城市擴展對趵突泉泉域直接補給區保泉能力影響

孫斌，高文鋒，魏月，雷炳霄，畢棟威

(山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊(山東省地礦工程勘察院)，山東 濟南 250014)

濟南是以泉水著稱的國家級歷史文化名城，其水資源問題具有代表意義，它不僅關系到濟南城市的未來發展，更決定著泉城特色和城市形象[1]。近60多年來，泉水經歷了高水頭持續噴涌-低水頭衰減枯竭-人工調控復涌3個變化階段[2]。自2003年以來，泉水實現了16年持續噴涌，但與20世紀五六十年代相比，噴涌水位、流量已經無法恢復如初，受人工開采、生態環境破壞、城市擴展等[3-9]多方面影響。泉水動態變化對濟南市社會經濟、環境有著重大影響，同時城市發展也反作用于泉水動態。許多學者、研究機構從不同角度對濟南市的泉水進行了科學研究，特別在地下水補給方面，開展了回灌補源[10-12]、引黃、引江補源[13]、海綿城市[14-15]及典型滲漏帶保護開發與評價[16]等大量工作；在直接補給區滲漏帶方面研究，山東師范大學黃春海教授首次提出強滲漏帶概念，指出濟南地市泉域補給區范圍內存在24個強滲漏帶[17]，2014年，山東省水利科學研究院和濟南市水利局提交了“濟南泉域重點強滲漏帶調查與保護修復規劃”成果，劃分了24個強滲漏帶類型、范圍與保護紅線(1)濟南市水利局,山東省水利科學研究院,濟南泉域重點強滲漏帶調查與保護規劃,2014年。。目前，對于泉域直接補給區城市化影響以點狀研究多，而面上研究相對較少，該文在前人研究的基礎上，利用1954年—2015年期間的城市擴展資料，通過3S技術，從時空角度開展城市擴展導致泉水直接補給區面積變化及地下水補給量減少等方面的研究，分析揭露直接補給區入滲功能變遷及其對保泉能力的影響，為直接補給區保護和恢復治理提供參考。

1 泉域功能分區

趵突泉泉域巖溶地下水主要是由南部大氣降水入滲補給和地表水滲漏補給后，沿地形和地層傾向向北運動，在山前受火成巖阻擋后巖溶水富集。千佛山地塹內四大泉群涌出地表，為典型的單斜自流構造。根據巖溶水的補給、徑流、匯集、排泄條件，將趵突泉泉域巖溶水系統功能自南向北劃分為巖溶水間接補給區、直接補給區、匯集排泄區(圖1)。

1—泰山巖群；2—寒武系；3—奧陶系；4—火成巖；5—斷層；6—泉圖1 趵突泉泉域功能分區剖面圖

間接補給區主要指南部山區的變質巖、寒武紀饅頭組和寒武紀張夏組分布區，面積為977.18km2。

直接補給區為南部丘陵區及山前平原廣泛分布的寒武紀炒米店組—中奧陶系灰巖區，面積為451.79km2。其與市區泉水聯系最為密切，是關系泉水保護的重要地帶。因灰巖地表、地下裂隙巖溶發育，組成復雜的巖溶網絡系統，易于接受大氣降水及間接補給區匯水入滲，快速反應“三水”轉化規律。同時，因地表巖溶發育，巖石裸露或覆蓋層薄，其生態環境也相對脆弱，易于遭受人類活動破壞，且恢復治理難度較大。因此，加強直接補給區保護對保持泉水持續噴涌至關重要。

匯集排泄區接受降水和地表水滲漏補給的巖溶水，在直接補給區受地形和單斜構造的控制，由南向北徑流運動，在西郊北部受下伏石炭二疊系地層阻擋，在市區和東郊高新區受深厚的火成巖阻擋，使巖溶水在接觸帶附近集蓄，面積為301.03km2。

2 濟南城市化進展及其影響

2.1 城市擴展特征

根據多時像遙感解譯，1954年濟南城區面積僅僅28.89km2，城區位于解放橋西，棋盤街、八一禮堂、南辛莊以北范圍，占用直接補給區面積僅1.985km2。隨著社會經濟發展，城市規模逐漸增大，城市擴展方向主要向東、東南、南、西南方向發展。1970年前后城區面積為56.10km2，80年代為74.19km2，2000年為204.49km2，2010年為347km2，至2015已經擴展到390km2(圖2)。從城市擴展速度看，60多年來濟南城區面積經歷了由緩慢增長到快速增長到爆發式增長3個階段。1954—1980年年均擴展面積1.74km2，1980—2000年年均擴展面積6.52km2，2000—2015年年均擴展面積12.37km2。可以看出，城鎮化南擴速度最快時間段在20世紀80年代以后，尤其是在21世紀初期，而且主要向南部奧陶紀灰巖區擴展。如今東郊高新技術產業開發區、大小漢峪、孟家、中井、荊山、漿水泉、羊頭峪、八里洼、千佛山、太平莊、興隆-土屋、金雞嶺、十六里河、九曲、七賢鎮、南北康而、臘山、黨家莊及長清大學城等一帶，奧陶紀灰巖地表巖溶相對發育區，已基本被規劃和建設為各類開發區。

