濟南巖溶水系統劃分及典型泉域水力聯系

孫斌，彭玉明，李常鎖，林廣奇

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

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濟南巖溶水系統劃分及典型泉域水力聯系

孫斌，彭玉明，李常鎖，林廣奇

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

濟南地區巖溶地下水研究程度較高，但泉域邊界爭議較多，命名混亂。為統一思想認識，以地下水系統理論為指導，依據相關邊界劃分及定名原則，將濟南單斜巖溶水系統劃分了三級系統，明確了各級系統的邊界范圍。通過對主要構造水文地質特征分析，揭露了典型泉域之間的水力聯系及補排關系。對濟南巖溶地下水系統劃分及相互關系的綜合研究結果，可為濟南保泉供水提供地質依據。

巖溶水；系統劃分；邊界特征；水力聯系；濟南市

0 引言

2012年10月31日，濟南被水利部確定為全國首個水生態文明試點城市，濟南市委市政府高度重視，按照黨的十八大關于生態文明建設戰略部署以及習近平總書記“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路，統籌利用水資源，努力把濟南打造成人水和諧、人水相親的宜居城市。經過幾年努力，水生態文明城市建設已經取得了初步成效。2015年初，濟南市又成功躋身國家首批海綿城市建設試點城市。濟南“水生態文明城市”、“海綿城市”建設，都是以泉水為基礎，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70年代以來，隨著濟南市經濟和文化的快速發展與人口的急速增加，水資源的供需矛盾日益突出。大量不科學的集中開采地下水[1]，破壞了濟南市巖溶水系統的自然均衡狀態，再加上對水文地質條件認識不清，使濟南泉群的地下水位呈現持續下降態勢，恢復并保持泉涌成為社會各界共同關心的課題。保泉供水工程是一項龐大的系統工程，圍繞濟南泉域邊界問題[2-5]，前人做了大量工作，節流、封井、采外補內、引黃、回灌等措施也取得一定成效[6-9]。近年來，泉水持續噴涌，但保泉問題尚未從根本上解決。關于泉域的名稱、邊界、范圍及相互水力聯系，社會各界仍然沒有一個統一認識，尤其是針對濟南泉域，近30年來也一直存在較大爭議。泉域邊界不清、關系不明，泉水保護工作很難具有針對性，水生態文明城市建設也會受到影響。

1 濟南巖溶地下水系統劃分

1.1 系統劃分原則

巖溶水系統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?；驈娬{區域系統的級別，以大系統、系統以及子系統區分；或注重于巖溶含水層系統，其邊界劃分主要關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上，從巖溶水系統的概念出發,對濟南地區巖溶地下水系統進行劃分，強調具備相對明確的巖溶水邊界和補排關系、連續的巖溶含水層、統一的巖溶地下水流場以及相互關聯的巖溶水系統資源要素。

(1)地表分水嶺邊界：濟南巖溶水系統內地表河流是重要巖溶地下水補給源，當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，將流域分水嶺確定為地表分水嶺邊界。

(2)地下分水嶺邊界：由于區域巖溶地下水開發利用，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：受構造運動控制，區域內發育多級次斷裂，對區域含水層系統連續性產生影響，致使斷裂帶兩側水力聯系程度減弱，將這些阻水構造作為隔水邊界。

(4)滯流性邊界：依據以往勘探數據，巖溶含水層埋深達到一定深度時，巖溶地下水循環緩慢的地帶，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性質的邊界，確定為推測邊界。

1.2 定名原則

自20世紀80年代開始，濟南趵突泉斷流嚴重，由此開展了濟南泉域巖溶地下水保護研究，至今已經過去30多年。幾十年以來，濟南城市發展迅速，過去城區面積較小，以濟南泉域命名符合當時的客觀情況，而今城區擴展范圍較大，不再適宜用濟南泉域表征市區“四大泉群”匯水范圍。另外，對于不同級次巖溶地下水系統也存在定名混亂的現象。為此，結合濟南特殊歷史情況，以巖溶地下水系統理論為依據，以加強交流、便于理解、達成共識、服務社會為目標，對該區巖溶地下水系統命名采取如下原則：

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

(2)以泉水出露地行政區命名：對一級、二級系統命名，當巖溶水系統水文地質邊界超出行政區邊界時，以泉水集中出露區所在行政區位置為定名依據。

(3)以地質構造特征命名：對于能夠直觀表達地質及水文地質條件，便于揭示泉水成因的特殊構造，可以參考作為定名依據。

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

(5)以典型地名為代表命名：若三級系統內，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，定名時可適當參照歷史用法。

