濟南泉水流量衰減過程及復(fù)流條件的物理模擬

1、 濟南泉水流量衰減過程及復(fù)流條件的物理模擬季葉飛1 ,鄒靖 1 ,顧錦1 ,張維11.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 (210098E-mail:jiyefei摘 要:為了研究濟南泉流量衰減的物理機理,本文運用物理模型對泉水的成因及其衰減過程進行模擬。由于不同時期泉流量動態(tài)的影響因素不同,設(shè)計了三個方案對不同時期的泉流量動態(tài)變化過程進行模擬,模擬結(jié)果與實際情況相符。同時在泉流量動態(tài)模擬的基礎(chǔ)上,設(shè)計了兩個使泉水復(fù)流的方案,并根據(jù)模型的模擬結(jié)果,提出了保持泉水常年噴涌的建議。關(guān)鍵詞:濟南泉水、物理模擬、流量衰減、泉水復(fù)流山東省濟南市處于我國北方碳酸鹽巖巖溶發(fā)育地區(qū)1,水文地質(zhì)條件復(fù)雜,生態(tài)環(huán)境

2、脆弱,在人類活動的影響下,尤其是大量地開采地下水資源,導(dǎo)致區(qū)域性地下水位持續(xù)下降、水質(zhì)惡化、泉水流量衰減甚至斷流等一系列環(huán)境問題2。濟南市是一個資源型缺水城市,水資源開發(fā)利用程度很不均勻,地表水開發(fā)程度很低,地下水開發(fā)程度較高,特別是市區(qū)及其周邊地區(qū),部分地區(qū)已出現(xiàn)超采。地下水超采不僅會改變地下水本身的水動力場,形成區(qū)域性的地下水位降落漏斗,而且會襲奪地表徑流,改變地下水與地表水的補排關(guān)系3。濟南泉水從1972 年春季開始出現(xiàn)斷流,以后幾乎年年有停噴現(xiàn)象,而且停噴時間逐年延長4,由于過量開采地下水,漏斗區(qū)面積已擴大到289 km2。泉流量大小與附近地下水位高低成正比,也與附近含水層滲透性能有關(guān)

3、5。研究濟南泉水的衰減原因?qū)鲜械谋Ｈ┧捌渌貐^(qū)類似問題的研究有著極其重要的參考價值,本文通過物理模擬實驗對濟南泉域泉水流量衰減的影響因素進行分析,并提出了相應(yīng)的解決方案。1.研究區(qū)簡介濟南市位于魯中山地西北,地理坐標(biāo)為東經(jīng)11611-11744,北緯3601-3732,面積8154 km2。濟南市東臨環(huán)渤海經(jīng)濟圈,西臨山西能源基地,北靠京津唐城市帶,南接滬寧杭經(jīng)濟區(qū),是我國東部沿海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)重要的中心城市之一,也是華北與華東、沿海與內(nèi)地的陸路交通樞紐,地理位置十分優(yōu)越。濟南泉域為一相對閉合流域,地處中緯度內(nèi)陸地帶,屬溫帶大陸性氣候,春季干燥多風(fēng),夏季炎熱多雨,秋季晴爽,冬季寒冷干燥。多

4、年平均氣溫14.20,多年平均降水量為675.31mm6。泉域總面積818.5 km2,其地域范圍為:東到埠村向斜構(gòu)造(章丘地界,南到萊蕪盆地、錦繡川以北的區(qū)域分水嶺,西到濟南火成巖體(隔水西南部及與之相連的劉長山萬靈山巖溶弱發(fā)育帶,北到濟南阻水的火成巖體。濟南市區(qū)的泉水依其地理分布大體可基金資助:河海大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基金項目 分為四大泉群:趵突泉泉群、五龍?zhí)度?、黑虎泉泉群和珍珠泉泉群。它們集中分布在東起青龍橋,西至匡市街,南起正覺寺街,北至大明湖這一面積約2.6km2的范圍內(nèi)(圖17。 圖1 濟南巖溶泉水分布圖濟南市南部為泰山山地,北部為黃河沖積平原,地勢南高北低,地質(zhì)構(gòu)造總體上是一個以古生

