山東省泰安市巖溶地下水系統劃分及循環模式分析

高菡 宋一心 劉博瀚 陳小雪

摘要：為細化巖溶水系統劃分，以更加精細地進行巖溶水資源開發與利用，對山東省泰安市巖溶地下水系統進行厘定，分析了其巖溶水循環模式。結果表明：泰安市巖溶地下水資源豐富但分布不均，依據劃分原則與方法，可劃分為2個一級巖溶水地下水系統，6個二級巖溶地下水系統；巖溶水循環模式分為單斜盆地循環模式和巖溶斷塊循環模式兩類，不同循環模式具有相對不同的循環特征與規律。依據水文地質條件不同，巖溶水循環可分為淺、中、深三種循環機理。

關鍵詞：巖溶地下水系統；巖溶水循環；山東省泰安市

中圖法分類號：P641 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.005

文章編號：1006-0081（2024）02-0029-05

0 引 言

巖溶水資源以相對獨立、規模大小不等的巖溶系統進行循環，在城市發展和工農業用水中發揮著重要作用。20世紀60年代，托特（Tóth）提出了復雜盆地下的地下水流結構特征，將流動系統理論推廣到了非均勻介質場，奠定了地下水系統理論的基礎。中國正式開始對地下水流系統的研究是在20世紀80年代，陳夢熊等總結了地下水系統概念及其理論，介紹了其研究方法；梁杏等提出對地下水流系統數值模型進行應用研究，拓寬了地下水系統的研究方法。隨著水文地質學者陸續將地下水系統應用到區域水文地質工作中，地下水系統理論與方法也日趨完善，先后完成了西南巖溶水系統、華北平原、鄂爾多斯盆地、黃河流域等地區地下水系統劃分工作。

泰安市地處山東省魯中地區，主要含水層為古生代寒武-奧陶系碳酸鹽巖；受多期構造影響，形成了大小不同、相對獨立完整的巖溶地下水系統單元。1987年，山東省開展了巖溶水系統的劃分研究工作，將山東省劃分為3個水文地質區，后又細化為14個水文地質亞區、70個水文地質小區，并沿用至今。近年來，由于研究區內巖溶水資源被大量開采，區內地下水資源環境發生了一系列變化，巖溶系統邊界也需要進一步厘定，亟需開展新的巖溶系統劃分工作。本文充分考慮地質構造單元、地表水流域及地下水流向等因素，進一步分析區內巖溶水資源賦存特征與循環規律，明確各巖溶水系統邊界條件及系統特征，為區內巖溶水資源合理開采與可持續開發利用提供科學指導。

1 研究區概況

1.1 氣象水文

研究區屬華北暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明。常年平均氣溫12.8 ℃，無霜期200 d左右。區內多年（1958～2018年）平均降水量為697 mm，受季風氣候影響，年際降水變幅較大。

區內主要水系為大汶河水系，為黃河重要支流，主要匯集泰山東、南、西麓諸水與徂徠山周圍諸水。柴汶河、瀛汶河、石汶河、泮汶河以及牟汶河為大汶河的主要集水區，面積5 655 km，占全流域的62.4%。自東向西流經萊蕪、新泰、泰安、肥城、寧陽、汶上、東平等縣、市，匯注東平湖，出陳山口后入黃河。河流長208 km，流域面積為9 069 km。主要水庫有東平湖、角峪水庫、黃前水庫等。

1.2 地質構造

研究區位于中朝準地臺魯西斷塊隆起西北部，分布區內泰山凸起、新甫山凸起、蒙山凸起（西段）、東平凸起、布山凸起、泰萊凹陷、肥城凹陷、汶口凹陷、汶東凹陷、蒙陰凹陷、汶上-寧陽潛凹陷，構成了“五凸六凹”的構造格局，影響區內地形地質特征、水文地質單元劃分、地表水系發育及地下水分布等。主要構造體系包括北西向構造、近東西向構造、旋扭構造和新華夏系構造。地層出露齊全，構造凸起由太古界變質巖系構成，盆地南側、西側寒武系-奧陶系沿邊界線條帶狀展布，且在盆地北部弧形斷裂帶內斷續分布；在盆地內，上古生界石炭系、二疊系、中生界侏羅系、白堊系、新生界古近系多隱伏于第四系之下，局部出露；第四系在盆地內廣泛分布。

