泰安上泉泉域邊界特征與泉水保護

趙宏生

(山東鈺鏹地質資源勘查開發有限責任公司，山東 泰安 271000)

0 引言

上泉泉群是泰安市最大的巖溶泉群，泉點集中分布于上泉村內地形低洼處或溝渠內，有名字的泉點就有驢帶泉、龍泉、靈應泉、鄭家泉、荊棗泉等，無名的泉點隨地可見，泉水常年噴涌不息。經勘查研究，對上泉泉群的形成、噴涌條件取得了較充分認識[1]。本文以地下水系統理論為指導，對上泉泉域邊界、補徑排條件進行了研究，以期對泉水的保護起到促進作用。

1 地質概況

上泉泉群位于泰安市西南25km處的汶口凹陷東緣，地形東高西低、北高南低。東部云亭山、南山一帶丘陵區標高+105m～+143m，西部、南部山前傾斜平原區標高+91m～+100m。常年流水的南留河自泉域北部流經隱伏奧陶紀灰巖分布區。區內多年平均降水量680.50mm左右。

上泉巖溶地塊為一個以古生代寒武-奧陶紀碳酸鹽巖夾碎屑巖為主體的N傾單斜構造，總面積約25.22km2。寒武系出露于東部云亭山以北、南山以南丘陵區，為一套海相碳酸鹽巖夾碎屑巖沉積，巖性為云斑灰巖、泥質灰巖、竹葉狀灰巖、灰質白云巖夾粉砂質頁巖等，地層走向總體呈近EW向、NE向，傾向NW,N，傾角20°～45°，總厚度589.2m。奧陶系出露于泉域東北部南山一帶，隱伏或半裸露于泉群上游上泉至南留一帶山前傾斜平原區，地層走向近EW，傾向N，傾角20°～30°,巖性為灰巖、白云巖及其過渡類巖石，地層總厚度216.5m。古近紀官莊群隱伏于泉域西部汶口凹陷盆地內，朱家溝組巖性為灰質礫巖夾砂巖、砂礫巖，鈣泥質膠結，膠結致密，角度不整合于奧陶紀馬家溝群灰巖之上，地層厚度10m；大汶口組巖性為泥巖、鈣質頁巖。第四系廣泛隱伏于泉域西部山前傾斜平原及汶口凹陷盆地內，巖性為砂質黏土、黏土質砂(圖1)[2]。

1—第四紀臨沂組；2—古近紀大汶口組；3—古近紀朱家溝組；4—奧陶紀五陽山組；5—奧陶紀土峪組；6—奧陶紀北庵莊組；7—奧陶紀東黃山組；8—寒武紀三山子組；9—寒武紀炒米店組；10—寒武紀崮山組；11—寒武紀張夏組；12—寒武紀饅頭組；13—新太古代臥牛石單元；14—實測、推測地層界線；15—平行不整合界線；16—推測角度不整合界線；17—斷層及產狀；18—水文孔及編號；19—2017年豐水期等水位線；20—巖溶地下水流向；21—上升泉圖1 泰安上泉泉域水文地質略圖

2 泉域邊界特征

上泉泉群在構造與地貌位置上屬單斜構造的邊緣，泉水沿斷層上升成泉，呈面狀或帶狀成群噴涌，泉域邊界清晰，研究泉域邊界范圍和邊界條件，對開發利用上泉泉域巖溶地下水和保護泉水景觀具有重要意義。

2.1 東部邊界

泉域東部以南留斷裂為界。該斷裂總體走向320°，傾向SW，傾角80°左右，斷裂帶寬20～30m，沿斷裂帶可見斷層角礫巖、碎裂巖，力學性質顯示為張扭。斷裂東盤出露新太古代臥牛石單元片麻狀中粗粒含角閃黑云英云閃長巖，西盤為古生代寒武-奧陶紀碳酸鹽巖夾碎屑巖，斷層落差大于1700m。斷裂兩盤分屬塊狀巖類基巖裂隙水和巖溶地下水兩個不同的地下水系統，南留斷裂為泉域的東部邊界。

2.2 東南部邊界

泉域東南部以F18斷裂為界。斷裂走向38°，傾向NW，傾角75°左右，為一高角度正斷層。南東盤出露新太古代臥牛石單元片麻狀中粗粒含角閃黑云英云閃長巖，北西盤出露古生代寒武紀饅頭組紫紅色粉砂質頁巖夾薄層灰質白云巖。F18斷裂為泉域的東南部露頭邊界。

