濟(jì)南歷城巨野河沖洪積扇雨洪水儲(chǔ)存調(diào)蓄研究

趙有美，劉小平，劉文

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地下水資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

海綿城市理論中的“滲、滯、蓄、凈、用、排”技術(shù)已廣泛用于城市雨洪水資源管理中，國內(nèi)大部分的海綿城市建設(shè)主要是從城市徑流控制、地表水、包氣帶巖層的下滲儲(chǔ)存為主[1-3]，對(duì)利用第四系含水層巨大的儲(chǔ)存空間用于儲(chǔ)存調(diào)蓄雨洪水資源的研究較少[4-5]。第四系含水層用于雨洪水儲(chǔ)存調(diào)蓄具有不易污染、雨水吸附凈化、改善水質(zhì)、減少城市洪澇災(zāi)害、供水安全的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有改善生態(tài)地質(zhì)環(huán)境等特性。濟(jì)南單斜構(gòu)造山前分布著南大沙河、北大沙河、玉符河、巨野河、巴漏河等諸多山前河流沖洪積扇，其第四系厚度50～150m，70m以淺分布有5～30m的中砂及中粗砂夾礫石，具備良好的地下水儲(chǔ)存調(diào)蓄空間。本文以巨野河沖洪積扇中深層較大的相對(duì)封閉的儲(chǔ)存調(diào)蓄空間為研究對(duì)象，通過平水期、枯水期開發(fā)利用沖洪積扇砂層含水層的地下水資源，降低第四系水頭高度，騰出儲(chǔ)水空間，雨季儲(chǔ)存城市硬化地面、河流流域地表徑流的雨洪水，減輕雨洪水的危害，實(shí)現(xiàn)雨洪水的資源化，解決當(dāng)?shù)厮Y源短缺的問題[6-10]。為濟(jì)南市一系列的山前河流沖洪積扇推廣雨洪水第四系砂層儲(chǔ)存調(diào)蓄提供理論與數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

研究區(qū)位于濟(jì)南市東部，章丘市西部，距離濟(jì)南市區(qū)約20km，位于巨野河流域中下游。地貌類型上屬于山前傾斜平原和黃河沖積平原地貌過渡地帶，地貌類型由南向北依次為山前傾斜平原、黃河沖積平原和洼地。地勢(shì)總體南高北低，相對(duì)較平坦，起伏不大，地面高程18.0～50.0m，自然比降1/2000左右，由南部的山前杜莊水庫向北部小清河一帶傾斜。

研究區(qū)地處中緯度內(nèi)陸地帶，屬暖溫帶大陸性氣候，平均氣溫為12.8℃，極端高溫為42.1℃(1955年7月24日)，極端低溫為-23℃(1972年1月26日)。1956—2017年多年平均降水量為685.49mm。降水在年內(nèi)分配不均，多集中在汛期，汛期(6—9月)平均降水量451.20mm，占降水量的65.82%，12月至次年3月平均降水量37.56mm，僅占全降水量的5.48%。

研究區(qū)地表水系發(fā)育，有巨野河、小清河及引黃干渠。巨野河源于濟(jì)南市歷城區(qū)西營街道拔槊泉、飲馬泉，流經(jīng)彩石街道和孫村街道，入濟(jì)南市章丘區(qū)龍山街道，經(jīng)杜張水庫復(fù)又入歷城董家街道、唐王街道、遙墻街道，在鴨旺口入小清河，全長48.5km，流域面積260km2。

1.2 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

1.2.1 地層巖性

研究區(qū)第四系廣泛分布，南部山前地帶第四系巖性為黏質(zhì)砂土、砂質(zhì)黏土、黏土夾砂礫石層。北部小清河附近第四系巖性為粉砂、粉土、黏質(zhì)砂土。第四系堆積物的厚度變化較大，受地形坡向控制，厚度總體由南向北、由東向西逐漸增厚，從南部山前地帶55m至北部小清河附近達(dá)150m左右。

