济南泉域岩溶地下水系统特征 济南泉域岩溶地下水环境演化及保泉对策研究
济南泉域边界较清晰，具有独特的地质环境(实体结构)，相对独立完整的输入、输出和调节等功能，且社会、经济和环境因素对其状态影响显著，是一个典型的地下水系统，在我国北方岩溶分布区具代表性。确定和研究济南泉域岩溶水系统，对准确计算评价岩溶地下水资源、保泉供水和岩溶水资源管理与保护均具有科学价值和实际意义。
一、地质环境条件
1.地形地貌
济南市位于山东省中西部，地处鲁中山地的北缘，南依泰山，北临黄河，地形南高北低。南部为绵延起伏的山区，山势陡峻，深沟峡谷，绝对标高500～600m;中部为山前倾斜平原，绝对标高一般25～50m;北部为冲积平原。根据地貌特征，自东南至西北地形由高渐低，地貌成因类型依次为:低山区、残丘丘陵区、冲洪积平原区、冲积平原区。
2.气象水文
济南泉域地处中纬度内陆地带，属暖温带大陆性气候，多年平均降水量为647mm，6～9月集中降水，12月至翌年3月较小，年最大降水量1194.50mm(1962年)，最小340mm(1989年)。自20世纪80年代以来，济南地区进入干旱系列年份。近20年来降水偏枯年份出现几率增加，1949～1972年，偏枯降水年份出现几率4%，1980～2001年出现几率7%，如1988～1989年、1999～2002年连续4年干旱。本区降水量在空间上分配也有差异，南部山区多年平均降水量大于北部山前平原。区内河流主要有黄河、玉符河、北沙河、小清河等。
黄河水是济南市重要客水水源，为一地上河，其与岩溶地下水无水力联系。玉符河、北沙河发源于研究区南部泰山北麓，河道渗漏严重，是岩溶地下水的重要补给来源之一。由于上游修建水库而拦截地表径流，基本常年断流，为季节性河流，使岩溶地下水的补给量大大减少。
小清河发源于济南西郊的睦里村。20世纪60年代以前，小清河水质优良。随着济南城市规模的扩大，大量污水排入，小清河已成为济南一条总排污河。
区内主要水库有卧虎山、锦绣川、玉清湖和鹊山水库等。
3.地层
济南位于泰山穹窿的北翼，总体上是一个以古生代地层为主体的向北倾斜的单斜构造(图11-1)。由南向北依次出露的地层有:
图11-1 君崖—市区水文地质剖面
太古界泰山群(Art):主要为混合花岗岩、片麻岩，分布于区域东南部。
古生界寒武系(C):呈东西向条带状分布于研究区中南部，岩性主要为页岩夹石灰岩，其中张夏组以石灰岩为主。
奥陶系(O):分布于中、北部，主要岩性为石灰岩、白云质灰岩夹泥灰岩。
石炭系(C):分布于济南市以北，呈条带状近东西向分布。岩性主要为砂岩、砂质页岩、泥岩夹薄层灰岩，含煤。厚度100～250m，与上覆二叠系为平行不整合接触。构成北部地热田的盖层。
二叠系(P):分布于济南市以北的广大地区。岩性以陆相紫色、灰色砂岩、砾岩、泥质页岩，夹薄层可采煤层。厚度不等，与上覆第三系为角度不整合接触。
第四系(Q):广泛分布于山前倾斜平原、北部黄河冲积平原及山间河谷地带。成因类型以冲洪积为主，主要岩性为砂质粘土、黏质砂土、粘土，山前冲积扇堆积有砂砾石层。黄河以北岩性以粉质粘土、粉土、粉砂为主，局部夹中粗砂，最大厚度大于300m。
4.构造
区内断裂构造发育，主要分布有北北西走向的千佛山断裂、马山断裂、东坞断裂、文化桥断裂，北北东向的港沟断裂和近南北向的炒米店断裂等。
5.岩浆岩
研究区主要有中生代侵入岩，分布在济南市区—历城区北部，属于中基性岩。济南岩体西起位里庄，东到王舍人镇，南至大杨庄—姚家镇一线，北到桑梓店—孔家村一线，面积约300km2，主要岩性为辉长岩、闪长岩。
二、系统边界条件
济南泉域边界是国内水文地质界长期争论的焦点问题之一，并受到了国际水文地质学者的关注。争论的关键问题主要集中在泉域东、西边界的确定上。山东省地矿局八○一水文地质工程地质大队自20世纪50年代以来完成的大量勘查成果，特别是于1980～1990年间完成的“济南保泉供水水文地质勘探”、“白泉-武家水源地供水水文地质勘探”和“长清-孝里铺水源地供水水文地质勘探”等项目成果，均确定东坞断裂、马山断裂分别作为泉域东、西边界，1991年以后的补充工作又进一步验证了此结论的正确性。根据近年的勘查试验资料，对泉域边界的范围和性质进行了进一步综合研究，明确了泉域的边界。
系统南边界:主要依据地层岩性和地表分水岭等确定。西起岗辛庄—桃花峪—馍馍顶一线，向南经黄山顶、香火炉子山至长城岭，再呈北北东向至西营东南的大高尖山，然后向北至文风山、跑马岭，最后向东至东坞断裂。
系统北边界:确定的主要依据为地层岩性和水文地质条件。总体以燕山期侵入岩体和石炭、二叠系为界。
系统东边界:根据东坞断裂总体隔水，断裂北段的局部地段尚显示有弱透水性质，但透水段长度不大。
系统西边界:为马山断裂，总体隔水，老屯地段具透水性质。
三、系统构成
济南泉域是一独立完整的地下水系统，按其储存空间、含水介质、水理特征及功能差异等可分为4个子系统:孔隙水子系统、裂隙岩溶水子系统、岩溶裂隙水子系统和裂隙水子系统。按埋藏条件及储存空间不同，孔隙水子系统又可分为西部冲洪积扇孔隙承压水亚子系统，中部及东部山前坡洪积孔隙潜水亚子系统;裂隙岩溶水子系统分为寒武系张夏组(C2z)裂隙岩溶亚子系统和寒武系凤山组到奥陶系(C3f—O)裂隙岩溶水亚子系统;岩溶裂隙水子系统可分为馒头组至徐庄组(C1m—C2x)岩溶裂隙水亚子系统，崮山组、长山组(C3g—C3c)岩溶裂隙水亚子系统，石炭、二叠系(C-P)岩溶裂隙水亚子系统;裂隙水子系统可分为变质岩裂隙水亚子系统和辉长岩裂隙水亚子系统。
1.孔隙水子系统
根据泉域内松散岩层的结构、孔隙水的埋藏条件及其性质的不同，孔隙水子系统可分为泉域西部北沙河、玉符河冲洪积扇亚子系统和中部及东部山前坡洪积孔隙潜水亚子系统。
(1)北沙河、玉符河冲洪积扇孔隙承压水亚子系统
该亚子系统分布于玉符河、北沙河冲洪积扇构成的山前倾斜平原地区，面积约130km2，地形自南向北微倾，海拔高度30～60m。在两冲洪积扇的交汇地带，古地形呈南北向凸起，向两侧凹陷，所以冲洪积扇沿两古谷地发育。玉符河冲洪积扇首部在罗而庄、殷家林一带，北沙河冲积扇首部在魏庄、张桥一带，两冲洪积扇在小丁庄—后朱一线叠加。冲洪积扇前缘向北延伸过黄河，在黄河沿岸冲洪积扇上覆7～15m全新统黄河泛滥冲洪积层。
主要含水层位为第四系上新统，埋藏深度20～70m，水位埋深4～7m，浅部具有潜水性质，深部具承压性质。含水层厚度12～29m，富水性较强，单井出水量1200～1500m3/d。水质良好，矿化度小于1.0g/L。其首部水位年变幅较大，一般5～10m。富水性较差，小于500m3/d。主要接受大气降水补给、河流渗漏补给和裂隙岩溶水的越流顶托补给，以径流排泄和人工开采为主要排泄方式。
该亚子系统的边界特征如下:
系统东边界:自党家庄、大庙屯到腊山一线，构成隔水边界。
系统南边界:以冲洪积扇首部为界。
系统西南及西部边界:总体为隔水边界，但长清县城以北至水屯一带，边界两侧含水砂层成为一体，两侧有水量交换。
系统北及西北边界:该系统含水砂层向北及西北延伸并过黄河，地下水以潜流方式向黄河以北径流。
系统的底边界:根据第四系结构分析，济南—长清公路以北地区，分布着厚度较大的下更新统粘土和第三系半胶结的粘土岩及砂砾岩，具有相对隔水作用，以南粘性土分布较薄，局部地段由于古地形起伏变化，含水砂层覆盖于灰岩之上或与灰岩侧向接触，并有水量交换。
(2)山前坡洪积孔隙潜水亚子系统
