臥虎山水庫對濟南泉水影響的定量分析

劉 江，李 波，楊增元，杜雪梅

(1.山東省水文水資源勘測局，山東 濟南 250014； 2.山西省第三地質工程勘測院，山西 晉中 030620)

濟南以泉水聞名，泉水是濟南的特色和靈魂。

濟南南部山區是濟南泉域地下水的重要補給來源，臥虎山水庫建成后，天然狀態下的玉符河流域水循環模式發生了根本性改變，出現了人工側支循環圈，形成“天然-人工”雙驅動力作用下的流域“二元”水循環模式[1]。這種“二元”模式導致玉符河流域水資源情勢的演變，地表水與地下水的轉化受到很大影響，從而影響到了泉水流量的大小。

目前有關濟南市的水資源評價大多是采取分區集總式的評價方法，缺乏單一因子對水資源的空間變異特征影響的專門研究。對于臥虎山水庫這一區域最大的下墊面變化因子，其對區域地下水補給量影響究竟有多大，至今沒有定量的計算研究。本文計算了臥虎山水庫對區域巖溶水補給量的影響，進而分析對泉流量的影響。

1 研究區概況

1.1 濟南泉域

濟南泉域位于泰山穹隆的北翼，總體上是以古生代地層為主體的北傾單斜構造。出露地層為太古界泰山巖群(Art)，古生界寒武系(∈)、奧陶系(O)、石炭系(C)、二疊系(P)和新生界第四系，泉域北部分布有中基性侵入巖體。泉域東邊界為東塢斷裂，西邊界為馬山斷裂(長清西關以北為透水段)，南邊界為地表分水嶺，北以濟南巖漿巖體和石炭、二疊系煤系地層為界，面積為1486km2[2]。

1.2 玉符河

玉符河發源于濟南南部山區的錦繡、錦陽、錦云三川。三川匯入臥虎山水庫，流出水庫后始稱玉符河，由南向北徑流，注入黃河，全長41km。

表1 天然及人工調蓄狀態下玉符河徑流量對比

玉符河是典型的漏河。自水庫大壩至潘村出山口為玉符河上游河段，共17.5km屬于山間河谷，是河水直接補給巖溶地下水的主要河段；潘村至北店子村入黃口為玉符河下游河段，處于沖積扇上，河水與第四系孔隙水有直接聯系，與巖溶水沒有直接聯系。玉符河上游河段地表河水滲漏條件好，滲漏量大。尤其是渴馬至潘村段是河水的強滲漏地段，河床卵石層厚達10m，直接覆蓋在張夏灰巖巖溶帶上，河水通過卵石空隙迅速進入地下，根據水文觀測和有關試驗[3]研究，玉符河上游河段河道滲漏能力為15m3/s，即，從臥虎山水庫壩址處來水流量小于15m3/s時，河水在出山口之前就能全部滲入地下，來水流量大于15m3/s時，多余部分可進入下游河道。

玉符河下滲的河水是濟南泉域巖溶水的重要補給來源。

1.3 臥虎山水庫

臥虎山水庫位于濟南泉水的間接補給區，水庫控制流域面積557km2(圖1)，庫區多年平均降水量698mm，徑流量5517萬m3，興利庫容3698萬m3。建庫初期，水庫以防洪、農業灌溉為主，1988年被確立為飲用水水源地，年均供水量2000萬m3。

2 臥虎山水庫對泉域巖溶水補給量的影響

臥虎山水庫對濟南泉域巖溶水補給量的影響主要表現在以下3方面：河道水文特征變化對地下水補給量的影響、水庫灌區農業灌溉對地下水補給量的影響、利用水庫放水進行人工回灌對地下水的影響。

圖1 研究區地理位置

2.1 河道水文特征變化對巖溶水補給量的影響

2.1.1 河道水文特征變化

在臥虎山水庫建成運行之前，水庫大壩附近河道長年有水，水庫建成以后，水量經過水庫的攔截調蓄，被用于灌溉和城市生活用水，河道流量減少，河道徑流的年內、年際變化特征也發生了很大改變。通過對大壩處河道徑流進行還原計算(表1)，可知多年平均(1971—2004年，下同)臥虎山水庫壩下河道天然徑流量6843萬m3/a，人工調蓄后河道實際徑流量4407萬m3/a，減少了35.6%。

2.1.2 巖溶水補給量的變化

根據前面分析，玉符河上游河段的滲漏能力為15m3/s，即當來水量小于15m3/s時，在該河段能夠全部滲入地下補給巖溶水，當來水流量大于15m3/s時，超過15m3/s的流量進入下游河道。根據這一結論分別計算出天然條件下的歷年逐月巖溶水補給量，及水庫建成運行后實際歷年逐月巖溶水補給量，對照兩種情況下的巖溶水補給量，分析玉符河河道水文特征變化對巖溶水補給影響。

表2 典型年及多年平均玉符河水對巖溶水補給量

玉符河上游河段河水對地下水的補給量按以下方法計算：當河道來水量小于15m3/s時，地下水補給量等于河道徑流量；當河道來水量大于15m3/s時，地下水補給量采用下式計算：