1.2.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水由上而下可劃分為：松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水等3種類型。松散巖類孔隙水含水層是本次雨洪水儲(chǔ)存調(diào)蓄主要利用的層位，含水層巖性以中細(xì)砂、中粗砂、卵礫石為主，在垂向上具多層結(jié)構(gòu)，單層厚度較小，并夾有數(shù)層薄層黏土，具有微承壓—承壓性。含水層厚度5～16m，水位埋深在1.27～18.11m，水位變幅在3～10m。研究區(qū)中東部單井出水量1000～3000m3/d，西部、南部單井出水量為500～1000m3/d，僅東南小部分區(qū)域單井出水量<500m3/d，其富水性受沖洪積扇分布的控制，沖洪積扇內(nèi)富水性較好。

2 技術(shù)方法

本文綜合利用物探、鉆探、水位統(tǒng)測(cè)、抽水試驗(yàn)、回灌試驗(yàn)、水質(zhì)分析等方法分別對(duì)巨野河沖洪積扇位置、范圍、含水砂層厚度、單井涌水量、回灌量、地表徑流量、地下水水質(zhì)、河水水質(zhì)及儲(chǔ)存調(diào)蓄資源量進(jìn)行了研究(圖1)。其中，雨洪水儲(chǔ)存調(diào)蓄范圍依據(jù)高密度電法，結(jié)合水位統(tǒng)測(cè)結(jié)果綜合分析確定；砂層厚度特征采用高密度電法和鉆探相結(jié)合的方式確定；通過對(duì)鉆孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)、常壓回灌試驗(yàn)等確定水文地質(zhì)參數(shù)，采用變徑流系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式法[11-13]、水位恢復(fù)法、儲(chǔ)存量計(jì)算公式[14-16]來計(jì)算巨野河流域的地表河流徑流量、儲(chǔ)水系數(shù)和沖洪積扇儲(chǔ)存調(diào)蓄量[17-18]。

1—物探剖面線及編號(hào)；2—水文地質(zhì)鉆孔及編號(hào)；3—地質(zhì)剖面線；4—水質(zhì)取樣點(diǎn)位置圖1 濟(jì)南歷城巨野河物探剖面線布設(shè)圖

3 儲(chǔ)存調(diào)蓄特征

用于雨洪水儲(chǔ)存調(diào)蓄區(qū)必須具備適宜的水文地質(zhì)條件、一定的匯水條件和相對(duì)封閉的空間。儲(chǔ)存調(diào)蓄量與儲(chǔ)存調(diào)蓄區(qū)面積、砂層厚度、砂層的儲(chǔ)水系數(shù)成正比[19-21]。

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3.1 儲(chǔ)存調(diào)蓄區(qū)

為確定巨野河沖洪積扇的位置和范圍，沿現(xiàn)代巨野河兩側(cè)布設(shè)了6條高密度電法和電測(cè)深剖面線，并施工了3眼水文地質(zhì)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證(圖1)。圖2為高密度電法和電測(cè)深法解譯的沖洪積扇位置和范圍，從圖2中可以看出巨野河沖洪積扇大體南北向呈扇形展布，面積約69.98km2。其軸部位于巨野河現(xiàn)代河床的右岸，沿段家莊—唐王鎮(zhèn)—婁家村東一線分布，沖洪積扇大多也位于巨野河現(xiàn)代河床的右岸，扇頂位于杜張水庫北西巨野河出山口全節(jié)河村附近，扇緣位于小清河南岸地勢(shì)相對(duì)低洼處。

1—沖洪積扇范圍；2—沖洪積扇軸部圖2 巨野河沖洪積扇位置范圍圖

根據(jù)沖洪積扇地下水含水系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)特征及地下水開采利用條件，巨野河沖洪積扇是理想的天然雨洪水儲(chǔ)存調(diào)蓄區(qū)。巨野河沖洪積扇的東、西、南邊界為沖洪積扇的邊界，其巖性由山前坡洪積物組成，巖性主要為粉質(zhì)黏土夾碎石等，透水性差，北部扇緣地帶位于小清河南岸地勢(shì)相對(duì)低洼處，也是地下水位南北向最低處，為地下水的溢出帶，在此地段其南側(cè)的地下水向其徑流補(bǔ)給，北側(cè)的小清河河水水位高于地下水水位，小清河河水向地下水補(bǔ)給，第四系之下分布有巨厚的石炭-二疊系，與巖溶含水層水力聯(lián)系微弱。因此，巨野河沖洪積扇砂層為一相對(duì)封閉的含水層，作為本次研究雨洪水儲(chǔ)存調(diào)蓄區(qū)范圍。

