趵突泉泉域洼地型強(qiáng)滲漏帶特征及保護(hù)措施

陳學(xué)群 劉彩虹 管清花

摘 要：為了解濟(jì)南趵突泉泉域強(qiáng)滲漏帶的特征，采用野外試驗(yàn)、遙感解譯及電法勘探等方法，分析了洼地型強(qiáng)滲漏帶店子—二仙強(qiáng)滲漏帶第四系覆蓋層厚度、植被覆蓋度及滲漏量等，結(jié)果表明：店子—二仙強(qiáng)滲漏帶東部地勢高于西部地勢;第四系覆蓋層厚度較薄，為0～9 m，下部為基巖界面，地下水補(bǔ)給能力較強(qiáng);植被覆蓋情況較好，以高覆蓋度、中覆蓋度和中低覆蓋度植被覆蓋為主，占整個(gè)流域面積的84.84%;完全自然條件下，小流域多年平均地下水滲漏補(bǔ)給量為330.26萬m3/a，現(xiàn)狀開發(fā)利用條件下地下水滲漏補(bǔ)給量為246.41萬m3/a，現(xiàn)狀建設(shè)條件下地下水滲漏補(bǔ)給量減少83.85萬m3/a，減少量占自然條件下地下水滲漏補(bǔ)給量的25.4%;開發(fā)建設(shè)對(duì)地下水滲漏補(bǔ)給量有一定影響，應(yīng)采取污染源控制、生態(tài)補(bǔ)源、海綿城市建設(shè)等措施保證強(qiáng)滲漏帶內(nèi)的滲漏量不減少。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)滲漏帶;地下水;滲漏補(bǔ)給量;趵突泉泉域

中圖分類號(hào)：P641.25;TV211.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.012

Abstract：In order to understand the characteristics of strong seepage zones in Baotu Spring area of Jinan， the field test， remote sensing interpretation and electrical prospecting were carried out in Dianzi-Erxian strong leakage zone， the thickness of Quaternary overlay and vegetation coverage were analyzed and the groundwater leakage recharge was calculated. The results show that the eastern terrain of Dianzi-Erxian strong leakage zone is higher than that of the west; the Quaternary overburden is 0-9 m which is thinner; under the Quaternary is the bedrock interface with strong groundwater recharge capacity; vegetation coverage is well and is mainly covered by high coverage， middle coverage and low coverage， accounting for 84.83% of the total basin area; under the full natural conditions， the annual groundwater leakage recharge of Dianzi-Erxian catchment is 3.302 6 million m3/a and the groundwater leakage recharge is 2.464 1 million m3/a under the condition of current exploitation and utilization; the groundwater leakage recharge is reduced by 0.838 5 million m3/a， the reduction accounts for 25.4% of the groundwater recharge under natural conditions; Development and construction have a certain influence to the amount of groundwater leakage recharge. Pollution source control， ecological supplement and the construction of sponge city should be taken to ensure that the leakage in the strong leakage zone is not reduced.

