魯中南泰安紙坊泉域巖溶水強徑流帶成因及特征

鄧啟軍 李偉 王雨山 呂琳 劉元晴 馬雪梅

摘要：近年來，魯中南地區巖溶地下水泉水流量衰減、干涸，水源地超采，巖溶塌陷等環境地質問題日益凸顯，迫切需要加強研究。以泰安紙坊泉域為例，探討了泉域內巖溶水強徑流帶分布、成因類型及典型水文地質特征，以達到合理開發、[JP+2]保護巖溶地下水的可行性。結果表明，巖溶水強徑流帶是有巨大調蓄功能并發育于淺部地下水積極交替帶的網絡狀強巖溶富水帶，其地下水動態穩定，成井率高且識別特征明顯，是本區巖溶水水源地開采的理想場所。研究強徑流帶系統的水文地質條件，掌握其規律，為進一步研究魯中南地區巖溶地下水提供了一條有效途徑。

關鍵詞：魯中南地區;巖溶水;紙坊泉域;強徑流帶;成因;水文地質特征

中圖分類號：P641文獻標志碼：A

Abstract：In recent years，environmental geological problems，such as，karst groundwater spring water flow attenuation，dryness，water source over-exploitation and karst collapse，have become increasingly apparent in central and southern parts of Shandong Provinces.It is urgent to strengthen this research topic.The distribution，genetic types and typical hydrogeological characteristics of karst water strong run-off belts in the Tai'an Zhifang spring area were investigated in this study?? In order to achieve the feasibility of rational development and protection of karst groundwater.The results showed that the karst water strong run-off belts was a network-like strong karst water-rich zone with a large regulation function and developed in the active alternating zone of shallow groundwater.The groundwater regime was stable，with a high rate of bore formation and obvious identification characteristics.It is an ideal place for the exploitation of karst water sources in this area.Investigating the hydrogeological conditions of the strong run-off belts system and mastering its laws provided an effective way to further explore the karst groundwater in the central and southern portions of Shandong.

Key words：central and southern parts of Shandong;karst water;Zhifang spring area;strong run-off belts;causes;hydrogeological characteristics

巖溶水是我國北方地區重要城市和工農業供水的重要來源，在區域的水資源組成中占有重要的地位，其以相對獨立、規模不等的巖溶水系統進行循環[1-5]。強徑流帶是北方巖溶區特有的一種宏觀的水文地質現象，它主要是以溶隙為主，與溶孔及溶洞交織組成的網絡狀地下水流比較集中強巖溶含水帶[6-9]，其對于北方地區巖溶水的勘探、開發和治理都具有非常重要的意義。

近幾十年來，我國北方有近30%的巖溶大泉斷流，80%以上泉水流量大幅度衰減，多數地區區域巖溶地下水位每年以1～2 m速度持續下降，同時，約有20%的巖溶水系統主排泄帶典型地下水的水質在Ⅲ類以下[10]。北方巖溶水系統從輸入、輸出到結構、水資源要素轉化關系發生了很大的變化[10-12]。魯中南地區亦同樣面臨著巖溶地下水泉水流量衰減、干涸，巖溶水源地超采等諸多問題。以筆者工作的沂蒙山區及大汶河流域為例，近幾十年消失的巖溶大泉就有郭娘泉（12 960 m3/d，20世紀70年代斷流），鵬山泉（11 369 m3/d，20世紀90年代斷流），辛莊泉（15 863.04 m3/d，2011年斷流）等，而其余較大的如西長旺泉，東泉等，其流量也呈不同程度的減小[13-14]。針對以上的情況，迫切需要加強以泉域為系統的魯中南巖溶地下水的研究。

