山東省濟南市區泉水與西郊巖溶水水力聯系的研究

于令芹 馬河寬 齊歡 劉傳娥

摘要：為進一步查明濟南市區泉水與西郊巖溶地下水的水力聯系，從地層結構、水動力場角度，通過抽水試驗、示蹤試驗、制作Piper三線圖等方法，進行了系統分析。研究表明，西郊劉長山—郎茂山—萬靈山一帶地下水流場不存在異常，兩側等水位線連續平緩，水位大致相同；劉長山北側槐苑廣場—九中—十四中一帶在埋深350m左右揭露連續的巖溶含水地層，市區和西郊通過隱伏于巖漿巖體的三山子組地層巖溶發育段存在水力聯系。市區泉水與西郊巖溶地下水水化學類型一致，二者具有相同的演化環境，水力聯系密切。

關鍵詞：巖溶含水層；抽水試驗；地下水；濟南市；山東省

中圖分類號：P641.11

文獻標識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.07.001

引文格式：于令芹，馬河寬，齊歡，等.山東省濟南市區泉水與西郊巖溶水水力聯系的研究［J］.山東國土資源，2023，39（7）：1-6. YU Lingqin， MA Hekuan， QI Huan， et al. Study on Hydraulic Connection Between the Springs in Ji'nan City and the Karst Water in Western Suburbs in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（7）：1-6.

0 引言

濟南是著名的“泉城”，清冽甘甜的泉水使濟南成為具有歷史悠久、文化底蘊深厚的名城之一。歷史上市民長期以優質的地下水為生活飲用水源，但從20世紀70年代初開始，地下水被過度開采，加之城市建成區不斷擴張而導致的入滲減少，造成泉域地下水位下降［1-3］。近年來，濟南市采取了封井節流、人工補源等［4-6］措施取得一定成效，但如何處理好泉水持續噴涌和讓市民喝上優質地下水之間的矛盾仍然是濟南市政府和廣大市民普遍關心的重要問題。

國內學者針對濟南泉水的形成機理［7-9］、水化學特征［10-13］、泉域的邊界［14-16］進行了大量研究，但是市區泉水與西郊巖溶地下水的水力聯系一直存在爭議。一些學者認為市區與西部水力聯系密切：董詠梅等［17］對2003年6月濟西抽水試驗進行分析，證明濟南市區與濟西地下水之間存在密切的水力聯系；侯新文等［18］采用回歸分析法研究泉水位與水源地開采量的關系，證明濟南市區與西郊水力關系密切；張鄭賢等［19］利用灰色關聯的數學方法，從水位波動關聯角度研究濟南泉水與濟西地下水的聯系，論證兩者地下水位關聯性極強；齊歡等［20］通過經驗正交函數分析法分析了趵突泉泉域地下水位動態的變化特征，證明泉域巖溶含水層整體連通性較好，區內沒有明顯的地下阻水邊界。還有學者認為市區與西部水力聯系相關性不大。鄒連文等［21-22］通過濟南泉群涌水量與區域降水的回歸分析，論證濟南泉水與東南部巖溶漏水山區的降水關聯密切，濟西地區為獨立于濟南泉域之外的地下水系統［2］。

本文從當前濟南保泉供水迫切需要解決的問題出發，從地層結構、水動力場角度，采用停抽水試驗、示蹤試驗、水化學分析等水文地質技術方法進一步分析論證西郊巖溶地下水與市區泉水之間的水力聯系，為優化濟南市地下水利用布局，實現科學保泉供水提供依據。

1 研究區概況

研究區范圍為趵突泉泉域，東部邊界為東塢斷裂，西部邊界為馬山斷裂，北部邊界為奧陶系灰巖頂板400m埋深線，南部邊界為地表分水嶺［6］，總面積1658.9km2（圖1）。

1—斷裂；2—巖體界線；3—地表分水嶺；4—鉆孔編號及剖面線；5—水質取樣點；6—第四系；7—奧陶系；8—寒武系；9—巖漿巖圖1 研究區地質構造簡圖

研究區南依泰山，北臨黃河，地形南高北低，南部為綿延起伏的山區，北部為平原。研究區屬華北地層大區、魯西地層分區，泉域內地層分布有基底巖系和蓋層，屬二元結構。泉域內地質構造發育，主要分布有NNW向的千佛山斷裂、馬山斷裂、東塢斷裂、文化橋斷裂，近SN向的炒米店斷裂。