分布于泉域中部白马山以东的山前地带，坡洪积物主要由粘土、粉质粘土、粘土夹砾石组成，厚度一般在3～15m，主要是粘土裂隙、坡洪积物含水，富水性较差。在山间季节性河谷地段分布有带状冲洪积砂石夹粘土层，厚5～15m，局部单井涌水量50～100m3/d，无集中供水意义。
2.裂隙水及岩溶裂隙水子系统
裂隙水子系统分为变质岩裂隙水亚子系统和辉长岩裂隙水亚子系统。
(1)变质岩裂隙水亚子系统
分布在泉域南部地表分水岭以北的中低山区，岩性以太古宇花岗片麻岩为主。地下水赋存运动于风化带裂隙中，风化带厚度5～15m，富水性极差且不均匀，单井出水量一般小于100m3/d。地下水以大气降水补给为主，浅部循环，短距离排泄。因此，丰水期该地段裂隙下降泉较多，但流量甚小。地下水汇入沟谷，以地表径流形式向碳酸盐岩分布区汇集。
(2)辉长岩裂隙水亚子系统
主要分布在泉域北部，大部分被第四系所覆盖，零星出露呈岛状山。岩性以辉长岩为主，风化裂隙带较薄，富水性差，单井出水量小于100m3/d。以大气降水渗入补给及岩溶水补给为主，地下径流和人工开采为其主要排泄方式。
(3)岩溶裂隙水子系统
岩溶裂隙水子系统分为C1m—C2x岩溶裂隙水亚子系统和C3g—C3c岩溶裂隙水亚子系统:主要分布在南部中低山区，含水层为页岩与灰岩互层，岩溶裂隙不发育，富水性较差，单井出水量一般小于100m3/d，局部地段可达成100～500m3/d。位置较高，并有页岩阻隔，受沟谷切割或构造影响，往往出现阶梯水位，水位变化较大，一般5～10m，局部地段自流。地下水补给来源主要为大气降水入渗补给，径流方向与地层倾向及地形坡向基本一致，以泉或散流的形式排泄，以基流形式汇集于河流并补给裂隙岩溶水亚子系统。
(4)石炭、二叠系裂隙水亚子系统
分布于泉域的西部边缘，覆盖于第四系、第三系之下。岩性以砂页岩为主，夹煤层，富水性差。
上述变质岩裂隙水和C1m—C2x、C3g—C3c岩溶裂隙水与C3f—O裂隙岩溶水没有直接的水力联系，主要是通过裂隙水和岩溶裂隙水转化成地表水渗漏补给裂隙岩溶水，故称其为间接补给区。
3.裂隙岩溶水子系统
济南泉域内裂隙岩溶水子系统可分为上、下2个亚子系统，下层为寒武系中统张夏组裂隙岩溶水亚子系统，上层为寒武系上统凤山组至奥陶系中统裂隙岩溶水亚子系统。该子系统是本次研究的重点。
(1)寒武系中统张夏组裂隙岩溶水亚子系统
该亚子系统含水介质为鲕状灰岩、豹斑灰岩、结晶质灰岩，厚度132～245m，主要分布在南部山区的涝坡、崔马及前大彦庄一线，向北隐伏于地下，含水层顶底板分别由具有相对隔水作用的崮山组页岩和徐庄组页岩组成。
灰岩顶部及底部岩溶发育，富水性中等，裸露区单井出水量小于100m3/d，隐伏区单井出水量500～1000m3/d。玉符河两岸及在构造与地形有利地段，富水性增强，单井出水量大于1000m3/d。除接受大气降水补给外，河水也是重要补给源之一。玉符河支流锦绣川的西营河段、玉符河宅科至崔马河段均大量接受河水渗漏补给。本亚子系统裂隙岩溶水，通过港沟、炒米店、石马等断裂与裂隙岩溶水亚子系统发生水力联系。
(2)寒武系凤山组—奥陶系中统裂隙岩溶水亚子系统
该亚子系统地层主要由古生界寒武系凤山组厚层灰岩及奥陶系石灰岩、白云岩组成，由南向北依次呈单斜展布，总厚度1102～1208m。断裂将系统内碳酸盐岩地层分割成为断块状。
千佛山断裂—东坞断裂断块:地层相对千佛山以西向北推移，岩层主要倾向北北西或北北东。含水层位为寒武系上统凤山组、奥陶系下统冶里、亮甲山组至下马家沟组二段。受千佛山和文化桥断裂的切割，市区主要含水层为奥陶系下统冶里、亮甲山组至寒武系上统凤山组;文化桥断裂以东，主要为奥陶系下马家沟和冶里、亮甲山组。火成岩体由北向南呈层状或舌状侵入于下马家沟组一段和上马家沟组一段地层中。含水层的埋藏深度随火成岩的厚度而变化，总的规律是向北埋藏变深。
系统内岩溶地下水总的由南向北北西运动，但由于受姚家庄—轻工学院一线较厚的火成岩体的阻挡及人工开采的影响，使岩溶水流在岩体前缘分流，一部分流向市区，另一部分流向东郊工业开采区，其主要排泄途径为泉排泄和人工开采。
千佛山断裂—炒米店断裂断块:该断块地层相对千佛山以东向南推移，地层主要倾向为北西，含水层为寒武系上统凤山组和奥陶系下统冶里、亮甲山组、下马家沟组。断块北部由于受火成岩侵入影响，下马家沟组以上地层缺失，奥陶系下统冶里、亮甲山组在火成岩体前缘埋藏在500m以下。南部该亚子系统外寒武系中统张夏组灰岩水主要通过炒米店断裂与奥陶系岩溶水沟通，是济南泉水重要补给源之一。该断块岩溶水主要流向为北北西，由于断块北部受厚度很大的火成岩的阻挡，形成岩溶水的富水带，大部分岩溶水沿岩体前缘折向东，通过千佛山断裂北段(透水段)流向泉群区。
炒米店断裂—马山断裂断块:该断块地层倾向北西，北部大都被第四系覆盖，依次由南向北分布有寒武系上统凤山组、奥陶系下中统各组，断块北部奥陶系中统八陡组灰岩部分上覆有石炭、二叠系。断块岩溶水除受大气降水、地表水补给外，还受系统外张夏组灰岩的岩溶水通过石马断裂补给奥陶系岩溶水。断块内岩溶水向北东径流，径流中受地层所阻，在景庄、老张庄一带形成富水区。岩溶水的排泄一部分向北东径流，部分通过第四系天窗及弱透水层越流补给第四系孔隙水并通过第四系向区外排泄，一部分岩溶水向北顺层径流排泄或通过断裂裂隙向石炭系排泄。
系统的富水性特征表现为:
在低山丘陵区灰岩直接裸露地表，单井出水量一般小于100m3/d。在地形、构造及地表水补给有利于岩溶水的储存富集地带，出水量可大于500m3/d。水位埋深50～100m，甚至大于100m，水位年变幅20～－50m，为供水较困难的贫水区。
丘陵及部分岛状山分布区，含水层主要为奥陶系灰岩。部分裸露，部分隐伏在10～20m的第四系松散层之下，呈带状沿北东—南西向分布，富水性中等，单井出水量100～1000m3/d，局部由于构造控水，单井出水量可大于1000m3/d。山前倾斜平原以及单斜构造前缘，单井出水量可达1000～5000m3/d，局部地区大于1万m3/d。
系统边界确定为:以东坞断裂为东边界、马山断裂为西边界、寒武系上统长山组顶界面为南边界(隔水边界)、以孔隙水子系统的底边界为北边界。
四、系统的功能
地下水系统的功能是指在某种实体结构下，地下水系统整体行为和活动的总和。由于地下水系统功能是系统实体结构与社会环境相互作用的具体表现，因此地下水系统有多种功能，但最主要的是系统的输入、输出和调蓄功能，济南泉域岩溶水系统亦是如此。
1.输入功能
济南泉域岩溶水系统主要的输入源是大气降水，但其输入方式可有4种。
1)灰岩裸露区大气降水直接入渗补给这是系统岩溶水获得补给的主要方式。多年的动态观测资料表明，岩溶水水位、泉水流量的变化与大气降水密切相关。济南地区全年降水多集中在雨季的7，8，9月份，占全年总降水量的77.34%。每年雨季岩溶水位普遍上升，泉水流量增大。而每年枯水季节的4，5，6月份，降水量极小，岩溶水水位最低，泉流量最小或断流。全年岩溶水水位与泉流量的动态曲线与降水量的分配有十分明显的对应关系。
根据9批91个地下水、地表水水样同位素分析结果，将岩溶水各水样点δD-δO散点图与全国雨水线相比较(图11-2)，看出岩溶水水样点均分布在全国雨水线附近，说明泉域岩溶水来源于大气降水。
图11-2 岩溶水水样点δD-δ18O散点图与全国雨水线比较
2)河床渗漏集中补给泉域南部因超渗产流或蓄满产流而使部分大气降水转化为地表径流，在河流渗漏段集中补给岩溶水。此外，卧虎山水库向下游河道放水也成为河床渗漏集中补给的水源。
3)大气降水通过第四系含水层间接入渗补给岩溶水玉符河、北沙河中上游沿河发育有粗砂夹卵砾石，且直接覆盖在灰岩之上，大气降水入渗补给孔隙含水层后，再下渗补给岩溶水。