2.3 南部邊界

F3斷裂為泉域的南部邊界。斷裂走向305°，傾向SW，傾角80°左右，垂直斷距630m，東南部被F18，F16錯斷，斷裂性質為先張后扭。斷裂北盤隱伏寒武系碳酸鹽巖夾碎屑巖透水、弱透水地層，南盤隱伏古近紀官莊群大汶口組泥巖、頁巖夾砂巖等阻水地層。該斷裂為泉域的南部阻水邊界。

2.4 西部邊界

南段以F6斷裂為界。斷裂走向27°，傾向NW，傾角70°左右，具左行扭動特征。斷裂東盤主要為寒武-奧陶系灰巖、白云質灰巖，西盤為古近紀官莊群朱家溝組灰質礫巖夾砂巖和大汶口組泥巖、頁巖夾砂巖等阻水地層。該斷裂此段具阻水性質。

北段以奧陶紀馬家溝群灰巖與古近紀朱家溝組不整合接觸界線為界。界線東側為奧陶紀馬家溝群灰巖、白云巖透水地層，西側為鈣泥質膠結致密的朱家溝組灰質礫巖、頁巖夾砂巖阻水地層。

2.5 底界

對泉域底界未作詳細研究，泉域內古生代寒武-奧陶紀碳酸鹽巖夾碎屑巖覆于基底新太古界侵入巖之上，目前地質孔、水文孔均未揭穿該套碳酸鹽巖夾碎屑巖沉積地層，理論上泉域底界以侵入巖上界較為合理。據施工于上泉泉群附近該泉域內最深的水文孔ZK1揭露，孔深300m處仍可見灰巖溶孔、溶洞，節理裂隙呈張開狀、無充填。推測向深部隨著地層埋深的增大，巖溶發育程度將會呈現逐漸減弱的趨勢[3]。

3 巖溶地下水補給、徑流、排泄條件

3.1 地下水補給來源分析

上泉泉域巖溶地下水補給來源除大氣降水入滲補給外，還接受流經其北部隱伏奧陶紀灰巖分布區南留河的滲漏補給和勝利水庫季節性放水農灌回滲水補給，其動態變化受這些影響因素的影響和控制(圖2)。

1—降水量；2—泉群水位；3—補給區觀測點水位；4—泉群噴涌標高圖2 2017年上泉泉群巖溶水水位動態曲線圖

3.1.1 大氣降水入滲補給

大氣降水入滲對泉域巖溶地下水的補給作用明顯，水位的升降、泉群流量的大小與降水時間、多少密切相關。1—6月份區內降水稀少，地下水位呈波動下降狀態，一般至6月底出現全年最低水位；7月份以后隨雨季到來降水增多，地下水位迅速上升，至8月上中旬達到峰值，泉群水位也上升到標高+91.80m噴涌條件而噴涌，一般可持續噴涌至10月下旬左右，以后水位又隨降水減少呈現波動下降狀態。表明大氣降水對巖溶地下水位影響顯著，具有降深入滲補給快、間接補、連續排的特征[5]。

據動態觀測資料，2017年7月15日至19日降水量分別為12.5mm，8.8mm，6.2mm，7mm，62.9mm后，至19日上泉泉群的驢帶泉、龍泉、靈應泉、鄭家泉、荊棗泉等五大泉點幾乎同時噴涌，流量逐漸增大；7月27日至8月1日新一輪降水分別為41.9mm，70mm，4.2mm，10.7mm，2.5mm，4.4mm后，泉群最高水位出現在8月1日，流量也達到峰值9218.88m3/d，以后泉群流量逐漸減少并持續噴涌至10月30日，時間長達104d，泉域內其他巖溶地下水位觀測點水位上升時間與降水時間也高度吻合。表明大氣降水入滲是巖溶地下水的主要補給來源，地下水位對大氣降水響應滯后時間短，同時說明泉域內巖溶含水層裂隙巖溶發育、連通性好、補給能力強。經水均衡計算，泉域多年平均獲得大氣降水天然補給資源量約190萬m3/a，約占巖溶地下水系統補給資源量的37.9%。

3.1.2 灌溉回滲水補給

泉域外東側的勝利水庫一般于每年的3月5—20日當地小麥返青期、4月30日—5月10日小麥拔節期放水灌溉，9月30日—10月15日、11月15日—12月5日進行下一年度的小麥播種、播后冬灌放水，放水主干渠自泉域東北部流經并向西沿途延伸出許多支渠和毛渠，沿途通過隱伏奧陶紀馬家溝群灰巖分布區，灰巖埋藏淺，灌渠沿途滲漏和農田灌溉回滲水大量補給巖溶地下水，放水后地下水位普遍上升，停放后水位隨即緩慢下降，放水和停放的當日水位升降即有反映。動態監測表明，上泉泉群除雨季噴涌外還有四次噴涌時間段，與勝利水庫放水農灌時間完全吻合，說明灌溉回滲水是巖溶地下水的又一重要補給來源。根據灌溉區面積、灌溉方式、灌溉定額、回滲系數估算，泉域多年平均獲得灌溉回滲補給資源量約52萬m3/a，約占巖溶地下水系統補給資源量的10.4%[6]。