紙坊泉群是在本次1∶5萬水文地質調查的基礎上新發現的一個典型獨立的封閉式泉排型巖溶水系統，其位于泰安市崅峪鎮紙坊-南崅峪村一帶，共有四個泉組成（圖1，圖2），分別為紙坊北泉（Q10，60.77 L/s），南崅峪村委泉（Q11，1.0 L/s），南滾泉（Q12，14.87 L/s），北滾泉（Q13，68.5 L/s），累計流量為0.145 m3/ s。泉域內發育有通向泉口的強徑流帶，分別是南白塔-紙坊，徐冶-青沙溝以及南冶-曹省莊強徑流帶。該泉域邊界范圍清晰，區內以季節性農業、生活用水為主，人為影響因素相對較小。因此，開展該泉域內巖溶水強徑流帶分布、成因類型及水文地質特征的研究，以此揭示魯中南地區巖溶水強徑流帶的一些典型水文地質特征并掌握其形成規律，進而合理地開發、保護本地區巖溶地下水資源。

1 紙坊泉域出露的地質條件

1.1 范圍與邊界

紙坊泉域位于大汶河一級支流牟汶河的匯河支流上游（圖2），其東以將山后—南白塔南北向斷層為隔水邊界，西以南白塔-店子-西南峪-牛角一線變質巖地表分水嶺為界，北、西北至崅峪巖體與碳酸鹽巖交界的位置，泉域面積21.45 km2，其中碳酸鹽巖面積約占90%。

1.2 地層概況

泉域內出露地層主要為太古界及古生界地層。太古界泰山群（Art）的巖性為黑云變粒巖，主要分布于泉域的西部。寒武系地層巖性為白云巖、泥頁巖、鮞粒灰巖、竹葉狀灰巖等，分布于泉域南部北白塔-帶以及南白塔-紙坊強徑流帶的中上游（圖2，J137孔至Q17段）。其中北白塔一帶，地層呈近東西方向條帶狀延伸，產狀343∠20;南白塔-紙坊強徑流帶的中上游段，受斷層構造影響，地層呈塊狀，產狀35∠25。奧陶系地層為下統三山子組（O1s）的細晶白云巖，分布于泉口排泄區及徐冶-青沙溝、南冶-曹省莊一帶，呈NE-SW方向條帶狀延伸，產狀340∠17。徐冶-青沙溝斷層（F4）為正斷層，受崅峪巖體侵入影響，斷層下盤上升，導致了三山子組a、b、c段及炒米店組（∈4O1c）上段在徐冶-南冶一帶重復出現。

2 紙坊泉域強徑流帶水文地質特征

泉域內3個巖溶水強徑流帶，其中南白塔-紙坊強徑流帶，沿著泉域西部NW方向斷層發育，長約6 km，寬約250～600 m，于牛角村一帶轉向北，紙坊泉群即出露于徑流帶末端與崅峪巖體的交界位置處。而徐冶-青沙溝及南冶-曹省莊強徑流帶，長約2.0 km，寬100～200 m，呈狹長狀。區內巖溶水強徑流帶水文地質特征明顯，歸納如下。

2.1 徑流帶的系統性和調蓄功能

巖溶水強徑流帶系統性主要體現在以下2個方面。（1）強徑流帶存在主干與次支，且徑流帶的主干、次支都直接與其兩側弱徑流區相聯系，并組成完整的徑流帶系統。整個泉域，南白塔-紙坊徑流帶為泉域的主徑流通道，長度最大，寬度最寬，主徑流帶的兩側，分布若干次級徑流帶及弱徑流區，主要起匯集泉域內巖溶地下水的作用。（2）巖溶含水系統與地下水流系統統一，強徑流帶系統中，弱徑流區的地下水首先就近流向次級徑流帶，次級徑流帶向主徑流帶匯集，再向巖溶大泉輸送。泉域內巖溶地下水具有統一的水流，沿水流方向，水量、化學組分等發生有規律的演變，強徑流帶內具有統一的地下水流場。同時，在整個強徑流帶內，又有很厚的巖溶含水層作為儲存空間，形成一座座具有良好儲存和調節功能的“天然地下水庫”，如位于主次徑流帶交匯的地段的南冶、店子等村，這些村子似乎是直接坐落于一個“地下水庫”之上。經過“地下水庫”的調蓄作用，將雨季和豐水期集中補給轉化為連續性的地下徑流，成為動態穩定的泉水。由此可見，強徑流帶既是地下水流系統又是有巨大調蓄功能的巖溶含水系統，具有雙重的系統性。弱徑流區對于泉域內地下水主要起涵養和調蓄作用，而狹長的徑流帶則主要起著匯集和疏導作用，這種系統性在沂蒙山區及大汶河流域各巖溶泉域中表現的非常明顯。