4)系统外补给通过泉域东、西边界透水和弱透水段，白泉泉域和长清孝里水文地质单元地下水对济南泉域产生补给。
2.输出功能
泉域岩溶水系统输出排泄主要有3种方式:
1)人工开采这是目前泉域岩溶水系统最主要的排泄途径。自20世纪60年代以来，工业与城市用水开采泉域岩溶水日益增加，至1997年达到65.78万m3/d(图11-3)。玉清湖、鹊山引黄水库建成输水后，开采量明显减少，2003年泉域岩溶水实际开采量为40万m3/d。
图11-3 济南泉域历年降水量、泉流量与地下水开采量关系图
2)泉水排泄在自然条件下，泉水排泄是岩溶水系统的主要排泄方式。在20世纪50年代末60年代初，市区四大泉群总流量平均在30万～35万m3/d。
3)径流排泄泉域岩溶水系统西北部，奥陶系灰岩向北延伸到黄河以北，岩溶水沿地层倾向向北西方向运动。
3.功能分区
济南泉域的功能分区，是指在济南泉域范围内，泉水与其母体岩溶地下水形成过程中起不同作用的地段划分。济南泉域可分为直接补给区、间接补给区、汇集排泄区等3个功能区(图11-4)。
图11-4 济南泉域功能分区图
直间接补给区:指泉域上游所有靠大气降水补给形成的地表水、地下水，均以地表径流形式进入、补给直接补给区的地区。主要位于济南市南部和西南部的玉符河、北沙河流域的上游地区，包括仲宫—西营—高而—万德等地区。
汇集排泄区:指整个泉域系统下游岩溶地下水汇集、储存、排泄的地区。分布在千佛山以北、大明湖以南，沿火成岩岩体南侧呈东西向延伸的狭长地带，西起玉符河旁的位里庄，东至铁厂(图11-5)。
五、系统的流态
1.水动力场流态
泉域岩溶水系统是以溶隙、溶孔、溶洞构成的地下网络系统，水流具有渗流性质，流态以层流为主。岩溶水水力坡度在南部山区较大，为1.5%～2.5%。进入山前地带，水力坡度明显变缓，为1.0%～2.5%，且由东至西水力坡度呈减少趋势，炒米店断裂以西水力坡度较小。沿火成岩体南缘的汇集区，由于岩溶发育，连通性极好，水力坡度更为平缓，一般小于1/2500。
(1)水动力分带
地表水和地下水动力是可溶岩岩溶发育的必要条件，而岩溶的三维空间分布和岩溶发育程度也影响着水动力特征，因而水动力与岩溶是相辅相成的关系。济南泉域岩溶水系统具有独立、完善的水动力场，由于水动力受岩石介质的透水性、导水性及水的补、径、排、蓄条件的控制，因此岩溶水系统各功能区、水动力特征、岩溶发育状况等各不相同。在平面上可划分为3个水文、水动力带:外源水带、入渗-径流带、汇集-排泄带。
外源水带:分布于南部山区，寒武系凤山组(C3f)底板界限以南，它在岩溶水系统功能上是间接补给区。主要是变质岩、寒武系下中统和上统的崮山、长山组，大气降水主要以表流形式进入直接补给区入渗，部分在断裂构造作用下与直接补给区发生水力联系。
入渗-径流带:分布于南部山区丘陵及山前地带的寒武系凤山组以上地层的分布区，它在岩溶水系统功能上是直接补给区。大气降水的水流主要沿着岩层裂隙向下渗流，到达一定深度后，则向下游作水平方向流动而汇入岩溶水系统中。
汇集-排泄带:分布于济南泉域岩溶水系统的山前平原地带，它在岩溶水系统功能上是汇集排泄区，是岩溶水总汇集、排泄场所，也是岩溶水富水地带，水力联系好，蓄水空间大，动态相对稳定，具有统一的水位，形成一完整的开采、排泄、统一水动力场和天然隐伏的岩溶地下水库，是岩溶水的主要排泄地带，以开采排泄、泉水排泄和径流排泄为主。
(2)平面水动力场
从泉域岩溶水多年枯、丰水期平面水动力场分析，岩溶水平面水动力场变化不大，仅局部由于季节变化和开采影响发生变化。由于受地形、地貌、地层、构造等因素控制，千佛山断裂以东和以西水面形态有所不同(图11-6)。千佛山断裂以东，岩溶水总体流向为北北西，山区水力坡度大，山前及汇集区水力坡度小，在市区、东郊工业开采区，由于人工及岩体的作用，形成2个相对独立的降落漏斗同源补给，开采量变化会引起平面流场的变化，使分水岭相对移动而相互影响(图11-7)。
千佛山断裂以西，东南部山区径流方向为北西，水力坡度较大，西南部岩溶水径流方向为南北向。受煤系地层、火成岩体、西郊开采的共同作用，岩溶水在向北径流过程中，径流方向发生改变，转向北东。由于西郊水厂开采，在腊山、大杨庄、峨眉山附近形成了一相对稳定的降落漏斗。从千佛山断裂以西平面流场图分析，由山前至汇集区水力坡度逐渐减小，说明其导水性逐渐增强，特别是火成岩体南缘，水力坡度极缓，是导水性极强的岩溶水汇集、富水区。炒米店地堑带等水位线向上游凸，这是由于它是岩溶水强径流导水带，水流疏导快，水头低，形成槽谷状水平形态，两侧岩溶水有向该带径流的分流。
图11-5 济南泉域排泄区地质剖面图
图11-6 岩溶地下水平面流场图(2004年6月)
图11-7 东郊工业开采区地下水平面流场
(3)纵剖面水动力场
从纵剖面水动力场分析，可分为垂直渗流补给带、水平径流带、汇集排泄带(图11-8)。
图11-8 纵剖面水动力场
垂直渗流补给带:位于南部山区的直接补给区，水流以垂直、水平两种方向兼有。大气降水垂直向下补给，达到一定深度后转为水平运动为主。岩溶含水层导水性、富水性皆不均匀，水力坡度较大，水位变幅大且陡降。
水平径流带:位于山前至汇集区边缘带，是岩溶水补给到排泄的中间过渡带，岩溶水以水平运动为主，其补给来源以侧向水平径流补给为主，岩溶水水位陡升缓降，水位变幅及水力坡度较小，岩溶含水层较厚，导水性及富水性相对较大且均匀。
汇集排泄带:位于岩溶水的汇集区火成岩体南缘地带，侧向径流补给是其主要补给来源，并在此汇集、排泄。排泄方式以泉水和开采为其主要形式，天然条件下，水力坡度极缓，含水岩层的导水性富水性极强，且较均匀，水位变幅相对较小，岩溶水含水层巨厚，是天然岩溶地下水库的主要库区。
(4)汇集、排泄区横剖面水动力场
岩溶水汇集排泄区富水性、导水性强，储水空间大。岩溶发育较均匀的区域岩溶水系统特有的地质构造特征决定了在火成岩体南缘形成岩溶水的汇集排泄区，其补给主要是南部的径流补给，水位相对较稳定，由于开采作用局部形成降落漏斗。沿火成岩体南缘，形成岩溶水的强导水径流带，连通性极好(图11-9)。
图11-9 排泄区横剖面水动力场
图11-10 2004年地下水动态
2.岩溶地下水系统动态特征
岩溶水系统动态是岩溶水系统含水层结构、性质、边界条件和岩溶水补给、排泄及运动的综合反映，是研究岩溶水各级系统、功能和特征的重要信息。在目前环境状态下，济南泉域岩溶水水位动态主要受岩溶水系统自身结构、功能、气象水文因素及人工开采的控制与影响。
岩溶水系统的结构、功能决定了济南泉域岩溶水系统在不同空间的补、径、排、蓄条件，补、径、排、蓄条件是影响岩溶水水位动态的重要内因。在灰岩裸露、地形起伏较大的直接补给区，岩溶发育差，含水层薄，导水性、储水性弱，调节能力差，岩溶水水位随降水量的变化而陡升陡降，年变幅一般在20～60m，地下水位埋深50～100m(图11-10)，动态成因类型属径流-入渗型。在汇集区，岩溶水接受侧向径流等补给，在强岩溶发育的岩溶地下水库的调节作用下，水位年变幅较小，一般3～5m。一般情况下，济南市区四大泉群排泄带水位动态相对稳定，年变幅仅有3～4m，动态成因类型属入渗径流-泉排开采型。
年内对岩溶水动态影响较大的因素是降水，它控制了年内最高水位值出现日期;其次是工农业开采量，它决定最低水位值。在降水、工农业开采的综合影响下，一年之中水位动态呈现缓慢“下降—上升-下降”季节性、周期性的变化特征。一般在1～5月水位逐渐下降，5～6月出现最低水位，7～9月雨季来临，农灌停止，水位波动上升。最高水位滞后于降水量约1个月左右，出现在9～10月，然后水位缓慢下降，并持续到翌年5～6月。属气象-开采型动态类型。
