱4内潜水水位，因此在水位差△H的作 用下，供试液会经过石灰岩层82从设置于第二渗流柱5上部的出水口53流 出，然后通过设置于出水口53下方的窄口瓶7对流出的供试液进行收集采样， 并通过设置于出水口53的测压管10测定出水口53处的水头。所述的窄口瓶 7上设置有刻度，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。

为了保证供水的水头恒定，所述的一种人工回灌岩溶水系统水环境演化 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3，所述的第一 渗流柱1的顶端设置有溢流口44，且所述溢流口44设置于砂质粉土层81的 上方，在实验过程中，始终保持黄河水的供给处于供大于求的状态，这样通 过第一供水瓶1流入到第一渗流柱4内的多余的黄河水会通过溢流口44经管 道流入到溢流瓶3内，从而保证供水的水头恒定。

为了揭示回灌岩溶水系统水环境演化的过程，所述的一种人工回灌岩溶 水系统水环境演化模拟装置还设置有取水部，以便在供试液在流经模拟潜水 流动系统的第一渗流柱4和模拟承压水流动系统的第二渗流柱2的过程中， 进行采样，分析流经不同距离时供试液的理化特征，从而为分析探究回灌岩 溶水系统水环境演化的过程提供实验依据。所述的取水部包括第一取水口41、 第二取水口42、第三取水口43、第四取水口51、第五取水口52和第六取水 口6，且所述第一取水口41、第二取水口42、第三取水口43、第四取水口51、 第五取水口52和第六取水口6上均设置有阀门9。如图2所示，所述第一取 水口41与岩溶水入口之间的距离为h1，第一取水口41与第二取水口42之间 的距离为h2，第二取水口42与第三取水口43之间的距离为h3，所述h1的 取值为200mm，所述h2的取值为400mm，所述h3的取值为400mm。所述的第 四取水口51和第五取水口52从下到上依次设置于第二渗流柱5的侧壁上， 且所述的第四取水口51和第五取水口52同侧设置于出水口53的下方，所述 出水口与管口之间的距离为h5，出水口与第五取水口之间的距离为h6，第五 取水口与第四取水口之间的距离为h7，所述h5的取值为50mm-100mm，所述 h6的取值为400mm，所述h7的取值为400mm。所述的第六取水口6设置于连 接第一渗流柱4和第二渗流柱5的管道上。为了测试各取水口的水头，所述 的第一取水口41、第二取水口42、第三取水口43、第四取水口51、第五取 水口52和第六取水口6均通过三通并连有测压管10，进一步地，所述测压管 10采用医用软管制作而成。

为了进一步探究地表黄河水的回灌比例对岩溶水质量的影响，所述的第 一供水瓶1的出水管上设置有第一流量计11，所述的第二供水瓶2的出水管 上设置有第二流量计21，所述的连接溢流口的管道上设置有第三流量计31。 这样就可以通过控制供水部的流量，进而控制供试液中黄河水和岩溶水的比 例。

一种人工回灌岩溶水系统水环境演化的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、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(目的是增大水-岩接触的表面积)，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；

a2、将黄河水和岩溶水分别用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，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均达到饱和状态。

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，具体操作如下：

b1、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；

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 (A1-A3)/A2＝3/5。

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，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，具体操作如下：

c1、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，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；

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；

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Ⅱ，水样Ⅲ，水样Ⅳ，水样Ⅴ和水样Ⅵ，记录取样 时间；

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；

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；

c6、调整黄河水与岩溶水比例为1/2，然后重复c1-c4的操作；

c7、调整黄河水与岩溶水比例为2/5，然后重复c1-c4的操作；

c8、调整黄河水与岩溶水比例为3/10，然后重复c1-c4的操作。

第六步，对实验数据进行分析

d1、计算不同时间的石灰岩的渗透系数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)；

通过步骤c5可计算每个时间段第三取水口的渗流量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，通过量取岩样上表面 到第三取水口之间的距离可以得到供试液流经距离L，这样通过上述数据便可 计算渗透系数。

d2、根据步骤c1、c6、c7、c8得到的渗出水的电导率、温度和步骤d1 得到的不同时间的石灰岩的渗透系数，绘制渗透系数、电导率、水温历时关 系曲线。

d3、根据步骤c1、c6、c7、c8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c2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，绘制离子浓度历时变化曲线。

d4、根据步骤c1、c6、c7、c8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。

d5、根据步骤c3、c4、c6、c7、c8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模拟软件反演供试液在分别流经第一渗流柱和第二渗流柱的过 程中所发生的的水文地球化学作用。

d6、根据步骤c1、c6、c7、c8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。

d7、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。

第七步，根据第六步对数据的分析进一步探讨分析，

(1)、人工补给岩溶水系统对潜水岩溶水系统和承压岩溶水系统水质的 影响；

(2)、揭示人类活动干预下岩溶水系统的水文地球化学作用；

(3)、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；

(4)、为人工补源岩溶水系统污染风险分析提供依据。