5、代地層為主體的北傾單斜構(gòu)造,大氣降水在南部山區(qū)以直接和間接的方式補給地下水。南部山區(qū)的大氣降水沿裂隙入滲,地下水沿地層傾向流到市區(qū)北部受到巖漿巖體的阻擋,沿相對封閉的頂板裂隙上升噴出地表而形成泉水。 圖2 濟南泉水成因示意圖注:引自山東省地礦局第一水文地質(zhì)隊資料由濟南泉域1959-1987年的降水量、趵突泉流量和地下水開采量的變化過程線(圖3可知:1968年是一個明顯的轉(zhuǎn)折點,1968年以前地下水開采量較小,小于泉流量,泉流量只與降水量存在較高的相關(guān)關(guān)系;1968年以后,地下水開采量迅速增大,大于泉流量,泉水流量急劇下降且與地下水開采量、降水量變化密切相關(guān)。 2.物理模擬 2.1 模型簡介 本

6、實驗器材由英國Armfield 公司生產(chǎn)的BHS 系統(tǒng)(Basic Hydrology System,其結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。該系統(tǒng)主要由以下幾個部件構(gòu)成:降雨裝置、測壓管、含水介質(zhì)模擬區(qū)、出水口和開采井等。降雨系統(tǒng)主要為實驗提供不同的降雨條件;測壓管用于測量地下水頭;含水介質(zhì)模擬區(qū)用于填放實驗的含水介質(zhì)(如巖塊、粗砂、中砂等以模擬巖石中的空隙;出水口用于模擬泉水出流;開采井則用于控制地下水的開采量。該實驗器材的主要功能包括:(1模擬降雨與徑流之間的關(guān)系;(2模擬地下水流及其影響因素之間的關(guān)系等。第一個功能分為六個子功能,第二個功能分為8個子功能,在此不 一一列舉。本文主要運用該系統(tǒng)的第二個功能,

7、對泉流量的動態(tài)變化及其與影響因素之間關(guān)系的模擬。 圖4 BHS 結(jié)構(gòu)示意圖 2.2 裂隙介質(zhì)的選定及其排列方式 由于裂隙巖溶水介質(zhì)的復(fù)雜性,要建立實驗室模型較為困難,尤其是設(shè)計出近似于實際含水層的實驗室模型更加困難8。為了使物理模型與實際的地質(zhì)條件相似,選擇石灰?guī)r作為含水介質(zhì)的模擬材料,其為規(guī)則的長方體,長30cm、寬15cm、厚2cm。 實驗槽的規(guī)格為長2m、寬1m,高0.2m。介質(zhì)的局部排列方式如圖5所示。在實驗儀器中共鋪設(shè)六層石灰?guī)r塊,用石料間的縫隙來模擬實際的裂隙。經(jīng)實驗測得裂隙模擬區(qū)的裂隙率為0.25。 圖5 模擬的裂隙介質(zhì)局部排列方式2.3 方案確定根據(jù)上述分析,為了更好地了解泉流

8、量的動態(tài)變化,擬定了以下的三個模擬方案(表1:表1 泉流量衰減過程模擬方案方案 具體的實施方法1-1 將降雨量從0.14L/s降到0.10L/s,無地下水開采1-2 將降雨量從0.14L/s降到0,無地下水開采1-3 將地下水開采量從0增大至0.035L/s,降水量維持0.10L/s不變注:方案1-1中的降雨量從0.14L/s降到0.10L/s之前降雨量一直維持在0.14L/s,且泉的出流處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài),方案1-2,1-3中均是如此。2.4 模擬結(jié)果方案1-1:將實驗結(jié)果點繪成圖(圖6,由圖6可明顯看出:在無地下水開采的情況下,泉流量的大小受降雨量控制,且呈正相關(guān)關(guān)系。泉流量在215s

9、內(nèi)從0.13L/s衰減為0.09L/s,之后便一直維持在0.09L/s,即泉流量1s內(nèi)衰減0.00019L/s。 圖6泉流量與降雨量的關(guān)系曲線方案1-2:將實驗結(jié)果點繪成圖(圖7,由圖7可明顯看出:在無地下水開采的情況下,泉流量受降雨量控制,且呈正相關(guān)關(guān)系。泉流量在250s之內(nèi),由0.13L/s降為0即斷流,泉水流量1s內(nèi)衰減0.00052L/s。降雨停止后,泉水流量迅速衰減,衰減速率約為方案1-1的3倍。 圖7泉流量與降雨量的關(guān)系曲線方案1-3:實驗結(jié)果如圖8所示,由圖8可看出:在降雨量恒定的情況下,地下水開采后,泉流量明顯減小,泉流量受地下水開采控制,且呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。 圖 8 泉流量與地