1.3 水文地質條件

研究區含水巖組類型齊全，分為松散巖類孔隙含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組和巖漿巖、變質巖類裂隙含水巖組4種類型。

如圖1所示，寒武-奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組分布于各盆地外圍，是區域內最重要的含水巖組，也是主要供水目的層；巖漿巖、變質巖類裂隙水含水巖組分布于各盆地外圍補給區，范圍大，但水量不豐富，僅能滿足分散開采、小水量需求；碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組在各盆地內廣泛分布，富水性及水質差，不具供水條件，但邊緣的灰質礫巖、半固結砂礫巖為強富水含水層，水質良好；第四系松散巖類孔隙含水巖組分布于各盆地及山間河谷，富水性受地下水補給條件及厚度限制，其中強富水地段可成為供水水源地。研究區內地下水運動由四周分水嶺地帶向中間匯流，然后向西排泄；各盆地南部巖溶水運動具有單斜構造自流盆地特征，北部則為斷塊內短徑流、徑流受阻后排泄。

高 菡 等 山東省泰安市巖溶地下水系統劃分及循環模式分析2 巖溶地下水系統劃分條件

2.1 巖溶區邊界

在20世紀90年代，山東省主要開發利用碳酸鹽巖頂板埋深200 m以淺的淺部循環巖溶水。隨著巖溶地質工作及地熱地質工作的深入開展，巖溶熱儲勘察深度達到了深部（3 000 m）。楊詢昌等研究認為，埋深大于3 000 m的深部巖溶基本不發育；馮亞偉等在開展山東省巖溶區研究時以巖溶熱儲埋深3 000 m以淺作為巖溶區邊界。通過收集以往相關鉆孔資料及此次鉆孔資料，結合研究區內地層結構、巖溶發育程度分析，發現巖溶發育特征集中分布在400 m以淺，400～1 000 m段巖溶少量發育。因此，將碳酸鹽巖頂板埋深1 000 m作為巖溶區埋藏邊界。

2.2 劃分原則

（1）巖溶地下水系統是以巖溶水為主要地下水類型的地下水系統。應在自然狀態下的地下水流場與含水巖組條件下進行系統劃分。

（2）巖溶水系統必須具有完整、獨立的巖溶補給、徑流、排泄特征，且系統邊界要清晰明確；系統內部不同含水層巖溶水水力聯系密切。

（3）結合以往水文地質分區及相關資料，在最新1∶50 000水文地質調查及現有調查成果資料的基礎之上，進行巖溶水系統劃分。

2.3 劃分依據

2.3.1 一級巖溶水系統

一級巖溶水系統一般具有明顯的水文地質特征，且有完整、統一的補給徑流排泄區；主要依據巖溶水流系統與巖溶水流向進行劃分。一級巖溶水系統應具有完整的區域水循環體系，系統內水動力場、水化學場具有明顯的統一性，符合水循環的變換規律，一般處于同一構造單元內，邊界主要以深部大斷裂、盆地分水嶺或流域分水嶺為主。

2.3.2 二級巖溶水系統

二級巖溶水系統主要依據區內地下水流系統分區特征進行劃分，其邊界條件主要包括地表分水嶺、斷裂構造、隔水邊界及滯流邊界等。

（1）地表分水嶺。研究區內巖溶水系統主要發育于魯中低山丘陵山區，多期巖漿侵入構造了高低起伏的地形地貌，發育了不同流域的地表水系。地表分水嶺構成了不同水流系統邊界條件，如區內泰安盆地與肥城單斜之間，由巖漿巖形成的地表分水嶺構成了其邊界條件。

