濟南東部大辛河滲漏段地下水示蹤試驗與分析

丁冠濤，劉玉仙，曹光明，齊歡

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

0 引言

地下水示蹤是一種重要的研究地下水運動的現(xiàn)場試驗方法[1]，結(jié)論明確，能夠直觀地反映地下水系統(tǒng)的運動狀態(tài)，受到許多生產(chǎn)和科研部門的重視，甚至把它作為檢驗其他研究成果的一種手段。因此具有廣泛的應(yīng)用范圍[2-7]。濟南市作為著名的泉城，在多年的保泉工作中也經(jīng)常采用地下水連通示蹤試驗研究水文地質(zhì)問題[8-9]，對濟南巖溶地下水補給來源、邊界條件等研究起到了重要的作用。

近年來，濟南相繼成為全國首批海綿城市建設(shè)試點城市和全國首個水生態(tài)文明試點建設(shè)城市。濟南市不僅有保泉的重任[10-13]，同時濟南市民還有飲用優(yōu)質(zhì)地下水的美好愿望。為正確處理好保泉和市民飲用優(yōu)質(zhì)地下水的關(guān)系，建設(shè)和諧宜居的生態(tài)城市，濟南市結(jié)合海綿城市建設(shè)和水生態(tài)文明建設(shè)，組織實施了地表水轉(zhuǎn)換地下水補源系列工程，旨在補源保泉的前提下開采地下水，同時又在地表形成水體景觀，可謂一舉多得。

2012年濟南市市政公用事業(yè)局組織了十余次現(xiàn)場查勘，對濟南市24個滲漏帶進行了比選[14]，最終選定了7條河道、10處滲漏段，這些河段現(xiàn)狀河床較寬，未利用土地較多，滲漏性良好。2013年6月開始在10個重點滲漏帶中，選擇了6個滲漏帶建設(shè)地表水轉(zhuǎn)換地下水工程，分為西線、中線和東線工程[15]。其中玉符河、歷陽湖和興濟河地表水轉(zhuǎn)化地下水工程已投入運行，并獲得了較好的補源效果。大辛河地表水轉(zhuǎn)地下水工程是東線的一部分，由于還沒有實際系統(tǒng)的地下水監(jiān)測資料，其放水補源后地下水的主要補給方向、流速、對四大泉群的影響等需要進一步確定，嘗試在大辛河主要滲漏補源段開展地下水連通示蹤試驗，查明上述問題，對地表水轉(zhuǎn)地下水工程的運行具有重要的指導(dǎo)作用，可以為政府部門合理規(guī)劃開采、補源布局提供重要的借鑒意義，形成地下水補源和開采的動態(tài)平衡，最終促進濟南保泉和供水的有機統(tǒng)一，建設(shè)和諧的生態(tài)城市。

1 試驗區(qū)地質(zhì)條件

1.1 自然地理概況

濟南市地處魯中山地的北緣，南依泰山，北臨黃河，地形南高北低，變化顯著。按地貌成因類型自南向北依次為：低山區(qū)、殘丘丘陵區(qū)、沖—洪積平原區(qū)、沖積平原區(qū)、巖溶地貌區(qū)。

試驗區(qū)東以東塢斷裂為界，西以千佛山斷裂為界，南以龍洞莊—千佛山一線為界，北以牛旺莊—七里河—大明湖一線為界，面積約101.3km2,處于殘丘丘陵區(qū)與沖洪積平原區(qū)的交接地帶。多年平均降雨量643.3mm，年最大降雨量1194.50mm(1962年)，年最小降雨量340mm(1989年)。

區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育，河流有大辛河，為季節(jié)性河流，源于龍洞風(fēng)景區(qū)，經(jīng)石河嶺至大辛莊西入小清河，長22km，流域面積154km2，屬于小清河水系。水庫有孟家水庫，庫容156萬m3。

1.2 地質(zhì)概況

濟南地區(qū)南倚泰山隆起，北臨齊河廣饒大斷裂。大地構(gòu)造上處于新華夏第二隆起帶的魯西隆起與新華夏第二沉降帶的魯西北坳陷的銜接地帶?？傮w上是一個以古生代地層為主的N傾單斜構(gòu)造*山東省地礦局801水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東省濟南市保泉供水水文地質(zhì)勘探報告，1989年。。試驗區(qū)位于濟南單斜構(gòu)造的中部，區(qū)內(nèi)出露地層由老到新依次為古生代寒武紀九龍群、奧陶紀馬家溝群，新生代第四紀松散層。斷裂構(gòu)造發(fā)育，有千佛山斷裂、文化橋和東塢斷裂，基本為NW向斷裂(圖1)。

