济南泉水流量衰减过程及复流条件的物理模拟

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1、http://www.paper.edu.cn济南泉水流量衰减过程及复流条件的物理模拟1111季叶飞，邹靖，顾锦，张维1.河海大学水文水资源学院，江苏南京（210098）E-mail：jiyefei@msn.com摘要：为了研究济南泉流量衰减的物理机理，本文运用物理模型对泉水的成因及其衰减过程进行模拟。由于不同时期泉流量动态的影响因素不同，设计了三个方案对不同时期的泉流量动态变化过程进行模拟，模拟结果与实际情况相符。同时在泉流量动态模拟的基础上，设计了两个使泉水复流的方案，并根据模型的模拟结果，提出了保持泉水常年喷涌的建议。关键词：

2、济南泉水、物理模拟、流量衰减、泉水复流[1]山东省济南市处于我国北方碳酸盐岩岩溶发育地区，水文地质条件复杂，生态环境脆弱，在人类活动的影响下，尤其是大量地开采地下水资源，导致区域性地下水位持续下降、[2]水质恶化、泉水流量衰减甚至断流等一系列环境问题。济南市是一个资源型缺水城市，水资源开发利用程度很不均匀，地表水开发程度很低，地下水开发程度较高，特别是市区及其周边地区，部分地区已出现超采。地下水超采不仅会改变地下水本身的水动力场，形成区域[3]性的地下水位降落漏斗，而且会袭夺地表径流，改变地下水与地表水的补排关系。济南泉[4]水从1

3、972年春季开始出现断流，以后几乎年年有停喷现象，而且停喷时间逐年延长，由2于过量开采地下水，漏斗区面积已扩大到289km。泉流量大小与附近地下水位高低成正比，[5]也与附近含水层渗透性能有关。研究济南泉水的衰减原因对济南市的保泉供水及其它地区类似问题的研究有着极其重要的参考价值，本文通过物理模拟实验对济南泉域泉水流量衰减的影响因素进行分析，并提出了相应的解决方案。1.研究区简介济南市位于鲁中山地西北，地理坐标为东经116°11'-117°44'，北纬36°01'-37°232'，面积8154km。济南市东临环渤海经济圈，西临山西能

4、源基地，北靠京津唐城市带，南接沪宁杭经济区，是我国东部沿海经济开发区重要的中心城市之一，也是华北与华东、沿海与内地的陆路交通枢纽，地理位置十分优越。济南泉域为一相对闭合流域，地处中纬度内陆地带，属温带大陆性气候，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季晴爽，冬季寒冷干燥。多年平均气温14.20℃，多年平均降水量为[6]2675.31mm。泉域总面积818.5km，其地域范围为：东到埠村向斜构造(章丘地界)，南到莱芜盆地、锦绣川以北的区域分水岭，西到济南火成岩体(隔水)西南部及与之相连的刘长山——万灵山岩溶弱发育带，北到济南阻水的火成岩体。济

5、南市区的泉水依其地理分布大体可基金资助：河海大学大学生创新基金项目-1-http://www.paper.edu.cn分为四大泉群：趵突泉泉群、五龙潭泉群、黑虎泉泉群和珍珠泉泉群。它们集中分布在东起2[7]青龙桥，西至匡市街，南起正觉寺街，北至大明湖这一面积约2.6km的范围内（图1）。图1济南岩溶泉水分布图济南市南部为泰山山地，北部为黄河冲积平原，地势南高北低，地质构造总体上是一个以古生代地层为主体的北倾单斜构造，大气降水在南部山区以直接和间接的方式补给地下水。南部山区的大气降水沿裂隙入渗，地下水沿地层倾向流到市区北部受到岩浆岩体

6、的阻挡，沿相对封闭的顶板裂隙上升喷出地表而形成泉水。图2济南泉水成因示意图注：引自山东省地矿局第一水文地质队资料由济南泉域1959-1987年的降水量、趵突泉流量和地下水开采量的变化过程线（图3）可知：1968年是一个明显的转折点，1968年以前地下水开采量较小，小于泉流量，泉流量只与降水量存在较高的相关关系；1968年以后，地下水开采量迅速增大，大于泉流量，泉水流量急剧下降且与地下水开采量、降水量变化密切相关。-2-http://www.paper.edu.cn1400降水量泉水流量地下水开采量60120050100040800降

7、水量（毫米/年）306002040010地下水开采量（万立方米/日）2000019591963196719711975197919831987年份图31959～1987年济南市降水量、趵突泉泉流量、地下水开采量变化过程线2.物理模拟2.1模型简介本实验器材由英国Armfield公司生产的BHS系统（BasicHydrologySystem），其结构示意图见图4。该系统主要由以下几个部件构成：降雨装置、测压管、含水介质模拟区、出水口和开采井等。降雨系统主要为实验提供不同的降雨条件；测压管用于测量地下水头；含水介质模拟区用于填放实验的含

8、水介质（如岩块、粗砂、中砂等）以模拟岩石中的空隙；出水口用于模拟泉水出流；开采井则用于控制地下水的开采量。该实验器材的主要功能包括：（1）模拟降雨与径流之间的关系；（2）模拟地下水流及其影响因素之间的关系等。第一个功能分为六个子功能，