济南泉域岩溶水水位处于多年动平衡状态。从水位标高可以看出，西郊高于市区，市区又高于东郊工业开采区。为了更好地揭示岩溶水多年动态变化特征，采用市区多年年平均、年最高、年最低水位等特征值来研究市区岩溶水水位动态变化规律，采用多年年平均水位来研究西郊岩溶水多年动态变化规律。
多年年平均水位变化:选择降水量和岩溶水开采量为自变量，A2－20孔平均水位值为因变量，进行线形逐步回归分析计算。最优逐步回归方程为
山东省地质环境问题研究
式中:H为A2－20孔年平均水位(m);Pn为当年降水量(mm);Pn－1为前一年降水量(mm);Pn－2为前两年降水量(mm);Q开为当年地下水开采量(万m3/d)。
结果表明，岩溶水年平均水位与3年降水量及岩溶水开采密切相关，其中与当年岩溶水开采量关系最密切。说明在现状条件下，岩溶水年平均水位主要受岩溶水开采量的控制，即岩溶水年平均水位随年开采量的增大而降低，同时还说明济南市区岩溶水系统具有3年的调节功能。因此，济南市区岩溶水多年年平均水位动态属气象-开采型。
多年年最高水位变化:同样选择降水量、岩溶水开采量为自变量，A2－20号孔年最高水位为因变量，进行线性逐步回归分析计算。最优逐步回归方程为
山东省地质环境问题研究
式中:Hmax为年最高水位(m);其他同前。
结果表明，岩溶水最高水位同样与3年降水量及岩溶水开采量密切相关，同样与当年岩溶水开采量关系最密切。说明在一般降水年份，岩溶水年最高水位仍然受岩溶水开采量的控制，即岩溶水年最高水位随开采量的增大而降低，同时进一步说明济南市区岩溶水系统具有3年的调节功能，因而济南市区岩溶水多年最高水位动态仍属气象-开采型。
多年年最低水位变化:选择降水量(水文年)、泉区开采量及外围开采量为自变量，A2－20号孔年最低水位值为因变量进行线性逐步回归分析计算。最优逐步回归方程为
山东省地质环境问题研究
式中:Hmin为A2－20号孔年最低水位(m);Qc为泉区开采量(万m3/d);Qs为外围开采量(万m3/d)，其他同上。
该方程表明岩溶水最低水位与前一年、前两年降水量、泉区开采量及外围开采量密切相关，其中与泉区开采量关系最密切，外围开采量次之。这说明年最低水位主要反映了前一年、前两年降水量及当年岩溶水开采量对其的影响，与实际水文地质条件相符。当年的最低水位出现于雨季来临前，因而它不受当年降水量的控制。显然，岩溶水多年最低水位动态仍属气象-开采型。
济南泉域岩溶地下水环境演化~
济南泉域岩溶地下水系统固有的开放性和脆弱性，在自然和人工地质营力双重作用下，表现出系统水环境的整体缓变性和局部强变性。由于岩溶环境作为一种特殊而脆弱的生态环境，在环境污染的发生、发展和治理上都有其特殊性，必须搞清楚岩溶水环境要素的演化规律。因此，分析济南地区岩溶地下水系统功能退化与相关环境问题产生的历史与发展趋势，对泉域地质环境保护具有重要意义。
一、泉水断流
济南具有数千年的泉水历史文化，独特的水文地质条件，形成了以趵突泉为首的市区四大泉群，其中市区2.6km2范围内的名泉有150多处(部分掩埋消失)，数量之多，世界闻名。20世纪50～60年代，济南市区年平均水位30m左右，市区的趵突泉、黑虎泉、五龙潭泉及珍珠泉四大泉群争相喷涌，景色壮观，西郊腊山泉、峨眉山泉也长年出流。随着城市发展对水资源需求量逐年增加，造成水位的连年下降，泉流量减少，市区泉群自1972年枯水期首次断流，自此后经常在枯水期出现断流。80年代以来，泉水断流的时间延长，泉流量急剧衰减。据长测资料，多年来，泉流量与市区水位变化基本一致，总体呈现水位下降、泉流量衰减趋势，但泉流量变化幅度大于泉水位变化幅度。济南泉区动态可分为以下4个阶段:
1.1959～1967年高水位大流量阶段
该时段内，大气降水量充沛，1961～1964年降水量均在800mm以上，最大1196mm，市区年平均水位在28.75～32.85m，泉流量一般在30万～50万m3/d。地下水开采量较少，仅4.7万～12.6万m3/d，外围地下水开采量更小。
2.1968～1975年中等水位中流量阶段
市区地下水开采量自1968年的14.87万m3/d，增至1975年的27.9万m3/d。由于市区开采和东郊高新技术开发区各自备水源地的投产，造成泉水于1972年枯水期首次断流。虽然市区年均水位维持在28.06～28.75m水平，但因开采袭夺大量泉水补给量，泉流量基本维持在14万～16万m3/d。
3.1975～1981年水位下降泉流量衰减阶段
该时段市区地下水开采量达到历史最大的31万m3/d，同时西郊腊山、峨眉山水厂相继投产，年平均水位由1975年的28.16m，降至1981年的26.78m，降速为0.197m/a。
4.1982～2002年低水位断续出流阶段
自1982年以来，东郊、市区、西郊水源地开采布局基本稳定，虽然市区开采量减少，但自来水、工业自备井的总开采量基本稳定在55万m3/d左右，加上气象因素的影响，出现多次较长时间的断流，如1982年持续断流220d;80年代后期，济南地区连续干旱，至1990年枯水期泉水位降至历史最低水平的20.8m，1989～1990年连续断流250d;1999～2002年，济南地区又遇连续干旱年份，断流时间932d，这是历史上断流时间最长的一次。总体上，自1982～2002年，泉水出流与断流交替，但断流时间多于出流时间(图11-11)。
图11-11 济南泉水断流天数统计图
从1959年至2001年，市区水位由30.4m降至25.964m，降幅4.436m，年均0.11m。
以上分析表明:泉流量衰减过程，也是济南开采地下水规模逐渐扩大的过程。由于泉水断流，不仅影响到济南的旅游业，而且影响到大明湖和小清河的水质状况。
1960年至1966年西郊水源地附近，除当地农业开采，无集中工业开采，水位稳定在30～33.9m之间，属天然状态。由于市区和西郊关系密切，因此随着市区开采量增加，以及峨眉山、大杨庄、腊山水厂的建立，至1982年西郊水位降至28.27m，自1966年至2001年降速为0.219m/a;1982年至1999年，西郊水位受开采和降水影响变动较大，但降速减缓为0.057m/a。
20世纪60年代，东郊高新技术开发区水位在31～32m，1964年平均水位31.92m，属天然状态。60年代中期以后，随着电厂、铁厂、炼油厂相继建立，开采量增大，至70年代水位降到24～25m，降速0.5～0.6m/a，2002年枯水期，部分地段低水位达到0.964m。
多年来，泉流量与市区水位变化基本一致，总体呈现水位下降、泉流量衰减趋势(图11-12)。自1982年至今，泉水出流与断流交替，但断流时间多于出流时间，枯水期市区水位低于泉水出流标高27m，至80年代中期初步形成市区、西郊和东郊开采漏斗区，以地下水位标高27m为基础，计算市区漏斗面积在40km2左右(表11-1)。
图11-12 济南泉水位与流量对比曲线图
表11-1 四大泉群附近漏斗变化统计表
二、岩溶水水化学环境演化
根据近年来泉域水质监测资料，区内共检出76种有机污染物。其中，60%以上检出酞酸酯类和杂环芳烃等。东郊水厂、卧虎山水库、孟家庄地下水、西郊水厂、锦绣川水库、西营地下水污染较重，合计检出59种有机污染物。水质测试结果表明，济南岩溶地下水系统水环境发生了较大改变，应给予足够重视。
1.泉域岩溶水水质变化过程