Q=15Δt

式中：Q為地下水補給量，m3；Δt為相應時間間隔，s。

計算結果：天然條件下臥虎山水庫壩下玉符河水補給巖溶水5611萬m3/a，人工調蓄后玉符河水補給巖溶水3057萬m3/a，比天然條件下減少了45.5%(表2)。

2.2 水庫灌區農業灌溉對巖溶水補給量的影響

臥虎山水庫灌區地層為雙層結構，上覆第四系松散層厚度從數米至十數米，巖性以亞砂土和亞黏土為主，下伏地層主要為寒武系張夏組灰巖及鳳山組灰巖，在該地區張夏組及鳳山組灰巖巖溶發育，上覆第四系孔隙水都能迅速滲漏補給到下伏巖溶水系統。

臥虎山水庫灌區主要沿玉符河分布，設計灌溉面積55.3km2，有效灌溉面積44.7km2。灌區作物主要為小麥與玉米、花生、地瓜間作。多年平均灌溉水量為1324萬m3/a，灌溉以大水漫灌為主，灌溉入滲補給地下水量為252萬m3/a。

因此，臥虎山水庫灌區多年平均農業灌溉補給地下巖溶水252萬m3/a。

2.3 回灌補源對泉域巖溶水的影響

濟南市為了保護泉水景觀，自2001年開始充分利用玉符河流域的地形、地層、地質構造及水動力等自然條件，數次從臥虎山水庫放水補源。據有關監測分析成果，補源水量全部在玉符河上游滲入地下補給了巖溶水，對市區泉群水位動態影響明顯。

雖然回灌補源對于保泉作用明顯，但是由于臥虎山水庫同時擔負著為城市生活及農業灌溉供水的任務，因此，可用于回灌補源的水量有限，如何解決好保泉與供水的矛盾，還需要統籌當地水源及客水水源，做好科學調度[4]。

2.4 臥虎山水庫對區域巖溶水補給影響總量

玉符河河道水文特征變化對區域巖溶水補給量帶來的影響是負影響，即減少了巖溶水補給量；水庫灌區農業灌溉和人工回灌補源對區域巖溶水補給量的影響是正影響，即增加了巖溶水補給量。在進行還原計算，分析河道水文特征變化對區域巖溶水補給量的影響時，已考慮了人工回灌補源引起的河道徑流量變化。因此，臥虎山水庫對區域巖溶水補給影響總量等于玉符河河道水文特征變化對區域巖溶水補給量帶來的影響與水庫灌區農業灌溉對區域巖溶水補給量的影響的代數和，其影響量為2302萬m3/a，即由于臥虎山水庫的建設，平均每年玉符河流域減少2302萬m3對濟南泉域巖溶水的補給量。

3 臥虎山水庫對濟南泉水影響程度分析

3.1 濟南泉水流量衰減情況

自1959年有監測記錄以來，濟南泉水噴涌狀況可分為4個階段[5]：①高水位常年噴涌期(1959—1968年)，該時期四大泉群長年噴涌，只有1968年個別泉群出現季節性斷流，泉水平均流量為34.5萬m3/d；②季節斷流期(1969—1980年)，該時期四大泉群由全部常年噴涌轉為僅個別泉群常年噴涌，高水位泉群出現季節斷流。泉水平均流量15.5萬m3/d；③低水位經常斷流期(1981—2002年)，該時期四大泉群基本上每年均出現春季斷流現象，甚至全年斷流。泉水平均流量4.56萬m3/d。④泉水流量恢復期(2003—2009年)，自2003年9月6日趵突泉又一次復涌以來，四大泉群已持續噴涌，泉水平均流量12.8萬m3/d。

可見，濟南泉水噴涌量呈明顯衰減趨勢。

影響泉水流量的因素主要有大氣降水量的變化、地下水人工開采量變化、下墊面條件的改變對地表、地下水轉化的影響等3個方面。臥虎山水庫則屬于下墊面條件改變的一個因子。

3.2 臥虎山水庫對濟南泉水影響程度

據有關研究，濟南泉域總面積1486km2，多年平均巖溶水補給量19453萬m3/a(53.3萬m3/d)。

自1959年開始，濟南市區4大泉群具有系統的泉水位及泉流量的監測資料。監測序列的前10年(1959—1968年)，人類活動對濟南泉水的影響相對較小，泉域下墊面條件變化不大，泉域巖溶水人工開采量較小。1959—1968年泉域平均年降水量為698.3mm，與泉域多年平均(1956—2006年)年降水量687.5 mm基本相當，因此，可以把1959—1968年的泉水噴涌狀況作為天然條件下的背景值。

天然條件下(1959—1968年)，市區4大泉群平均涌水量為12592.5萬m3/a(34.5萬m3/d)，占泉域巖溶水年總補給量的64.7%。按同樣比例分配，臥虎山水庫對泉域巖溶水補給影響總量2302萬m3/a(6.3萬m3/d)，其中對泉流量的影響為1489.3萬m3/a(4.08萬m3/d)，占天然條件下泉流量的11.8%，即在不考慮其他因素的情況下，臥虎山水庫的攔蓄運行使市區四大泉群的泉流量削減了11.8%。

[1] 劉家宏，秦大庸，王浩，等.海河流域二元水循環模式及其演化規律[J].科學通報，2010(6)：512-521.

[2] 徐軍祥，邢立亭，佟光玉，等.濟南泉域地下水環境演化與保護[J].水文地質工程地質，2004，31(6)：69-73.

[3] 吳興波.濟南人工回灌補源保泉試驗研究[D].武漢：武漢大學，2004.

[4] BOUWER H.Artificial recharge of groundwater：hydrogeology and engineering[J].Hydrogeology Journal，2002，10(1)：121-142.

[5] 邢立亭.濟南泉域巖溶水環境保護[J].水利科技與經濟，2006(9)：601-604.