“灰?guī)r天窗”對(duì)濟(jì)南泉水水化學(xué)組分的影響

武羽曉,邢立亭，袁春鴻,呂晶

(1.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)(山東省地礦工程勘察院)，山東 濟(jì)南 250014；2.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；3.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002)

1 地質(zhì)背景

因?yàn)闈?jì)南城市中心具有巖溶大泉而聞名。為保護(hù)好泉水這一地質(zhì)遺產(chǎn)，學(xué)者對(duì)泉水特征的研究從未止步(邢立亭等，2006；邢立亭，2007；徐軍祥等，2008)。泉群地層基底為太古界泰山群，上覆古生界寒武系鳳山組，奧陶系冶里-亮甲山組、馬家溝組，受燕山晚期巖漿活動(dòng)影響，普遍分布有侵入巖，隱伏于第四系之下。研究區(qū)巖溶水含水巖組為寒武—奧陶系灰?guī)r，文化路以北，歷山路以西，明湖路以南為隱伏寒武—奧陶系灰?guī)r主力含水區(qū)域，單井涌水量>5 000(m3/d)。研究表明，趵突泉泉群區(qū)、黑虎泉泉群區(qū)和濼文路南口3處巖漿巖被剝蝕缺失(房佩賢等,1984)，面積約0.6 km2，形成了“灰?guī)r天窗”。其中，趵突泉附近0～8.85 m礫巖，8.85～36.80 m大理巖(連通形溶洞發(fā)育)，36.80～77.92 m白云質(zhì)灰?guī)r(54.00～54.90 m、58.50～59.80 m為溶洞，60.50～77.50 m巖溶極發(fā)育)，77.92～148.08 m石灰?guī)r；黑虎泉附近0～15.52 m礫巖，15.52～99.25 m白云質(zhì)灰?guī)r(16.40～17.40 m為溶洞，25.50～30.00 m巖溶極發(fā)育，63.20～64.80 m、66.45～69.39 m為溶洞)；濼文路南口0～19.00 m礫巖，19.00～30.90 m泥質(zhì)灰?guī)r，裂隙極發(fā)育，30.90～66.00 m白云質(zhì)灰?guī)r(30.90～33.50 m、37.10～37.60 m、45.00～46.00 m、62.50～66.00 m為溶洞)。“灰?guī)r天窗”是孔隙水與巖溶水水力聯(lián)系點(diǎn)，枯水期孔隙水補(bǔ)給巖溶水易造成泉水污染(房佩賢等,1984)。筆者以南起馬鞍山路，北至明湖路，西起大緯二路，東到山大路范圍作為研究范圍的核心區(qū)，重點(diǎn)研究了核心區(qū)地下水水化學(xué)組分特征，研究區(qū)水樣點(diǎn)分布及核心區(qū)巖溶水水文地質(zhì)現(xiàn)狀見圖1。

1.核心區(qū)巖溶水涌水量>5 000(m3/d)區(qū)；2.核心區(qū)巖溶水涌水量1 000～5 000(m3/d)區(qū)；3.核心區(qū)巖溶水涌水量100～1 000(m3/d)區(qū)；4.灰?guī)r天窗；5.斷裂；6.巖溶水流向；7.巖溶水水樣點(diǎn)及編號(hào)；8.孔隙水水樣點(diǎn)及編號(hào)；9.裂隙水水樣點(diǎn)及編號(hào)；10.區(qū)域巖溶水水樣點(diǎn)及編號(hào)

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究采用了濟(jì)南市軌道交通建設(shè)對(duì)泉水影響的研究資料(韓連山等，2010)，采用了“濟(jì)南趵突泉泉域地下水長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料”，采用了濟(jì)南四大泉群泉水補(bǔ)給來源混合比研究資料(邢立亭等，2018)。

2.2 水化學(xué)組分研究

筆者重點(diǎn)研究了巖溶水，采用多元數(shù)理統(tǒng)計(jì)法對(duì)巖溶水水質(zhì)主成分進(jìn)行了分析(秦兵等,2012)；運(yùn)用該方法對(duì)大同盆地高F地下水水化學(xué)特征及其成因進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)；運(yùn)用水化學(xué)場(chǎng)與水動(dòng)力場(chǎng)理論對(duì)泉水補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)和排泄區(qū)巖溶水水化學(xué)組分特征進(jìn)行了分析。

