城市擴(kuò)展對(duì)趵突泉泉域直接補(bǔ)給區(qū)保泉能力影響

孫斌，高文鋒，魏月，雷炳霄，畢棟威

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)(山東省地礦工程勘察院)，山東 濟(jì)南 250014)

濟(jì)南是以泉水著稱(chēng)的國(guó)家級(jí)歷史文化名城，其水資源問(wèn)題具有代表意義，它不僅關(guān)系到濟(jì)南城市的未來(lái)發(fā)展，更決定著泉城特色和城市形象[1]。近60多年來(lái)，泉水經(jīng)歷了高水頭持續(xù)噴涌-低水頭衰減枯竭-人工調(diào)控復(fù)涌3個(gè)變化階段[2]。自2003年以來(lái)，泉水實(shí)現(xiàn)了16年持續(xù)噴涌，但與20世紀(jì)五六十年代相比，噴涌水位、流量已經(jīng)無(wú)法恢復(fù)如初，受人工開(kāi)采、生態(tài)環(huán)境破壞、城市擴(kuò)展等[3-9]多方面影響。泉水動(dòng)態(tài)變化對(duì)濟(jì)南市社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境有著重大影響，同時(shí)城市發(fā)展也反作用于泉水動(dòng)態(tài)。許多學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)從不同角度對(duì)濟(jì)南市的泉水進(jìn)行了科學(xué)研究，特別在地下水補(bǔ)給方面，開(kāi)展了回灌補(bǔ)源[10-12]、引黃、引江補(bǔ)源[13]、海綿城市[14-15]及典型滲漏帶保護(hù)開(kāi)發(fā)與評(píng)價(jià)[16]等大量工作；在直接補(bǔ)給區(qū)滲漏帶方面研究，山東師范大學(xué)黃春海教授首次提出強(qiáng)滲漏帶概念，指出濟(jì)南地市泉域補(bǔ)給區(qū)范圍內(nèi)存在24個(gè)強(qiáng)滲漏帶[17]，2014年，山東省水利科學(xué)研究院和濟(jì)南市水利局提交了“濟(jì)南泉域重點(diǎn)強(qiáng)滲漏帶調(diào)查與保護(hù)修復(fù)規(guī)劃”成果，劃分了24個(gè)強(qiáng)滲漏帶類(lèi)型、范圍與保護(hù)紅線(xiàn)(1)濟(jì)南市水利局,山東省水利科學(xué)研究院,濟(jì)南泉域重點(diǎn)強(qiáng)滲漏帶調(diào)查與保護(hù)規(guī)劃,2014年。。目前，對(duì)于泉域直接補(bǔ)給區(qū)城市化影響以點(diǎn)狀研究多，而面上研究相對(duì)較少，該文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用1954年—2015年期間的城市擴(kuò)展資料，通過(guò)3S技術(shù)，從時(shí)空角度開(kāi)展城市擴(kuò)展導(dǎo)致泉水直接補(bǔ)給區(qū)面積變化及地下水補(bǔ)給量減少等方面的研究，分析揭露直接補(bǔ)給區(qū)入滲功能變遷及其對(duì)保泉能力的影響，為直接補(bǔ)給區(qū)保護(hù)和恢復(fù)治理提供參考。

1 泉域功能分區(qū)

趵突泉泉域巖溶地下水主要是由南部大氣降水入滲補(bǔ)給和地表水滲漏補(bǔ)給后，沿地形和地層傾向向北運(yùn)動(dòng)，在山前受火成巖阻擋后巖溶水富集。千佛山地塹內(nèi)四大泉群涌出地表，為典型的單斜自流構(gòu)造。根據(jù)巖溶水的補(bǔ)給、徑流、匯集、排泄條件，將趵突泉泉域巖溶水系統(tǒng)功能自南向北劃分為巖溶水間接補(bǔ)給區(qū)、直接補(bǔ)給區(qū)、匯集排泄區(qū)(圖1)。

