[发明专利]一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟装置及模拟方法

权利要求书

1.一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟装置，其特征在于：

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机构；

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。

2.根据权利要求1所述的一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟装置，其特征在于：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。

3.根据权利要求2所述的一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟装置，其特征在于：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。

4.根据权利要求2所述的一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟装置，其特征在于：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。

5.根据权利要求2所述的一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟装置，其特征在于：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。

6.根据权利要求1所述的一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟装置，其特征在于：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。

7.根据权利要求1所述的一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟装置，其特征在于：所述渗流柱的倾斜角度为20°。

8.根据权利要求1所述的一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟装置，其特征在于：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。

9.根据权利要求1所述的一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟装置，其特征在于：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。

10.一种利用权利要求1-9任意一项权利要求所述一种北方岩溶大泉保护与水质演化模拟方法，其特征在于：

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，然后测定对应情况下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和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。