济南泉域边界条件、水循环特征及水环境问题
孙斌;彭玉明
【摘 要】济南泉域是市区泉水的汇流及蓄水范围，在其北部城区中心地带出露趵突泉、黑虎泉、五龙潭和珍珠泉四大泉。为更好地保护和利用济南泉域内岩溶地下水，文章对济南泉域的边界条件、岩溶主径流通道、地下水循环特征及水质变化几个敏感问题进行探讨。利用泉流量相关分析、流场特征分析、回灌补源分析及自备井调查等手段，重新界定了济南泉域的东边界，将其北部透水段向东扩展至原边界以东约4 km。通过对钻孔岩溶分层统计及缓冲区分析，在山前地带沿党家庄-十六里河-千佛山断裂泉城公园方向地下埋深100~150 m 发现一条补给四大泉的岩溶地下水集中径流带。研究发现，五龙潭和珍珠泉以深循环为主，补给主要来自岩溶地下水，而趵突泉和黑虎泉同时受深循环和浅循环影响较大，趵突泉主要补给来自西部和南部岩溶地下水和地表水，除此以外黑虎泉在东南方向上还有一定量的岩溶地下水补给。目前岩溶水水质变差，南部岩溶裸露区，尤其水库河道周边地带，生态环境亟待治理。%The Jinan spring region is the area in Jinan City with spring flow and subterranean water storage. Four spring groups,namely,Baotu,Heihu,Wulongtan and Zhen
zhu,are identified in the center of the northern city area.Protection of karst groundwater in the Jinan spring region is critical for sustainable utili-zation.In this paper,several sensitive aspects of the karst area,including boundary conditions,underground channels in karst,water cycle characteristics and changes in water quality are discussed using spring flow analysis,analysis of the flow field characteristics,artificial groundwater recharge estimation and investiga-tion of self-drilled wells.The boundary conditions in the Jinan spring region were re-defined.The eastern boundary was extended 4 km eastward in the northern permeable section of the original boundary.Using karst stratified statistics and buffer analysis of drilling it was concluded that there is a 100 to 150 m deep groundwater flow zone in the direction of Dangjiazhuang,Shiliuli river and Qianfoshan fault (Quancheng park section).Additionally,the water cycle of Wulongtan and Zhenzhu springs is dominated by deep circula-tion,while Baotu spring and Heihu spring are affected by both shallow and deep circulation.Baotu spring is mainly recharged by karst groundwater and surface water in west and south Jinan,while Heihu spring re-ceives a certain amount of karst water from the southeast region.It is notable that the karst water quality is deteriorating.Therefore,the e
cological environment of the karst area in the southern Jinan spring region, and particularly the surrounding rivers and reservoirs ,needs to be addressed urgently.
【期刊名称】《中国岩溶》
【年(卷),期】2014(000)003
【总页数】8页(P272-279)
【关键词】岩溶通道;水循环特征;水质;济南泉域边界
【作 者】孙斌;彭玉明
【作者单位】山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014;山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014
【正文语种】中 文
【中图分类】P641
0 引 言
