山東省濟(jì)南市區(qū)泉水與西郊巖溶水水力聯(lián)系的研究

于令芹 馬河寬 齊歡 劉傳娥

摘要：為進(jìn)一步查明濟(jì)南市區(qū)泉水與西郊巖溶地下水的水力聯(lián)系，從地層結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力場(chǎng)角度，通過(guò)抽水試驗(yàn)、示蹤試驗(yàn)、制作Piper三線圖等方法，進(jìn)行了系統(tǒng)分析。研究表明，西郊劉長(zhǎng)山—郎茂山—萬(wàn)靈山一帶地下水流場(chǎng)不存在異常，兩側(cè)等水位線連續(xù)平緩，水位大致相同；劉長(zhǎng)山北側(cè)槐苑廣場(chǎng)—九中—十四中一帶在埋深350m左右揭露連續(xù)的巖溶含水地層，市區(qū)和西郊通過(guò)隱伏于巖漿巖體的三山子組地層巖溶發(fā)育段存在水力聯(lián)系。市區(qū)泉水與西郊巖溶地下水水化學(xué)類型一致，二者具有相同的演化環(huán)境，水力聯(lián)系密切。

關(guān)鍵詞：巖溶含水層；抽水試驗(yàn)；地下水；濟(jì)南市；山東省

中圖分類號(hào)：P641.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.07.001

引文格式：于令芹，馬河寬，齊歡，等.山東省濟(jì)南市區(qū)泉水與西郊巖溶水水力聯(lián)系的研究［J］.山東國(guó)土資源，2023，39（7）：1-6. YU Lingqin， MA Hekuan， QI Huan， et al. Study on Hydraulic Connection Between the Springs in Ji'nan City and the Karst Water in Western Suburbs in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（7）：1-6.

0 引言

濟(jì)南是著名的“泉城”，清冽甘甜的泉水使?jié)铣蔀榫哂袣v史悠久、文化底蘊(yùn)深厚的名城之一。歷史上市民長(zhǎng)期以優(yōu)質(zhì)的地下水為生活飲用水源，但從20世紀(jì)70年代初開(kāi)始，地下水被過(guò)度開(kāi)采，加之城市建成區(qū)不斷擴(kuò)張而導(dǎo)致的入滲減少，造成泉域地下水位下降［1-3］。近年來(lái)，濟(jì)南市采取了封井節(jié)流、人工補(bǔ)源等［4-6］措施取得一定成效，但如何處理好泉水持續(xù)噴涌和讓市民喝上優(yōu)質(zhì)地下水之間的矛盾仍然是濟(jì)南市政府和廣大市民普遍關(guān)心的重要問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)濟(jì)南泉水的形成機(jī)理［7-9］、水化學(xué)特征［10-13］、泉域的邊界［14-16］進(jìn)行了大量研究，但是市區(qū)泉水與西郊巖溶地下水的水力聯(lián)系一直存在爭(zhēng)議。一些學(xué)者認(rèn)為市區(qū)與西部水力聯(lián)系密切：董詠梅等［17］對(duì)2003年6月濟(jì)西抽水試驗(yàn)進(jìn)行分析，證明濟(jì)南市區(qū)與濟(jì)西地下水之間存在密切的水力聯(lián)系；侯新文等［18］采用回歸分析法研究泉水位與水源地開(kāi)采量的關(guān)系，證明濟(jì)南市區(qū)與西郊水力關(guān)系密切；張鄭賢等［19］利用灰色關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)方法，從水位波動(dòng)關(guān)聯(lián)角度研究濟(jì)南泉水與濟(jì)西地下水的聯(lián)系，論證兩者地下水位關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)；齊歡等［20］通過(guò)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析法分析了趵突泉泉域地下水位動(dòng)態(tài)的變化特征，證明泉域巖溶含水層整體連通性較好，區(qū)內(nèi)沒(méi)有明顯的地下阻水邊界。還有學(xué)者認(rèn)為市區(qū)與西部水力聯(lián)系相關(guān)性不大。鄒連文等［21-22］通過(guò)濟(jì)南泉群涌水量與區(qū)域降水的回歸分析，論證濟(jì)南泉水與東南部巖溶漏水山區(qū)的降水關(guān)聯(lián)密切，濟(jì)西地區(qū)為獨(dú)立于濟(jì)南泉域之外的地下水系統(tǒng)［2］。