2 研究方法

本文綜合利用鉆探、水位動態分析、停抽水試驗、示蹤試驗、Piper三線圖等方法對市區泉水與濟南西郊巖溶地下水的水力聯系進行分析。其中，根據鉆孔揭露的地層巖性確定市區與西郊之間地層的巖溶發育情況和含水地層的連續性；通過等水位線和水位動態曲線判斷濟南西郊和市區泉水在水動力場上的關聯性；根據抽水試驗、示蹤試驗結果論證西郊與市區存在水力聯系；通過Piper三線圖的結果，分析濟南市區泉水和西郊巖溶地下水的水化學類型。

3 結果與分析

3.1 地層結構

本次在濟南西郊劉長山—郎茂山—萬靈山一帶布設3眼鉆孔。市區與西郊之間僅存在千佛山斷裂一條大型區域性斷裂（圖2），斷裂兩側地層雖存在一定錯動，但兩側的三山子組地層有一定聯系。千佛山斷裂以西的炒米店組至馬家溝群各組地層空間分布連續穩定，濟南西郊—市區一帶巖溶地下水均賦存于該大型含水巖組內。劉長山北側槐苑廣場—九中—十四中一帶沒有明顯的阻水構造，埋深350m左右揭露連續的巖溶含水地層，市區泉水和西郊巖溶水通過隱伏于劉長山北側侵入巖體的三山子組地層存在水力聯系。

3.2 水動力場

劉長山—郎茂山—萬靈山一帶位于千佛山斷裂西盤的低丘、殘山區，兩側的中奧陶系石灰巖含水層在時代、巖性、產狀、空間展布上整體一致。雖然劉長山、郎茂山、萬靈山3個相對孤立的低丘呈SN向分布，形成局部的地表分水嶺，但灰巖地區地下水通過裂隙巖溶保持聯通。等水位線圖（圖3）表明，劉長山—郎茂山—萬靈山一帶兩側沒有水位突變，等水位線連續平緩、水位大致相同，地下水流場在該地區并不存在異常，濟南西郊巖溶地下水和市區泉水在水動力場上具有聯系。

槐苑廣場、九中、十四中和趵突泉的水位動態曲線表明（圖4），市區與西郊的水位變化規律基本一致，呈現出“同升同降”的趨勢，槐苑廣場—九中—十四中—市區一帶地下水連通性較好，總體趨勢西郊地下水位高于市區泉水位。

3.3 停抽水試驗

對九中、十四中、槐苑廣場3個鉆孔進行抽水試驗。九中鉆孔抽水量為102m3/h（2448m3/d），水位降深25.5m；抽水量為60m3/h（1440m3/d），水位降深6.32m。十四中鉆孔抽水量為90m3/h（2160m3/d），水位降深28.2m；抽水量為84m3/h（2016m3/d），水位降深25m；抽水量為70m3/h（1680m3/d），水位降深21.9m。槐苑廣場鉆孔在埋深418m時出現明顯漏水情況，當抽水量為260m3/h（6240m3/d），水位僅降深4.0m。表明槐苑廣場—九中—十四中一帶地層整體富水性較好。

對九中鉆孔進行抽水試驗，觀測孔位于劉長山—郎茂山—萬靈山一帶西側的K05鉆孔（圖3）。抽水試驗S-t曲線（圖5）顯示抽水開始后1.5h，K05觀測孔水位開始有下降的趨勢；抽水開始后1.5～11h，觀測孔水位下降速率較快；抽水開始后11～27h，觀測孔水位下降速率變緩至穩定，穩定后的水位降深為0.7m。抽水停止后2h觀測孔水位開始有上升的趨勢，上升速率逐漸由快變緩，停抽后30h，觀測孔水位基本恢復至初始水位。根據主孔抽水時觀測孔水位的反應時間、反應速率等，說明劉長山—郎茂山—萬靈山一帶兩側存在水力聯系。

3.4 示蹤試驗

為查明濟南巖體與灰巖接觸帶地下水連通情況，2021年2月21日于九中進行鉬酸銨示蹤試驗。試驗前對投源井和觀測井的水位進行觀測，并采取各自水樣進行化驗。其中九中鉆孔作為投源井，共投放示蹤劑50kg，十四中鉆孔作為觀測井，水樣送往中國冶金地質總局山東局測試中心進行測試。

示蹤試驗前測得九中鉆孔地下水位28.76m，十四中鉆孔地下水位27.51m，九中地下水位高于十四中。十四中鉆孔Mo離子背景值為0.21μg/L，3月10日測到Mo離子濃度呈現上升趨勢，3月15日Mo離子濃度達到監測峰值0.5μg/L，約為背景值的2.5倍，然后呈現下降趨勢，并逐漸趨向于穩定。該示蹤試驗證明九中—十四中一帶地下水通過輝長巖裂隙存在水力聯系（圖6）。