1—泰山巖群；2—寒武系；3—奧陶系；4—火成巖；5—斷層；6—泉圖1 趵突泉泉域功能分區(qū)剖面圖

間接補(bǔ)給區(qū)主要指南部山區(qū)的變質(zhì)巖、寒武紀(jì)饅頭組和寒武紀(jì)張夏組分布區(qū)，面積為977.18km2。

直接補(bǔ)給區(qū)為南部丘陵區(qū)及山前平原廣泛分布的寒武紀(jì)炒米店組—中奧陶系灰?guī)r區(qū)，面積為451.79km2。其與市區(qū)泉水聯(lián)系最為密切，是關(guān)系泉水保護(hù)的重要地帶。因灰?guī)r地表、地下裂隙巖溶發(fā)育，組成復(fù)雜的巖溶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，易于接受大氣降水及間接補(bǔ)給區(qū)匯水入滲，快速反應(yīng)“三水”轉(zhuǎn)化規(guī)律。同時(shí)，因地表巖溶發(fā)育，巖石裸露或覆蓋層薄，其生態(tài)環(huán)境也相對(duì)脆弱，易于遭受人類(lèi)活動(dòng)破壞，且恢復(fù)治理難度較大。因此，加強(qiáng)直接補(bǔ)給區(qū)保護(hù)對(duì)保持泉水持續(xù)噴涌至關(guān)重要。

匯集排泄區(qū)接受降水和地表水滲漏補(bǔ)給的巖溶水，在直接補(bǔ)給區(qū)受地形和單斜構(gòu)造的控制，由南向北徑流運(yùn)動(dòng)，在西郊北部受下伏石炭二疊系地層阻擋，在市區(qū)和東郊高新區(qū)受深厚的火成巖阻擋，使巖溶水在接觸帶附近集蓄，面積為301.03km2。

2 濟(jì)南城市化進(jìn)展及其影響

2.1 城市擴(kuò)展特征

根據(jù)多時(shí)像遙感解譯，1954年濟(jì)南城區(qū)面積僅僅28.89km2，城區(qū)位于解放橋西，棋盤(pán)街、八一禮堂、南辛莊以北范圍，占用直接補(bǔ)給區(qū)面積僅1.985km2。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市規(guī)模逐漸增大，城市擴(kuò)展方向主要向東、東南、南、西南方向發(fā)展。1970年前后城區(qū)面積為56.10km2，80年代為74.19km2，2000年為204.49km2，2010年為347km2，至2015已經(jīng)擴(kuò)展到390km2(圖2)。從城市擴(kuò)展速度看，60多年來(lái)濟(jì)南城區(qū)面積經(jīng)歷了由緩慢增長(zhǎng)到快速增長(zhǎng)到爆發(fā)式增長(zhǎng)3個(gè)階段。1954—1980年年均擴(kuò)展面積1.74km2，1980—2000年年均擴(kuò)展面積6.52km2，2000—2015年年均擴(kuò)展面積12.37km2。可以看出，城鎮(zhèn)化南擴(kuò)速度最快時(shí)間段在20世紀(jì)80年代以后，尤其是在21世紀(jì)初期，而且主要向南部奧陶紀(jì)灰?guī)r區(qū)擴(kuò)展。如今東郊高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)、大小漢峪、孟家、中井、荊山、漿水泉、羊頭峪、八里洼、千佛山、太平莊、興隆-土屋、金雞嶺、十六里河、九曲、七賢鎮(zhèn)、南北康而、臘山、黨家莊及長(zhǎng)清大學(xué)城等一帶，奧陶紀(jì)灰?guī)r地表巖溶相對(duì)發(fā)育區(qū)，已基本被規(guī)劃和建設(shè)為各類(lèi)開(kāi)發(fā)區(qū)。