Key words： strong leakage zone; groundwater; leakage recharge; Baotu Spring area

泉水是濟(jì)南獨(dú)具特色的自然景觀，是濟(jì)南深厚歷史文化底蘊(yùn)的重要載體。1972年至今趵突泉泉域出現(xiàn)了經(jīng)常性泉水?dāng)嗔鳜F(xiàn)象，一方面隨著濟(jì)南城市的發(fā)展，水資源需求日益增加，地下水開采力度加大，襲奪了部分泉流量;另一方面濟(jì)南城區(qū)逐漸向南部山區(qū)擴(kuò)展，南部山區(qū)硬化面積逐漸增加，而南部山區(qū)為濟(jì)南泉域的直接補(bǔ)給區(qū)域，城市化建設(shè)導(dǎo)致該區(qū)域入滲補(bǔ)給量減少，進(jìn)而影響趵突泉泉域的泉流量。國內(nèi)外專家對(duì)濟(jì)南趵突泉泉域進(jìn)行的研究主要集中在泉水的成因[1-2]、泉流量影響因素[3-5]、水文地球化學(xué)[6-9]、巖溶水污染[10-12]、回灌補(bǔ)源[13-15]、泉水保護(hù)措施[16-17]等方面。20世紀(jì)80年代，黃春海提出濟(jì)南市南部山區(qū)泉域直接補(bǔ)給區(qū)范圍內(nèi)存在24處強(qiáng)滲漏帶，并對(duì)強(qiáng)滲漏帶進(jìn)行了定性描述。2013年，山東省水利科學(xué)研究院確定了濟(jì)南趵突泉泉域24個(gè)強(qiáng)滲漏帶的位置，并將24個(gè)強(qiáng)滲漏帶劃分為近自然型強(qiáng)滲漏帶（14個(gè)）、正在開發(fā)建設(shè)型強(qiáng)滲漏帶（5個(gè)）和完全覆蓋型強(qiáng)滲漏帶（5個(gè)）。

本文以近自然型強(qiáng)滲漏帶中典型洼地型強(qiáng)滲漏帶店子—二仙強(qiáng)滲漏帶為研究對(duì)象，采用遙感解譯、電法勘探、野外試驗(yàn)等方法分析強(qiáng)滲漏帶的特征，利用變徑流系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式法和變參系數(shù)法對(duì)地表徑流量和地下水滲漏補(bǔ)給量進(jìn)行計(jì)算分析，并針對(duì)洼地型強(qiáng)滲漏帶的特點(diǎn)提出了保護(hù)措施。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

店子—二仙強(qiáng)滲漏帶所在流域?yàn)榫排健⒐偕胶秃疑降壬郊咕€圍成的區(qū)域，面積14.77 km2，地面邊界以仲宮鎮(zhèn)的侯家莊、上店子、下店子、二仙、南莊、土屋為界，是地面徑流進(jìn)入玉符河前長期沖刷而成的溝谷洼地，屬于丘陵剝蝕殘丘，地勢較高，地形較為平緩，為洼地類地貌。店子—二仙小流域位于直接補(bǔ)給區(qū)的最南端。溝谷內(nèi)多被第四系覆蓋，第四系沉積物質(zhì)成分多為粉質(zhì)黏土、黏土夾碎石。周邊山體裸巖主要為中寒武的張夏灰?guī)r，巖石性脆，垂向及層間節(jié)理十分發(fā)育，滲透性強(qiáng)。溝谷內(nèi)植被茂密，基本處于原始狀態(tài)，主要為喬木（楊柳、白樺、槐樹、松樹），覆蓋率達(dá)到80%，具有很好的涵養(yǎng)水源能力;店子上游侯家溝內(nèi)開辟為農(nóng)業(yè)用地，種植農(nóng)作物，水流向南進(jìn)入臥虎山水庫，最終匯入玉符河。店子—二仙強(qiáng)滲漏帶保護(hù)區(qū)面積7.43 km2。

1.2 研究方法

店子—二仙強(qiáng)滲漏帶地形特征根據(jù)濟(jì)南市趵突泉泉域11萬地形圖DEM數(shù)據(jù)獲得。第四系覆蓋層厚度調(diào)查采用電法勘探和工程鉆探相結(jié)合的方法。電法勘探剖面布置的原則：基本垂直區(qū)域地層走向，從區(qū)域一側(cè)基巖出露處往另一側(cè)基巖出露處進(jìn)行測量，每個(gè)測量剖面根據(jù)區(qū)域自然條件設(shè)計(jì)5～10個(gè)測量點(diǎn)，相鄰測量點(diǎn)的間距盡量均勻，把很難形成測量剖面的測量區(qū)域作為散點(diǎn)進(jìn)行測量，并利用GPS進(jìn)行定位獲取測量點(diǎn)位置和高程等信息。第四系覆蓋層厚度線采用樣條曲線差值繪制。

