济南泉域岩溶地下水环境演变及保泉对策研究
(1.暨南大学，济南250002；2.山东省地质矿产局，济南250013；3.山东地质矿产学院，济南250014)
作者简介:邢丽婷(1966-)，男，研究员，主要从事水文地质与环境地质勘查工作。
根据野外调查结果，深入探讨了自然和人为因素对济南泉域岩溶地下水环境的影响，并提出了优化开采布局、回灌补水等水环境保护对策。
关键词:济南泉域；水环境；进化；保护
济南泉域是中国北方岩溶水系统的典型代表。其地质条件极其复杂，受自然因素和人类活动的强烈影响。近几十年来，泉域生态地质环境发生了显著变化。研究该地区地下水环境的演化特征，对地下水资源的可持续利用和泉水保护具有重要意义。
1泉域水文地质特征
1.1弹簧边界
济南泉域位于泰山穹窿北翼，总体上是一个以古生代地层为主体，向北倾斜的单斜构造。出露地层为太古界鱼台山岩群、古生代寒武系、奥陶系、石炭系、二叠纪和新生代第四纪，泉域北部分布有中基性侵入岩。本区断裂构造发育，主要有千佛山断裂、马山断裂、吴栋断裂和炒米店断裂。
泉域东边界为吴栋断裂，西边界为马山断裂(长庆西关以北为透水段)，南边界为地表分水岭，北边界以济南岩浆岩体和石炭、二叠纪煤系地层为界，面积1486km2。
1.2岩溶地下水的水动力条件
寒武-奥陶系灰岩广泛分布于济南南部山区，地表和地下岩溶十分发育。石灰岩表面密集分布的地表溶洞、冲沟、槽和溶蚀裂隙，为地下水接受大气降水的直接入渗补给和地表水的渗漏补给创造了极为有利的条件。根据钻探资料和示踪试验，碳酸盐岩洞穴、溶孔、溶缝和溶管道非常发育，为岩溶地下水的储存和运移提供了巨大的空间。因此，济南岩溶地下水具有良好的补给条件和巨大的储存空间。
根据地下水动态观测，岩溶水水位和泉水流量与降水关系密切。大气降水的直接入渗是岩溶水系统的主要补给来源，其次是地表水渗漏补给。主要渗漏河流为鱼凫河和北沙河。
岩溶水的大致流向是由南向北，被北部燕山期岩浆岩和石炭、二叠纪地层阻隔，在其接触带形成岩溶水富集区。单井涌水量一般在5000m3/d以上，岩溶水在自然条件下主要靠泉水排泄。目前，人工开采是泉域岩溶水系统最主要的排泄方式。
2.岩溶地下水资源的开发利用
奥陶系裂隙岩溶含水层作为济南市工农业用水和城市生活用水的主要取水目的层由来已久。趵突泉水厂早在1936就建在市区，正式供水。供水量为1.28×104m3/d，由1956增加到3.6×104m3/d。随着经济发展和人口增加，用水量不断增加至204m3/d，市区有解放桥、普利门、银湖池、百货大楼水厂，西郊有腊山、峨眉山、大杨庄水厂，东郊有华能路、东园水厂，南部有羊头峪、文化路水厂。
1990 ~ 2002年泉域供水公司平均年产量为35.52×104m3/d，其中峨眉山、大杨庄、腊山西郊三个水厂平均产量为21.91×104m3/d，城区所有水厂平均产量为104 m3/d随着确山水库和胡煜清水库的投产，自2006年9月5438+0开始，供水公司开采的地下水量逐渐减少，市区水厂全部关停。
工业自备井主要分布在城区外围，数量较多，相对分散。从1990到2002年，工业自备井年均产量为13.15×104 m3/d。
3水文地质条件的演变和地下水环境的负面影响
自然因素和人类活动加剧了济南生态地质环境的演变，引发了许多生态环境地质问题。
3.1人类活动引起的水文地质条件变化
3.1.1人工开采改变地下水流场，攻击泉流。
20世纪60年代初，济南市地下水开采量不足10×104m3/d，80年代以来，市区、西郊和东郊集中开采量达到(50 ~ 55 )× 104m3/d..大量开采岩溶水改变了地下水的自然流场，大量开采地下水，特别是直接抽取市区岩溶地下水，是影响泉水出流的主要原因之一。2001年9月，市区水厂陆续关闭，但大量开采工业自备井，七贤庄和经济学院两个滴斗仍抢占泉水供应(图1)。