10、下水開采量、降雨量的關(guān)系曲線 泉流量衰減過程的模擬有利于保泉工作的開展， 泉水復(fù)流模擬則能更好的指導(dǎo)泉水復(fù)流 工作的開展。 3.泉水復(fù)流方案的模擬分析 3.1 方案確定 根據(jù)上述的泉流量衰減的物理模擬分析， 本文擬定了以下的方案來實現(xiàn)泉水的復(fù)流。 具 體的方案見表 2。 表2 方案 2-1 2-2 泉水復(fù)流條件的模擬方案 具體的實施方法 將地下水開采量從 0.09/s 降到 0.03L/s，同時保持降水量為 0.06L/s 不變 將降雨量從 0.06L/s 增大到 0.08L/s，維持地下水開采量為 0.06L/s 不變 注：方案 2-1 中，在降雨量增大到 0.08L/s 之前，降雨量一直維

11、持 0.06L/s，地下水開采量也維持 0.06L/s 不變，同時，泉流量處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。方案 2 也是如此 3.2 模擬結(jié)果及其分析 方案 2-1：將實驗數(shù)據(jù)點繪成圖（圖 9） ，由圖 9 可明顯看出：當(dāng)泉斷流后，如果及時地 減小地下水開采量，泉水就有復(fù)流可能。 -6- 圖 9 泉流量與地下水開采量、降雨量的關(guān)系曲線 方案 2-2：將實驗數(shù)據(jù)點繪成圖（圖 10） ，由圖 10 可很明顯看出：當(dāng)泉斷流后，如果 及時地增大一定數(shù)量的降水量，如豐水年、或人工補給，那么泉水就會有復(fù)流的可能。 圖 10 泉流量與降雨量、地下水開采量的關(guān)系曲線 4.物理模擬的結(jié)論 根據(jù)上述的模擬結(jié)果可得出以下的

12、結(jié)論： 泉流量受降水量與地下水開采量的控制， 且在 不同的情況下，這兩個因素中哪個占主導(dǎo)位置是不同的。即在降雨豐富、地下水開采水平較 低的情況下，降雨量是主導(dǎo)控制因素；枯季、地下水開采量很大的情況下，地下水開采量為 主要控制因素。 因此， 可通過人工補給或限制地下水開采這兩種積極的措施使泉水盡快復(fù)流。 將上述實驗方案及結(jié)果運用到實際可以得到以下結(jié)果： 在降雨量充沛的季節(jié) （雨季） 泉基本能夠一直保持噴涌狀態(tài)； ， 在降雨量缺乏的季節(jié) （枯 季） ，要使泉保持噴涌狀態(tài)應(yīng)開展地下水人工補給或減小地下水開采量，使地下水位抬升， -7- 從而使泉水復(fù)流。 濟南市區(qū)土地硬化面積的增加以及南部山區(qū)的工程建

13、設(shè)， 對水土流失影響很大， 減少了 泉城的地下水入滲補給 。在補給區(qū)內(nèi)實施人工回灌是恢復(fù)泉涌的重要措施之一 9 10 。 5.致謝 感謝河海大學(xué)水文水資源學(xué)院束龍倉教授在整個實驗過程和論文完成過程中的悉心指 導(dǎo)，感謝碩士研究生王茂枚在整個實驗過程中提供的幫助。 參考文獻 1 汪家權(quán)，吳義鋒，錢家忠，李福林 濟南泉域巖溶地下水三維等參有限元數(shù)值模擬J， 煤田 地質(zhì)與勘探，2005（3） ：39-41。 2 275-281。 3 4 5 6 7 張效平，宋儒洪山泉流量動態(tài)及影響因素分析J，中國煤田地質(zhì)，2002（3） ：31-32。 章亦兵濟南市人工回灌補源保護泉水的研究D，南京：河海大學(xué)，200

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15、，中國巖溶，2002 （3） ：188-194。 Physical Simulation of Spring Flow Attenuation and its Recovery Conditions in Jinan City JI Yefei1, ZOU Jing1, GU Jing1, ZHANG Wei1 1.College of Hydrology & Water Resources, Hohai University, Nanjing, China(210098 Abstract In order to find out the physical mechanism of the s

16、pring flow attenuation, the Basic Hydrology System (BHS was used to simulate spring flow attenuation. The Baotu Spring in Jinan city was chosen as a case study, the spring flow influence factors are different in the different periods. So three simulation schemes were designed, the result of experiment is close to the hydrogeological conditions. At the same time, on the base of simulation of the spring flow attenuation, another two schemes were designed to simulate the condit