植被覆蓋度采用遙感解譯法獲得?？紤]遙感影像覆蓋率以及時(shí)相、云量等因素，選用16 m分辨率的寬幅蓋數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。經(jīng)過調(diào)研，7—9月植被生長比較旺盛，因此選用2015年8月27日的數(shù)據(jù)作為遙感數(shù)據(jù)源開展植被覆蓋度計(jì)算。采用歸一化植被指數(shù)NDVI計(jì)算植被覆蓋度。

1.3 參數(shù)確定

考慮濟(jì)南泉域巖石、土壤性質(zhì)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合第四系覆蓋層及裸巖區(qū)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，確定流域產(chǎn)流參數(shù)，AS、DS、Ag、Dg分別為0.5、1.25、0.42、0.86，PB為300 mm。土地開發(fā)利用前，按照率定的參數(shù)計(jì)算流域地表徑流量和地下水入滲補(bǔ)給量;土地開發(fā)利用后建成區(qū)地面硬化，硬化部分地表徑流系數(shù)增大，一般取0.50～0.75，未硬化部分按照原始率定的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算;對(duì)于地下水入滲補(bǔ)給量主要是入滲面積發(fā)生變化，土地開發(fā)利用前按照流域面積計(jì)算，土地開發(fā)利用后按照未硬化土地面積進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 地形特征

根據(jù)店子—二仙強(qiáng)滲漏帶地形圖，整體上東部地勢高于西部地勢，最高標(biāo)高約為450 m，最低標(biāo)高不足140 m。東部地勢比較陡峭，西部地勢較為平坦。強(qiáng)滲漏帶內(nèi)地形起伏不大，地面絕對(duì)標(biāo)高為140～218 m，最大高差78 m。

2.2 水文地質(zhì)特征

店子—二仙強(qiáng)滲漏帶區(qū)域內(nèi)碳酸鹽巖裂隙巖溶水分布廣泛，地下水總運(yùn)動(dòng)方向與地形和地層產(chǎn)狀基本一致，總體流向由南向北。大氣降水是該區(qū)巖溶水的主要補(bǔ)給方式，區(qū)域內(nèi)石灰?guī)r裸露面積較大，地表巖溶較發(fā)育，大氣降水可直接入滲補(bǔ)給巖溶水。另外，大氣降水通過第四系覆蓋層間接補(bǔ)給巖溶水，也是較重要的補(bǔ)給來源。巖溶水的排泄方式主要為人工開采和泉水。

2.3 第四系覆蓋厚度

為確定店子—二仙強(qiáng)滲漏帶第四系覆蓋層厚度，在強(qiáng)滲漏帶內(nèi)布設(shè)了3條測量剖面進(jìn)行直流電法測量，并進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，電法勘探和鉆探點(diǎn)位置見圖1。店子—二仙強(qiáng)滲漏帶第四系厚度較薄，第四系覆蓋層厚度為0～9 m，下部為基巖界面，地下水補(bǔ)給能力較強(qiáng)。

Ⅰ1—Ⅰ′1剖面位于強(qiáng)滲漏帶西南部，物探方向由東南向西北，地形由東南向西北逐漸降低，兩端為裸巖區(qū)，第四系覆蓋層厚度為0 m，中間第四系覆蓋層厚度最大為5 m。Ⅰ2—Ⅰ′2剖面位于強(qiáng)滲漏帶中部，物探方向由東南向西北，該剖面地形呈現(xiàn)兩端高中間低的U形，兩端為裸巖區(qū)，第四系覆蓋層厚度為0 m，中間第四系覆蓋層厚度最大為9 m。Ⅰ3—Ⅰ′3剖面位于強(qiáng)滲漏帶東北部，物探方向由東南向西北，該剖面地形呈現(xiàn)兩端高中間低的U形，東南部高于西北部，兩端為裸巖區(qū)，第四系覆蓋層厚度為0 m，中間第四系覆蓋層厚度最大為3 m。以巖石裸露的剖面兩端為0點(diǎn)，剖面圖見圖2～圖4。