近年来，随着人类活动的加剧和开采量增加，本区岩溶水水质有逐渐恶化的趋势，特别是20世纪80年代以来，岩溶水化学组分含量快速增加。以下以西郊、市区、东郊为例，分析对比泉域Cl－、SO2－4、NO－3离子与总硬度、矿化度多年来的变化趋势。
从峨眉山水厂历年来常规组分分析，自1959年到2004年各组分含量均有不同程度升高，特别从20世纪80年代后期开始，各组分含量增加迅速，并在1996年达到峰值。2004年，岩溶地下水的矿化度是1959年的1.53倍，总硬度是1.22倍，Cl－是2.37倍、SO2－4是25.34倍。各项组分主要来源于人为污染，主要为汽总分厂、生建摩托厂、山东水泥厂、长城炼油厂等企业的三废排放。由于西郊水源地附近岩溶地下水主要接受玉符河流域降水和河水入渗补给，玉符河冲洪积扇地表渗漏强烈，随着西郊的大面积规划建设，该区域水质恶化趋势仍会继续。
1958年以来，市区附近地下水化学组分也呈上升趋势(图11-13)，Cl－、SO2－4、NO－3上升趋势较明显，2004年矿化度是1958年的1.321倍。
图11-13 市区地下水矿化度变化趋势图
虽然各组分含量增加，但Cl－、SO2－4、NO－3三项指标均未超过《国家饮用水水质标准》，其中，总硬度、矿化度的增幅较小。
东郊地区水质变化趋势与市区、西郊基本一致。2004年，地下水矿化度是1958年的2.09倍，但氯离子、硫酸盐、矿化度、总硬度的增幅比市区、西郊大，说明东郊高新技术开发区三废排放对岩溶地下水影响大于市区和西郊。
综上，泉域岩溶地下水SO2－4、Cl－、NO－3、硬度、矿化度升高是生活污水、工业废水及农业生产等人为因素共同造成的，其影响程度东郊最大，市区和西郊次之。
2.岩溶水污染现状
Ⅰ常规离子污染:研究区常规离子污染主要有总硬度、溶解性总固体、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐等，呈点状分布，其中硝酸盐、SO2－4超标率为1.6%，溶解性总固体超标率为3.2%，NO－2超标率4.8%，总硬度超标率达12.9%。地下水硬度、矿化度、SO2－4最大超标倍数分别为3.0倍、2.5倍和4.8倍，说明岩溶地下水已遭受到工业污染。如邵而庄附近硬度、NO－3均超标，说明这一地段地下水已受到工业污染及生活垃圾污染;北汝、埠东NO－2含量较高，污染物超标倍数分别为2.2倍、1.5倍，但NH+4的含量低，说明这2个地段生活垃圾污染较重，而且微生物活动强烈，水质不稳定;经十东路、政法学院、井家沟一带硬度均超标。
Ⅱ五毒元素(酚、氰、As、Cr6+、Hg)污染:地下水中“五毒”元素含量增高表明地下水已受到工业污染。据枯水期系列水质分析资料表明，泉域内“五毒”元素污染较轻，仅为点状污染，而未见酚、CN、As超标地段，但CN的检出率达7.14%，在井家沟、吉而屯及孟家庄均有点状分布，浓度分别为0.02mg/L、0.012mg/L、0.02mg/L、0.006mg/L，但均未超过Ⅲ类水质标准。
Ⅲ重金属离子污染:Cu、Pb、Zn在天然水中含量较低，1999年在杜庙检出，含量为0.016mg/L，1997年曾在石河岭检出，含量为0.022mg/L，均未超标。
Pb是积累性毒物，是水体污染的重要标志之一，1999年在西郊大杨庄、南部山区兴隆和华能水厂及W19孔有检出，1997年曾在徐家庄检出，但均未超标，Pb、Cu检出率为3.6%，Pb分别在鸡山、岔河检出，含量为0.01mg/L、0.04mg/L。Cu分别在岔河、经十路检出，含量为0.92mg/L、0.011mg/L，均未超标。Zn是人体必需的元素之一，检出率为25%，最高含量在武家村，含量为0.42mg/L。Cd、Mo尚未检出。
Ⅳ油类污染:东、西郊炼油厂附近存在油类污染历史已久，根据检测结果，东郊炼油厂某供水井油含量0.22mg/L，西郊一机井油含量0.09mg/L。
三、岩溶水环境质量评价
1.评价标准
地下水质量评价以《地下水质量标准》(GB/T14848—93)为标准进行单项组分和综合评价(表11-2，表11-3)。
表11-2 地下水质量评分表
表11-3 地下水质量评价标准
2.评价项目
根据饮用水水质标准，选取NH+4、Cl－、SO2－4、F－、NO－2、NO－3、总硬度、矿化度、pH值、As、Hg、Cu、Cr6+、Pb、Zn、酚、CN－、Cd、Mo共计19项组分参与评价(表11-4)。
3.评价方法
为能够准确反映现状地下水质量情况，以调查所得资料为基础，进行综合评价，当某一组分小于仪器最低检出值时，按仪器的最低检出值进行评价。
地下水质量综合评价，采用加附注的评分，按公式计算F值。
计算公式:
山东省地质环境问题研究
式中: 为各单项组分评分值Fi的平均值;Fmax为Fi中的最大值;F为综合评价分数值。
计算结果见表11－4。
4.地下水质量评价结果
区内岩溶水仅在西郊井家沟1个取样点水质极差，8个取样点水质较差，其余43个检测点水质均为良好。根据综合评价将水质分级划分为:良好区、较好区、较差区、极差区，研究区内无水质优良区(图11-14)。
(1)水质良好区(Ⅱ)
研究区内大部分地段属水质良好区，从南郊低山丘陵灰岩裸露区到北部隐伏区广泛分布，济南地区地下水大多属于此类。该区地下水类型以HCO3-Ca型为主，局部为HCO3-Ca·Mg型，各项水理指标符合饮用水水质标准，水质良好，适于作为生活或工业供水水源。
(2)水质较好区(Ⅲ)
分布于水质较差区的外围，与较好区相连。该区内地下水各项组分中均未超过地下水质量Ⅲ类标准，可以作为集中供水水源。
(3)水质较差区(Ⅳ)
主要分布在研究区中部，后魏华(段54)、后龙窝(+3)、政法学院(政1)等，研究区东、西部仅点状分布于埠东、武警医院、邵而、北汝，地下水中部分项目超过饮用水水质标准，适宜农田灌溉和工业用水，用作饮用水水源需加处理。
(4)水质极差区(Ⅴ)
表11-4 地下水化学组分质量表
图11-14 岩溶地下水质量分区图
本区仅分布在井家沟一带，综合评价为Ⅴ级水分布区，地下水主要受工业及农业严重污染，不宜饮用。地下水中SO2－4、总硬度、矿化度严重超标。
四、影响岩溶水环境的主要因素
1.城镇建成区扩大对岩溶水补给的影响
城镇化建设对泉水影响表现为城市面积逐渐增加，相应泉域岩溶水直接补给区面积减少。1954年济南城区面积仅28.89km2，位于直接补给区面积仅1.985km2。随着经济社会发展，城市规模逐渐增大，城市扩展方向主要向泉域东、东南、南部、西南方向发展。1960年前后，城区比1954年扩展9.10km2，80年代扩展15.905km2，至21世纪初比50年代扩展52.155km2(图11-15)。城镇化南扩速度最快时间段在80年代以来，由于城市化面积增加，地面固化，降水不能入渗地下而进入下水道和防洪沟，而防洪沟淤积严重，地形坡降大，不能形成有效入渗，降水白白流失。
图11-15 城区扩展演变图
现状年与60年代相比，在平均降水年份，由于城区扩展影响而减少的补给量为38488.44m3/d，相当于38万人每天的用水量;与70年代相比，入渗补给量减少35627.02m3/d;与80年代相比，入渗补给量减少32191.33m3/d。而其他三期相互比较，入渗补给量变化不大。各时期与现状年相比，入渗补给量减少较多，即80年代至今，城区扩展速度较快，地面硬化影响大气降水入渗补给，使泉域岩溶水补给量逐渐减少。