3.1.3 河水滲漏補給

南留河是泰安市境內最大河流大汶河的上游支流，自南留村向西南流經上泉泉域北部隱伏奧陶紀馬家溝群灰巖分布區。該河上游匯集大氣降水形成的地表徑流和勝利水庫壩下養魚池水滲漏，在南留村以上常年流水，過南留村后向西開始逐漸滲漏，至上泉泉群一帶河床變干涸，僅在雨季降水量較大時下游河段有河水徑流，表明南留河水滲漏補給巖溶地下水。經測流計算，泉域多年平均獲得南留河滲漏補給資源量約259萬m3/a，約占巖溶地下水系統補給資源量的51.7%[7]。

3.1.4 巖溶地下水補給來源同位素研究

利用大氣降水、河水、巖溶水氘(2H)、氧(18O)穩定同位素分析結果，繪制成δD-δ18O關系曲線圖(圖3)。從圖3可看出，河水、水文孔、泉群氘(2H)、氧(18O)穩定同位素測試結果接近一致，點位集中，且靠近中國東部地區降水曲線附近，表明河水、巖溶水的補給來源為大氣降水，同時巖溶水與河水點位靠近，佐證了巖溶水補給來源除大氣降水外，河水滲漏、水庫放水灌溉回滲水也是其重要補給來源[8]。

根據地下水是否受到核爆試驗產生的核爆氚(3H)標記，核爆試驗前(1953年)天然狀態下大氣降水氚濃度為10TU，根據法國J.ch.馮特經驗估算法，0～5TU為40年前的“古水”占優，5～40TU為新近入滲水與40年前“古水”的混合水為主。根據測試結果，大氣降水氚值為6.6±1.2TU、河水氚值為6.4±1.2TU、泉群氚值為6.1±0.7TU、水文孔巖溶水氚值為6.3±1.0TU，其氚值結果接近，表明河水、巖溶水補給來源均來自大氣降水，且泉域巖溶水為新近入滲水與40年前“古水”的混合水，與巖溶水的埋藏、補給、徑流條件相符。

1—雨水；2—地表水；3—水文孔巖溶水；4—泉群水圖3 各類型水體δD(氘)-δ18O(氧)關系圖

3.2 巖溶地下水徑流

從巖溶地下水等水位線圖看出，東部云亭山、南山丘陵一帶寒武-奧陶紀碳酸鹽巖夾碎屑巖裸露地表，是地下水的間接補給區，大氣降水入滲補給地下水，然后順地勢向西部下游徑流運移；南留、上泉一帶奧陶紀灰巖淺覆蓋或半裸露，大氣降水入滲直接補給地下水，是巖溶水的直接補給區，同時南留河水滲漏補給巖溶水，其水力坡度較大。地下水在向下游徑流運移中，至上泉泉群一帶因巖溶含水層被F6斷裂切穿使之與西側的古近紀官莊群大汶口組泥巖、頁巖夾砂巖等非含水地層接觸，非含水地層阻擋了地下水流，使地下水在非含水層的上游富集并產生壅水現象使水位抬高，使得受阻的地下水在上泉附近地形低洼處溢出地表形成上升泉，其成因類型屬侵蝕-斷層泉。地下水在上泉附近溢出地表后，繼續向泉域南部徑流，至后周家院、扈家石墻一帶巖溶地下水水位高于上部第四系孔隙水水位，逐漸向上頂托越流補給第四系孔隙含水層，屬非全排型巖溶泉群，即巖溶地下水除泉水排泄外,還以潛流形式排泄于第四系孔隙含水層，泉群流量不代表泉域內巖溶地下水系統的天然資源。

3.3 巖溶地下水排泄

3.3.1 泉群排泄

泉點集中分布于上泉村及其附近，泉群位于村中一北東向的溝谷東側，溝底零星出露古近紀官莊群朱家溝組灰質礫巖并與奧陶紀馬家溝群灰巖接觸，二者接觸界線明顯，接觸部位即為F6斷裂通過位置，灰質礫巖膠結致密。斷裂東盤地表零星出露奧陶紀馬家溝群灰巖，巖溶形態呈溶芽、溶溝、溶槽、臥牛石狀(圖4)[9]。2015年以前泉群常年噴涌，此后因泉群上游工業用水開采量的增加，僅在每年的雨季、勝利水庫季節性放水農灌期間呈間歇性噴涌，泉群排泄是巖溶地下水的排泄途徑之一。經測流計算，泉群多年平均排泄量約34萬m3/a，約占巖溶地下水系統補給資源量的6.8%。