1—第四系；2—奧陶紀馬家溝群；3—寒武紀九龍群；4—隱伏巖漿巖界限；5—斷裂；6—試驗區(qū)范圍圖1 試驗區(qū)地質(zhì)略圖

2 試驗區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 含水巖組劃分及富水性

根據(jù)含水介質(zhì)的巖性類型及地下水形成與富集特征，試驗區(qū)可劃分3大含水巖組：松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組、塊狀巖類裂隙含水巖組，其富水性因巖性及所處的地貌部位不同差別較大。

2.1.1 松散巖類孔隙含水巖組

松散巖類孔隙含水巖組主要分布在山間河谷及山前沖洪積平原。山間河谷地帶松散層均為第四紀地層，厚度5～15m，呈帶狀分布。主要分布在大辛河上游地段及山前沖溝，含水層巖性以砂礫石及卵石夾粘土組成。地下水位隨季節(jié)變化，一般為透水不含水層，富水性弱，單井涌水量<500m3/d；山前沖洪積平原區(qū)松散巖類孔隙含水巖組位于試驗區(qū)的北部，松散層厚度一般50～120m。主要含水層埋深在70m以淺，含水層巖性上部為中砂及中粗砂夾礫石，分選性一般較好，下部為砂礫石中夾粘土，分選性差。70m以下含水層為粘土夾礫石，含水層?xùn)|西(橫向)分布不均勻，多呈透鏡狀。70m以上富水性較好，單井出水量1000～1500m3/d。

2.1.2 碳酸鹽巖裂隙—巖溶含水層組

由寒武-奧陶紀九龍群炒米店組、三山子組及馬家溝群組成。在試驗區(qū)南部低山丘陵區(qū)灰?guī)r直接裸露地表，不利于地下水的儲存富集，單井出水量一般小于100m3/d；中部丘陵及部分島狀山分布區(qū)，富水性中等，單井出水量500～1000m3/d；北部的山前傾斜平原以及單斜構(gòu)造前緣，灰?guī)r頂板埋深一般小于400m，巖溶裂隙發(fā)育，單井出水量一般3000～5000m3/d，局部地區(qū)大于10000m3/d，如四大泉群和東郊水源地。

2.1.3 塊狀巖類裂隙含水巖組

主要為侵入巖類裂隙含水層組，地層巖性主要為中生代早白堊紀侵入巖的輝長巖、閃長巖。試驗區(qū)內(nèi)少量出露，大多在北部隱伏于第四系之下。裂隙不發(fā)育，但表層容易風(fēng)化，地下水賦存于巖石風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙中。風(fēng)化帶厚度一般小于30m，單井出水量一般小于100m3/d。

2.2 巖溶地下水補徑排條件

試驗區(qū)縱跨趵突泉泉域的補給、徑流、排泄3個區(qū)，南部投源孔位于補給區(qū)，中部接收點屬于徑流區(qū)，最北部的四大泉群和牛旺莊水廠為排泄區(qū)。試驗區(qū)巖溶地下水的補給主要接受大氣降水補給和地表河流滲漏補給；地下水巖溶水總體流向為NNW，山區(qū)水力坡度較陡，進入山前區(qū)，水力坡度變緩，受市區(qū)、東郊工業(yè)開采區(qū)開采影響及火成巖體的作用，在姚家鎮(zhèn)—七里河一帶形成一個局部分水嶺，使來自南部的巖溶水分別向市區(qū)和東郊工業(yè)開采區(qū)深部徑流。巖溶水排泄方式主要為泉水排泄和人工開采。