3 研究結(jié)果、討論

3.1 水化學(xué)組分

研究區(qū)地下水水樣區(qū)位特點(diǎn)及水化學(xué)組分特征(表1)。

表1 地下水水化學(xué)組分表(mg/L)

3.1.1 孔隙水水化學(xué)組分

運(yùn)用濟(jì)南軌道交通建設(shè)對(duì)泉水影響的研究資料，依次對(duì)孔隙水、裂隙水和巖溶水水化學(xué)特征進(jìn)行分析。

圖2 孔隙水水化學(xué)組分特征圖

(2)孔隙水水化學(xué)組分多年變化趨勢(shì)。以回民中學(xué)(2003)-圣凱財(cái)富廣場(chǎng)(2005)-齊魯醫(yī)院(2006)-萬達(dá)廣場(chǎng)(2009)-趵突泉門對(duì)門(2010)一帶的孔隙水為例(圖3)。

從圖3看出，2003～2010年孔隙水水化學(xué)組分總體呈現(xiàn)出隨時(shí)間緩慢增大的趨勢(shì)，圣凱財(cái)富廣場(chǎng)表現(xiàn)為一個(gè)高值區(qū)。

圖3 2003～2010年孔隙水水化學(xué)組分變化趨勢(shì)圖

3.1.2 裂隙水水化學(xué)組分

圖4 裂隙水水化學(xué)組分特征圖

3.1.3 巖溶水水化學(xué)組分

表2 巖溶水化學(xué)組分區(qū)間值表(mg/L)

(2)巖溶水水化學(xué)組分多年變化趨勢(shì)。以趵突泉泉水為例，泉水多年水化學(xué)組分變化趨勢(shì)(圖5)。

圖5 泉水多年水化學(xué)組分變化趨勢(shì)圖

3.2 泉水水化學(xué)組分形成作用

泉域范圍地下水徑流、儲(chǔ)蓄持續(xù)發(fā)生于巖溶空間，逐漸轉(zhuǎn)化為巖溶水。文化路以北地下巖溶特別發(fā)育，溶洞直徑介于0.01～3 m，而且溶洞之間連通性極好，成為巨型網(wǎng)絡(luò)狀蓄水空間，受北部巖漿巖阻擋，在南部水頭壓力作用下噴涌成泉，形成為巖溶大泉。

3.2.1 巖溶水水質(zhì)主成分分析

表3 變量相關(guān)性分級(jí)表

通過SPSS軟件對(duì)以上10個(gè)變量的統(tǒng)計(jì)分析，自動(dòng)生成了變量指標(biāo)相關(guān)性矩陣表(表4)、因子特征值與方差百分比表(表5)和方差旋轉(zhuǎn)后因子得分矩陣表(表6)。

表4 變量指標(biāo)相關(guān)性矩陣表

表5 因子特征值與方差百分比表

表6 方差旋轉(zhuǎn)后因子得分矩陣表

(2)巖溶水總硬度及礦化度特征。巖溶水總硬度與礦化度均較低，總硬度一般為300～400 mg/L，礦化度一般為500～600 mg/L，具體各研究點(diǎn)巖溶水總硬度與礦化度特征分析見圖6。

圖6 巖溶水總硬度與礦化度特征分析圖

圖6顯示濼文路、黑虎泉、圣凱財(cái)富廣場(chǎng)總硬度和礦化度明顯偏高，此3水樣點(diǎn)正好位于濼文路南口及黑虎泉泉群2處“灰?guī)r天窗”，孔隙水與巖溶水發(fā)生水力聯(lián)系，持續(xù)改變巖溶水水化學(xué)組分。

圖7 灰?guī)r天窗內(nèi)孔隙水與巖溶水水化學(xué)組分對(duì)比圖

3.2.2 相鄰含水層水質(zhì)對(duì)巖溶水的影響

3.2.3 水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)巖溶水質(zhì)的影響

為驗(yàn)證其他位置巖溶水、孔隙水和裂隙水水力關(guān)聯(lián)性，在審計(jì)廳、省府前街、縣西巷、大明湖西南門、大明湖南門、青龍橋和解放橋進(jìn)行了對(duì)照性抽水試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示，對(duì)孔隙水或裂隙抽水時(shí)，周圍巖溶水的水位變化甚微，證明了以上區(qū)位巖溶水與孔隙水、裂隙水水力聯(lián)系不明顯。以下分析了孔隙水與巖溶水水化學(xué)組分受流場(chǎng)的影響。