另外修筑公路等工程建设也占用大量土地，路面固化使岩溶水补给减少。近40年来，济南城市道路面积有较大增长，特别是80年代以来，道路建设速度加快，进入90年代，济南市道路建设进入急速增长期，道路面积迅速增加，2000年道路面积是1970年的9倍(表11-5)。
表11-5 济南市道路面积
由于城市建设地面固化，泉域地表径流量逐年增加。60年代径流系数0.5，至90年代增加到0.9。径流量增加，减少了地下入渗补给，大部分降水流失(表11-6)。
表11-6 20世纪不同年代径流量
2.山石开采对岩溶地表环境的影响
济南地区广泛分布碳酸岩盐地层，分布矿产有石灰岩、白云岩和铁矿、花岗岩及硬质粘土等。多年来，这些矿产资源的无序开发，不仅仅造成资源浪费，更重要的是破坏了泉域地表环境，对泉水补给带来不利影响。
(1)破坏植被，加剧水土流失
森林植被被称为“绿色水库”，据山东滕州羊庄均衡场有关试验资料表明，森林植被覆盖率平均增加1%，年降水量增加3mm。同时林地又是天然地下水库，林地植被可吸纳降水涵养水源，防止水土流失。但山石开采、挖土等人为活动，必然破坏地表植被，加之泉域南部山区许多中小型开采点属于个体经营，业主缺乏环境意识，开山采石造成大面积植被破坏，许多需要几年甚至几十年长成的水土保持植被破坏，开采后形成的废弃地寸草不生。有关资料表明，济南泉域南部山区植被覆盖率比新中国成立前有大幅度提高，但主要集中在南部低山区，而山前残丘石灰岩开采区，一般为荒山疏村和杂草丛覆盖，森林覆盖率在较低水平的基础上加上人为开采山石破坏，使树林、杂草丛面积进一步减少，加剧了水土流失，影响降水对泉域岩溶水的补给。
(2)破坏自然地貌景观，遗留陡壁、危崖、乱石，易诱发崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害
石灰岩是数亿年前的海底沉积物，地球内外营力的复杂作用，形成了现今特有的石灰岩地貌景观。石灰岩开采区，可谓满目疮痍，原有地貌景观荡然无存。特别是大量个体采石厂，开采过程中，不注意矿体的休止角问题，形成了许多陡壁、危崖。经过矿业秩序的治理整顿，许多采石厂关闭，这些陡壁、危崖、乱石遗留现场是崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的诱发因素。石灰石开采形成大量渣土，在暴雨的条件下易形成渣石流，如浆水泉水库南采石点，形成大量渣石流，正在逐步进入水库，又如仲宫镇东郭村南，因修路开山，产生滑坡、危及公路安全。
(3)粉尘污染
石灰岩矿山的开采造成粉尘污染主要包括空气污染、地表环境污染和对地下水水质产生影响。石灰岩矿山开采一般采取就地加工，形成了大量的石灰岩粉末，特别是石料(石子)加工厂，多未采取降尘措施，生产过程中，粉尘绵延弥漫，若遇大风，粉尘绵延数百米，造成局部空气质量下降。石灰岩粉尘随风飘移，使附近的山坡、草地、居民住宅、农田作物、树木枝叶等都覆盖了一层灰白色的粉末，不仅有碍观瞻，而且影响了附近居民的正常生活和植物的正常生长。
(4)对水质产生的影响
这些到处飘浮和散落的石灰岩粉尘，通过雨水、地表水的溶解，渗入地下，直接进入地下水中，使地下水中Ca2+浓度增加，硬度增大。有关研究表明:济南泉域内Ca2+浓度高值区与石灰岩开采区位置非常吻合。虽然目前尚未造成地下水硬度超标，但其不良影响可见一斑。
(5)采石场垃圾填埋处理
南部山区中心城区附近许多采石坑，被大量生活垃圾、建筑垃圾和渣土填埋，由于采石坑地势相对低洼，降水后积水淋滤生活垃圾，有害物质随之进入地下，造成岩溶水污染。
3.水利工程对岩溶水补给的影响
人类活动对沟谷河道影响主要表现在河水断流、河道占用、沟谷淤积、河道挖砂、沟谷垃圾堆积等方面，其降低了地表渗漏性能，造成泉水补给量减少。
泉域间接补给区主要分布在广大南部山区，包括马山、万德、高而、张夏、崮山、仲宫、柳埠、西营等乡镇，地层为寒武系中下统灰岩、碎屑岩和泰山群变质岩，地形起伏大，山势陡峻，深沟峡谷，剥蚀强烈，河流、沟谷纵横，地表径流发育。区内北沙河、锦银川、玉带河、锦绣川等修建有大中型水库，如卧虎山水库、锦绣川水库、八达岭水库等，由于南部广泛分布泰山群变质岩，其入渗条件相对碳酸盐地层较差，因此，大部分河流发源于此。由于该区沟谷深切，地下水大多就地补给，汇于沟谷短途运移、排泄，河流表流在70年代以前，汇集到玉符河、北大沙河，向下游径流，河水分别在朱家庄—潘村、崮山拦河坝—琵琶山段渗漏补给泉域地下水。间接补给区汇集地表径流和地下溢出量，通过河道进入直接补给区，如1963年卧虎山水库，通过溢洪道向玉符河放水约1亿m3进入黄河，一部分入渗补给地下水。据访问，卧虎山水库修建以前，玉符河基本常年有流，玉符河下游周王庄河段1962年8月19日河水位32.433m。随着卧虎山、锦绣川水库、岳庄水库大中型水库修建，拦截上游地表径流，加之气象因素的影响，70年代以来，源自间接补给区的地表水补给逐渐减小，如1988年卧虎山水库溢洪闸放水仅196万m3，仅占1963年放水量的1.9%。近20年来，玉符河道基本长年干涸，从1999年至今，卧虎山水库上游554km2汇水面积，除回灌试验放水外，未向玉符河放水。
根据有关资料，南部山区修建水库拦蓄地表水量达1.8亿m3，起着防洪和抗旱的双重作用。由于市区供水紧张，自1988年开始卧虎山水库向市区南部供水，锦绣川、卧虎山两大水库向党家庄兴隆、十六里河、分水岭一带直接补给区放水灌溉量逐渐减少，因此，泉水补给量也相应减小。
4.水土流失及其对岩溶水环境的影响
泉域岩溶水的主要补给来自直接补给区，而区内森林覆盖率相对较低，使其涵养水分的能力不高。济南泉域总面积1448km2，直接补给区内，致密覆盖区分布面积仅为34km2，占直接补给区的7%。直接补给区内植被以稀疏覆盖区为主，涵养水源能力高的致密覆盖区主要在济南市南部山区一带分布，如青龙山、英雄山、千佛山、羊头峪、龙洞庄、馍馍顶、穆阁寨、灵岩寺等地呈片状分布，在其他地段如饿狼山、铜锣山、竹竿顶、老虎窝、高而乡、仲宫镇及南部沿分水岭一带有零星分布，但面积较小。
泉域内致密覆盖区的总体分布特征为:致密区呈零星分布，面积较小，仅在局部地段面积较大，如龙洞庄、千佛山、灵岩寺一带，其他地段分布面相对较小，且其分布与地形地貌等特征密切相关，一般在山体北坡沿走向分布，覆盖区形状不规则。
在致密覆盖区内，树木分布密度较大，树龄较长，一般生长于山头或山坡上，植树后保护较好。土壤的蓄水能力强，有利于降水入渗补给地下水，能够增加岩溶地下水的补给量，使水土保持能力增强，有效预防地质灾害的发生，生态环境良好。
邢立亭1 徐军祥2 张伟3
（1.济南大学，济南250002；2.山东省地矿局，济南250013；3.山东省地矿工程勘察院，济南250014）
作者简介：邢立亭（1966—），男，研究员，主要从事水文地质、环境地质勘查研究工作。
摘要：本文根据野外实际调查成果，深入探讨自然与人为因素对济南泉域岩溶地下水环境的影响，提出了优化开采布局、回灌补源等水环境保护对策。
关键词：济南泉域；水环境；演化；保护
济南泉域是我国北方岩溶水系统典型代表，地质条件极其复杂，受自然因素和人类活动强烈影响，近几十年来，泉域的生态地质环境变化显著，研究该区地下水环境演化特征，对于泉域地下水资源可持续利用和保泉具有重要意义。
1 泉域水文地质特征
1.1 泉域边界
济南泉域位于泰山穹隆的北翼，总体上是以古生代地层为主体的向北倾斜的单斜构造。出露地层为太古宇泰山岩群，古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和新生界第四系，泉域北部分布有中基性侵入岩体。区内断裂构造发育，主要有千佛山断裂、马山断裂、东坞断裂、炒米店断裂等。