Ⅰ1—Ⅰ′1剖面西南和Ⅰ3—Ⅰ′3剖面東北基本為裸巖區(qū)。根據(jù)物探解譯結(jié)果，結(jié)合強(qiáng)滲漏帶內(nèi)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，采用樣條曲線差值繪制店子—二仙強(qiáng)滲漏帶內(nèi)第四系覆蓋層厚度等值線，見圖5。

2.4 植被覆蓋度

植被覆蓋度影響截留、入滲、蒸散發(fā)和地下水補(bǔ)給等過程，最終影響河道徑流量，是水文過程模擬的關(guān)鍵參數(shù)。從店子—二仙強(qiáng)滲漏帶2015年植被覆蓋度遙感解譯結(jié)果（見圖6）和植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)表（見表1）可以看出，植被覆蓋情況較好，以高覆蓋度、中覆蓋度和中低覆蓋度植被覆蓋為主。店子—二仙強(qiáng)滲漏帶小流域面積14.77 km2，其中高植被覆蓋度面積7.73 km2，占整個(gè)流域面積的52.34%。所在流域內(nèi)現(xiàn)狀以高覆蓋度、中覆蓋度和中低覆蓋度植被覆蓋為主，占整個(gè)流域面積的84.84%。

2.5 地下水滲漏補(bǔ)給量

店子—二仙強(qiáng)滲漏帶小流域現(xiàn)狀年建設(shè)用地面積為3.75 km2，占流域面積的25.39%;草地地面積為2.34 km2，占流域面積的15.84%;耕地面積為6.02 km2，占流域面積的40.76%;林地面積為1.55 km2，占流域面積的10.49%;水體面積為0 km2;未利用地面積為1.11 km2，占流域面積的7.52%。建設(shè)用地是硬化地面，其他均為非硬化地面。因此該流域硬化面積3.75 km2，非硬化面積11.02 km2。根據(jù)式（1）～式（4）計(jì)算流域現(xiàn)狀條件下不同降水頻率年地下水滲漏補(bǔ)給量和地表徑流量，結(jié)果見表2。

計(jì)算得出單位硬化面積（1 km2）地下水滲漏補(bǔ)給量減少22.36萬m3/a，地表徑流量增加24.52萬m3/a。完全自然條件即無建設(shè)用地條件下，小流域多年平均地下水滲漏補(bǔ)給量為330.26萬m3/a，現(xiàn)狀開發(fā)利用條件下地下水滲漏補(bǔ)給量為246.41萬m3/a，現(xiàn)狀建設(shè)條件下地下水滲漏補(bǔ)給量減少83.85萬m3/a，減少量占自然條件下地下水滲漏補(bǔ)給量的25.4%，可見現(xiàn)狀建設(shè)情況對(duì)地下水滲漏補(bǔ)給量有一定影響，應(yīng)采取有效措施保證強(qiáng)滲漏帶內(nèi)的滲漏量不減少。

3 強(qiáng)滲漏帶保護(hù)措施

（1）植被封育措施。宜林荒草地全面實(shí)施造林綠化，喬灌結(jié)合營造水土保持防護(hù)林，完善水土保持防護(hù)林體系建設(shè);現(xiàn)有林地及未成林造林地實(shí)施全面封育措施，促進(jìn)自然植被盡快恢復(fù)。

（2）污染源控制。妥善處理好區(qū)內(nèi)農(nóng)村生活垃圾、污水的收集與處理，建設(shè)分散式農(nóng)村生活污水處理工程，對(duì)農(nóng)村污水進(jìn)行處理回用;在強(qiáng)滲漏區(qū)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，減少化肥、農(nóng)藥的施用量，減少農(nóng)業(yè)面源污染，并對(duì)農(nóng)村居民實(shí)施生態(tài)補(bǔ)償;建設(shè)區(qū)內(nèi)企事業(yè)單位污水處理工程，嚴(yán)禁企事業(yè)單位污水直接排放;強(qiáng)滲漏區(qū)主溝道上因地制宜建設(shè)生態(tài)濕地水處理工程，凈化水質(zhì)。