[BT3-*8]2.2 徑流帶是溶隙網絡狀的強巖溶帶

通過對主干與次支徑流帶上的鉆孔研究發現（圖3）：徑流帶中巖溶普遍發育有溶蝕裂隙以及小型的溶蝕孔洞，以溶蝕裂隙為主，其中溶蝕孔洞直徑一般0.08～0.15 m，多數無充填，僅1～2個位于徑流帶下游以及主、次徑流帶交匯部位的鉆孔中（如牛角村J137孔，南冶村J160孔），施工時揭露有稍大的溶洞（亦有可能是豎直的大溶隙），徑流帶內所有鉆孔均未見有大型管道狀溶洞。強徑流帶內發育的系列小型溶洞、溶孔及溶蝕裂隙相互交織形成的網絡狀的強巖溶帶[6]并通過溶蝕裂隙相互連通。

2.3 巖溶發育具有垂向分帶性及向泉性

圖3可以看出，該徑流帶內的巖溶發育共有三層。第一層發育于距地表17～25 m深度處，主要發育于紙坊泉群泉口處以及靠近泉口的鉆孔中（南白塔-紙坊徑流帶下游），以未被填充的小型溶洞為主，溶蝕裂隙次之。第二層主要發育于距地表50～80 m深度位置，是泉域內巖溶發育最為廣泛的一層，溶蝕裂隙及小型的溶蝕孔洞分布廣泛且占比相近。第三層主要巖溶發育于距地表118～200 m深度，較為分散且溶蝕裂隙占了絕對多數，因此巖溶發育具有明顯的垂向分帶性且隨著深度的增加，巖溶發育有逐漸減弱的趨勢。區內巖溶發育深度基本在200 m以淺，主要與泉域范圍較小溶蝕過程短有關。在平面上，亦可以看出越靠近泉口（徑流帶的下游），巖溶發育程度越高，以小型的溶蝕孔洞為主，而次徑流帶（徐冶-青沙溝徑流帶，溶蝕孔洞發育較好，與閃長巖體的侵入造成圍巖硅化、大理巖化有關）及弱徑流區則以溶隙為主，呈現了一種向泉性[6]的特征。

[BT3-*8]2.4 徑流帶為富水帶，成井率高

徑流帶不僅是泉域內地下水的導水通道，更是有巨大調蓄功能的含水系統，研究顯示，紙坊-南白塔徑流帶上（圖2），井孔密布，單井涌水量1 920～4 320 m3/d，且在連續抽水時，普遍降深不大，其中位于南白塔村東南強徑流帶上的Q17號巖溶泉，最枯時間段，其涌水量約為1 425 m3/d;如前文所述的南冶、店子等村，成井率更是達到100%。徐冶-青沙溝以及南冶-曹省莊徑流帶同樣亦是如此，井孔整體沿著徑流帶呈線性分布，但因匯水面積相對較小，該兩處單井涌水量1 200～3 600 m3/d。而位于弱徑流區的部分井孔（如：徐冶-青沙溝徑流帶的外圍J154、J158孔），主要巖溶水發育段170～200 m，單井涌水量最高僅720 m3/d，旱季時往往不能滿管抽水。由此可見徑流帶內成井率很高，單井涌水量大，是泉域內的富水帶，是巖溶水開采的理想地段。

2.5 徑流帶的出口為泉群，具承壓性

紙坊泉域為封閉式泉排性巖溶水系統。在排泄區紙坊-南角峪村一帶，不到1 km2的范圍內，出露的4個泉眼（圖1），該泉群位于碳酸鹽巖與燕山期崅峪閃長巖體的接觸帶，巖溶地下水運動到此處，受到閃長巖體的阻截，使地下水位抬高，進而隨著巖溶裂隙溢出地表成泉，此類泉為多具承壓性的上升泉，實際調查過程中有氣泡、涌砂等現象。泉水動態較為穩定，其中北滾泉（Q13）20世紀50至70年代曾引水進行地下發電。近年來，隨著泉域上游農業及生活用水，泉水流量已較以前有所減小，特別干旱年份的枯水期，泉群偶爾會斷流。