2.2 城市擴展影響

(1)直接補給區面積逐漸萎縮

60多年來，濟南城市發展空間的擴展不斷向南部山區蔓延，而這些地段恰恰是地下水的直接補給區，是泉水的源頭。截至2015年，趵突泉泉域內被侵占直接補給區面積由20世紀50年代的1.985km2擴大至130km2(圖3)。其中，1954—1980年，累計侵占面積為8.36km2，年平均侵占面積為0.32km2，1980—2000年，累計侵占面積為42.93km2，年平均侵占面積為2.15km2，2000—2015年，侵占面積為76.73km2，年平均侵占面積為5.11km2，這一變化趨勢與濟南城市擴展速度和方向基本吻合。

1—1954年主城區范圍;2—1970年主城區擴大范圍;3—1981年主城區擴大范圍;4—2000年主城區擴大范圍;5—2010年主城區擴大范圍;6—2015年主城區擴大范圍圖2 1954—2015年濟南市主城區擴展圖

圖3 直接補給區被侵占面積變化圖

(2)城市表流、洪澇增多

隨著市區河道被擠占、襯砌，加之南部山區地面固化面積急劇增加，使下墊面不透水層大大增加，下滲量和蒸發量減少，導致地表徑流量隨城區擴展逐漸增加[18]，自20世紀60年代至90年代，部分地區徑流系數由0.5增加到0.9。地表徑流量增加，使城區容易產生洪澇災害。自1949—2007年，濟南發生洪澇災害28次[19]，平均每兩年一次，如2007年7月18日，濟南市區3小時降水量達180mm[20]，大量地表徑流由南部丘陵區向城區低洼處匯集，由于水量大且湍急，市區部分交通中斷，泄洪河道外溢，造成人員傷亡和財產損失。

3 直接補給區面積削減對保泉影響

直接補給區地表溝谷滲漏是巖溶水最重要的補給場所，同時山坡、山腳的土壤、植被等對于小流域內的水源涵養及匯集也具有重要作用。因此，強滲漏帶的劃定必須具有流域概念，該次根據前人成果依據滲漏溝谷所處小流域將北沙河、玉符河及其以東直接補給區重新劃分為24個強滲漏小流域。這些小流域內的河道、干谷是決定滲漏的關鍵部位。然而，隨著城市發展眾多河道、干谷遭到破壞、填埋、改道、變窄、防滲等(表1、圖4)，致使小流域滲漏功能遭受不同程度破壞，影響地表水入滲補給量。根據其破壞程度大小大致可以劃分為3類：

(1)滲漏功能基本消失

自20世紀80年代至21世紀初，城市擴張迅速，致使臘山-文莊、雙龍-九曲、東西八里洼、太平莊、羊頭峪及石河嶺6個河谷強滲漏小流域被城市侵占，總面積約48.33km2。其關鍵河道、干谷已經被地面硬化、襯砌防滲，原本應滲入地下的地表水基本轉化為地面徑流，沿行洪河道北向流走，無法補給泉水，小流域內滲漏功能基本消失。

表1 城市擴展對直接補給區強滲漏小流域影響統計

(2)滲漏功能部分消失

21世紀以來，城市建設始終未能停止向南部泉水直接補給區擴張，尤其是近十幾年來，城市侵占南部直接補給區現象日趨嚴重。北沙河、分水嶺-北康而莊、興隆-土屋、小嶺、漿水泉、中井-下井、孟家-龍洞、大澗溝和南北胡-劉志遠9個河谷強滲漏小流域正逐步被城市侵占，其關鍵滲漏河道、干谷被占比例普遍超過40%。其中分水嶺-北康而莊及南北胡-劉志遠強滲漏小流域內河道、干谷被占比例更是超過70%；小嶺強滲漏小流域雖然被占比例僅26.05%，但其關鍵滲漏河谷面積僅1.19km2，且流域內地表水匯集后大部分向興隆-土屋小流域內徑流并下滲，而興隆-土屋強滲漏小流域內關鍵滲漏河道、干谷被占比例已經達到44.12%。北沙河強滲漏小流域內前大彥至魏莊河段已開發成園博園景區，河道被完全防滲處理，其關鍵滲漏河道5.57km2被占2.57km2，達到45.24%，且園博園景區南北兩側城區開發已有9.12km2。9大河谷強滲漏小流域內43.25km2的關鍵滲漏河道、干谷被占面積總計22.85km2，被占比例達到52.83%，并仍在繼續開發中。而且，幾條河道上修建的水庫原本在雨季蓄水后可滲入補給巖溶水，現皆采取防滲措施，水庫水無法入滲，大多蒸發，如興隆、漿水泉、孟家水庫等。小流域內地表水滲漏補給量大幅削減，小流域滲漏功能已部分消失，并有加速發展趨勢。

