濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)劃分及典型泉域水力聯(lián)系

孫斌，彭玉明，李常鎖，林廣奇

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014)

?

濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)劃分及典型泉域水力聯(lián)系

孫斌，彭玉明，李常鎖，林廣奇

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014)

濟(jì)南地區(qū)巖溶地下水研究程度較高，但泉域邊界爭議較多，命名混亂。為統(tǒng)一思想認(rèn)識，以地下水系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，依據(jù)相關(guān)邊界劃分及定名原則，將濟(jì)南單斜巖溶水系統(tǒng)劃分了三級系統(tǒng)，明確了各級系統(tǒng)的邊界范圍。通過對主要構(gòu)造水文地質(zhì)特征分析，揭露了典型泉域之間的水力聯(lián)系及補排關(guān)系。對濟(jì)南巖溶地下水系統(tǒng)劃分及相互關(guān)系的綜合研究結(jié)果，可為濟(jì)南保泉供水提供地質(zhì)依據(jù)。

巖溶水；系統(tǒng)劃分；邊界特征；水力聯(lián)系；濟(jì)南市

0 引言

2012年10月31日，濟(jì)南被水利部確定為全國首個水生態(tài)文明試點城市，濟(jì)南市委市政府高度重視，按照黨的十八大關(guān)于生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略部署以及習(xí)近平總書記“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，統(tǒng)籌利用水資源，努力把濟(jì)南打造成人水和諧、人水相親的宜居城市。經(jīng)過幾年努力，水生態(tài)文明城市建設(shè)已經(jīng)取得了初步成效。2015年初，濟(jì)南市又成功躋身國家首批海綿城市建設(shè)試點城市。濟(jì)南“水生態(tài)文明城市”、“海綿城市”建設(shè)，都是以泉水為基礎(chǔ)，突出“山、泉、河、湖、城渾然一體”的泉城特色，解決保泉與供水的矛盾問題，讓保泉與供水并存。

自20世紀(jì)70年代以來，隨著濟(jì)南市經(jīng)濟(jì)和文化的快速發(fā)展與人口的急速增加，水資源的供需矛盾日益突出。大量不科學(xué)的集中開采地下水[1]，破壞了濟(jì)南市巖溶水系統(tǒng)的自然均衡狀態(tài)，再加上對水文地質(zhì)條件認(rèn)識不清，使?jié)先旱牡叵滤怀尸F(xiàn)持續(xù)下降態(tài)勢，恢復(fù)并保持泉涌成為社會各界共同關(guān)心的課題。保泉供水工程是一項龐大的系統(tǒng)工程，圍繞濟(jì)南泉域邊界問題[2-5]，前人做了大量工作，節(jié)流、封井、采外補內(nèi)、引黃、回灌等措施也取得一定成效[6-9]。近年來，泉水持續(xù)噴涌，但保泉問題尚未從根本上解決。關(guān)于泉域的名稱、邊界、范圍及相互水力聯(lián)系，社會各界仍然沒有一個統(tǒng)一認(rèn)識，尤其是針對濟(jì)南泉域，近30年來也一直存在較大爭議。泉域邊界不清、關(guān)系不明，泉水保護(hù)工作很難具有針對性，水生態(tài)文明城市建設(shè)也會受到影響。

1 濟(jì)南巖溶地下水系統(tǒng)劃分

1.1 系統(tǒng)劃分原則

巖溶水系統(tǒng)劃分所采用的方案大同小異，因工作目的以及空間尺度不同有所差異?；驈?qiáng)調(diào)區(qū)域系統(tǒng)的級別，以大系統(tǒng)、系統(tǒng)以及子系統(tǒng)區(qū)分；或注重于巖溶含水層系統(tǒng)，其邊界劃分主要關(guān)注巖溶含水層的分布埋藏[10-11]。在綜合考慮前人研究成果的基礎(chǔ)上，從巖溶水系統(tǒng)的概念出發(fā),對濟(jì)南地區(qū)巖溶地下水系統(tǒng)進(jìn)行劃分，強(qiáng)調(diào)具備相對明確的巖溶水邊界和補排關(guān)系、連續(xù)的巖溶含水層、統(tǒng)一的巖溶地下水流場以及相互關(guān)聯(lián)的巖溶水系統(tǒng)資源要素。