2.3 大辛河滲漏段滲漏性能

大辛河主要滲漏河段為孟家水庫至旅游路段*山東省地礦工程勘察院，濟南市大辛河龍洞莊至旅游路河段地表水轉(zhuǎn)地下水工程水文地質(zhì)調(diào)查報告，2014年。。該段地層上部均為第四系卵礫石層，厚度7.5～10.8m，顆粒粗，滲透性強，下伏地層為寒武—奧陶系三山子組的白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，為二元結(jié)構(gòu)。根據(jù)鉆孔揭露，基巖巖溶較發(fā)育(圖2)，發(fā)育深度在9～55m之間，以溶孔、溶蝕縫為主，局部發(fā)育呈蜂窩狀，其中36.8～37.10m處為溶洞，鉆進中掉鉆，根據(jù)注水試驗資料，滲透性能較好。在55m以下為2m厚的巖漿巖，巖漿巖之下為質(zhì)純灰?guī)r，巖心較完整，裂隙巖溶不甚發(fā)育。受巖漿巖穿插的影響，越往北巖漿巖穿插厚度越大，因此河道滲漏性能越差。據(jù)調(diào)查，大辛河主要滲漏河段內(nèi)常年干涸，只在雨季或孟家水庫放水時有地表徑流，區(qū)內(nèi)地下水水位埋深較大，2013年豐水期統(tǒng)測DX1孔地下水位埋深19.67m，枯水期達到32.14m，地表水可滲漏轉(zhuǎn)化為地下水。

1—粘性土；2—礫石層；3—石灰?guī)r；4—角礫狀泥灰?guī)r；5—白云巖；6—巖溶裂隙；7—地表水滲漏方向；8—施工鉆孔；9—巖溶地下水等水位線圖2 大辛河主要滲漏段橫向水文地質(zhì)剖面圖

3 示蹤試驗布置

3.1 示蹤劑的選擇與確定

示蹤劑選擇的原則為無毒，自然本底低，不受圍巖干擾，化學(xué)性能穩(wěn)定，不改變地下水的運移方向，易檢測，靈敏度高，成本相對低。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查情況，結(jié)合以往的示蹤試驗經(jīng)驗，并按上述原則，該次試驗采用鉬酸銨試劑。

3.2 示蹤劑投放量的確定

綜合考慮測區(qū)的地下水量、水力坡度、示蹤距離及巖溶的發(fā)育程度，結(jié)合測區(qū)附近已有的勘察資料，采用下述方法計算示蹤劑投放量[16]：

M=Kw/j

(1)

式中：M—示蹤劑的投放量；K—巖溶率系數(shù)；w—示蹤區(qū)段的總水量(L/s)；J—為檢測方法靈敏度(10-9)。

考慮到地質(zhì)效果和確保足夠的檢測靈敏度，在實際野外工作中投放量略高于計算量。經(jīng)計算，該次地下水示蹤試驗鉬酸銨示蹤劑的投放量為120kg，實際投放量為150kg。

3.3 投放點和接收點的選擇和分布

3.3.1 投放點選擇

為了更準確地評價大辛河重點滲漏段的地下水流動情況，盡量選取滲漏段河邊的鉆孔作為投源孔。最終選取孟家水庫北大辛河?xùn)|岸100m處濟南東區(qū)供水龍洞加壓站內(nèi)一自備水井作為該次投源孔，編號TY1，該井井深299.22m，取水層為奧陶紀三山子組和炒米店組，單井出水量20m3/h，具有一定的富水性，為相對較好的投源孔位。

3.3.2 接收點的選擇和分布

正確選擇接收點是示蹤試驗取得良好地質(zhì)效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，依據(jù)試驗?zāi)康囊螅邮拯c的布置主要以投源點為中心，呈扇形向下游輻射，分為3個主方向(圖3)。

1—投源孔；2—接收點(鉆孔)；3—接收泉點；4—水位觀測點；5—火成巖體隱伏界限；6—斷裂圖3 大辛河示蹤試驗布置圖

(1)向西北方向，接收點包括JS2～JS7、JS22、馬跑泉(趵1)、趵突泉(趵2)、無憂泉(趵3)、黑虎泉(黑1)、白石泉(黑2)、珍珠泉(珍1)、五龍?zhí)?譚1)、虬溪泉(譚2)共15個點。

(2)正北方向，包括JS1、JS8～JS16、JS18共11個點。

(3)東北方向，接收點包括JS17、JS19～JS21共4個點。

各接收點總計為31個，距離最近的為正北方向的JS1，距離為1282m，距離最遠的為譚1，距離為9989m，各接收點與投源孔均為巖溶地下水，各含水層均屬于同一個含水巖組。根據(jù)試驗過程實際狀況，選取趵1—趵3、黑1、黑2、珍1、譚1、譚2、JS8、JS12、JS14～JS16、JS18作為重要觀測點，縮短取樣時間間隔，以盡可能準確地估算地下水流速，確定地下水流向的主導(dǎo)方向。

