济南泉域地下水环境演化与保护徐军祥1,邢立亭2,佟光玉3,范立芹3(11中国矿业大学(北京校区),北京 100083;21济南大学,济南 250004;31山东省地矿工程勘察院,济南 250014)摘要:济南泉水为国内外水文地质界和社会所关注,保持泉水长期连续喷涌和泉域水环境良性循环是焦点之一。

本文根据实际调查成果,分析了泉域岩溶地下水环境的演化特征,认为自然和人为双重作用导致了泉域地下水补给、迳流、排泄和水化学条件的改变,引发了泉水断流、地下水降落漏斗、地表水体污染和地下水质量下降等生态环境地质问题。

优化泉域内外地下水开采布局、人工调蓄补源、控制城区向直接补给区扩展等是保持泉水喷涌和保护水环境的主要措施。

关键词:济南泉域;水环境;演化;保护中图分类号:P64118;P6421253 文献标识码:A 文章编号:1000-3665(2004)06-0069-05收稿日期:2004-03-01;修订日期:2004-08-02作者简介:徐军祥(1963-),男,教授级高级工程师,博士研究生,主要从事水文地质环境地质勘查研究工作。

济南泉域岩溶地下水系统较复杂,人类工程活动强烈,生态地质环境演化较显著,在我国北方岩溶分布区具有典型性。

研究济南泉域地下水环境演化特征,对华北岩溶大泉泉域地下水资源和环境保护具有重要意义。

1 泉域水文地质特征111 泉域边界济南泉域位于泰山穹隆的北翼,总体上是以古生代地层为主体的向北倾斜的单斜构造。

出露地层为太古界泰山岩群(Art),古生界寒武系(I )、奥陶系(O)、石炭系(C)、二叠系(P)和新生界第四系,泉域北部分布有中基性侵入岩体(图1)。

区内断裂构造发育,主要有千佛山断裂、马山断裂、东坞断裂、炒米店断裂等。

泉域东边界为东坞断裂,西边界为马山断裂(长清西关以北为透水段),南边界为地表分水岭,北以济南岩浆岩体和石炭、二叠系煤系地层为界,面积为1486km 2[1]。

112 岩溶地下水水动力条件济南南部山区广泛分布巨厚的寒武)奥陶系石灰岩,石灰岩的可溶性为地表、地下岩溶发育创造了条件。

在地表可见溶洞、溶沟、溶槽和密布于石灰岩表面的溶蚀裂隙。

地表岩溶为地下水接受大气降水直接入渗补给河流、沟谷的渗漏补给创造了极为有利的条件。

根据钻孔资料和示踪试验,碳酸盐岩溶洞、溶孔、溶隙、溶蚀管道十分发育。

良好的地下裂隙、岩溶为岩溶地图1 济南地区水文地质略图Fig.1 Hydrogeo logical skctch of Jinan Prefecture1)奥陶系岩溶含水子系统单井涌水量>5000m 3P d ;2)奥陶系岩溶含水子系统单井涌水量1000~5000m 3P d ;3)奥陶系岩溶含水子系统单井涌水量500~1000m 3P d ;4)奥陶系岩溶含水子系统单井涌水量<500m 3P d;5)寒武系岩溶裂隙含水子系统单井涌水量<500m 3P d ;6)石炭、二叠系裂隙含水子系统单井涌水量<500m 3P d;7)太古界变质岩、侵入岩裂隙含水子系统单井涌水量<500m 3P d;8)断层下水的储存运移提供了巨大的空间。

因此,济南岩溶地下水补给条件良好、储存空间巨大。

根据地下水动态观测,岩溶水水位、泉水流量与降水密切相关。

大气降水直接入渗补给是岩溶水系统的主要补给来源,其次为地表水渗漏补给,主要渗漏河流有玉符河和北沙河。

岩溶水总体流向由南向北迳流,受北部燕山期岩浆岩及石炭、二叠系地层阻挡,在其接触地带形成岩溶水富集区,单井涌水量一般大于5000m 3P d,天然条件下岩溶水以泉水排泄。

目前,人工开采是泉域岩溶水系统的最主要排泄方式。

2 岩溶地下水资源开发利用现状奥陶系裂隙岩溶含水层作为济南工农业和城市生活用水的主要取水目的层,有着悠久的历史。

市区早在1936年就建成趵突泉水厂并正式供水,供水量1128@104m 3P d,到1956年增至316@104m 3P d 。

随着经济发展和人口增加,用水量不断增大,至20世纪80年代中期相继建立市区、西郊和东郊水源地,市区有解放桥、普利门、饮虎池和百货大楼水厂,西郊有腊山、峨眉山和大杨庄水厂,东郊有华能路和东源水厂,南部有羊头峪和文化路水厂。

1990~2002年,泉域内自来水公司多年平均开采量35152@104m 3P d,其中峨眉山、大杨庄、腊山西郊三水厂平均21191@104m 3P d,市区各水厂11141@104m 3P d,华能路、东源水厂和羊头峪212@104m 3P d 。

此外,白泉泉域宿家张马、裴家营、中李水厂开采约14@104m 3P d 。

随着鹊山水库、玉清湖水库的投产,自来水公司对地下水的开采量自2001年9月以来逐步减产,关停了市区各水厂。

工业自备井主要分布在市区外围,其数量庞大,而且较为分散。

1990~2002年,工业自备井多年平均开采量13115@104m 3P d 。

3 水文地质条件演变与地下水环境负效应济南地区生态地质环境的演变,改变了泉域水文地质条件,引发了诸多生态环境地质问题。

311 水文地质条件变化(1)人工开采改变地下水流场,袭夺泉流量 20世纪60年代初期,济南市区地下水开采量小于10@104m 3P d 。

80年代以来,市区、西郊、东郊集中开采量达到50@104~55@104m 3P d 。

大量开采岩溶水,改变了地下水天然流场,袭夺了泉流量(图2)。

大量开采地下水特别是在市区直接抽取岩溶地下水是影响泉水出流的主要原因之一。

2001年9月,市区水厂相继关闭,但目前泉水依然间歇出流,其原因是:一方面工业自备井大量开采,在市区周围七贤和经济学院一带两大降落漏斗仍然袭夺泉水的补给量;另一方面是受气象和人为影响,地下水补给量减少。