從整個泉域來看，由巖溶大泉集中排泄，而從排泄區局部來看，卻又是眾多泉點組成的泉群分散排泄。因為強徑流帶不具備地下暗河那樣大型的巖溶管道，而是由眾多的溶蝕裂隙、小型溶洞組成的網絡狀強巖溶帶，每一個分支延伸至地表，均能形成一個泉點。所以，本地區內巖溶泉群特別是若干泉組成的大巖溶泉群，往往是泉域內發育有強徑流帶的典型標志[6]。

2.6 徑流帶內地下水動態穩定，地下水流面呈槽谷狀

強徑流帶內地下水水位、水量變幅小，動態穩定，對于大氣降水入滲補給均有明顯的滯后反映，但南白塔-紙坊徑流帶作為泉域內的主徑流通道，其滯后時間明顯要比次級徑流帶及弱徑流區要短。據動態資料分析（圖4），紙坊-南白塔強徑流帶地下水位年際變幅3.31 m，動態變化極小，而徐冶—青沙溝徑流帶，因為匯水面積較小，年際變幅為8.75 m，地下水位動態變化較主徑流帶稍大。對比二者的動態曲線則可以發現，南白塔-紙坊徑流帶年際變化小主要是受次級徑流帶和弱徑流區對徑流帶內地下水調蓄作用的結果，由于徑流帶具有很強的導水性，狹長的徑流帶在巖溶泉域內起著排水渠的作用，不斷的匯集又不斷排泄。泉域內巖溶地下水的流網形態受構造和地形控制，呈自東南向西北徑流的總趨勢，其總的特征呈波狀起伏的輻型流面，在強徑流帶位置順著徑流帶方向形成槽谷狀地下水面。因為狹長的徑流帶在巖溶泉域中起著排水渠的作用，所以不論是豐水期還是枯水期，徑流帶內的地下水流面總是保持槽谷狀的形態，這種較為穩定的地下水谷形態是徑流帶地下水面的典型特征。

2.7 徑流帶地下水具有宏觀的滲流性質

強徑流帶中的巖溶地下水在局部較大的溶洞中呈紊流狀態，但在水流通過溶洞之間的裂隙或者較小溶孔時則為層流滲透運動，所以在整個溶隙網絡中地下水仍以層流為主，具有宏觀的滲流性質。以泉域內11月份統測為例：紙坊-南白塔徑流帶的水力梯度明顯地分為上中下游三段：自J137孔至泉口排泄點為下游段，水力梯度為3.4‰～4.6‰，自J137孔至J161孔為中游段，水力梯度為4.8‰，自J161孔至Q17為上游段，水力梯度為2.96‰。徐冶-青沙溝以及南冶-曹省莊徑流帶因徑流帶較短，其水力梯度分別為3.4‰、2.9‰。而弱徑流區（J154孔）與最近的徐冶-青沙溝徑流帶的水力梯度為7.4‰。由此可知，因徑流帶導水性強，有巨大的調蓄功能，所以水力梯度一般較為平緩且相較于弱徑流區的水力梯度要小很多，在強徑流帶的不同段中，往往水力梯度越小，顯示其地下水的富水性越好。

3 強徑流帶的成因分析

在發育有徑流帶的巖溶泉域中，徑流帶系統及徑流帶位置的分布是巖溶選擇性發育的結果[6]。劉光亞先生曾將巖溶徑流帶的成因類型總結為以下幾類[15]：接觸帶型、斷裂帶型、巖溶河谷型、河流滲漏集中補給型、淺拗向斜型、復合型。依據泉域內地層巖性、構造條件等，紙坊泉域的徑流帶的類型可以概括為接觸帶型、斷裂型以及復合型（圖5）。