(1)地表分水嶺邊界：濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)內(nèi)地表河流是重要巖溶地下水補給源，當(dāng)這些地表流域范圍可控且超出由巖溶含水層所確定的邊界范圍時，將地表流域劃入巖溶水系統(tǒng)，將流域分水嶺確定為地表分水嶺邊界。

(2)地下分水嶺邊界：由于區(qū)域巖溶地下水開發(fā)利用，造成地下分水嶺與地表分水嶺不一致時，則以地下分水嶺作為邊界。

(3)隔水邊界：受構(gòu)造運動控制，區(qū)域內(nèi)發(fā)育多級次斷裂，對區(qū)域含水層系統(tǒng)連續(xù)性產(chǎn)生影響，致使斷裂帶兩側(cè)水力聯(lián)系程度減弱，將這些阻水構(gòu)造作為隔水邊界。

(4)滯流性邊界：依據(jù)以往勘探數(shù)據(jù)，巖溶含水層埋深達(dá)到一定深度時，巖溶地下水循環(huán)緩慢的地帶，確定為滯流性邊界。

(5)推測邊界：由于勘探、研究程度較低，一些不能確定具體位置或不能確定其水文地質(zhì)性質(zhì)的邊界，確定為推測邊界。

1.2 定名原則

自20世紀(jì)80年代開始，濟(jì)南趵突泉斷流嚴(yán)重，由此開展了濟(jì)南泉域巖溶地下水保護(hù)研究，至今已經(jīng)過去30多年。幾十年以來，濟(jì)南城市發(fā)展迅速，過去城區(qū)面積較小，以濟(jì)南泉域命名符合當(dāng)時的客觀情況，而今城區(qū)擴(kuò)展范圍較大，不再適宜用濟(jì)南泉域表征市區(qū)“四大泉群”匯水范圍。另外，對于不同級次巖溶地下水系統(tǒng)也存在定名混亂的現(xiàn)象。為此，結(jié)合濟(jì)南特殊歷史情況，以巖溶地下水系統(tǒng)理論為依據(jù)，以加強(qiáng)交流、便于理解、達(dá)成共識、服務(wù)社會為目標(biāo)，對該區(qū)巖溶地下水系統(tǒng)命名采取如下原則：

(1)以角標(biāo)表示系統(tǒng)級次：根據(jù)不同尺度的區(qū)域地下水動力條件、水文地質(zhì)條件及水力聯(lián)系差異，劃分為不同級次的地下水系統(tǒng)，分別以①②③作角標(biāo)，表示一級、二級、三級地下水系統(tǒng)。

(2)以泉水出露地行政區(qū)命名：對一級、二級系統(tǒng)命名，當(dāng)巖溶水系統(tǒng)水文地質(zhì)邊界超出行政區(qū)邊界時，以泉水集中出露區(qū)所在行政區(qū)位置為定名依據(jù)。

(3)以地質(zhì)構(gòu)造特征命名：對于能夠直觀表達(dá)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，便于揭示泉水成因的特殊構(gòu)造，可以參考作為定名依據(jù)。

(4)以典型名泉為代表命名：對三級級系統(tǒng)命名，當(dāng)存在以巖溶泉水為主要排泄的系統(tǒng)，按照代表性泉水名稱定名。

(5)以典型地名為代表命名：若三級系統(tǒng)內(nèi)，不存在以巖溶泉水為主要排泄的情況時，則按照典型地名定名，定名時可適當(dāng)參照歷史用法。

1.3 系統(tǒng)劃分

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)特征，以區(qū)域地下水系統(tǒng)理論為指導(dǎo)思想，按照如上邊界劃分及定名原則，將濟(jì)南巖溶地下水劃分為三級系統(tǒng)(圖1)。

(1)一級地下水系統(tǒng)。一級地下水系統(tǒng)南以地表分水嶺為界，東以禹王山深大斷裂為界，西南以地表、地下分水嶺和孝直斷裂為界，北以齊廣深大斷裂為界，為一相對獨立的區(qū)域大型單斜巖溶水系統(tǒng)，跨越濟(jì)南、聊城、德州和淄博四個行政區(qū)，泉水主要出露于濟(jì)南地區(qū)，定名為濟(jì)南單斜巖溶水系統(tǒng)①。