2.2 城市擴(kuò)展影響

(1)直接補(bǔ)給區(qū)面積逐漸萎縮

60多年來(lái)，濟(jì)南城市發(fā)展空間的擴(kuò)展不斷向南部山區(qū)蔓延，而這些地段恰恰是地下水的直接補(bǔ)給區(qū)，是泉水的源頭。截至2015年，趵突泉泉域內(nèi)被侵占直接補(bǔ)給區(qū)面積由20世紀(jì)50年代的1.985km2擴(kuò)大至130km2(圖3)。其中，1954—1980年，累計(jì)侵占面積為8.36km2，年平均侵占面積為0.32km2，1980—2000年，累計(jì)侵占面積為42.93km2，年平均侵占面積為2.15km2，2000—2015年，侵占面積為76.73km2，年平均侵占面積為5.11km2，這一變化趨勢(shì)與濟(jì)南城市擴(kuò)展速度和方向基本吻合。

1—1954年主城區(qū)范圍;2—1970年主城區(qū)擴(kuò)大范圍;3—1981年主城區(qū)擴(kuò)大范圍;4—2000年主城區(qū)擴(kuò)大范圍;5—2010年主城區(qū)擴(kuò)大范圍;6—2015年主城區(qū)擴(kuò)大范圍圖2 1954—2015年濟(jì)南市主城區(qū)擴(kuò)展圖

圖3 直接補(bǔ)給區(qū)被侵占面積變化圖

(2)城市表流、洪澇增多

隨著市區(qū)河道被擠占、襯砌，加之南部山區(qū)地面固化面積急劇增加，使下墊面不透水層大大增加，下滲量和蒸發(fā)量減少，導(dǎo)致地表徑流量隨城區(qū)擴(kuò)展逐漸增加[18]，自20世紀(jì)60年代至90年代，部分地區(qū)徑流系數(shù)由0.5增加到0.9。地表徑流量增加，使城區(qū)容易產(chǎn)生洪澇災(zāi)害。自1949—2007年，濟(jì)南發(fā)生洪澇災(zāi)害28次[19]，平均每?jī)赡暌淮?，?007年7月18日，濟(jì)南市區(qū)3小時(shí)降水量達(dá)180mm[20]，大量地表徑流由南部丘陵區(qū)向城區(qū)低洼處匯集，由于水量大且湍急，市區(qū)部分交通中斷，泄洪河道外溢，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

3 直接補(bǔ)給區(qū)面積削減對(duì)保泉影響

直接補(bǔ)給區(qū)地表溝谷滲漏是巖溶水最重要的補(bǔ)給場(chǎng)所，同時(shí)山坡、山腳的土壤、植被等對(duì)于小流域內(nèi)的水源涵養(yǎng)及匯集也具有重要作用。因此，強(qiáng)滲漏帶的劃定必須具有流域概念，該次根據(jù)前人成果依據(jù)滲漏溝谷所處小流域?qū)⒈鄙澈印⒂穹蛹捌湟詵|直接補(bǔ)給區(qū)重新劃分為24個(gè)強(qiáng)滲漏小流域。這些小流域內(nèi)的河道、干谷是決定滲漏的關(guān)鍵部位。然而，隨著城市發(fā)展眾多河道、干谷遭到破壞、填埋、改道、變窄、防滲等(表1、圖4)，致使小流域滲漏功能遭受不同程度破壞，影響地表水入滲補(bǔ)給量。根據(jù)其破壞程度大小大致可以劃分為3類(lèi)：

(1)滲漏功能基本消失

自20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初，城市擴(kuò)張迅速，致使臘山-文莊、雙龍-九曲、東西八里洼、太平莊、羊頭峪及石河嶺6個(gè)河谷強(qiáng)滲漏小流域被城市侵占，總面積約48.33km2。其關(guān)鍵河道、干谷已經(jīng)被地面硬化、襯砌防滲，原本應(yīng)滲入地下的地表水基本轉(zhuǎn)化為地面徑流，沿行洪河道北向流走，無(wú)法補(bǔ)給泉水，小流域內(nèi)滲漏功能基本消失。