1—砂質黏土；2—泥巖；3—砂巖；4—灰巖；5—斷層；6—巖溶水位；7—泉群；8—泉群噴涌標高圖4 上泉泉群出露水文地質條件示意圖

3.3.2 開采排泄

上泉泉域內開采排泄包括生活、農灌和工業用水開采[10]。

泉域內開采巖溶水用于生活用水的村莊僅有南留村、上泉村，其他村莊均接入自來水管網，其開采特點是開采量小，對泉域巖溶地下水位的影響較小。經統計，泉域生活用水開采量約18萬m3/a，約占巖溶地下水系統補給資源量的3.6%。

農灌開采是非勝利水庫放水灌溉區或遠離灌渠區，當地一般于每年的3月5—20日小麥返青期、4月30日—5月10日小麥拔節期開采巖溶地下水井灌，域內農灌機井30余眼，開采時間集中、開采量大、連續開采，短期內可造成泉域內巖溶地下水位的大幅快速下降。農灌季節過后停采并隨著雨季到來，大氣降水再次補給巖溶水，水位又出現迅速回升。農灌開采是巖溶地下水的排泄方式之一，根據泉域內井灌面積、灌溉方式、灌溉定額估算，扣除灌溉回滲量凈開采巖溶水約68萬m3/a，約占巖溶地下水系統補給資源量的13.6%。

泉域內工業用水開采有山東泰山玻纖有限公司、山東泰山巖棉有限公司、山東泰安紙面石膏板有限公司等三家單位自備井，年開采總量約136萬m3/a，約占巖溶地下水系統補給資源量的27.1%。其開采特點是連續開采、長期消耗地下水資源，使地下水位處于長期緩慢下降態勢。工業開采是泉域巖溶地下水的重要排泄方式。

3.3.3 徑流排泄

從巖溶地下水等水位線圖看出，巖溶地下水自東而西徑流至泉域西部上泉泉群噴出地表后，繼續向泉域南部徑流運動，水位逐漸高于上部第四系孔隙水水位，從而向上頂托補給第四系孔隙水發生越流排泄。經水均衡計算，多年平均越流排泄量約245萬m3/a，約占巖溶地下水系統補給資源量的48.9%[9]。

3.3.4 蒸發排泄

蒸發是各類地下水排泄的消耗項之一，除受氣象因素影響外，還與地形地貌、地層巖性、植被覆蓋、地下水位埋深等因素有關，一般當地下水位埋深大于3m時蒸發作用可忽略不計。據動態觀測資料，泉域內巖溶地下水位埋深小于3m的范圍，僅局部出現在上泉泉群一帶，分布范圍小，泉域內巖溶水蒸發排泄量輕微[11]。

4 泉水保護

經計算，上泉泉域多年平均獲得的補給資源量約501萬m3/a，現狀排泄資源量約256萬m3/a，剩余徑流排泄資源量約245萬m3/a，總補給資源量大于泉群、開采排泄資源量，表現為正均衡。計算地下水開采程度指數β為0.88，介于0.7<β≤1.0之間，根據《DZ/T0282—2015水文地質調查規范(1∶50000)》評價，現狀巖溶地下水開采程度高，從保護泉群景觀角度考慮，上泉泉群上游應禁止增采巖溶地下水，否則會出現泉水停涌，2015年以后泉群呈間歇性噴涌即是其外觀表現。考慮經濟發展用水需求，可在上泉泉群下游隱伏寒武紀炒米店組灰巖、張夏組灰巖分布區適當布井，奪取部分徑流排泄資源量，對泉群噴涌不會產生太大的影響。同時，考慮巖溶發育的不均勻性，應采用物探方法尋找斷裂構造有利部位確定井位，以保障井孔的出水量[12-15]。

5 結語

上泉泉群是泰山市最大的巖溶泉群，也是泰安市重要的泉水景觀資源。經勘查研究，泉域邊界清晰，由斷裂構造、地層巖性控制，地下水補給來源有大氣降水入滲、南留河滲漏補給、泉域外勝利水庫放水灌溉回滲水補給，與地下水補給來源同位素研究結果吻合。經計算巖溶地下水現狀開采程度高，為保護上泉泉群景觀資源，本著“先看后用”的原則，應禁止在泉群上游增采巖溶地下水。考慮經濟發展用水需求，可考慮在泉群下游隱伏寒武紀炒米店組灰巖、張夏組灰巖分布區適當布井，奪取部分徑流排泄資源量，對泉群噴涌不會產生太大的影響。