(2)二級地下水系統(tǒng)。對二級地下水系統(tǒng)劃分有兩種方式，分別以平面和垂直方向上水力聯(lián)系差異進(jìn)行劃分：劃分方式一：以文祖斷裂-埠村向斜大型阻水構(gòu)造為界，將濟(jì)南單斜巖溶水系統(tǒng)①劃分為2個二級地下水系統(tǒng)。西側(cè)定名為濟(jì)南-平陰巖溶水系統(tǒng)②，東側(cè)定名為章丘-淄川巖溶水系統(tǒng)②。受構(gòu)造北段阻水影響，兩系統(tǒng)間水力聯(lián)系極其微弱。劃分方式二：以垂向上地下水循環(huán)深度為依據(jù)，地下水由南向北流，在南部以冷泉形式排泄，北部形成地?zé)嵋詿崴问脚判?。因此以巖溶地下水滯留性邊界和地層隔水邊界，將濟(jì)南單斜巖溶水系統(tǒng)①也劃分為2個二級地下水系統(tǒng)。南部定名為濟(jì)南單斜巖溶水冷泉系統(tǒng)②，北部定名為濟(jì)南單斜巖溶水熱水系統(tǒng)②。

(3)三級地下水系統(tǒng)。依據(jù)一系列NNW向的斷裂構(gòu)造，將濟(jì)南單斜巖溶地下水冷泉系統(tǒng)②自西而東劃分為5個三級地下水系統(tǒng)：平陰-東阿巖溶水系統(tǒng)③、長孝巖溶水系統(tǒng)③、趵突泉泉域(原稱濟(jì)南泉域)巖溶水系統(tǒng)③、白泉泉域巖溶水系統(tǒng)③和百脈泉泉域巖溶水系統(tǒng)③。

2 典型泉域之間水力聯(lián)系

泉水是濟(jì)南城市的靈魂，因此與泉水相關(guān)的城市規(guī)劃與保護(hù)工作格外被重視。泉水則主要集中分布于濟(jì)南單斜巖溶水系統(tǒng)南部的冷泉系統(tǒng)，而冷泉各子系統(tǒng)間由于構(gòu)造性質(zhì)不同，水力聯(lián)系也有所差異。

2.1 邊界水文地質(zhì)特征

(1)黃山巖脈-牛角店斷裂。黃山巖脈：主支南起平陰鎮(zhèn)鄭家峪北，向北伸至黃河南岸。黃山巖脈總體走向NW，局部走向擺動于NW 30°～NE 18°之間，直立，寬度一般7m，最寬處11m，主支長度10km。巖脈寬度沿走向比較穩(wěn)定，巖性為中性煌斑巖，透水性差，是一條典型的隔水邊界。

圖1 濟(jì)南單斜巖溶水系統(tǒng)分級示意圖

牛角店斷裂：為一NW向推測斷裂，東南端起自平陰縣安城鄉(xiāng)大官莊，向西北穿越黃河，過牛角店，延伸至高集。斷裂傾向W，上下兩盤地層巖性為馬家溝群灰?guī)r，斷距僅20m左右。依據(jù)以往水文試驗資料，斷裂兩側(cè)水力聯(lián)系密切，即牛角店斷裂具透水性質(zhì)。

(2)馬山斷裂。馬山斷裂是一條規(guī)模較大的NW向的隱伏斷裂，橫切沉積蓋層，并使基底巖系產(chǎn)生較大位移。南起基底變質(zhì)巖系分布區(qū)，向北延伸并穿過黃河，全長約32km?？傮w走向為345°～350°，傾向SWW，斷距約250～350m，東盤地層相對向北推移，西盤地層相對南移，在同一地點斷裂西盤地層新，東盤地層老。依據(jù)以往水文試驗及監(jiān)測資料，馬山斷裂崗辛-孫莊段具阻水性，孫莊-老屯段具弱透水性，老屯-前隆段具透水性，馬山斷裂整體為一相對阻水的構(gòu)造，僅在北部局部透水性較強(qiáng)，為一條相對隔水邊界。

(3)東塢斷裂。東塢斷裂南起前震旦系分布區(qū)的下閣老，經(jīng)石嶺、港溝、劉志遠(yuǎn)、徐家莊、大水坡，繼續(xù)向北延伸過黃河。長約39km，總體走向為NNW向，傾向SWW。根據(jù)以往鉆探、試驗及動態(tài)監(jiān)測資料顯示，斷裂東盤地層整體北移，西盤地層相對南移，東塢斷裂石嶺-徐家莊段具阻水性，徐家莊-大水坡段具弱透水性，與整條斷裂的長度和主要作用相比，北段局部弱透水性不影響整條斷裂的水理性質(zhì)，認(rèn)為東塢斷裂為一條相對隔水邊界。