泉域东边界为东坞断裂，西边界为马山断裂（长清西关以北为透水段），南边界为地表分水岭，北边界以济南岩浆岩体和石炭系、二叠系煤系地层为界，面积为1486km2。
1.2 岩溶地下水水动力条件
济南南部山区广泛分布寒武—奥陶系石灰岩，地表、地下岩溶十分发育，地表溶洞、溶沟、溶槽和密布于石灰岩表面的溶蚀裂隙为地下水接受大气降水直接入渗补给、地表水的渗漏补给创造了极为有利的条件。根据钻孔资料和示踪试验，碳酸盐岩溶洞、溶孔、溶隙、溶蚀管道十分发育，为岩溶地下水的储存、运移提供了巨大的空间。因此，济南岩溶地下水补给条件良好、储存空间巨大。
根据地下水动态观测，岩溶水水位、泉水流量与降水密切相关，大气降水直接入渗补给是岩溶水系统的主要补给来源，其次为地表水渗漏补给，主要渗漏河流有玉符河和北沙河。
岩溶水总体流向由南向北径流，受北部燕山期岩浆岩及石炭系、二叠系地层阻挡，在其接触地带形成岩溶水富集区，单井涌水量一般大于5000m3/d，天然条件下岩溶水以泉水排泄为主，目前，人工开采是泉域岩溶水系统的最主要排泄方式。
2 岩溶地下水资源开发利用现状
奥陶系裂隙岩溶含水层作为济南工农业用水和城市生活用水的主要取水目的层，有着悠久的历史。市区早在1936年建成趵突泉水厂并正式供水，供水量1.28×104m3/d，到1956年增至3.6×104m3/d，随着经济发展和人口增加，用水量不断增大，至20世纪80年代中期相继建立市区、西郊和东郊水源地。市区有解放桥、普利门、饮虎池和百货大楼水厂，西郊有腊山、峨眉山和大杨庄水厂，东郊有华能路和东源水厂，南部有羊头峪和文化路水厂。
1990～2002年，泉域内自来水公司多年平均开采量为35.52×104m3/d，其中峨眉山、大杨庄、腊山西郊三水厂平均开采量为21.91×104m3/d，市区各水厂为11.41×104m3/d，华能路、东源水厂和羊头峪为2.2×104m3/d。此外，白泉泉域宿家张马、裴家营、中李水厂开采约14×104m3/d。随着鹊山水库、玉清湖水库的投产，自来水公司对地下水的开采量自2001年9月以来逐步减产，关停了市区各水厂。
工业自备井主要分布在市区外围，其数量庞大，而且较为分散。1990～2002年，工业自备井多年平均开采量为13.15×104m3/d。
3 水文地质条件演变与地下水环境负效应
自然因素和人类活动加剧了济南地区生态地质环境的演变，引起诸多生态环境地质问题。
3.1 人类活动引起的水文地质条件的变化
3.1.1 人工开采改变地下水流场，袭夺泉流量
20世纪60年代初期，济南市区地下水开采量小于10×104m3/d，80年代以来，市区、西郊、东郊集中开采量达到（50～55）×104m3/d。大量开采岩溶水，改变了地下水天然流场，大量开采地下水特别是在市区直接抽取岩溶地下水是影响泉水出流的主要原因之一。2001年9月，市区水厂相继关闭，但工业自备井大量开采，在七贤庄和经济学院一带两大降落漏斗仍然袭夺泉水的补给量（图1）。
3.1.2 间接补给区补给量减小
济南泉域间接补给区面积为990km2，主要分布在广大南部山区，包括马山、万德、高而、张夏、崮山、仲宫、柳埠、西营等乡镇。地层为寒武系中下统灰岩、碎屑岩和泰山群变质岩，由于入渗条件差，河流、沟谷纵横，地表径流发育，地下水大多就地补给，汇于沟谷，短途运移、排泄，因此，大部分河流发源于此。上游地表溪流20世纪70年代以前，汇集到玉符河、北大沙河后，向下游径流，分别在朱家庄-潘村、崮山拦河坝-琵琶山段渗漏补给泉域地下水。间接补给区汇集地表径流和地下溢出量，通过河道进入直接补给区。如1963年卧虎山水库，通过溢洪道向玉符河放水1.0186×108m3进入黄河，一部分入渗补给地下水。卧虎山水库修建以前，玉符河基本常年有流，据1962年观测，玉符河下游周王庄河段4月13日河水位为29.4m。
图1 市区附近岩溶水等水位线
1—断层；2—火成岩界线；3—等水位线（m）；4—地下水流向
20世纪60～70年代在北沙河、锦银川、玉带河、锦绣川等河道修建众多水库，拦截上游地表径流，特别是80年代后期，随着卧虎山、锦绣川水库向市区供水后，源自间接补给区的地表水补给逐渐减小。如从1999年至2003年6月，卧虎山水库上游554km2汇水面积，除回灌试验放水外，未向玉符河放水。自卧虎山、锦绣川水库向市区供水后，两水库向党家庄、兴隆、分水岭一带直接补给区放水灌溉量逐渐减少。
3.1.3 城市扩展减少岩溶水入渗补给面积
城镇建设使城市建成区面积增加，从而导致岩溶水直接补给区面积逐渐减少。根据多时相动态遥感解译，1954年济南城区面积仅28.8km2，处在直接补给区面积不足2km2，随着城市规模的不断扩大，城区逐渐向东、东南、南部及西南方向的直接补给区扩展，近年比20世纪50年代扩展了175.6km2。20世纪80年代以来城镇化南扩速率加快，直接补给区建成区面积逐年加大（图2），从而减少了地下水补给量。如太平庄、羊头峪、八里洼、六里山、金鸡岭、马山坡、兴隆等南部山区开发后，地面固化，大气降水直接进入防洪沟。而防洪沟淤积严重，地形坡降大，不能形成有效入渗，诸多地段成为永久性不渗漏区。2000年直接补给区范围内建成区面积比1954年增加51.3km2，按多年平均降水量648mm计算，由于城区扩展影响而减少的地下水补给量为3.8×104m3/d。
3.1.4 滥采、滥挖对生态环境的影响
据不完全统计，济南南部山区共有大小不等采石点200多个，采石、挖土造成地貌景观、植被破坏，导致水土大量流失。据调查，大量采石点是在20世纪80年代以后兴建的，由于灰岩山区土壤稀薄，树木植被稀少，山石开采进一步减少直接补给区的植被覆盖率。直接补给区因采石、烧砖造成严重水土流失，调蓄水量减小，地下水补给量亦随之减小。
图2 城区扩展演变图
1—1954年城区范围；2—1970年城区扩展范围；3—1981年城区扩展范围；4—2000年城区扩展范围
3.2 地下水环境负效应
3.2.1 地下水水位下降，泉水断流
20世纪60年代初期，地下水开采量较小，地下水平均水位在31.54～30.72m，泉流量为（35.52～33.58）×104m3/d；70年代中期，地下水位下降到28.15m，泉流量减少到15.22×104m3/d左右；70年代末至80年代初，地下水位平均由28.15m下降到26.68m，泉流量减少到10.48×104m3/d左右；进入90年代，泉水断流时间加长，1999～2001年泉水连续断流达932d（图3）。
3.2.2 地下水超采降落漏斗形成
长期集中开采地下水，在东郊工业区、七贤庄和经济学院一带形成多个降落漏斗，袭夺泉水补给量。
3.2.3 大明湖、小清河污染
由于地下水位下降，泉水断流，大明湖、小清河水得不到充足补充，出现严重富营养化。
3.2.4 地下水质量下降
20世纪50年代济南地区社会经济尚不发达，工业“三废”排放量少，岩溶地下水开采量小，处于天然流场。以 50年代水质资料作为地下水环境污染起始值，研究济南地区地下水污染演化：1958年以来，随着人类活动加剧和开采量增加，市区、东郊和西郊岩溶水水质有逐渐恶化的趋势，矿化度、总硬度、氯离子、硫酸盐、硝酸盐等常规组分含量呈上升趋势（图4），尤其 含量上升明显，特别是80年代以来升速加快，2002年市区地下水中 含量是1958年的5.83倍，峨眉山水厂 含量是1958年的47倍。由于大量开采地下水，造成区域水位下降，氧化还原环境改变。整个泉域，从补给区、径流区至排泄区，岩溶地下水常规组分含量普遍升高。工业废水排放造成岩溶地下水呈点状污染，局部地段污染严重，如井家沟一机井， 含量为1313.74mg/L，矿化度为2544.52mg/L，综合评价为水质极差区（Ⅴ级）。