3.2 砂、卵礫石層厚度特征

為確定巨野河沖洪積扇砂、卵礫石層的厚度，通過高密度電法和電測(cè)深剖面測(cè)量并結(jié)合鉆探進(jìn)行驗(yàn)證。圖3為第四系砂層厚度等值線圖，圖4為雨洪水儲(chǔ)存調(diào)蓄區(qū)剖面線，從圖3中可以看出，第四系砂、卵礫石層厚度從軸部向兩側(cè)逐漸變薄，從扇頂向扇中逐漸變厚再向扇緣變薄，厚度從16.1m逐漸變薄為1.3m。從圖4可以看出研究區(qū)含水層砂層主要分布于巨野河沖洪積扇內(nèi)，垂向上大體分為3層：

1—砂層厚度等值線/m；2—水文地質(zhì)鉆孔砂層厚度/m；3—沖洪積扇范圍；4—沖洪積扇軸部圖3 巨野河沖洪積扇第四系砂層厚度等值線圖

1—粉質(zhì)黏土；2—砂層；3—卵礫石；4—泥巖；5—礫巖；6—孔號(hào)/孔深/m圖4 巨野河雨洪水儲(chǔ)存調(diào)蓄區(qū)剖面線

第一層砂、卵礫石層，在沖洪積扇內(nèi)廣泛分布，分布深度在10～25m以淺，淺黃色—棕黃色，結(jié)構(gòu)松散—致密，礫石成分主要為灰?guī)r，砂顆粒的主要成分為石英、長石，磨圓度較好，顆粒由南向北逐漸變小，在南部扇頂?shù)貛槁训[石，粒徑一般5～8cm，向北扇緣地帶逐漸過渡為中粗砂，厚度一般小于2m。

第二層砂、卵礫石層，在沖洪積扇內(nèi)廣泛分布在25～70m以淺的深度范圍內(nèi)，淺黃色—棕黃色，結(jié)構(gòu)松散—致密，顆粒的主要成分為石英、長石，磨圓度較好，卵礫石粒徑由南向北變小，南部扇頂?shù)貛Я揭话銥?～5cm；向北扇緣地帶粒徑逐漸變小，粒徑一般在2～3cm，厚度由南向北逐漸增厚，南部厚度一般在2m左右，北部厚度可達(dá)5m。

第三層卵礫石層，主要分布于沖洪積扇的中北部，灰白色，填充物為黃棕色黏土，碳酸鈣質(zhì)，含方解石、白云石，膠結(jié)程度差，礫石磨圓度較好，粒徑2～5cm，厚度由中部向北部逐漸變厚，可達(dá)10m。

3.3 儲(chǔ)水系數(shù)

為了求取巨野河沖洪積扇內(nèi)不同分區(qū)內(nèi)的儲(chǔ)水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)，本次工作在沖洪積扇頂、扇中、扇緣分別施工了一眼水文地質(zhì)鉆孔，并對(duì)其進(jìn)行了2個(gè)落程的穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，扇頂含水砂層厚度為12.4m，單井出水量1450m3/d，穩(wěn)定降深22.85m；扇中含水層厚度為16.1m，單井出水量2520m3/d，穩(wěn)定降深27.0m；扇緣含水層厚度12.5m，單井出水量2030m3/d，穩(wěn)定降深10.4m。經(jīng)計(jì)算扇緣儲(chǔ)水系數(shù)為0.0494，扇中儲(chǔ)水系數(shù)為0.0451，扇頂儲(chǔ)水系數(shù)為0.007。

3.4 儲(chǔ)存調(diào)蓄水源

巨野河沖洪扇的補(bǔ)給水源主要包括大氣降水、河水、水庫放水、汛期山區(qū)洪水及污水處理廠排放的中水。巨野河長48.5km，流域面積260km2，其中山區(qū)226km2，平原區(qū)34km2。在平均降水685.49mm條件下，雨洪水年均徑流量為3717萬m3。