（2）斷裂構造。多期斷裂構造發育造成了地層錯動，形成了阻水邊界。斷裂往往會切割地下含水巖組，造成斷裂兩側巖性錯動，破壞地下水動力場與化學場，形成兩個沒有或只有少量物質交換的地下水流系統。如新汶盆地與汶口-汶東盆地之間，禹村斷裂、洪溝斷裂切斷了兩側水力聯系，形成了不同次級巖溶水系統。

（3）隔水邊界與滯流邊界。隔水邊界主要指受地層巖性影響形成不透水地層、構成系統的外部邊界。滯流邊界主要指相對阻水但仍有少量地下水通過，當含水巖組達到一定深度時，該段地下水流動緩慢而形成的邊界，如萊蕪盆地北邊界多以巖溶水滯流邊界作為系統邊界。

3 巖溶地下水系統劃分結果

依據上述劃分原則及依據，將研究區劃分為2個一級巖溶水系統：東平-萊蕪盆地巖溶水系統（Ⅱ）和寧陽-新泰盆地巖溶水系統（Ⅱ）。其中東平-萊蕪盆地巖溶水系統又進一步劃分為肥城單斜（Ⅱ）、泰安盆地（Ⅱ）和蘆泉屯斷塊（Ⅱ）3個二級巖溶水系統；寧陽-新泰盆地巖溶水系統劃分為汶口-汶東盆地（Ⅱ）、新汶盆地（Ⅱ）、軍屯斷塊（Ⅱ）3個二級巖溶水系統。具體劃分結果與依據見圖1和表1。

4 循環模式與資源分析

4.1 循環模式分析

受區域地質構造影響控制，不同巖溶水系統呈現出不同的巖溶水循環模式。將研究區內巖溶水循環模式劃分為單斜盆地循環模式和巖溶斷塊循環模式兩類。兩種模式具有不同的巖溶水補徑排特征及富水規律。

4.1.1 單斜盆地循環模式

研究區內肥城單斜巖溶水系統、泰安盆地巖溶水系統、汶口-汶東盆地巖溶水系統和新汶盆地巖溶水系統屬于單斜盆地循環模式。該模式具有淺部徑流、循環迅速、富水不均等特點，大氣降水及裂隙水為其主要巖溶水補給來源，人工開采及泉出流構成了其主要排泄方式。

魯中南地區受多期巖漿巖活動影響，太古界基底巖體隆升，斷裂構造發育，造成古生代地層發生掀斜，形成了多個傾向北、北東的單斜構造盆地。各盆地兩側構造抬升造成了地下水運動的主要動力勢差，古生代碳酸鹽巖含水巖組接受大氣降水補給及南部巖漿巖變質巖區裂隙水補給后，在重力驅動下沿寒武統朱砂洞組層間巖溶裂隙、寒武系含水層組溶隙及斷裂溝通裂隙組成的裂隙網絡，向盆地腹部地勢低洼處徑流，如圖2所示（根據劉元晴等的圖片修改）。地下水徑流方向與巖層傾向一致。

在盆地腹部，中生代砂巖、泥巖等阻水地層及巖體侵入阻擋影響承壓富集，部分地區沿構造裂隙及溶蝕洞穴上涌成泉。現今主要富水區多建成地下水水源地以集中開采地下水，如大武、舊縣、曹樓等水源地。

4.1.2 巖溶斷塊循環模式

研究區內蘆泉屯斷塊巖溶水系統、軍屯斷塊巖溶水系統屬于巖溶斷塊循環模式。該模式巖溶水主要接受間接補給、徑流緩慢，地下水資源受構造影響明顯。孔隙水下滲補給及斷塊周邊測滲補給為巖溶水主要補給方式，人工集中開采為主要排泄方式。