(4)埠村向斜-文祖斷裂。文祖斷裂南起萊蕪市上游鎮(zhèn)，向NW文祖方向延伸，在西瑯溝以北隱伏于第四系之下，切割了全部古生代地層。斷裂出露部分長度22km?？傮w走向NNW，部分地段走向近SN，局部偏NE。斷裂面總體西傾，傾角70°～80°，斷距中間大，可達(dá)800m，兩端減小為70～80m。據(jù)以往勘探資料顯示，斷裂兩盤地層及水位差異明顯。尤其在埠村向斜軸部地帶，西盤石炭、二疊系地層厚度較大，石炭系地層底板埋深大于900m，向斜構(gòu)造加強(qiáng)了文祖斷裂的阻水性，基本可以視為一條隔水邊界。

2.2 相鄰泉域間水力聯(lián)系

濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)南部冷泉系統(tǒng)實際上是一個有機(jī)聯(lián)系的整體，各子系統(tǒng)之間相互獨立又存在不同程度聯(lián)系。

(1)平陰-東阿巖溶水系統(tǒng)與長孝巖溶水系統(tǒng)之間主要構(gòu)造為黃山巖脈和牛角店斷裂，依據(jù)構(gòu)造的水文地質(zhì)特征，兩系統(tǒng)在黃河以南受巖脈阻水影響，基本無水力聯(lián)系；在黃河以北受牛角店斷裂透水影響，水力聯(lián)系密切?，F(xiàn)狀條件下，平陰-東阿巖溶水系統(tǒng)通過牛角店斷裂補給長孝巖溶水系統(tǒng)。

(2)長孝巖溶水系統(tǒng)與趵突泉泉域巖溶水系統(tǒng)之間主要構(gòu)造為馬山斷裂，依據(jù)馬山斷裂的水文地質(zhì)特征，兩系統(tǒng)在崗辛以南受地表分水嶺控制，無水力聯(lián)系；崗辛以北至孫莊受阻水構(gòu)造控制，基本無水力聯(lián)系；孫莊以北至老屯受弱透水構(gòu)造控制，水力聯(lián)系較弱；老屯以北受透水構(gòu)造控制，水力聯(lián)系密切。天然狀態(tài)下，長孝巖溶水系統(tǒng)通過馬山斷裂北部老屯—前隆透水段補給趵突泉泉域巖溶水系統(tǒng)，而在人工大量開采以后，地下水補給方向取決于斷裂兩側(cè)水位高低，即由高水位補給低水位。

(3)趵突泉泉域巖溶水系統(tǒng)與白泉泉域巖溶水系統(tǒng)之間主要構(gòu)造為東塢斷裂，依據(jù)斷裂的水文地質(zhì)特征，兩系統(tǒng)在石嶺以南受地表分水嶺控制，基本無水力聯(lián)系；石嶺以北至徐家莊受阻水構(gòu)造控制，基本無水力聯(lián)系；徐家莊以北至大水坡受弱透水構(gòu)造控制，水力聯(lián)系較弱。自然狀態(tài)下，白泉泉域巖溶水系統(tǒng)補給趵突泉泉域巖溶水系統(tǒng)；在人工大量開采狀態(tài)下，地下水側(cè)向水量交換也取決于兩側(cè)水位高低。

(4)白泉泉域巖溶水系統(tǒng)與百脈泉泉域巖溶水系統(tǒng)之間主要構(gòu)造為埠村向斜-文祖斷裂，依據(jù)構(gòu)造的水文地質(zhì)特征，兩系統(tǒng)受阻水構(gòu)造控制，水力聯(lián)系極其微弱，基本不存在明顯的側(cè)向補給關(guān)系。

3 結(jié)論

(1)以地下水系統(tǒng)理論為依據(jù)，將濟(jì)南巖溶地下水劃分了三級系統(tǒng)。明確了各級系統(tǒng)的邊界范圍、定名結(jié)果及相互水力聯(lián)系程度，從宏觀與微觀上進(jìn)行了詳細(xì)闡述，便于加深對濟(jì)南泉水補給來源的認(rèn)識，為泉水保護(hù)提供地質(zhì)依據(jù)。