图3 1959～2002年泉流量、地下水位、开采量与降水量关系图
1—年降水量；2—市区年均水位；3—年均泉流量；4—市区及外围开采量
图4 1958～2002年市区地下水硬度、矿化度变化曲线图
1—硬度；2—矿化度
4 济西水源地地下水开采潜力分析
已开辟的济南西郊桥子李、冷庄、古城水源地在北沙河流域、玉符河流域，在丰水年份的丰水期，部分地段钻孔自流，本区岩溶地下水开采具有开采潜力，如2004年9月在古城水源地开采的情况下，钻孔仍然自流。
根据计算，北沙河流域多年平均降水条件下的降水补给量为9.2×104m3/d，由于上游水库截流，在平均降水量年份仅有少部分地表水补给，因此，桥子李和冷庄水源地的开采量不宜大于10×104m3/d，峨眉山、腊山、大杨庄水厂和古城水源地距离泉群较近，对泉水影响大，应关闭腊山水厂，并控制开采量不大于6.0×104m3/d。
5 水环境保护和保泉对策建议
5.1 调整开采布局，实施分质供水
通过数值模拟优化计算（农业开采没有计算在内），枯水期保持泉水位在28.5 m以上，泉域岩溶水允许开采量为18.8×104m3/d，济西水源地开采量为10×104m3/d，西郊水厂开采量为5.8×104m3/d，东郊工业自备井控制在3.0×104m3/d；白泉泉域可供水量为28.29×104m3/d，长-孝水源地建议开采8.0×104m3/d；泉水先观后用5.0×104m3/d，合计60.09×104m3/d。这些优质地下水资源可用于生活和高精尖工业用水。按照人均用水量150L/d计算，可满足400万人生活用水。一般工业用水改用地表水（长江水和黄河水），充分发挥玉清湖、鹊山水库作用，彻底关停工业自备井。农业灌溉在节水的前提下，改用地表水，限制利用岩溶地下水。
5.2 回灌补源
由于卧虎山、锦绣川、岳庄等水库拦蓄大量地表径流，减少泉域地下水的补给量，改变了自然生态系统，直接影响着泉水的出流，因此，卧虎山、锦绣川水库应停止向市区供水，整修已有输水干渠向兴隆、石青崖、玉符河等直接补给区回灌补源。岳庄水库用于北沙河补源，降低“西进”对西郊地下水环境的影响；随着东部产业带和东部新城的规划建设，未来可考虑引水进行东郊补源，目前尚缺补源水源。
5.3 逐步关停工业自备井
减少东西郊工业自备井开采，逐步消除经济学院、井架沟、高新技术开发区一带的降落漏斗对泉水补给量的袭夺。
5.4 控制城区向直接补给区内扩展
为避免城市开发建设影响泉水补给，因此，济南城市建设“南控”边界应在平安店—潘村—玉符河河谷—丰齐—大杨庄—刘长山—英雄山—羊头峪—牛旺一线。在该线以南的岩溶地下水直接补给区，禁止进行规划建设。
5.5 逐步进行小流域治理，加强植树造林，调整南部山区农业生产结构
泉域南部直接补给区应禁止毁林占地建设别墅区、居住区、工业园，以及陡坡开荒、开山采石等。逐步调整南部山区产业结构，实施退耕还林，禁止放牧，停止开山采石，大力发展林果业，实施生物工程，增加植树造林面积，对马啼峪、龙洞峪、大涧沟、石青崖、柏石峪、小岭子、板倒井、下井沟、腊山等沟谷进行治理，禁止倾倒垃圾和占用，起到涵养水源的作用。
总之，恢复泉水长年喷涌是一复杂的系统工程，不可能通过一项措施在短期内得以实现，需统一认识，近期措施与远期目标相结合，分步实施。
主要参考文献
徐军祥，康凤新.2001.山东省地下水资源可持续开发利用研究.北京：海洋出版社.
岩溶水的分布特征
答：两点相距1000m左右。而在两点之间打的七个钻孔，降深大于5m时出水量都不到40m3/d，富水性之差达60～360倍。岩溶的发育具有向深部逐渐减弱的规律，使含水层的富水性相应地也具有强弱的分带性。昆明附近钻探结果说明，该地区石灰岩分布地段，深度不超过100m范围内地下水较丰富。岩溶水在水力联系上也具有...
地下岩溶分布特征
答：所以,水交替积极的地方,岩溶发育强烈,水交替迟缓的地方,岩溶发育弱,水停滞的地方,岩溶不发育。 如图11-5所示,处于同一气候条件下构造开启程度不同的岩溶含水系统,由于地下水径流交替条件不同而具有不同的岩溶发育程度。图中a岩溶含水系统在可溶岩之上无隔水层覆盖,有利于接受降水补给与径流排泄,流线最密集,岩溶最...
自然背景及岩溶水文地质条件概述
答：一、自然概况 枣庄十里泉域岩溶水系统位于山东省南部，由陶枣盆地构成（图4-8、图4-9），该系统面积641.80km2。系统属暖温带亚湿润季风大陆型气候，多年（1958～2009年）平均降水量815.8mm，年内降水量在时间分配上很不均匀，主要集中在每年的6～9月份，约占全年降水量的70%；在空间分布上，一般...
岩溶水的运动特征
答：岩溶含水系统中多重含水介质并存，导致岩溶水的运动异常复杂多变。总体来说可以概括为四个并存: 层流和紊流并存; 有压流和无压流并存; 统一水流与孤立水流并存; 明流与伏流并存。岩溶水的运动速度变化很大，因此其流态变化也很复杂。在溶孔、溶蚀裂隙中，地下水缓慢渗流，水流属于层流状态; 而在溶洞...
济南泉域岩溶地下水系统特征
答：济南泉域是一独立完整的地下水系统,按其储存空间、含水介质、水理特征及功能差异等可分为4个子系统:孔隙水子系统、裂隙岩溶水子系统、岩溶裂隙水子系统和裂隙水子系统。按埋藏条件及储存空间不同,孔隙水子系统又可分为西部冲洪积扇孔隙承压水亚子系统,中部及东部山前坡洪积孔隙潜水亚子系统;裂隙岩溶水子系统分为...
岩溶水的化学特征
答：在岩溶发育地区，地下水径流交替强烈，故岩溶潜水多为矿化度小于0.5g/L的HCO3－Ca型水，白云岩分布区多为HCO3－Ca－Mg型水。岩溶水的化学特征与水的补给交替强度密切相关。在补给区受降雨稀释作用，一般矿化度较小;随着向深部或排泄区运动，不断溶解含水介质壁上的岩石，矿化度不断增大，最后每升...
岩溶泉域及泉水成因
答：1. 岩溶泉域是指岩溶泉的补给、汇流、储集范围，涵盖地下及地表补给、汇流区域，即岩溶水系统的总体汇水区。2. 大的岩溶泉域通常由非可溶岩间接补给区和可溶岩汇流及储集区两大部分组成。在某些情况下，泉域可能仅限于可溶岩区，此时补给、汇流和储集均在岩溶区内部完成。3. 岩溶地下水盆地及...
岩溶地下水的循环
答：全区碳酸盐岩裸露区入渗系数取0.20,计算得119个系统碳酸盐岩裸露区的降水入渗补给量达到64.41亿m3/a,在北方岩溶地下水补给量的构成中占绝对优势。 华北平原松散层地下水以及山东羊庄盆地岩溶水的研究结果表明,同一地区受降水量大小、强度影响,降水入渗系数是一个变值,根据对山西娘子关泉域和河南九里山泉域的研究,...
岩溶水的循环特征
答：岩溶水在河谷地区有较明显的垂直分带现象。垂直渗入带（ Ⅰ）发育垂向溶洞，为雨水下渗的通道，有事出现上层滞水，旱季易干枯；水位季节变动带（Ⅱ）括高水位与低水位之间的范围，垂直与水平溶洞均发育，旱季此带干枯，丰水期可充满潜水；水平循环带（Ⅲ）于最低潜水位一下，主要发育水平溶洞，地下水在...
岩溶含水系统
答：水与碳酸盐岩介质相互作用的过程中,在不断地改造导水通道的形态和导水能力的同时,也不断地改造着自身的补给、径流、排泄和动态特征。 1.影响岩溶含水系统发育的控制作用 影响岩溶发育的有气候、地形、植被、地质构造、可溶岩的成分结构等因素,在它们共同作用下,所形成的岩溶含水系统分布极不均匀,构成十分复杂的...