(1)孔隙水水化學(xué)組分受流場(chǎng)的影響。沿徑流方向各點(diǎn)位孔隙水有關(guān)離子含量變化情況(表7)。

表7 孔隙水部分離子含量變化表(mg/L)

(2)巖溶水水化學(xué)組分受流場(chǎng)的影響。對(duì)巖溶水流場(chǎng)特征進(jìn)行研究，總體特征表現(xiàn)為巖溶徑流條件非常好(邢立亭等，2017)。沿徑流方向各點(diǎn)位巖溶水有關(guān)離子含量變化情況(表8)。

表8 巖溶水部分離子含量變化表(mg/L)

3.3 區(qū)域巖溶水水化學(xué)組分特點(diǎn)

3.3.1 補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)巖溶水與天窗巖溶水水化學(xué)組分對(duì)比

從補(bǔ)給區(qū)→徑流區(qū)→排泄區(qū)，巖溶水水化學(xué)組分差異性對(duì)比情況見圖8。

圖8 區(qū)域巖溶水與天窗巖溶水水化學(xué)組分對(duì)比圖

對(duì)Na+含量分析，補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)平均值為15.47 mg/L；天窗區(qū)一般都大于30.00 mg/L。Na+與Ca2+曲線走勢(shì)十分相似，Na+高值區(qū)Ca2+也高。Na+高值區(qū)往往人類活動(dòng)激烈區(qū)，Na+經(jīng)雨水進(jìn)入孔隙水，補(bǔ)給巖溶水，與碳酸鹽礦物發(fā)生離子交換，使巖溶水中Ca2+增加，導(dǎo)致礦化度升高。

3.3.2 主徑流帶巖溶水與天窗巖溶水水化學(xué)組分對(duì)比

泉域地下水長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)顯示，植物園點(diǎn)位S12位于趵突泉主徑流帶東側(cè)，飲虎池點(diǎn)位Y9位于主徑流帶末端，為“灰?guī)r天窗”邊緣。主徑流帶巖溶水與天窗巖溶水水化學(xué)組分對(duì)比(圖9)。

圖9 主徑流帶巖溶水與天窗巖溶水水化學(xué)組分對(duì)比圖

地質(zhì)資料顯示，西郊豐齊村一帶第四系礫巖直接與灰?guī)r接觸，形成了“西郊天窗”。豐齊村一帶“西郊天窗”與泉水出露區(qū)“灰?guī)r天窗”巖溶水水質(zhì)對(duì)比見表9。

從表9可以看出，“西郊天窗”巖溶水礦化度低，不同于“灰?guī)r天窗”巖溶水水質(zhì)，因?yàn)椤拔鹘继齑啊钡叵掠?00 m左右第四系覆蓋，上下有多層黏性土夾于中間，孔隙水在補(bǔ)給過程中受到層中黏性土的阻擋，各組分含量普遍較低，所以深部巖溶水水質(zhì)較好，而“灰?guī)r天窗”第四系一般10 m左右，孔隙水入滲快，無阻擋，因此兩者不同。

表9 西郊天窗與灰?guī)r天窗水質(zhì)對(duì)比表

4 結(jié)論

(1)泉群出露區(qū)及附近分布有3處“灰?guī)r天窗”，面積約0.6 km2，是孔隙水與巖溶水水力聯(lián)系點(diǎn)，頂板巖性為第四系礫巖，大氣降水?dāng)y帶溶解物極易入滲進(jìn)入孔隙水。

(2)“灰?guī)r天窗”地下具獨(dú)特的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，地上是旅游活動(dòng)中心—泉城廣場(chǎng)一帶，人類活動(dòng)異常激烈，天窗及其附近的孔隙水易遭受污染。

(3)第四系礫巖下覆灰?guī)r巖溶非常發(fā)育，連通性好，枯水期污染的孔隙水入滲補(bǔ)給巖溶水，補(bǔ)給快，易入滲，“灰?guī)r天窗”是影響泉水水化學(xué)組分因素之一。