（1）接觸帶型。可以分為垂向接觸型（a）和側向接觸型（c）。垂向接觸型（a）：南白塔-紙坊徑流帶中上游（圖2，J137孔至Q17段）其含水巖組為寒武系下統朱砂洞組（∈2zd）灰巖、白云巖，其直接與下伏泰山期的黑云變粒巖等隔水基底接觸，徑流帶集中發育于底板隔水層面之上，形成清楚的徑流帶底界面，所以寒武系下統朱砂洞組這一含水巖組，在魯中南地區，富水性普遍較好，形成了典型的“似層狀”的巖溶蓄水構造，是區內重要的供水目的層。分析其原因主要有三方面：①該套地層沉積時間較早，經歷了多期的構造運動，節理裂隙發育，易于巖溶發育;②該套地層與太古界接觸面上，普遍發育著較為特殊的緩波狀的滑脫構造[16-17]，屬脆性斷裂特征，沿不整合面發育有碎裂巖類構造巖，并同時伴隨有動力變質作用，滑脫構造造成了上覆朱砂洞組地層構造復雜，下伏地層構造簡單，進一步加劇了該層的巖溶發育;③該組與太古界基底直接接觸，上部巖溶水聚集且易通過節理、裂隙等得太古界變質巖山區的地表水直接的入滲補給，亦進一步的促進了朱砂洞組地層的巖溶發育。側向接觸型（c）徐冶-青沙溝徑流帶屬于側向接觸型，其北側為燕山期崅峪閃長巖體，巖體侵入于奧陶系下統三山子組（O1s）細晶白云巖。巖體與白云巖接觸部位，發生熱液蝕變作用，形成大理巖化和硅化，硅化會使巖性變硬、變脆，在以后的構造發育中，易形成裂隙發育帶;而大理巖化的地層又易于巖溶發育，因此在閃長巖體與白云巖的接觸部位巖溶發育程度好，形成了典型的接觸型徑流帶。

（2）斷裂帶型（b）。南冶-曹省莊徑流帶即為斷裂帶型。該徑流帶整體狹長，寬度小，含水介質的各向異性[18-19]最為明顯。強徑流帶沿NE方向的構造斷裂帶延伸，據J172號機井揭露，該孔施工至141 m左右，碰見有斷層，為該孔的主要出水段，位于該徑流帶的鉆孔，基本都位于該正斷層的迎水側[20-21]。

（3）復合型。往往是由多種徑流帶類型組合而成。南白塔-紙坊徑流帶中，雖其主要含水巖組為朱砂洞組的灰巖、白云巖，具垂向接觸型的特征，但沿該徑流帶，除與泰山期變質巖接觸部位發育有舒緩狀的滑動構造外，另發育有1～2條NW方向的斷層構造，整體呈張性、張扭性，可見有明顯的構造角礫巖，沿斷層見有泉水出露（如店子村東斷層泉等）。對于徑流帶內巖溶地下水的補徑排，NW方向斷層仍是起著主導的作用。南白塔-紙坊徑流帶為斷裂型、垂向接觸型二種成因類型的組合，所以，將該徑流帶的成因類型定義為復合型。

4 結論

紙坊泉域內巖溶水強徑流帶是以溶隙為主，與溶孔及小型溶洞交織組成的并發育于淺部地下水積極交替帶的網絡狀強巖溶含水帶。強徑流帶主要受構造裂隙控制，主干裂隙往往形成強徑流帶（徑流通道），而次級裂隙多為徑流帶兩側的弱徑流區。平面上，紙坊泉域內主徑流帶分布與區內主要控水構造方向一致，呈NW向，各向異性明顯;垂向上，巖溶水徑流帶則受隔水層控制，往往集中發育在底板（Ar3t）隔水層面之上，形成清楚的徑流帶底界面。巖溶水強徑流帶為富水帶，有較好的調蓄功能，地下水動態穩定，成井率高，單井涌水量大，是本地區巖溶水水源地開采的理想場所。魯中南地區廣泛分布寒武、奧陶系碳酸鹽巖，是我國北方巖溶發育具有代表性地區之一，其水文地質條件亦較為典型[22]，強徑流帶系統是開展該區巖溶地下水研究的關鍵點之一，因此查明區內強徑流帶的分布、成因類型、水文地質特征等對于本地區以及北方巖溶水的開發利用具有重要意義。

致謝：對參與野外調查及室內資料整理的項目組成員，成文過程中論文審閱人表示感謝。

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