本文從當(dāng)前濟(jì)南保泉供水迫切需要解決的問(wèn)題出發(fā)，從地層結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力場(chǎng)角度，采用停抽水試驗(yàn)、示蹤試驗(yàn)、水化學(xué)分析等水文地質(zhì)技術(shù)方法進(jìn)一步分析論證西郊巖溶地下水與市區(qū)泉水之間的水力聯(lián)系，為優(yōu)化濟(jì)南市地下水利用布局，實(shí)現(xiàn)科學(xué)保泉供水提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)范圍為趵突泉泉域，東部邊界為東塢斷裂，西部邊界為馬山斷裂，北部邊界為奧陶系灰?guī)r頂板400m埋深線，南部邊界為地表分水嶺［6］，總面積1658.9km2（圖1）。

1—斷裂；2—巖體界線；3—地表分水嶺；4—鉆孔編號(hào)及剖面線；5—水質(zhì)取樣點(diǎn)；6—第四系；7—奧陶系；8—寒武系；9—巖漿巖圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖

研究區(qū)南依泰山，北臨黃河，地形南高北低，南部為綿延起伏的山區(qū)，北部為平原。研究區(qū)屬華北地層大區(qū)、魯西地層分區(qū)，泉域內(nèi)地層分布有基底巖系和蓋層，屬二元結(jié)構(gòu)。泉域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，主要分布有NNW向的千佛山斷裂、馬山斷裂、東塢斷裂、文化橋斷裂，近SN向的炒米店斷裂。

2 研究方法

本文綜合利用鉆探、水位動(dòng)態(tài)分析、停抽水試驗(yàn)、示蹤試驗(yàn)、Piper三線圖等方法對(duì)市區(qū)泉水與濟(jì)南西郊巖溶地下水的水力聯(lián)系進(jìn)行分析。其中，根據(jù)鉆孔揭露的地層巖性確定市區(qū)與西郊之間地層的巖溶發(fā)育情況和含水地層的連續(xù)性；通過(guò)等水位線和水位動(dòng)態(tài)曲線判斷濟(jì)南西郊和市區(qū)泉水在水動(dòng)力場(chǎng)上的關(guān)聯(lián)性；根據(jù)抽水試驗(yàn)、示蹤試驗(yàn)結(jié)果論證西郊與市區(qū)存在水力聯(lián)系；通過(guò)Piper三線圖的結(jié)果，分析濟(jì)南市區(qū)泉水和西郊巖溶地下水的水化學(xué)類型。

3 結(jié)果與分析

3.1 地層結(jié)構(gòu)

本次在濟(jì)南西郊劉長(zhǎng)山—郎茂山—萬(wàn)靈山一帶布設(shè)3眼鉆孔。市區(qū)與西郊之間僅存在千佛山斷裂一條大型區(qū)域性斷裂（圖2），斷裂兩側(cè)地層雖存在一定錯(cuò)動(dòng)，但兩側(cè)的三山子組地層有一定聯(lián)系。千佛山斷裂以西的炒米店組至馬家溝群各組地層空間分布連續(xù)穩(wěn)定，濟(jì)南西郊—市區(qū)一帶巖溶地下水均賦存于該大型含水巖組內(nèi)。劉長(zhǎng)山北側(cè)槐苑廣場(chǎng)—九中—十四中一帶沒(méi)有明顯的阻水構(gòu)造，埋深350m左右揭露連續(xù)的巖溶含水地層，市區(qū)泉水和西郊巖溶水通過(guò)隱伏于劉長(zhǎng)山北側(cè)侵入巖體的三山子組地層存在水力聯(lián)系。

3.2 水動(dòng)力場(chǎng)

劉長(zhǎng)山—郎茂山—萬(wàn)靈山一帶位于千佛山斷裂西盤(pán)的低丘、殘山區(qū)，兩側(cè)的中奧陶系石灰?guī)r含水層在時(shí)代、巖性、產(chǎn)狀、空間展布上整體一致。雖然劉長(zhǎng)山、郎茂山、萬(wàn)靈山3個(gè)相對(duì)孤立的低丘呈SN向分布，形成局部的地表分水嶺，但灰?guī)r地區(qū)地下水通過(guò)裂隙巖溶保持聯(lián)通。等水位線圖（圖3）表明，劉長(zhǎng)山—郎茂山—萬(wàn)靈山一帶兩側(cè)沒(méi)有水位突變，等水位線連續(xù)平緩、水位大致相同，地下水流場(chǎng)在該地區(qū)并不存在異常，濟(jì)南西郊巖溶地下水和市區(qū)泉水在水動(dòng)力場(chǎng)上具有聯(lián)系。