泰安西部受到幾條大型斷裂切割作用，形成了分散的小型斷塊。斷塊受構造切割影響，整體地勢較為低洼、平緩，上層多覆蓋第四系松散層，下伏地層多以古生代寒武系碳酸鹽巖地層為主，奧陶系地層分布面積較少。碳酸鹽巖地層也呈現單斜產出，但產狀較緩。巖溶水主要接受上層孔隙水的越流補給及斷塊兩側的側向徑流補給，僅在地勢較高的小面積出露區接受大氣降水補給，如圖3所示。此類巖溶水徑流與單斜盆地相比較為緩慢，富水地段面積小，巖溶水資源不如單斜盆地豐富。區內巖溶水排泄主要以人工開采為主。

兩種循環模式受地層空間結構、巖溶裂隙發育深度、補徑排條件等因素影響，又可以分為淺循環、中循環、深循環3種情況。在單斜盆地山前區域，地層較為裸露，裂隙巖溶發育較淺，主要為巖溶水的上游補給區，大部分降水入滲補給后形成淺循環徑流向下游補給，少部分沿斷裂向下補給下游，形成中、深循環；在盆地腹部，受地層埋深等條件影響，巖溶水富集、循環條件差，以深循環為主。在巖溶斷塊區域，地層大多埋深在松散沉積物以下，地下水循環條件差，主要以中、深循環為主。

4.2 巖溶水資源分析

水量均衡法是計算和評價區域地下水資源的基礎方法，評價地下水資源時，應從開采條件出發，全面考慮水源地各種可能的補給量，按照開采量不超過多年平均補給量的原則來論證開采量是否具有補給保證。

依據水均衡法，通過分析各巖溶水系統補給量與排泄量，計算了各系統巖溶水可開采資源量：全區巖溶地下水可開采資源量為62 331.5萬m/a，其中肥城單斜巖溶水系統為17 218.54萬m/a、泰安盆地巖溶水系統為5 362.15萬m/a、汶口-汶東盆地巖溶水系統為13 594.77萬m/a、新汶盆地巖溶水系統為14 821.50萬m/a、蘆泉屯斷塊巖溶水系統為6 349.57萬m/a、軍屯斷塊巖溶水系統為4 984.97萬m/a。

5 結 論

本文對山東省泰安市巖溶發育區的巖溶水系統進行梳理分類，分析其循環模式，得到如下結論。

（1）依據研究區劃分原則與依據，將研究區劃分為2個一級巖溶水系統：東平-萊蕪盆地巖溶水系統和寧陽-新泰盆地巖溶水系統。其中，東平-萊蕪盆地巖溶水系統又進一步劃分為肥城單斜、泰安盆地和蘆泉屯斷塊3個二級巖溶水系統；寧陽-新泰盆地巖溶水系統劃分為汶口-汶東盆地、新汶盆地、軍屯斷塊3個二級巖溶水系統。

（2）研究區內巖溶水循環模式劃分為單斜盆地循環模式和巖溶斷塊循環模式兩類，兩種模式具有不同的循環機理和富水特征。

（3）研究區內巖溶水循環受水文地質條件影響，可分為淺循環、中循環和深循環。淺循環主要在單斜構造盆地山前區域，中、深循環則分布于單斜盆地內部與巖溶斷塊區域。

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（編輯：高小雲）

Analysis on division of karst groundwater system and its circulation

model in Tai′an City，Shandong ProvinceGAO Han，SONG Yixin，LIU Bohan，CHEN Xiaoxue

（Shandong Coalfield Geological Planning Investigation and Research Institute，Jinan 250014，China）

Abstract： To refine the division of karst water systems and achieve more precise development and utilization of karst water resources，the karst underground system in Tai′an City of Shandong Province had been determined，and the karst water cycle model had been analyzed. The results showed that the karst groundwater resources in Tai′an City were rich but unevenly distributed，according to the principles and methods of division，the groundwater system could be divided into two primary karst groundwater systems and six secondary karst groundwater systems. The karst water cycle mode could be divided into mono-clinic basin cycle mode and karst fault block cycle mode two types. Different cycle modes had relatively different cycle characteristics and patterns. According to the different hydrogeological conditions，the karst water cycle could be divided into three types，namely shallow cycle，medium cycle and deep cycle．

Key words： karst groundwater system；karst water cycle；Tai′an City in Shandong Province