臥虎山水庫對濟南泉水影響的定量分析

劉 江，李 波，楊增元，杜雪梅

(1.山東省水文水資源勘測局，山東 濟南 250014； 2.山西省第三地質工程勘測院，山西 晉中 030620)

濟南以泉水聞名，泉水是濟南的特色和靈魂。

濟南南部山區(qū)是濟南泉域地下水的重要補給來源，臥虎山水庫建成后，天然狀態(tài)下的玉符河流域水循環(huán)模式發(fā)生了根本性改變，出現了人工側支循環(huán)圈，形成“天然-人工”雙驅動力作用下的流域“二元”水循環(huán)模式[1]。這種“二元”模式導致玉符河流域水資源情勢的演變，地表水與地下水的轉化受到很大影響，從而影響到了泉水流量的大小。

目前有關濟南市的水資源評價大多是采取分區(qū)集總式的評價方法，缺乏單一因子對水資源的空間變異特征影響的專門研究。對于臥虎山水庫這一區(qū)域最大的下墊面變化因子，其對區(qū)域地下水補給量影響究竟有多大，至今沒有定量的計算研究。本文計算了臥虎山水庫對區(qū)域巖溶水補給量的影響，進而分析對泉流量的影響。

1 研究區(qū)概況

1.1 濟南泉域

濟南泉域位于泰山穹隆的北翼，總體上是以古生代地層為主體的北傾單斜構造。出露地層為太古界泰山巖群(Art)，古生界寒武系(∈)、奧陶系(O)、石炭系(C)、二疊系(P)和新生界第四系，泉域北部分布有中基性侵入巖體。泉域東邊界為東塢斷裂，西邊界為馬山斷裂(長清西關以北為透水段)，南邊界為地表分水嶺，北以濟南巖漿巖體和石炭、二疊系煤系地層為界，面積為1486km2[2]。

1.2 玉符河

玉符河發(fā)源于濟南南部山區(qū)的錦繡、錦陽、錦云三川。三川匯入臥虎山水庫，流出水庫后始稱玉符河，由南向北徑流，注入黃河，全長41km。

表1 天然及人工調蓄狀態(tài)下玉符河徑流量對比

玉符河是典型的漏河。自水庫大壩至潘村出山口為玉符河上游河段，共17.5km屬于山間河谷，是河水直接補給巖溶地下水的主要河段；潘村至北店子村入黃口為玉符河下游河段，處于沖積扇上，河水與第四系孔隙水有直接聯系，與巖溶水沒有直接聯系。玉符河上游河段地表河水滲漏條件好，滲漏量大。尤其是渴馬至潘村段是河水的強滲漏地段，河床卵石層厚達10m，直接覆蓋在張夏灰?guī)r巖溶帶上，河水通過卵石空隙迅速進入地下，根據水文觀測和有關試驗[3]研究，玉符河上游河段河道滲漏能力為15m3/s，即，從臥虎山水庫壩址處來水流量小于15m3/s時，河水在出山口之前就能全部滲入地下，來水流量大于15m3/s時，多余部分可進入下游河道。

玉符河下滲的河水是濟南泉域巖溶水的重要補給來源。

1.3 臥虎山水庫

臥虎山水庫位于濟南泉水的間接補給區(qū)，水庫控制流域面積557km2(圖1)，庫區(qū)多年平均降水量698mm，徑流量5517萬m3，興利庫容3698萬m3。建庫初期，水庫以防洪、農業(yè)灌溉為主，1988年被確立為飲用水水源地，年均供水量2000萬m3。

2 臥虎山水庫對泉域巖溶水補給量的影響

臥虎山水庫對濟南泉域巖溶水補給量的影響主要表現在以下3方面：河道水文特征變化對地下水補給量的影響、水庫灌區(qū)農業(yè)灌溉對地下水補給量的影響、利用水庫放水進行人工回灌對地下水的影響。