3.1.2间接补货区补货数量减少。
济南泉域间接补给区面积990km2，主要分布在南部广大山区，包括马山、万德、高尔、张夏、孤山、仲宫、六部、西营。地层为中、下寒武统泰山群的灰岩、碎屑岩和变质岩。由于入渗条件差，河流河谷纵横交错，地表径流发育，大部分地下水就地补给，汇集在河谷中，短距离运输排放。因此，大多数河流都发源于此。20世纪70年代以前，上游地表溪流汇聚于玉符河、北大沙河，后向下游流动，分别在朱家庄-潘村、孤山拦河坝-琵琶山段渗漏补给泉域地下水。间接补给区收集地表径流和地下溢流，通过河道进入直接补给区。如1963，卧虎山水库通过溢洪道向黄河下泄1.0186×108m3，部分渗入地下水。卧虎山水库修建前，鱼凫河基本上常年流淌。据1962观测，4月13日，于府河下游周王庄河段水位为29.4m。
图1城区附近岩溶水等压线
1-故障；2-火成岩边界；3—等水位线(米)；4-地下水流向
20世纪60年代和70年代，在北沙河、金银川、戴宇河和锦绣河等河流修建了许多水库，以拦截上游地表径流。特别是上世纪80年代后期，卧虎山、锦绣河水库向城区供水后，间接补给区的地表水补给逐渐减少。例如，从1999到2003年6月，卧虎山水库上游554km2的汇水面积除了回灌试验外，没有排到鱼凫河。自从卧虎山、锦绣川水库向市区供水后，两座水库对党家庄、兴隆、分水岭直补区的灌溉量逐渐减少。
3.1.3城市扩张减少了岩溶水入渗的补给面积
城市建设增加城市建成区面积，导致岩溶水直接补给区面积逐渐减少。根据多时相动态遥感解译，1954济南市区面积仅为28.8km2，直补区面积不足2km2。随着城市规模的不断扩大，市区的直接补给区逐渐向东、东南、南、西南方向扩展，近年来比20世纪50年代扩大了175.6km2。自20世纪80年代以来，城市化一直在向南扩展，直接补给区的建成区面积逐年增加(图2)，从而减少了地下水的补给。如太平庄、羊头峪、八里洼、六里山、金鸡岭、马山坡、兴隆等南方山区，开发后地面固化，大气降水直接进入防洪沟。而防洪沟淤积严重，地形坡度大，无法形成有效渗透，很多地区成为永久性不渗漏区。2000年，直接补给区内的建成区面积由1.954平方公里增加到51.3平方公里。在年均降水量648mm的基础上，由于城市扩张的影响，地下水补给量减少了3.8×1.04 m3/d。
3.1.4乱采滥挖对生态环境的影响
据不完全统计，济南南部山区有大小采石点200多个。采石和挖掘造成景观和植被的破坏，造成大量的水土流失。据调查，大量采石点建于80年代以后。由于石灰岩山区土壤薄，树木和植被稀少，直接补给区的植被覆盖率因岩石开采而进一步降低。在直接补给区，采石、烧砖造成严重的水土流失，蓄水能力降低，地下水补给能力也降低。
图2城市扩展和演变图
1—1954市区；2-1970城市扩展范围；3-1981年城市扩展范围；4-2000城市扩展范围
3.2地下水环境的负面影响
3.2.1地下水位下降，泉水断流。
60年代初，地下水开采量较小，平均地下水位为31.54 ~ 30.72m，泉流量为(35.52 ~ 33.58)×104 m3/d；70年代中期，地下水位降至28.15m，泉流量降至约15.22×104 m3/d；70年代末至80年代初，平均地下水位从28.15m下降到26.68m，泉流量下降到约10.48×104 m3/d；90年代泉水断流时间延长，泉水断流从1999持续到2001达到932d(图3)。
3.2.2地下水超采降落漏斗的形成
长期集中开采地下水，在东郊工业区、七贤庄、经济学院形成了多个降落漏斗，抢夺了泉水供应。
3.2.3大明湖和小清河污染
由于地下水位下降，泉水断流，大明湖和小清河的水得不到充分补给，导致富营养化严重。
3.2.4地下水质量下降