3.5 水化學分析

Piper三線圖結合地質水文地質條件，可以分析地下水化學成分的演變規律。圖7、圖8為2022年濟南市區、西郊巖溶地下水枯水期和豐水期的水化學Piper三線圖，全部巖溶水落點區域堿土金屬離子大于堿金屬離子，弱酸根大于強酸根，碳酸鹽硬度大于50%，表明地下水化學特征為堿土金屬離子和弱酸根為主，市區趵突泉、黑虎泉等泉水與西郊巖溶水落在相同區域。

圖7 市區和西郊水化學類型三線圖（2022年枯水期）

位于濟南西郊的HY鉆孔含水層為三山子組地層，地下水化學類型為HCO3-Ca型，與市區泉水主要含水層和水化學類型相同。JZ鉆孔和SSZ鉆孔地下水主要來自輝長巖裂隙導通的巖溶水，以及輝長巖裂隙中的水，地下水化學類型為HCO3-Ca·Mg型。其他西郊巖溶地下水（圖1）含水層為馬家溝群地層，與三山子組含水層上下連通，水化學類型為HCO3-Ca型。濟南市區泉水和西郊巖溶地下水在水化學類型上具有一致性，表明市區和西郊地下水具有相同的演化環境。

4 結論

（1）從地層結構角度，劉長山北側槐苑廣場—九中—十四中一帶沒有明顯的阻水構造，埋深350m左右揭露連續的巖溶含水地層，市區泉水和西郊巖溶地下水通過隱伏于劉長山北側侵入巖體的三山子組地層巖溶發育段存在水力聯系。

（2）等水位線圖表明劉長山—郎茂山—萬靈山一帶兩側沒有水位的突變，等水位線連續平緩、水位大致相同，西郊巖溶地下水與市區泉水水位動態變化規律基本一致，地下水流場在該地區并不存在異常，西郊巖溶地下水和市區泉水在水動力場上具有聯系。

（3）抽水試驗說明槐苑廣場—九中—十四中一帶地層整體富水性較好，劉長山—郎茂山—萬靈山一帶兩側存在水力聯系。九中示蹤試驗證明九中—十四中一帶地下水通過輝長巖裂隙存在水力聯系。市區泉水和西郊巖溶地下水在水化學類型上具有一致性，表明二者具有相同的演化環境。

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Study on Hydraulic Connection Between the Springs in Ji'nan City and the Karst Water in Western Suburbs in Shandong Province

YU Lingqin1，2，MA Hekuan1，2，QI Huan1，2，LIU Chuan'e1，2

（1. No.801 Hydro-engineering Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， Shandong Ji'nan 250014， China； 2. Shandong Underground Water Environmental Protection and Remediation Engineering Technology Research Center， Shandong Ji'nan 250014， China）

Abstract：In order to further identify hydraulic connection between Ji'nan springs and karst groundwater in western suburbs，? from the perspective of stratigraphic structure and hydrodynamic field through pumping tests， tracer tests， and Piper trilinear diagrams making， hydraulic connection between the two has been analyzed in this paper. It is showed that there is no abnormality in the groundwater flow field in Liuchangshan—Langmaoshan—Wanling Mountain in western suburbs， and the water level is about the same on both sides with a continuous and gentle isohyaline line. A continuous karst aquifer has been revealed in Huaiyuan Square—No.9 Middle School—No.14 Middle School on the north side of Liuchangshan at a depth of about 350m. There is a hydraulic connection between the urban area and the western suburbs through karst development section of Sanshanzi formation， which is hidden in magmatic rock body. The spring in the urban area and the karst in the western suburbs are of the same hydrochemical type. They two have the same evolutionary environment and close hydraulic connection.

Key words： Karst aquifer; pumping test; underground water; Ji'nan city; Shandong province

收稿日期：2023-01-18；

修訂日期：2023-02-06；

編輯：曹麗麗

基金項目：國家自然科學基金項目（41472216），國家自然科學基金項目（41772257）

作者簡介：于令芹（1984—），女，山東煙臺人，高級工程師，主要從事水文地質環境地質工作；E-mail：154175416@qq.com

通訊作者：齊歡（1986—），男，河北邢臺人，高級工程師，主要從事水文地質環境地質工作；E-mail：943314446@qq.com