(2)從濟(jì)南巖溶水冷泉系統(tǒng)間相互關(guān)系可以看出，各子系統(tǒng)間既相互獨立又彼此存在一定水力聯(lián)系，子系統(tǒng)內(nèi)部巖溶地下水開采達(dá)到一定程度時，即會對相鄰子系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此，泉水保護(hù)必須進(jìn)行整體把控，不能局限于某一子系統(tǒng)內(nèi)。

(3)局部受勘探精度影響，一級系統(tǒng)西南部邊界及二級系統(tǒng)的北部邊界研究程度相對較低，建議投入工作繼續(xù)進(jìn)行深化研究。

(4)建議開展區(qū)域大系統(tǒng)多目標(biāo)保泉供水專題研究，通過數(shù)值模擬方法，優(yōu)化巖溶地下水采補方案，逐步實現(xiàn)保泉與供水雙目標(biāo)。

[1] 邢立亭.濟(jì)南泉域巖溶地下水開發(fā)布局研究[J].人民黃河,2007,29(2):46-47.

[2] 商廣宇,王明海.新水源開發(fā)與濟(jì)南保泉供水[J].水文,2000,20(4):46-48.

[3] 李傳謨,李嵐,陶衛(wèi)衛(wèi).濟(jì)南保泉供水近期與長遠(yuǎn)對策[J].山東地質(zhì),2002,18(6):37-39.

[4] 鄒連文,商廣宇,張明泉,等.濟(jì)南泉水來源區(qū)域探討[J].中國水力,2009,(S1):77-79.

[5] 侯新文,邢立亭,孫蓓蓓，等.濟(jì)南市巖溶水系統(tǒng)分級及市區(qū)與東西郊的水力聯(lián)系[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,28(4):300-305.

[6] 徐軍祥,邢立亭.濟(jì)南泉域巖溶水?dāng)?shù)值預(yù)報與供水保泉對策[J].地質(zhì)調(diào)查與研究,2008,31(3):209-213.

[7] 孟慶斌,邢立亭,滕朝霞.濟(jì)南泉域三水轉(zhuǎn)化與泉水恢復(fù)關(guān)系研究[J].山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2008,38(5):82-87.

[8] 李常鎖,秦品瑞.濟(jì)南市水資源概況及開發(fā)利用初探[J].山東國土資源,2010,26(10):22-26.

[9] 劉莉莉,宋蘇林,崔春梅.濟(jì)南泉水的成因及保泉對策研究[J].山東水利，2013，(5)：17-18.

[10] 梁永平,王維泰.中國北方巖溶水系統(tǒng)劃分與系統(tǒng)特征[J].地球?qū)W報,2010,31(6):860-868.

[11] 王曉明,賈曉鵬,曹永國,等.地下水系統(tǒng)的內(nèi)涵與外延[J].煤田地質(zhì)與勘探,2013,41(2):51-59.Division of Karst Water System and Hydraulic Connection of Typical Spring Fields in Jinan City

SUN Bin，PENG Yuming，LI Changsuo，LIN Guangqi

(Shandong Geo-engineering Exploration Institute, Shandong Jinan 250014, China)

The research degree of karst groundwater in Jinan area is high. But there are more disputes in the spring field boundary and system name. As the unified ideological understanding，setting groundwater system theory as the guidance，and based on the principles of the boundaries and name，Jinan monoclinic karst water system is divided into a three-level system. The boundaries of the system are clearly defined at all levels. Through analyzing main tectonic hydrogeological characteristics, hydraulic connection and drainage relationship between typical spring fields have been studied. Through comprehensive study on karst groundwater system division and hydraulic connection, geological basis can be provided for spring protection and water supply in Jinan city.

Karst water；systematic division；boundary characteristics；hydraulic connection; Jinan city

2016-03-31；

2016-05-05；編輯：曹麗麗

山東地礦重大科技攻關(guān)項目2012-045

孫斌(1982—),男,山東榮成人,工程師,主要從事水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)工作；E-mail:spinhlr@163.com

P641.11

B

孫斌，彭玉明，李常鎖，等.濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)劃分及典型泉域水力聯(lián)系[J].山東國土資源，2016,32(10)：31-34.SUN Bin，PENG Yuming，LI Changsuo，etc. Division of Karst Water System and Hydraulic Connection of Typical Spring Fields in Jinan City[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(10)：31-34.