（3）主溝攔蓄工程。強(qiáng)滲漏區(qū)主溝發(fā)育較好的溝道建設(shè)小型攔水堰壩工程，梯級(jí)攔蓄地表水，一方面可以為農(nóng)業(yè)灌溉提供水源，另一方面可以增加地下水補(bǔ)給量。

（4）生態(tài)補(bǔ)源工程。補(bǔ)水水源采用錦繡川水庫地表水，錦繡川輸水干渠引水至店子—二仙強(qiáng)滲漏帶進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)源。

（5）海綿城市建設(shè)措施。根據(jù)海綿城市建設(shè)低影響開發(fā)理念，從降雨產(chǎn)流、地表雨水匯流、雨水徑流排出3個(gè)環(huán)節(jié)入手，對(duì)整個(gè)匯流過程進(jìn)行全方位調(diào)控。對(duì)應(yīng)降雨產(chǎn)流、地表雨水匯流、雨水徑流排出3個(gè)環(huán)節(jié)，將店子—二仙強(qiáng)滲漏帶海綿城市建設(shè)技術(shù)大致劃分為源頭控制技術(shù)、中途控制技術(shù)和末端控制技術(shù)。源頭控制技術(shù)包括屋頂綠化、下凹綠地、透水鋪裝、生態(tài)樹池、雨水桶、集雨樽等;中途控制技術(shù)包括透水鋪裝、初期雨水滯留設(shè)施、滲透塘、調(diào)節(jié)塘、調(diào)節(jié)池、截污雨水井、滲透溝（管）渠、雨水過濾池、植被淺溝、生物滯留設(shè)施（又稱雨水花園）、滲井、植草溝、初期棄流、人工土壤滲濾、植被緩沖帶等;末端技術(shù)包括雨水搪、雨水濕地、生態(tài)堤岸、生物浮島、集雨池、濕塘、蓄水池等。不同雨水集蓄利用技術(shù)通常兼具促進(jìn)雨水下滲、滯留、過濾、凈化、調(diào)蓄功能，通?？梢栽谟晁畯搅鞯漠a(chǎn)流、匯流、收集、排放等多個(gè)環(huán)節(jié)同時(shí)發(fā)揮作用。

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場調(diào)查、物探解譯、遙感解譯、滲水試驗(yàn)等方法，得到了洼地型強(qiáng)滲漏帶店子—二仙強(qiáng)滲漏帶的地形、地質(zhì)、植被覆蓋以及現(xiàn)狀滲漏量等特征。店子—二仙強(qiáng)滲漏帶東部地勢高于西部地勢，強(qiáng)滲漏帶內(nèi)地形起伏不大，地面絕對(duì)標(biāo)高為140～218 m，最大高差78 m。強(qiáng)滲漏帶區(qū)域內(nèi)碳酸鹽巖裂隙巖溶水分布廣泛，地下水總的運(yùn)動(dòng)方向與地形和地層產(chǎn)狀基本一致，總體流向?yàn)橛赡舷虮?。第四系厚度較薄，第四系覆蓋層厚度為0～9 m，主要分布在強(qiáng)滲漏帶中部。研究區(qū)以高覆蓋度、中覆蓋度和中低覆蓋度植被覆蓋為主，占流域面積的84.84%，劣植被覆蓋度和低植被覆蓋度面積占流域面積的15.16%。多年平均地下水補(bǔ)給量為246.41萬m3/a，地表徑流量為281.26萬m3/a。每增加單位硬化面積（1 km2）地下水滲漏補(bǔ)給量減少22.36萬m3/a。為保證強(qiáng)滲漏帶內(nèi)的滲漏量不減少，應(yīng)采取植被封育、污染物控制、生態(tài)補(bǔ)源、海綿城市建設(shè)等措施。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黨明德，王曉軍，陸敏.對(duì)濟(jì)南泉水的來源路徑及其保泉問題的研究[J].山東經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略研究，2003（4）：35-40.