3.3.3 取樣監(jiān)測頻率

取樣是進行地下水示蹤試驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其取樣時間間隔主要根據(jù)示蹤測區(qū)的水文地質(zhì)特征，并參照已往地下水示蹤試驗的經(jīng)驗來確定。該次試驗取樣的頻率分別為8月17日—9月12日為一次/1天；9月12日—12月30日為一次/2天，12月30日—2017年2月6日為一次/5天。其中重要接收點自監(jiān)測出鉬離子異常后取樣間隔加密為一次/1天，達到峰值后再相應(yīng)放寬取樣頻率。

3.3.4 示蹤樣品檢測技術(shù)

試驗示蹤劑采用鉬酸銨，監(jiān)測項目為鉬離子。鉬的分析方法很多，為取得較準確的數(shù)據(jù)，該次采取實驗室化驗，具體化驗方法為電感耦合等離子體質(zhì)譜法。

3.3.5 資料整理方法

根據(jù)示蹤試驗對取樣點的本底調(diào)查及樣品采用的分析方法，確定樣品出現(xiàn)的異常濃度，對鉬高于本底濃度2～3倍稱為異常值，按時間順序排序和濃度值的變化，繪出時間與濃度曲線(簡稱時濃關(guān)系曲線)，根據(jù)時濃曲線的濃度變化值，結(jié)合投放點與接收點的直線距離，計算出投放點與各接收點的地下水平均流速和地下水流向(主次通道)。

4 示蹤結(jié)果解釋

4.1 西北方向(四大泉群方向)

根據(jù)樣品分析結(jié)果，自示蹤劑投放以來，西北方向各接收點(JS2～JS7、四大泉群和JS22)均未出現(xiàn)鉬離子異常值，總體曲線較平直平緩，沒有峰值出現(xiàn)(圖4)。

圖4 西北方向典型接收點鉬離子含量變化曲線圖

典型接收點鉬離子濃度特征如表1所示：最近的JS2點鉬離子濃度，基本在本底值1.58×10-9附近波動，最大值濃度1.61×10-9，最小值1.30×10-9，鉬離子沒有較明顯的升高。較遠的趵突泉(趵2)接收點，鉬離子濃度曲線與JS2基本一致，曲線平緩，鉬離子在本底值1.05×10-9附近，同樣沒有升高的趨勢；黑1接收點與JS22曲線形態(tài)有所不同，總體隨著時間延長鉬離子濃度不斷下降，黑1接收點由2.62×10-9持續(xù)下降至1.36×10-9，但均沒有檢測到鉬離子的異常升高現(xiàn)象。

表1 西北方向典型接收點鉬離子濃度特征值

4.2 東北方向接收點

東北方向各接收點與西北方向接收點情況基本一致，均未出現(xiàn)鉬離子異常值，總體曲線平緩中有下降趨勢，沒有峰值出現(xiàn)(圖5)。

圖5 東北方向各接收點鉬離子含量變化曲線圖

典型接收點鉬離子濃度特征如表2所示：最近的JS21點鉬離子濃度，10月6日前基本在本底值3.06×10-9附近波動，10月6日后鉬離子濃度逐漸低于本底值，呈下降趨勢，11月10日后降至2.20×10-9后趨于平穩(wěn)；JS17和JS20接收點鉬離子濃度曲線基本相同，曲線平緩，鉬離子在本底值附近波動，總體有含量下降的趨勢。

表2 東北方向典型接收點鉬離子濃度特征值

4.3 正北方向接收點

示蹤劑投放后，通過連續(xù)5個月取樣化驗，正北方向的接收點中JS1、JS8、JS12、JS14、JS15和JS18出現(xiàn)了鉬離子異常反應(yīng)，曲線出現(xiàn)波峰，均呈現(xiàn)單峰特征，初峰到達時間為2016年9月14日—2016年12月28日，最先到達JS1(龍奧大廈南門),最后到達JS14(奧體中路與工業(yè)南路交叉口西200m)，各接收點最大濃度0.16～7.42×10-9，平均視流速23～46m/d，各接收點示蹤劑出現(xiàn)情況具體見表3及圖6～圖9。而其他各接收點未出現(xiàn)鉬離子異常反應(yīng)。

綜合以上試驗結(jié)果，推斷投源孔地區(qū)地下巖溶水主導(dǎo)徑流方向為沿投源孔—龍奧大廈—濟南東區(qū)供水奧體加壓站—賢文小區(qū)一線大體自南向北徑流(圖10)，視徑流速度約45m/d，越往兩側(cè)流速越緩慢，向西北四大泉群方向和東北方向徑流補給弱。