1.3 系統劃分

根據區域地質及水文地質特征，以區域地下水系統理論為指導思想，按照如上邊界劃分及定名原則，將濟南巖溶地下水劃分為三級系統(圖1)。

(1)一級地下水系統。一級地下水系統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，為一相對獨立的區域大型單斜巖溶水系統，跨越濟南、聊城、德州和淄博四個行政區，泉水主要出露于濟南地區，定名為濟南單斜巖溶水系統①。

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

(3)三級地下水系統。依據一系列NNW向的斷裂構造，將濟南單斜巖溶地下水冷泉系統②自西而東劃分為5個三級地下水系統：平陰-東阿巖溶水系統③、長孝巖溶水系統③、趵突泉泉域(原稱濟南泉域)巖溶水系統③、白泉泉域巖溶水系統③和百脈泉泉域巖溶水系統③。

2 典型泉域之間水力聯系

泉水是濟南城市的靈魂，因此與泉水相關的城市規劃與保護工作格外被重視。泉水則主要集中分布于濟南單斜巖溶水系統南部的冷泉系統，而冷泉各子系統間由于構造性質不同，水力聯系也有所差異。

2.1 邊界水文地質特征

(1)黃山巖脈-牛角店斷裂。黃山巖脈：主支南起平陰鎮鄭家峪北，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 濟南單斜巖溶水系統分級示意圖

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巖，斷距僅20m左右。依據以往水文試驗資料，斷裂兩側水力聯系密切，即牛角店斷裂具透水性質。

(2)馬山斷裂。馬山斷裂是一條規模較大的NW向的隱伏斷裂，橫切沉積蓋層，并使基底巖系產生較大位移。南起基底變質巖系分布區，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。依據以往水文試驗及監測資料，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造，僅在北部局部透水性較強，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的下閣老，經石嶺、港溝、劉志遠、徐家莊、大水坡，繼續向北延伸過黃河。長約39km，總體走向為NNW向，傾向SWW。根據以往鉆探、試驗及動態監測資料顯示，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，認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，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800m，兩端減小為70～80m。據以往勘探資料顯示，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，向斜構造加強了文祖斷裂的阻水性，基本可以視為一條隔水邊界。

2.2 相鄰泉域間水力聯系

濟南巖溶水系統南部冷泉系統實際上是一個有機聯系的整體，各子系統之間相互獨立又存在不同程度聯系。

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

(2)長孝巖溶水系統與趵突泉泉域巖溶水系統之間主要構造為馬山斷裂，依據馬山斷裂的水文地質特征，兩系統在崗辛以南受地表分水嶺控制，無水力聯系；崗辛以北至孫莊受阻水構造控制，基本無水力聯系；孫莊以北至老屯受弱透水構造控制，水力聯系較弱；老屯以北受透水構造控制，水力聯系密切。天然狀態下，長孝巖溶水系統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，而在人工大量開采以后，地下水補給方向取決于斷裂兩側水位高低，即由高水位補給低水位。

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

(4)白泉泉域巖溶水系統與百脈泉泉域巖溶水系統之間主要構造為埠村向斜-文祖斷裂，依據構造的水文地質特征，兩系統受阻水構造控制，水力聯系極其微弱，基本不存在明顯的側向補給關系。

3 結論

(1)以地下水系統理論為依據，將濟南巖溶地下水劃分了三級系統。明確了各級系統的邊界范圍、定名結果及相互水力聯系程度，從宏觀與微觀上進行了詳細闡述，便于加深對濟南泉水補給來源的認識，為泉水保護提供地質依據。

(2)從濟南巖溶水冷泉系統間相互關系可以看出，各子系統間既相互獨立又彼此存在一定水力聯系，子系統內部巖溶地下水開采達到一定程度時，即會對相鄰子系統產生影響。因此，泉水保護必須進行整體把控，不能局限于某一子系統內。

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

(4)建議開展區域大系統多目標保泉供水專題研究，通過數值模擬方法，優化巖溶地下水采補方案，逐步實現保泉與供水雙目標。

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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項目2012-045

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

P641.11

B

孫斌，彭玉明，李常鎖，等.濟南巖溶水系統劃分及典型泉域水力聯系[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.