(2)间接补给区补给量减小 济南泉域间接补给区面积990km 2,主要分布在广大南部山区,包括马山、万德、高而、张夏、崮山、仲宫、柳埠、西营等乡镇。

地层图2 市区附近岩溶水等水位线图(2002110)Fig.2 Groundwater level contours in urbanarea of Jinan(Oct.,2002)1)断层;2)火成岩界线;3)等水位线;4)地下水流向为寒武系中下统灰岩、碎屑岩和泰山群变质岩。

由于入渗条件差,河流、沟谷纵横,地表径流发育,地下水大多就地补给,汇于沟谷短途运移、排泄。

因此,大部分河流发源于此。

河流表流在70年代以前,汇集到玉符河、北大沙河,向下游径流。

河水分别在朱家庄)潘村、崮山拦河坝)琵琶山段渗漏补给泉域地下水,间接补给区汇集地表径流和地下溢出量,通过河道进入直接补给区。

1963年,卧虎山水库通过溢洪道向玉符河放水1102@108m 3进入黄河,一部分入渗补给地下水。

卧虎山水库修建以前,玉符河基本常年有流。

据1962年4月13日观测,玉符河下游周王庄河段河水位为2914m 。

20世纪60~70年代在北沙河、锦银川、玉带河、锦绣川等河道修建众多水库,拦截上游地表径流。

特别是80年代后期,随着卧虎山、锦绣川水库向市区供水后,源自间接补给区的地表水补给逐渐减小。

近20年来,玉符河道基本长年干涸,从1999年至今,卧虎山水库上游554km 2汇水面积,除回灌试验放水外,未向玉符河放水。

两水库向党家庄、兴隆、分水岭一带直接补给区放水灌溉量逐渐减少。

据统计,与80年代以前相比,1999年~2002年源自间接补给区的补给量减少18@104m 3P d 。

(3)气候变化,降水量减少 济南泉域岩溶水系统的主要补给来源是大气降水入渗补给和地表水补给,大气降水量的大小直接影响地下水的补给量和泉水流量。

如1962年降水量1194150mm,泉水流量年平均50118@104m 3P d,泉水出露区平均水位31154m,1961年~1964年为济南地区丰水年,4年年均降水量达1059125mm,泉水流量年平均为44188@104m 3P d,水位年平均31135m,为历史上有记录的泉水最壮观的时期。

进入20世纪80年代,济南地区降水量较常年偏少,属干旱系列年份,连年降水量减少,加之大量开采岩溶地下水,泉水在每年枯水期均断流,且时间逐年延长。

分析济南地区降水特征可以发现,近20年来降水量明显减小,而且降水偏枯年份出现几率增加。

1949~1972年偏枯降水年份出现机率4%,1980~2001年出现机率7%。

特别是20世纪80年代出现连续干旱年份,年平均降水量不足600mm 。

如1988~1989年、1999~2002年连续4年降水量低于多年平均值。

由于降水量小,泉水出流量明显减少。

(4)城市扩展减少岩溶水入渗补给面积 城镇建设使城市建成区面积增加,从而导致岩溶水直接补给区面积逐渐减少。

根据多时相动态遥感解译,1954年济南城区面的积仅2818km 2,处在直接补给区的面积不足2km 2。

随着城市规模的不断扩大,城区逐渐向东、东南、南部及西南方向直接补给区扩展,近年比上世纪50年代扩展17516km 2。

上世纪80年代以来城镇化南扩速率加快,直接补给区建成区面积逐年加大(图3),从而减少了地下水补给量。

如太平庄、羊头峪、八里洼、六里山、金鸡岭、马山坡、兴隆等南部山区开发后,地面固化,大气降水直接进入防洪沟。

而防洪沟淤积严重,地形坡降大,不能形成有效入渗,诸多地段成为永久性不渗漏区。

2000年直接补给区范围内建成区面积比1954年增加5113km 2。

按多年平均降水量648mm 计算,由于城区扩展影响而减少的地下水补给量为318@104m 3P d。

图3 城区扩展演变图Fig.3 Evolution of Jinan urban area extendina1)1954年城区范围;2)1970年城区扩展范围;3)1981年城区扩展范围;4)2000年城区扩展范围(5)滥采、滥挖对生态环境的影响 据不完全统计,济南南部山区共有大小不等采石点200个,采石、挖土烧窑等造成地貌景观、植被破坏,属水土流失最严重地区。

据调查,大量采石点是在20世纪80年代以后兴建的,由于灰岩山区土壤稀薄,树木植被稀少,山石开采进一步减少直接补给区的植被覆盖率。

直接补给区因采石、烧砖造成严重水土流失,地表蓄水量减小,地下水补给量亦随之减小。

312 地下水环境负效应(1)地下水水位下降,泉水断流 60年代初期,地下水开采量较小,地下水平均水位在31154~30172m,泉流量35152@104~33158@104m 3P d 。

70年代中期,地下水位下降到28115m,泉流量减少到15122@104m 3P d 左右。

70年代末至80年代初,地下水位平均由28115m 下降到26168m,泉流量减少到10148@104m 3P d 左右。