槐苑廣場(chǎng)、九中、十四中和趵突泉的水位動(dòng)態(tài)曲線表明（圖4），市區(qū)與西郊的水位變化規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)出“同升同降”的趨勢(shì)，槐苑廣場(chǎng)—九中—十四中—市區(qū)一帶地下水連通性較好，總體趨勢(shì)西郊地下水位高于市區(qū)泉水位。

3.3 停抽水試驗(yàn)

對(duì)九中、十四中、槐苑廣場(chǎng)3個(gè)鉆孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)。九中鉆孔抽水量為102m3/h（2448m3/d），水位降深25.5m；抽水量為60m3/h（1440m3/d），水位降深6.32m。十四中鉆孔抽水量為90m3/h（2160m3/d），水位降深28.2m；抽水量為84m3/h（2016m3/d），水位降深25m；抽水量為70m3/h（1680m3/d），水位降深21.9m?；痹窂V場(chǎng)鉆孔在埋深418m時(shí)出現(xiàn)明顯漏水情況，當(dāng)抽水量為260m3/h（6240m3/d），水位僅降深4.0m。表明槐苑廣場(chǎng)—九中—十四中一帶地層整體富水性較好。

對(duì)九中鉆孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)，觀測(cè)孔位于劉長(zhǎng)山—郎茂山—萬(wàn)靈山一帶西側(cè)的K05鉆孔（圖3）。抽水試驗(yàn)S-t曲線（圖5）顯示抽水開(kāi)始后1.5h，K05觀測(cè)孔水位開(kāi)始有下降的趨勢(shì)；抽水開(kāi)始后1.5～11h，觀測(cè)孔水位下降速率較快；抽水開(kāi)始后11～27h，觀測(cè)孔水位下降速率變緩至穩(wěn)定，穩(wěn)定后的水位降深為0.7m。抽水停止后2h觀測(cè)孔水位開(kāi)始有上升的趨勢(shì)，上升速率逐漸由快變緩，停抽后30h，觀測(cè)孔水位基本恢復(fù)至初始水位。根據(jù)主孔抽水時(shí)觀測(cè)孔水位的反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)速率等，說(shuō)明劉長(zhǎng)山—郎茂山—萬(wàn)靈山一帶兩側(cè)存在水力聯(lián)系。

3.4 示蹤試驗(yàn)

為查明濟(jì)南巖體與灰?guī)r接觸帶地下水連通情況，2021年2月21日于九中進(jìn)行鉬酸銨示蹤試驗(yàn)。試驗(yàn)前對(duì)投源井和觀測(cè)井的水位進(jìn)行觀測(cè)，并采取各自水樣進(jìn)行化驗(yàn)。其中九中鉆孔作為投源井，共投放示蹤劑50kg，十四中鉆孔作為觀測(cè)井，水樣送往中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東局測(cè)試中心進(jìn)行測(cè)試。

示蹤試驗(yàn)前測(cè)得九中鉆孔地下水位28.76m，十四中鉆孔地下水位27.51m，九中地下水位高于十四中。十四中鉆孔Mo離子背景值為0.21μg/L，3月10日測(cè)到Mo離子濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，3月15日Mo離子濃度達(dá)到監(jiān)測(cè)峰值0.5μg/L，約為背景值的2.5倍，然后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并逐漸趨向于穩(wěn)定。該示蹤試驗(yàn)證明九中—十四中一帶地下水通過(guò)輝長(zhǎng)巖裂隙存在水力聯(lián)系（圖6）。

3.5 水化學(xué)分析

Piper三線圖結(jié)合地質(zhì)水文地質(zhì)條件，可以分析地下水化學(xué)成分的演變規(guī)律。圖7、圖8為2022年濟(jì)南市區(qū)、西郊巖溶地下水枯水期和豐水期的水化學(xué)Piper三線圖，全部巖溶水落點(diǎn)區(qū)域堿土金屬離子大于堿金屬離子，弱酸根大于強(qiáng)酸根，碳酸鹽硬度大于50%，表明地下水化學(xué)特征為堿土金屬離子和弱酸根為主，市區(qū)趵突泉、黑虎泉等泉水與西郊巖溶水落在相同區(qū)域。