圖1 研究區(qū)地理位置

2.1 河道水文特征變化對巖溶水補給量的影響

2.1.1 河道水文特征變化

在臥虎山水庫建成運行之前，水庫大壩附近河道長年有水，水庫建成以后，水量經過水庫的攔截調蓄，被用于灌溉和城市生活用水，河道流量減少，河道徑流的年內、年際變化特征也發(fā)生了很大改變。通過對大壩處河道徑流進行還原計算(表1)，可知多年平均(1971—2004年，下同)臥虎山水庫壩下河道天然徑流量6843萬m3/a，人工調蓄后河道實際徑流量4407萬m3/a，減少了35.6%。

2.1.2 巖溶水補給量的變化

根據前面分析，玉符河上游河段的滲漏能力為15m3/s，即當來水量小于15m3/s時，在該河段能夠全部滲入地下補給巖溶水，當來水流量大于15m3/s時，超過15m3/s的流量進入下游河道。根據這一結論分別計算出天然條件下的歷年逐月巖溶水補給量，及水庫建成運行后實際歷年逐月巖溶水補給量，對照兩種情況下的巖溶水補給量，分析玉符河河道水文特征變化對巖溶水補給影響。

表2 典型年及多年平均玉符河水對巖溶水補給量

玉符河上游河段河水對地下水的補給量按以下方法計算：當河道來水量小于15m3/s時，地下水補給量等于河道徑流量；當河道來水量大于15m3/s時，地下水補給量采用下式計算：

Q=15Δt

式中：Q為地下水補給量，m3；Δt為相應時間間隔，s。

計算結果：天然條件下臥虎山水庫壩下玉符河水補給巖溶水5611萬m3/a，人工調蓄后玉符河水補給巖溶水3057萬m3/a，比天然條件下減少了45.5%(表2)。

2.2 水庫灌區(qū)農業(yè)灌溉對巖溶水補給量的影響

臥虎山水庫灌區(qū)地層為雙層結構，上覆第四系松散層厚度從數米至十數米，巖性以亞砂土和亞黏土為主，下伏地層主要為寒武系張夏組灰?guī)r及鳳山組灰?guī)r，在該地區(qū)張夏組及鳳山組灰?guī)r巖溶發(fā)育，上覆第四系孔隙水都能迅速滲漏補給到下伏巖溶水系統。

臥虎山水庫灌區(qū)主要沿玉符河分布，設計灌溉面積55.3km2，有效灌溉面積44.7km2。灌區(qū)作物主要為小麥與玉米、花生、地瓜間作。多年平均灌溉水量為1324萬m3/a，灌溉以大水漫灌為主，灌溉入滲補給地下水量為252萬m3/a。

因此，臥虎山水庫灌區(qū)多年平均農業(yè)灌溉補給地下巖溶水252萬m3/a。

2.3 回灌補源對泉域巖溶水的影響

濟南市為了保護泉水景觀，自2001年開始充分利用玉符河流域的地形、地層、地質構造及水動力等自然條件，數次從臥虎山水庫放水補源。據有關監(jiān)測分析成果，補源水量全部在玉符河上游滲入地下補給了巖溶水，對市區(qū)泉群水位動態(tài)影響明顯。

雖然回灌補源對于保泉作用明顯，但是由于臥虎山水庫同時擔負著為城市生活及農業(yè)灌溉供水的任務，因此，可用于回灌補源的水量有限，如何解決好保泉與供水的矛盾，還需要統籌當地水源及客水水源，做好科學調度[4]。