表1 城市擴(kuò)展對(duì)直接補(bǔ)給區(qū)強(qiáng)滲漏小流域影響統(tǒng)計(jì)

(2)滲漏功能部分消失

21世紀(jì)以來(lái)，城市建設(shè)始終未能停止向南部泉水直接補(bǔ)給區(qū)擴(kuò)張，尤其是近十幾年來(lái)，城市侵占南部直接補(bǔ)給區(qū)現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。北沙河、分水嶺-北康而莊、興隆-土屋、小嶺、漿水泉、中井-下井、孟家-龍洞、大澗溝和南北胡-劉志遠(yuǎn)9個(gè)河谷強(qiáng)滲漏小流域正逐步被城市侵占，其關(guān)鍵滲漏河道、干谷被占比例普遍超過(guò)40%。其中分水嶺-北康而莊及南北胡-劉志遠(yuǎn)強(qiáng)滲漏小流域內(nèi)河道、干谷被占比例更是超過(guò)70%；小嶺強(qiáng)滲漏小流域雖然被占比例僅26.05%，但其關(guān)鍵滲漏河谷面積僅1.19km2，且流域內(nèi)地表水匯集后大部分向興隆-土屋小流域內(nèi)徑流并下滲，而興隆-土屋強(qiáng)滲漏小流域內(nèi)關(guān)鍵滲漏河道、干谷被占比例已經(jīng)達(dá)到44.12%。北沙河強(qiáng)滲漏小流域內(nèi)前大彥至魏莊河段已開(kāi)發(fā)成園博園景區(qū)，河道被完全防滲處理，其關(guān)鍵滲漏河道5.57km2被占2.57km2，達(dá)到45.24%，且園博園景區(qū)南北兩側(cè)城區(qū)開(kāi)發(fā)已有9.12km2。9大河谷強(qiáng)滲漏小流域內(nèi)43.25km2的關(guān)鍵滲漏河道、干谷被占面積總計(jì)22.85km2，被占比例達(dá)到52.83%，并仍在繼續(xù)開(kāi)發(fā)中。而且，幾條河道上修建的水庫(kù)原本在雨季蓄水后可滲入補(bǔ)給巖溶水，現(xiàn)皆采取防滲措施，水庫(kù)水無(wú)法入滲，大多蒸發(fā)，如興隆、漿水泉、孟家水庫(kù)等。小流域內(nèi)地表水滲漏補(bǔ)給量大幅削減，小流域滲漏功能已部分消失，并有加速發(fā)展趨勢(shì)。

(3)滲漏功能近似完好

在南部低山丘陵的河谷強(qiáng)滲漏小流域還未受到城市集中開(kāi)發(fā)影響，主要以村落低密度零散開(kāi)發(fā)為主，破壞程度相對(duì)較小，基本保持了原有滲漏功能。主要分布在玉符河、泉瀘-錢(qián)家莊、礦村、店子-二仙、邵而-展村、車(chē)腳山-太平莊、澇坡-鄭家窩坡、河?xùn)|-河西和侯家莊-義和莊9個(gè)強(qiáng)滲漏小流域。其關(guān)鍵滲漏河道、溝谷72.72km2，被侵占總面積14.2km2，各小流域被侵占比例均低于30%。玉符河強(qiáng)滲漏小流域關(guān)鍵滲漏河道雖然被城市侵占面積僅3.26%，但由于臥虎山、錦銹川等水庫(kù)截流，河道徑流減少，挖砂后出現(xiàn)采補(bǔ)不平衡，使河床下切，坑洼不平，河道表層2m內(nèi)粗砂已挖盡，僅剩大量卵礫石。河道溝谷寬度變窄，滲透性降低，涵養(yǎng)水源能力減弱，大大降低了地表水入滲補(bǔ)給量。