3.5 調(diào)蓄水源水質(zhì)論證

根據(jù)巨野河河水水質(zhì)分析結(jié)果和收集的巨野河上游狼貓山水庫的水質(zhì)分析結(jié)果(2013年10月)：巨野河河水和上游水庫地表水水化學(xué)類型為重碳酸鈣型水，總硬度為264.49～365.29mg/L，礦化度在411.22～601.88mg/L，各項(xiàng)離子含量均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

3.6 儲(chǔ)存調(diào)蓄量

3.6.1 計(jì)算分區(qū)

根據(jù)第四系孔隙水平面流場(chǎng)(圖5)和第四系地下水的儲(chǔ)存調(diào)蓄特征對(duì)巨野河沖洪積扇進(jìn)行分區(qū)，考慮沖洪積扇的位置、含水砂卵礫石厚度、水位變幅等因素共分3個(gè)區(qū)，為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。其中，Ⅰ區(qū)位于沖洪積扇的扇緣，面積為24.57km2；Ⅱ區(qū)位于沖洪積扇的扇中，面積為25.52km2；Ⅲ區(qū)位于沖洪積扇的扇頂及邊沿兩側(cè)，面積為19.19km2(表1，圖6)。

1—地下水位等值線/m；2—地下水流向；3—沖洪積扇范圍；4—水位統(tǒng)測(cè)點(diǎn)及編號(hào)圖5 巨野河第四系孔隙水等水位線圖

1—沖洪積扇范圍；2—分區(qū)界線；3—沖洪積扇軸部；4—分區(qū)編號(hào)圖6 巨野河儲(chǔ)存調(diào)蓄量計(jì)算分區(qū)圖

表1 各分區(qū)面積及分布

3.6.2 水頭高度

儲(chǔ)存調(diào)蓄量的計(jì)算需要考慮地下水位的環(huán)境約束條件，由于研究區(qū)第四系孔隙水水位埋深較淺，為了不對(duì)研究區(qū)土壤環(huán)境、地下水環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，綜合考慮巨野河沖洪積扇作為地下水庫的調(diào)蓄能力，以及大規(guī)模開發(fā)利用其第四系孔隙水可能對(duì)研究區(qū)環(huán)境不產(chǎn)生明顯影響，來確定各分區(qū)地下水位埋深的最高值和最低值[22-23]。

汛期雨洪水儲(chǔ)存調(diào)蓄后的最高地下水位埋深取2018年11月時(shí)的地下水水位埋深(表2)；由于各區(qū)的地下水位埋深值不一致，因此取各區(qū)平均值做為各區(qū)雨洪水儲(chǔ)存調(diào)蓄后的最高地下水位埋深值。

表2 地下水位埋深統(tǒng)計(jì)一覽表

由于研究區(qū)第四系孔隙水利用率較低，現(xiàn)狀條件下為農(nóng)田作物種植區(qū)的季節(jié)性集中開采及蔬菜、經(jīng)濟(jì)作物全年持續(xù)性少量開采，最低地下水位埋深取值以現(xiàn)狀條件下枯水期值為基礎(chǔ)，結(jié)合擬大規(guī)模開發(fā)利用時(shí)增加的降深值做為最低埋深限值。Ⅰ區(qū)水位埋深枯水期大多在10m左右，Ⅱ區(qū)水位埋深枯水期大多在12～13m左右，Ⅲ區(qū)水位埋深枯水期大多在15m左右?？紤]到各區(qū)的富水性有所差別，Ⅰ區(qū)富水性條件較好，大規(guī)劃開采第四系孔隙水資源時(shí)所激發(fā)的水位降深取值為3m，Ⅱ區(qū)富水性中等，激發(fā)的水位降深取值為5m，Ⅲ區(qū)富水性相對(duì)最差，激發(fā)的水位降深取值為8m，故Ⅰ區(qū)最低水位埋深取值為13m，Ⅱ區(qū)最低水位埋深取值為17m，Ⅲ區(qū)最低水位埋深取值為23m。各分區(qū)水頭升高值見表2。扇緣Ⅰ區(qū)水頭升高值為7.45m，扇中Ⅱ區(qū)水頭升高值為12.56m，扇頂Ⅲ區(qū)水頭升高值為18.06m。