2.4 臥虎山水庫對區(qū)域巖溶水補給影響總量

玉符河河道水文特征變化對區(qū)域巖溶水補給量帶來的影響是負影響，即減少了巖溶水補給量；水庫灌區(qū)農業(yè)灌溉和人工回灌補源對區(qū)域巖溶水補給量的影響是正影響，即增加了巖溶水補給量。在進行還原計算，分析河道水文特征變化對區(qū)域巖溶水補給量的影響時，已考慮了人工回灌補源引起的河道徑流量變化。因此，臥虎山水庫對區(qū)域巖溶水補給影響總量等于玉符河河道水文特征變化對區(qū)域巖溶水補給量帶來的影響與水庫灌區(qū)農業(yè)灌溉對區(qū)域巖溶水補給量的影響的代數和，其影響量為2302萬m3/a，即由于臥虎山水庫的建設，平均每年玉符河流域減少2302萬m3對濟南泉域巖溶水的補給量。

3 臥虎山水庫對濟南泉水影響程度分析

3.1 濟南泉水流量衰減情況

自1959年有監(jiān)測記錄以來，濟南泉水噴涌狀況可分為4個階段[5]：①高水位常年噴涌期(1959—1968年)，該時期四大泉群長年噴涌，只有1968年個別泉群出現季節(jié)性斷流，泉水平均流量為34.5萬m3/d；②季節(jié)斷流期(1969—1980年)，該時期四大泉群由全部常年噴涌轉為僅個別泉群常年噴涌，高水位泉群出現季節(jié)斷流。泉水平均流量15.5萬m3/d；③低水位經常斷流期(1981—2002年)，該時期四大泉群基本上每年均出現春季斷流現象，甚至全年斷流。泉水平均流量4.56萬m3/d。④泉水流量恢復期(2003—2009年)，自2003年9月6日趵突泉又一次復涌以來，四大泉群已持續(xù)噴涌，泉水平均流量12.8萬m3/d。

可見，濟南泉水噴涌量呈明顯衰減趨勢。

影響泉水流量的因素主要有大氣降水量的變化、地下水人工開采量變化、下墊面條件的改變對地表、地下水轉化的影響等3個方面。臥虎山水庫則屬于下墊面條件改變的一個因子。

3.2 臥虎山水庫對濟南泉水影響程度

據有關研究，濟南泉域總面積1486km2，多年平均巖溶水補給量19453萬m3/a(53.3萬m3/d)。

自1959年開始，濟南市區(qū)4大泉群具有系統的泉水位及泉流量的監(jiān)測資料。監(jiān)測序列的前10年(1959—1968年)，人類活動對濟南泉水的影響相對較小，泉域下墊面條件變化不大，泉域巖溶水人工開采量較小。1959—1968年泉域平均年降水量為698.3mm，與泉域多年平均(1956—2006年)年降水量687.5 mm基本相當，因此，可以把1959—1968年的泉水噴涌狀況作為天然條件下的背景值。

天然條件下(1959—1968年)，市區(qū)4大泉群平均涌水量為12592.5萬m3/a(34.5萬m3/d)，占泉域巖溶水年總補給量的64.7%。按同樣比例分配，臥虎山水庫對泉域巖溶水補給影響總量2302萬m3/a(6.3萬m3/d)，其中對泉流量的影響為1489.3萬m3/a(4.08萬m3/d)，占天然條件下泉流量的11.8%，即在不考慮其他因素的情況下，臥虎山水庫的攔蓄運行使市區(qū)四大泉群的泉流量削減了11.8%。

[1] 劉家宏，秦大庸，王浩，等.海河流域二元水循環(huán)模式及其演化規(guī)律[J].科學通報，2010(6)：512-521.

[2] 徐軍祥，邢立亭，佟光玉，等.濟南泉域地下水環(huán)境演化與保護[J].水文地質工程地質，2004，31(6)：69-73.

[3] 吳興波.濟南人工回灌補源保泉試驗研究[D].武漢：武漢大學，2004.

[4] BOUWER H.Artificial recharge of groundwater：hydrogeology and engineering[J].Hydrogeology Journal，2002，10(1)：121-142.

[5] 邢立亭.濟南泉域巖溶水環(huán)境保護[J].水利科技與經濟，2006(9)：601-604.