總之，直接補(bǔ)給區(qū)是趵突泉泉域重要的巖溶地下水補(bǔ)給場(chǎng)所，此區(qū)域巖溶地層裸露、巖溶裂隙發(fā)育，分布眾多河流及溝谷(巖溶干谷)，為大氣降水入滲和地表水滲漏轉(zhuǎn)化地下水提供了有利條件。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，截至2015年，城市發(fā)展空間因向東南、南、西南三面擴(kuò)展，造成泉域地下水直接補(bǔ)給區(qū)面積減少約29%。其中，強(qiáng)滲漏小流域內(nèi)的河流、溝谷侵占破壞總面積約85.38km2。地面固化、溝谷侵占等使降水入滲量大大減少，直接影響泉水補(bǔ)給量。粗略計(jì)算多年平均降水量648mm，奧陶紀(jì)灰?guī)r平均降水入滲系數(shù)0.42，降水入滲量減少9.7萬(wàn)m3/d。

除此之外，干谷、河道破壞還有另外2方面影響，一是在短時(shí)強(qiáng)降雨條件下，增加了地表徑流量，減少入滲量，對(duì)城區(qū)造成洪澇威脅；二是當(dāng)來(lái)自南部間接補(bǔ)給區(qū)地表水流經(jīng)直接補(bǔ)給區(qū)的溝谷時(shí)，同樣也無(wú)法入滲補(bǔ)給巖溶水，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為地表徑流白白流走。因此，直接補(bǔ)給區(qū)破壞對(duì)泉水補(bǔ)給量削減影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)估算的9.7萬(wàn)m3/d。

1—強(qiáng)滲漏小流域;2—河道、溝谷;3—已喪失滲漏功能;4—部分喪失滲漏功能;5—泉域范圍圖4 趵突泉泉域直接補(bǔ)給區(qū)內(nèi)強(qiáng)滲漏小流域滲漏功能破壞示意圖

4 結(jié)論與建議

濟(jì)南城市擴(kuò)展經(jīng)歷了由緩慢增長(zhǎng)、快速增長(zhǎng)、爆發(fā)式增長(zhǎng)3個(gè)階段，趵突泉泉域直接補(bǔ)給區(qū)面積削減也隨之相應(yīng)變化。直接補(bǔ)給區(qū)面積逐漸萎縮，城市表流、洪澇增多。直接補(bǔ)給區(qū)是泉水的重要補(bǔ)給地帶，從流域角度重新劃定了24個(gè)強(qiáng)滲漏小流域。截至2015年，濟(jì)南城區(qū)不斷南擴(kuò)，累計(jì)侵占直接補(bǔ)給區(qū)130km2，導(dǎo)致24個(gè)強(qiáng)滲漏小流域內(nèi)的85.38km2主滲漏溝谷受到破壞，入滲功能受到不同程度影響，其中6個(gè)滲漏功能基本消失，9個(gè)滲漏功能部分消失，僅9個(gè)滲漏功能近似完好。直接補(bǔ)給區(qū)面積減少，導(dǎo)致泉水入滲補(bǔ)給量削減約9.7萬(wàn)m3/d。

隨著城市發(fā)展速度加快，為避免泉水直接補(bǔ)給區(qū)進(jìn)一步遭到破壞，建議著重加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)存18個(gè)強(qiáng)滲漏小流域的地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)，統(tǒng)籌小流域內(nèi)山、水、林、土、草生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)，加強(qiáng)小流域內(nèi)山坡-山腳-山谷局部水循環(huán)的整體保護(hù)與修復(fù)。針對(duì)已經(jīng)完全喪失功能的6個(gè)強(qiáng)滲漏小流域，在有條件的情況下，考慮對(duì)八里洼東西溝、羊頭峪大溝、漿水泉大溝、窯頭大溝、孟家大溝、漢峪大溝原滲漏段進(jìn)行修復(fù)，并增加地表水滯留促滲工程，逐步恢復(fù)其入滲功能。