济南泉域行政区划隶属济南市，覆盖市中区、历下区、历城区、槐荫区及长清区大部，泉域内主要泉点集中分布于市区中心地带，形成趵突泉、黑虎泉、五龙潭和珍珠泉四大泉。泉水是济南城市的标志，对于济南社会经济发展起重要作用。自20世纪70年代初泉水断流之后，围绕“四大泉”的保泉研究工作逐步展开，从最初的基础水文地质勘察到现今的综合性研究，取得了大量研究成果，使得对于泉水形成、演变、喷涌条件及泉水保护有了更加系统的认识。但是，目前的研究成果中仍存在一些问题，如在泉域东西边界的认识上分歧较大，绝大多数以马山断裂和东坞断裂作为济南泉域的东、西边界[1-6]，部分以刘长山-万灵寺地下水分水岭作为西部边界，也有以泉域外围以东的文祖断裂或埠村向斜作为东部边界[7-10]，边界条件不明不利于泉水保护和开发利用；再如已有的研究过多地关注在泉水景观上，过多地关注于泉水流量而忽视了泉水质量的保护。本文以地下水系统理论为基础，对济南泉域的边界条件及水循环特征进行了深入研究，期望能够促进泉域保护，以保障优质泉水的持续喷涌。
1 地理地质概况
济南泉域地处鲁中山地北缘，南依泰山，北临黄河，地形南高北低。南部为绵延起伏的山区，绝对标高为500～600 m；北部为山前倾斜平原，绝对标高一般在25～50 m；北部有燕山期侵入的辉长岩体分布。泉域内主要有黄河、玉符河、北沙河几条大型地表水系。
济南泉域受向北缓倾的单斜构造格局控制，南部山区古生界碳酸盐岩地层大面积裸露，接受大气降水入渗补给，雨水渗入地下后循岩层倾向向北运移，在北部受燕山期辉长岩体阻挡而蓄积，并在低洼处及地质构造有利部位喷出地表，形成著名的四大泉(图1)。
图1 济南泉域地质简图Fig.1 Schematic map of the Jinan spring basin
上世纪，在济南泉域大量、持续地开采岩溶水直接导致四大泉水位暴跌，直至停喷。后经社会各界共同努力，科学布局开采水井，确定合理开采量，自2003年以来，泉水一直保持着良好喷涌状态。
近30年来，地下水开采历经了过度开采、全面禁采、采外补内、节水封井、回灌补源等阶段，现阶段泉水排泄区附近全部封井，岩溶地下水开采主要分布于东郊、西郊和济西三大水厂[11]，以及东郊自备井和西郊农灌区。
2 济南泉域边界特征
济南泉域地下水系统边界的界定与地下水开采井布局及开采量有着密切联系，虽然这几十年地下水开发利用状态一直在发生变化，但自2003年泉水复涌以来，济南泉域内地下水开采模式已经基本成型，明确济南泉域的边界范围，将对下阶段岩溶水开发利用及泉水保护工作具有重大意义。
2.1 西边界界定条件
2003年济西地下水大型抽水试验，证明济南市区与济西水力联系密切，大规模开采济西地下水会严重影响市区泉水喷涌[12]。另外，通过2008-2010年济南市区各水厂岩溶地下水开采量与泉流量数理统计分析发现(表1)，济西水厂和西郊水厂开采与四大泉流量呈明显的负相关关系，也表明济西和西郊地下水与市区地下水之间存在水力联系。
目前济南泉域内岩溶地下水井开采布局及地下水开采量控制得当，岩溶地下水总开采量相对较小，且2011年长孝单元通过4.5万m3/d岩溶地下水抽水试验也证明了对市区泉基本没有影响[13]。
表1 四大泉总流量与各水厂开采量相关系数Table 1 Correlation coefficient between the total flow of four springs and exploitation by water plants四大泉总流量西郊济西西郊济西四大泉总流量1西郊-0.0481济西-0.3520.2091西郊济西-0.3390.4110.9771
由此得出，将马山断裂作为该系统西边界比较合理。
2.2 东边界界定条件
上世纪80年代，山东省地矿局八〇一水文队在济南泉域进行保泉勘探研究[14]，在东坞断裂两侧不同位置，通过多组大型停水、抽水试验、水位对比与地层结构对比分析，证明东坞断裂是相对阻水的，断裂两侧岩溶地下水含水岩系不具有统一水力联系。在北部宿家-张马以北局部地段，停水、抽水试验证明断裂西盘下奥陶灰岩与东盘中奥陶灰岩有一定的水力联系(图2)，属弱透水段，两侧分属两个不同地下水系统。
图2 小张马庄地质剖面图Fig.2 Geological cross-section for XiaozhangmazhuangQ-第四系松散层 O2b-奥陶系巴陡组 O2g-奥陶系阁庄组 O1m-奥陶系马家沟组燕山期侵入岩
早期的勘探资料显示断裂两侧水位差异明显，断裂东盘水位明显高于西盘(图3a)。60年代以
后，东郊一带形成大型工矿企业及自来水公司水源地，岩溶水开采量逐渐增加，目前东郊一带除水厂以外，还有济南钢铁厂、中诚信润港物流有限公司、济南钢城矿业有限公司、中石化济南分公司和济南炼油厂等众多自备水井，其中仅济南钢城矿业有限公司生产用水量近4万m3/d，如此大量长期持续开采岩溶地下水，必然使地下水流场发生改变，逐步扩展至东坞断裂弱透水段以东的自备井范围(图3b)，形成局部水力联系密切区。显然在现有地下水开采量激励水平下仍将整个东坞断裂作为东部边界[1-6]不太合理，根据以往东郊水厂大型停水、抽水试验结果[14]，水位明显变化(变幅达0.3 m)范围达4 km，以此为依据，将原东部边界北部弱透水段扩展至工矿企业自备井4 km。
baotu spring是什么意思
2.3 底边界界定条件
济南泉域的平面范围被关注较多，而对底边界的讨论较少。济南泉域南部古生界地层覆于太古界泰山变质岩地层之上(图4)，以泰山坚硬基岩作为泉域底边界比较合理；而向北受单斜构造控制，碳酸盐岩地层埋深逐渐增大，推测岩溶发育程度逐渐减弱，而且寒武系上统崮山组隔水层阻隔了寒武系上统-奥陶系中统含水亚组与寒武系中统张夏组含水亚组之间的水力联系。此外，目前山前岩溶地下水井开采层位以寒武系上统-奥陶系中统含水层(井深一般小
于350 m)为主，在现有开采量外部激励水平条件下也不会形成张夏含水亚组对上部含水亚组的越流补给。但是，受到断裂构造影响，在山前一定范围张夏岩溶水也可通过断裂带补给上部含水层，然而目前对山前张夏含水岩组研究较少，建议沿地下水径流方向分层采集同位素样品进行岩溶水循环深度及水力联系研究，进一步明确泉域岩溶水系统底边界。

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