济南泉水流量衰减过程及复流条件的物理模拟

济南泉水流量衰减过程及复流条件的物理模拟季叶飞1 ，邹靖 1 ，顾锦1 ，张维11.河海大学水文水资源学院，江苏南京 （210098）E-mail：jiyefei@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：济南泉水、物理模拟、流量衰减、泉水复流山东省济南市处于我国北方碳酸盐岩岩溶发育地区[1]，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、水质恶化、泉水流量衰减甚至断流等一系列环境问题[2]。

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[3]。

济南泉水从1972 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[4]，由于过量开采地下水，漏斗区面积已扩大到289 km2。

泉流量大小与附近地下水位高低成正比，也与附近含水层渗透性能有关[5]。

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°32'，面积8154 km2。

济南市东临环渤海经济圈，西临山西能源基地，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675.31mm[6]。

泉域总面积818.5 km2，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2.6km2的范围内（图1）[7]。

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.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（Basic Hydrology System），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，第二个功能分为8个子功能，在此不一一列举。

本文主要运用该系统的第二个功能，对泉流量的动态变化及其与影响因素之间关系的模拟。

图4 BHS 结构示意图 2.2 裂隙介质的选定及其排列方式 由于裂隙岩溶水介质的复杂性，要建立实验室模型较为困难，尤其是设计出近似于实际含水层的实验室模型更加困难[8]。

为了使物理模型与实际的地质条件相似，选择石灰岩作为含水介质的模拟材料，其为规则的长方体，长30cm、宽15cm、厚2cm。

实验槽的规格为长2m、宽1m，高0.2m。

介质的局部排列方式如图5所示。

在实验仪器中共铺设六层石灰岩块，用石料间的缝隙来模拟实际的裂隙。

经实验测得裂隙模拟区的裂隙率为0.25。

图5 模拟的裂隙介质局部排列方式2.3 方案确定根据上述分析，为了更好地了解泉流量的动态变化，拟定了以下的三个模拟方案（表1）：表1 泉流量衰减过程模拟方案方案 具体的实施方法1-1 将降雨量从0.14L/s降到0.10L/s，无地下水开采1-2 将降雨量从0.14L/s降到0，无地下水开采1-3 将地下水开采量从0增大至0.035L/s，降水量维持0.10L/s不变注：方案1-1中的降雨量从0.14L/s降到0.10L/s之前降雨量一直维持在0.14L/s，且泉的出流处于一个相对稳定的状态，方案1-2，1-3中均是如此。

2.4 模拟结果方案1-1：将实验结果点绘成图（图6），由图6可明显看出：在无地下水开采的情况下，泉流量的大小受降雨量控制，且呈正相关关系。

泉流量在215s内从0.13L/s衰减为0.09L/s，之后便一直维持在0.09L/s，即泉流量1s内衰减0.00019L/s。

图6泉流量与降雨量的关系曲线方案1-2：将实验结果点绘成图（图7），由图7可明显看出：在无地下水开采的情况下，泉流量受降雨量控制，且呈正相关关系。

泉流量在250s之内，由0.13L/s降为0即断流，泉水流量1s内衰减0.00052L/s。

降雨停止后，泉水流量迅速衰减，衰减速率约为方案1-1的3倍。

图7泉流量与降雨量的关系曲线方案1-3:实验结果如图8所示，由图8可看出：在降雨量恒定的情况下，地下水开采后，泉流量明显减小，泉流量受地下水开采控制，且呈现负相关关系。

图8泉流量与地下水开采量、降雨量的关系曲线泉流量衰减过程的模拟有利于保泉工作的开展，泉水复流模拟则能更好的指导泉水复流工作的开展。

3.泉水复流方案的模拟分析3.1方案确定根据上述的泉流量衰减的物理模拟分析，本文拟定了以下的方案来实现泉水的复流。

具体的方案见表2。

表2 泉水复流条件的模拟方案方案 具体的实施方法2-1 将地下水开采量从0.09/s降到0.03L/s，同时保持降水量为0.06L/s不变 2-2 将降雨量从0.06L/s增大到0.08L/s，维持地下水开采量为0.06L/s不变注：方案2-1中，在降雨量增大到0.08L/s之前，降雨量一直维持0.06L/s，地下水开采量也维持0.06L/s 不变，同时，泉流量处于一个相对稳定的状态。