(3)滲漏功能近似完好

在南部低山丘陵的河谷強滲漏小流域還未受到城市集中開發影響，主要以村落低密度零散開發為主，破壞程度相對較小，基本保持了原有滲漏功能。主要分布在玉符河、泉瀘-錢家莊、礦村、店子-二仙、邵而-展村、車腳山-太平莊、澇坡-鄭家窩坡、河東-河西和侯家莊-義和莊9個強滲漏小流域。其關鍵滲漏河道、溝谷72.72km2，被侵占總面積14.2km2，各小流域被侵占比例均低于30%。玉符河強滲漏小流域關鍵滲漏河道雖然被城市侵占面積僅3.26%，但由于臥虎山、錦銹川等水庫截流，河道徑流減少，挖砂后出現采補不平衡，使河床下切，坑洼不平，河道表層2m內粗砂已挖盡，僅剩大量卵礫石。河道溝谷寬度變窄，滲透性降低，涵養水源能力減弱，大大降低了地表水入滲補給量。

總之，直接補給區是趵突泉泉域重要的巖溶地下水補給場所，此區域巖溶地層裸露、巖溶裂隙發育，分布眾多河流及溝谷(巖溶干谷)，為大氣降水入滲和地表水滲漏轉化地下水提供了有利條件。據資料統計，截至2015年，城市發展空間因向東南、南、西南三面擴展，造成泉域地下水直接補給區面積減少約29%。其中，強滲漏小流域內的河流、溝谷侵占破壞總面積約85.38km2。地面固化、溝谷侵占等使降水入滲量大大減少，直接影響泉水補給量。粗略計算多年平均降水量648mm，奧陶紀灰巖平均降水入滲系數0.42，降水入滲量減少9.7萬m3/d。

除此之外，干谷、河道破壞還有另外2方面影響，一是在短時強降雨條件下，增加了地表徑流量，減少入滲量，對城區造成洪澇威脅；二是當來自南部間接補給區地表水流經直接補給區的溝谷時，同樣也無法入滲補給巖溶水，進而轉化為地表徑流白白流走。因此，直接補給區破壞對泉水補給量削減影響遠遠超過估算的9.7萬m3/d。

1—強滲漏小流域;2—河道、溝谷;3—已喪失滲漏功能;4—部分喪失滲漏功能;5—泉域范圍圖4 趵突泉泉域直接補給區內強滲漏小流域滲漏功能破壞示意圖

4 結論與建議

濟南城市擴展經歷了由緩慢增長、快速增長、爆發式增長3個階段，趵突泉泉域直接補給區面積削減也隨之相應變化。直接補給區面積逐漸萎縮，城市表流、洪澇增多。直接補給區是泉水的重要補給地帶，從流域角度重新劃定了24個強滲漏小流域。截至2015年，濟南城區不斷南擴，累計侵占直接補給區130km2，導致24個強滲漏小流域內的85.38km2主滲漏溝谷受到破壞，入滲功能受到不同程度影響，其中6個滲漏功能基本消失，9個滲漏功能部分消失，僅9個滲漏功能近似完好。直接補給區面積減少，導致泉水入滲補給量削減約9.7萬m3/d。

隨著城市發展速度加快，為避免泉水直接補給區進一步遭到破壞，建議著重加強對現存18個強滲漏小流域的地質環境保護與修復，統籌小流域內山、水、林、土、草生態系統的保護，加強小流域內山坡-山腳-山谷局部水循環的整體保護與修復。針對已經完全喪失功能的6個強滲漏小流域，在有條件的情況下，考慮對八里洼東西溝、羊頭峪大溝、漿水泉大溝、窯頭大溝、孟家大溝、漢峪大溝原滲漏段進行修復，并增加地表水滯留促滲工程，逐步恢復其入滲功能。