20世纪50年代，济南社会经济不发达，工业“三废”排放量低，岩溶地下水开采量少，处于自然流场中。本文以20世纪50年代的水质数据作为地下水污染的初始值，研究了济南地区地下水污染的演变:1958以来，随着人类活动的加剧和开采的增加，市区、东郊、西郊岩溶水水质逐渐恶化，盐度、总硬度、氯离子、硫酸根、硝酸根等常规成分含量呈上升趋势(图4)，特别是含量增加明显，尤其是20世纪80年代以来。2002年市区地下水含量是1958的5.83倍，峨眉山水厂是1958的47倍。由于大量开采地下水，区域水位下降，氧化还原环境发生变化。在整个泉域，从补给区、径流区到排泄区，岩溶地下水常规组分含量普遍增加。工业废水排放造成岩溶地下水点状污染，部分地区污染严重。如荆家沟某井，含量为1313.74mg/L，矿化度为2544.52mg/L，综合评价为水质差区(ⅴ类)。
1959-2002年泉水流量、地下水位、开采量与降水量的关系。
1-年降水量；2-城市地区的年平均水位；3-年平均泉水流量；4-城市和周边采矿量
图4 1958至2002年地下水硬度和盐度变化曲线。
1-硬度；2—矿化度
4.鸡西水源地地下水开采潜力分析
济南西郊的桥子里、冷庄、故城的发达水源地位于北沙河流域和玉符河流域。丰水年丰水期，部分地区自行打井，该地区岩溶地下水开采有潜力。比如2004年9月，古城水源地开采时，打井还是自流。
根据计算，在多年平均降水量条件下，北沙河流域降水补给量为9.2×104m3/d。由于上游水库截流，平均降水年只有少量地表水补给。因此，桥子里、冷庄水源地开采量不宜大于10×104m3/d，峨眉山、腊山、大杨庄、古城水源地的水草远离泉水。
5水环境保护和泉水保护的对策和建议
5.1调整开采布局，实施分质供水。
通过数值模拟和优化计算(不包括农业开采)，枯水期泉水水位保持在28.5 m以上，泉域岩溶水允许开采量为18.8×104m3/d，鸡西水源开采量为10×104m3/d，西郊水厂开采量为5.8×104m3/d泉水初观后使用量为5.0×104m3/d，共计60.09×104m3/d。这些优质地下水资源可用于生活用水和复杂的工业用水。按人均用水量150L/d计算，可满足400万人的生活用水。一般将工业用水改为地表水(长江水、黄河水)，以充分发挥余庆湖、鹊山水库的作用，彻底关闭工业自备井。农业灌溉在节水的前提下，使用地表水，限制使用岩溶地下水。
5.2补给来源
由于卧虎山、锦绣川、岳庄等水库截留大量地表径流，减少了泉域地下水的补给，改变了自然生态系统，直接影响泉水的流出，卧虎山、锦绣川水库应停止向市区供水，并改造现有主要输水渠道，向兴隆、石清崖、鱼凫河等直接补给区补给水源。岳庄水库用于补充北沙河，以减少“西进”对西郊地下水环境的影响；随着东部产业带和东部新城的规划建设，未来东郊可考虑调水补源，但补源水源仍然短缺。
5.3逐步关闭工业自备井
减少东、西郊工业自备井的开采，逐步消除经济学院、井架沟、高新开发区等地区的滴斗对泉水补给的打击。
5.4控制市区向直供区的扩展。
为避免城市开发建设对泉水补给的影响，因此，济南城市建设的“南控”边界应在平安店-潘村-玉符河谷-凤起-大杨庄-刘长山-英雄山-羊头峪-牛王一线。线以南岩溶地下水直接补给区禁止规划建设。
5.5逐步治理小流域，加强植树造林，调整南部山区农业生产结构。
在泉域南部直接补给区，应禁止毁林建别墅、住宅区和工业园区，以及陡坡开荒采石。逐步调整南部山区产业结构，实施退耕还林，禁止放牧，停止采石，大力发展林果业，实施生物工程，增加造林面积，治理马蹄峪、龙洞峪、大尖沟、石清崖、白石峪、小岭子、半岛井、下金沟、腊山等山谷，禁止倾倒和侵占垃圾，起到涵养水源的作用。
总之，恢复泉水常年喷涌是一项复杂的系统工程，不可能通过一项措施在短时间内实现。要统一认识，短期措施与长期目标相结合，分步实施。
主要参考文献
许，康凤新。2001.山东省地下水资源可持续开发利用研究。北京:海洋出版社。