表3 各接收點示蹤劑出現(xiàn)情況

圖6 投源孔北JS12和JS15接收點鉬離子含量變化曲線圖

圖7 投源孔北JS8接收點鉬離子含量變化曲線圖

圖8 投源孔北JS14和JS18接收點鉬離子含量變化曲線圖

圖9 投源孔北JS1接收點鉬離子含量變化曲線圖

1—投源孔；2—接收點；3—達到峰值歷時天數(shù)等值線；4—巖溶地下水主運移方向；5—巖溶地下水等水位線；6—水位觀測點及水位標高(m)圖10 大辛河示蹤試驗成果圖

該次試驗投源孔含水層為寒武—奧陶紀炒米店組和三山子組，而北部有鉬離子異常反應(yīng)的各接收點取水含水層均為奧陶紀馬家溝群北庵莊組，說明奧陶紀馬家溝群北庵莊組與下部的炒米店組和三山子組含水層之間存在水力聯(lián)系，為一個大的含水巖組，具有統(tǒng)一的地下水流場。

4.4 試驗期間地下水流場特征

據(jù)以往的水文地質(zhì)工作，濟南東郊巖體減弱了市區(qū)泉水與東郊地下水之間的水力聯(lián)系[17-18]。該次示蹤試驗期間，對地下水水位進行了觀測，根據(jù)10月6～10日各水位觀測點觀測數(shù)據(jù)，繪制了試驗區(qū)的巖溶地下水等水位線圖(圖10)。從圖中可以看出：姚家小區(qū)—801倉庫—七里河一帶巖漿巖體發(fā)育，來自南部的巖溶地下水受其阻擋，一部分向北補給東郊牛旺莊水廠漏斗區(qū)，一部分向西北補給四大泉群，在巖漿巖發(fā)育區(qū)形成局部地下水分水嶺，證實了東郊巖體對市區(qū)與東郊地下水之間具有阻擋作用。該次投源點基本上位于巖漿巖體的東側(cè)，巖溶地下水的徑流方向為向北徑流，與示蹤試驗結(jié)果較一致，說明該次示蹤試驗結(jié)果符合實際情況。

5 結(jié)論

(1)為了查明大辛河地表水轉(zhuǎn)地下水工程滲漏補源后地下水的補給方向、徑流速度，在大辛河主要滲漏段開展了地下水示蹤試驗，結(jié)果顯示：大辛河上游主要滲漏段巖溶地下水主導(dǎo)徑流方向，為沿滲漏段—龍奧大廈—濟南東區(qū)供水奧體加壓站—賢文小區(qū)一線大體自南向北徑流，視徑流速度約45m/d，越往兩側(cè)流速越緩慢，向西北四大泉群方向和東北方向徑流補給弱。

(2)試驗投源孔含水層為寒武—奧陶紀炒米店組和三山子組，而北部有鉬離子異常反應(yīng)的各接收點取水含水層均為奧陶紀馬家溝群北庵莊組，說明奧陶紀馬家溝群北庵莊組與下部的炒米店組和三山子組含水層之間存在水力聯(lián)系，同屬于一個大的含水巖組，具有統(tǒng)一的地下水流場。

(3)通過試驗期間地下水流場形態(tài)可看出，東郊姚家小區(qū)—801倉庫—七里河一帶巖漿巖體對巖溶地下水具有阻擋作用，局部形成地下水分水嶺，來自南部的巖溶地下水受其阻擋一部分向北補給東郊牛旺莊水廠漏斗區(qū)，一部分向西北補給四大泉群。

(4)試驗中地下水接收點多是利用已有的一些小區(qū)或單位的自備井，在旅游路以北,由于城區(qū)封井等因素,自備井比較少，接收點密度偏小，一定程度上影響了示蹤試驗檢出范圍。建議城建區(qū)內(nèi)專門施工觀測孔，方便后期開展類似的地下水研究工作。

(5)以上試驗取得的主要認識，對地表水轉(zhuǎn)地下水工程的運行具有重要的參考作用，對政府部門合理規(guī)劃開采、補源布局具有重要的借鑒意義，形成地下水補源和開采的動態(tài)平衡，促進濟南保泉和供水的有機統(tǒng)一，建設(shè)和諧的生態(tài)城市。

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