圖7 市區(qū)和西郊水化學(xué)類型三線圖（2022年枯水期）

位于濟(jì)南西郊的HY鉆孔含水層為三山子組地層，地下水化學(xué)類型為HCO3-Ca型，與市區(qū)泉水主要含水層和水化學(xué)類型相同。JZ鉆孔和SSZ鉆孔地下水主要來(lái)自輝長(zhǎng)巖裂隙導(dǎo)通的巖溶水，以及輝長(zhǎng)巖裂隙中的水，地下水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型。其他西郊巖溶地下水（圖1）含水層為馬家溝群地層，與三山子組含水層上下連通，水化學(xué)類型為HCO3-Ca型。濟(jì)南市區(qū)泉水和西郊巖溶地下水在水化學(xué)類型上具有一致性，表明市區(qū)和西郊地下水具有相同的演化環(huán)境。

4 結(jié)論

（1）從地層結(jié)構(gòu)角度，劉長(zhǎng)山北側(cè)槐苑廣場(chǎng)—九中—十四中一帶沒(méi)有明顯的阻水構(gòu)造，埋深350m左右揭露連續(xù)的巖溶含水地層，市區(qū)泉水和西郊巖溶地下水通過(guò)隱伏于劉長(zhǎng)山北側(cè)侵入巖體的三山子組地層巖溶發(fā)育段存在水力聯(lián)系。

（2）等水位線圖表明劉長(zhǎng)山—郎茂山—萬(wàn)靈山一帶兩側(cè)沒(méi)有水位的突變，等水位線連續(xù)平緩、水位大致相同，西郊巖溶地下水與市區(qū)泉水水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律基本一致，地下水流場(chǎng)在該地區(qū)并不存在異常，西郊巖溶地下水和市區(qū)泉水在水動(dòng)力場(chǎng)上具有聯(lián)系。

（3）抽水試驗(yàn)說(shuō)明槐苑廣場(chǎng)—九中—十四中一帶地層整體富水性較好，劉長(zhǎng)山—郎茂山—萬(wàn)靈山一帶兩側(cè)存在水力聯(lián)系。九中示蹤試驗(yàn)證明九中—十四中一帶地下水通過(guò)輝長(zhǎng)巖裂隙存在水力聯(lián)系。市區(qū)泉水和西郊巖溶地下水在水化學(xué)類型上具有一致性，表明二者具有相同的演化環(huán)境。

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Study on Hydraulic Connection Between the Springs in Ji'nan City and the Karst Water in Western Suburbs in Shandong Province

YU Lingqin1，2，MA Hekuan1，2，QI Huan1，2，LIU Chuan'e1，2

（1. No.801 Hydro-engineering Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， Shandong Ji'nan 250014， China； 2. Shandong Underground Water Environmental Protection and Remediation Engineering Technology Research Center， Shandong Ji'nan 250014， China）

Abstract：In order to further identify hydraulic connection between Ji'nan springs and karst groundwater in western suburbs，? from the perspective of stratigraphic structure and hydrodynamic field through pumping tests， tracer tests， and Piper trilinear diagrams making， hydraulic connection between the two has been analyzed in this paper. It is showed that there is no abnormality in the groundwater flow field in Liuchangshan—Langmaoshan—Wanling Mountain in western suburbs， and the water level is about the same on both sides with a continuous and gentle isohyaline line. A continuous karst aquifer has been revealed in Huaiyuan Square—No.9 Middle School—No.14 Middle School on the north side of Liuchangshan at a depth of about 350m. There is a hydraulic connection between the urban area and the western suburbs through karst development section of Sanshanzi formation， which is hidden in magmatic rock body. The spring in the urban area and the karst in the western suburbs are of the same hydrochemical type. They two have the same evolutionary environment and close hydraulic connection.

Key words： Karst aquifer; pumping test; underground water; Ji'nan city; Shandong province

收稿日期：2023-01-18；

修訂日期：2023-02-06；

編輯：曹麗麗

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41472216），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41772257）

作者簡(jiǎn)介：于令芹（1984—），女，山東煙臺(tái)人，高級(jí)工程師，主要從事水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)工作；E-mail：154175416@qq.com

通訊作者：齊歡（1986—），男，河北邢臺(tái)人，高級(jí)工程師，主要從事水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)工作；E-mail：943314446@qq.com