方案2也是如此3.2模拟结果及其分析方案2-1：将实验数据点绘成图（图9），由图9可明显看出：当泉断流后，如果及时地减小地下水开采量，泉水就有复流可能。

图9泉流量与地下水开采量、降雨量的关系曲线方案2-2：将实验数据点绘成图（图10），由图10可很明显看出：当泉断流后，如果及时地增大一定数量的降水量，如丰水年、或人工补给，那么泉水就会有复流的可能。

图10泉流量与降雨量、地下水开采量的关系曲线4.物理模拟的结论根据上述的模拟结果可得出以下的结论：泉流量受降水量与地下水开采量的控制，且在不同的情况下，这两个因素中哪个占主导位置是不同的。

即在降雨丰富、地下水开采水平较低的情况下，降雨量是主导控制因素；枯季、地下水开采量很大的情况下，地下水开采量为主要控制因素。

因此，可通过人工补给或限制地下水开采这两种积极的措施使泉水尽快复流。

将上述实验方案及结果运用到实际可以得到以下结果：在降雨量充沛的季节（雨季），泉基本能够一直保持喷涌状态；在降雨量缺乏的季节（枯季），要使泉保持喷涌状态应开展地下水人工补给或减小地下水开采量，使地下水位抬升，从而使泉水复流。

济南市区土地硬化面积的增加以及南部山区的工程建设，对水土流失影响很大，减少了泉城的地下水入渗补给[9]。

在补给区内实施人工回灌是恢复泉涌的重要措施之一[10]。

5.致谢感谢河海大学水文水资源学院束龙仓教授在整个实验过程和论文完成过程中的悉心指导，感谢硕士研究生王茂枚在整个实验过程中提供的帮助。

参考文献[1] 汪家权，吴义锋，钱家忠，李福林．济南泉域岩溶地下水三维等参有限元数值模拟[J]，煤田地质与勘探，2005（3）：39-41。

[2] 李砚阁，杨昌兵，耿雷华等．北方岩溶大泉流量动态模拟及其管理[J]，水科学进展，1998（3）：275-281。

[3] 张效平，宋儒．洪山泉流量动态及影响因素分析[J]，中国煤田地质，2002（3）：31-32。

[4] 章亦兵．济南市人工回灌补源保护泉水的研究[D]，南京：河海大学，2005。

[5] 卢文喜．地下水系统的模拟预测和优化管理[M]，北京：科学出版社，1999。

[6] 武继虎．济南市泉水动态分析及数值模拟[D]，南京：河海大学，2005。

[7] 王东海，李春，李大秋．城市水生态管理问题分析——济南市保泉供水研究＊[J]，中国岩溶，2003（2）：88-91。

[8] 刘传杰．泉域地下水数值模拟及泉源保护对策研究[D]，南京：河海大学，2005。

[9] 李福林等．石灰岩山区工程建设对水土流失的影响[J]，水土保持通报，2000（5）：16-18。

[10] 李福林等．济南市泉群喷涌的控制性参数计算及供水保泉宏观调控措施研究[J]，中国岩溶，2002（3）：188-194。

Physical Simulation of Spring Flow Attenuation and itsRecovery Conditions in Jinan CityJI Yefei1, ZOU Jing1, GU Jing1, ZHANG Wei11.College of Hydrology & Water Resources, Hohai University, Nanjing, China(210098)AbstractIn order to find out the physical mechanism of the spring 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 conditions of recovery of spring flow. Some reasonable suggestions for protecting the spring were proposed in the paper.Key Words: spring flow, physical simulation, attenuation of spring flow, recovery of spring flow作者简介：季叶飞（1986- ），男，江苏常熟人，河海大学水文水资源学院，04届本科生。