[2] 劉莉莉，宋蘇林，崔春梅.濟(jì)南泉水的成因及保泉對(duì)策研究[J].山東水利，2013（5）：17-18.

[3] KANG F， JIN M， QIN P. Sustainable Yield of a Karst Aquifer System： a Case Study of Jinan Springs in Northern China[J]. Hydrogeology Journal， 2011， 19（4）： 851-863.

[4] 周娟，邢立亭，滕朝霞，等.制約濟(jì)南巖溶大泉持續(xù)噴涌的主因素閾值研究[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（3）：146-156.

[5] WANG G F， WU Y X， LU L， et al. Investigation of the Geological and Hydrogeological Environment with Relation to Metro System Construction in Jinan， China[J]. Bulletin of Engineering Geology & Environment， 2017（1-2）： 1-20.

[6] WANG J， JIN M， LU G， et al. Investigation of Discharge-Area Groundwaters for Recharge Source Characterization on Different Scales： the Case of Jinan in Northern China[J]. Hydrogeology Journal， 2016， 24（7）： 1-15.

[7] 楊麗芝，劉春華，祁曉凡.濟(jì)南泉水水化學(xué)特征變異研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2016，27（1）：59-64.

[8] 殷秀蘭，王慶兵，鳳蔚.濟(jì)南巖溶泉域泉群區(qū)水化學(xué)與環(huán)境同位素研究[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2017，91（7）：1651-1660.

[9] 王珺瑜，王家樂，靳孟貴.濟(jì)南泉域巖溶水水化學(xué)特征及其成因[J].地球科學(xué)，2017，42（5）：821-831.

[10] 李大秋，高焰，王志國，等.濟(jì)南泉域巖溶地下水水質(zhì)變化分析[J].中國巖溶，2002，21（3）：202-205.

[11] 孫斌，彭玉明.濟(jì)南泉域邊界條件、水循環(huán)特征及水環(huán)境問題[J].中國巖溶，2014，33（3）：272-279.

[12] LIANG Yongping， GAO Xubo， ZHAO Chunhong， et al. Review： Characterization， Evolution， and Environmental Issues of Karst Water Systems in Northern China[J]. Hydrogeology Journal， 2018， 26： 1371-1385.

[13] PAGE D， VANDERZALM J， DILLON P， et al. Stormwater Quality Review to Evaluate Treatment for Drinking Water Supply Via Managed Aquifer Recharge[J]. Water Air & Soil Pollution， 2016， 227（9）： 322.

[14] 李鳳麗，王維平，徐巧藝，等.濟(jì)南市玉符河多水源回灌巖溶水水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].中國巖溶，2017，36（5）：751-758.

[15] 齊歡，秦品瑞，丁冠濤.基于GMS的濟(jì)南市人工補(bǔ)源影響研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2018，37（1）：98-105.

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

[17] 馬良，王曉軍，吳恩江，等.典型濟(jì)南泉域強(qiáng)滲漏帶的保護(hù)開發(fā)與評(píng)價(jià)[J].中國水土保持科學(xué)，2018，16（3）：103-111.

[18] 李道真.山丘區(qū)三水轉(zhuǎn)化及應(yīng)用變參進(jìn)行區(qū)域水資源計(jì)算方法研究（上）[J].資源與環(huán)境，1989，1（1）：44-49.

[19] 李道真.山丘區(qū)三水轉(zhuǎn)化及應(yīng)用變參進(jìn)行區(qū)域水資源計(jì)算方法研究（下）[J].資源與環(huán)境，1990，2（1）：36-44.

【責(zé)任編輯 呂艷梅】