3.6.3 儲(chǔ)存調(diào)蓄量計(jì)算

巨野河沖洪積扇儲(chǔ)存調(diào)蓄量主要是指在人為干預(yù)條件下，對(duì)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境、地下水環(huán)境不產(chǎn)生負(fù)面影響的最高水位與開采條件下達(dá)到的最低水位之間的儲(chǔ)存量[24-27]。根據(jù)公式5，經(jīng)計(jì)算巨野河沖洪積扇內(nèi)地下水儲(chǔ)存調(diào)蓄量為2592.45萬m3(表3)。

表3 研究區(qū)第四系孔隙水儲(chǔ)存量 單位：m3

3.6.4 出水能力與出水方式

巨野河沖洪積扇含水層巖性從南部扇頂?shù)牧揭话?～8cm卵礫石向北部扇緣2～3cm的卵礫石、中粗砂過渡。根據(jù)沖洪積扇各區(qū)抽水試驗(yàn)成果分析：扇頂Ⅲ區(qū)滲透系數(shù)為9.72m/d，影響半徑為599.57m；扇中Ⅱ區(qū)滲透系數(shù)為36.68m/d，影響半徑為784.92m；扇緣Ⅰ區(qū)滲透系數(shù)為19.93m/d，影響半徑為465.20m。從滲透系數(shù)可以看出，從扇頂向扇緣單井出水量逐漸增強(qiáng)。從單井的抽水量和抽水穩(wěn)定時(shí)間來看，抽水時(shí)很快達(dá)到水量、水位的平衡穩(wěn)定狀態(tài)，具備良好的供水條件。根據(jù)本次抽水試驗(yàn)情況，抽水方式可以采取潛水泵取水方式。

3.6.5 回灌補(bǔ)水能力與回灌補(bǔ)水方式

根據(jù)沖洪積扇各區(qū)回灌試驗(yàn)成果分析：扇頂Ⅲ區(qū)回灌水量275m3/d，水頭高度為1.90m，滲透系數(shù)為9.64m/d，影響半徑為59.62m。扇中Ⅱ區(qū)回灌水量1459m3/d，水頭高度為4.26m，滲透系數(shù)為17.99m/d，影響半徑為192.58m。扇緣Ⅰ區(qū)回灌水量935m3/d，水頭高度為3.44m，滲透系數(shù)為17.71m/d，從滲透系數(shù)可以看出，從扇頂向扇緣單井出水量逐漸增強(qiáng)。從單井的回灌量和回灌穩(wěn)定時(shí)間來看，回灌時(shí)很快達(dá)到水量、水位的平衡穩(wěn)定狀態(tài)，說明巨野河沖洪積扇具有較強(qiáng)的回灌儲(chǔ)水條件。

地下水補(bǔ)給方式有很多種，研究區(qū)雨洪水儲(chǔ)存調(diào)蓄砂、卵礫石層最淺埋深在深度10m，最深可達(dá)100m左右，結(jié)合山前河流沖洪積扇的水文、地貌、水位、含水砂、卵礫石層的埋藏情況，選擇深井回灌作為雨洪水儲(chǔ)存調(diào)蓄的補(bǔ)給方式。

4 結(jié)論

(1)巨野河沖洪積扇具有較好的雨洪水儲(chǔ)存調(diào)蓄潛力，含水層由砂、卵礫石層組成，具有相對(duì)天然的封閉儲(chǔ)水條件；在不引起環(huán)境負(fù)效應(yīng)的前提下，儲(chǔ)存調(diào)蓄量為2592.45萬m3；儲(chǔ)存調(diào)蓄水源主要來自于大氣降水、河水、水庫泄洪放水、汛期山區(qū)洪水以及污水處理廠中水，儲(chǔ)存調(diào)蓄資源量充足，回灌、出水條件良好，補(bǔ)給方式為深井回灌方式。

(2)通過對(duì)巨野河沖洪積扇雨洪水儲(chǔ)存調(diào)蓄研究，查明影響河流沖洪積扇調(diào)蓄能力的影響因素有沖洪積扇的面積、砂層巖性及厚度、砂層的儲(chǔ)水系數(shù)等，可為濟(jì)南市系列山前沖洪積扇用于海綿城市建設(shè)中雨洪水儲(chǔ)存利用提供參考。