（自然地理学专业论文）济南市城市扩展对地下水补给的影响研究.pdf

济南市城市扩展对地下水补给的影l l 9 研究 摘要 济南市是以泉水著称的国家级历史文化名城，泉水的动态变化对济南市的社会经济、 环境有着重大的影响。近2 0 年来，泉水的喷涌量、喷涌时间不断减少，究其原因是多方 面的。许多学者、研究机构从不同角度对济南市的泉水进行了科学的研究，特别在济南 市地下水补给方面，并提出城市扩展对地下水补给量具有影响。本文就是在前人研究的 基础上，利用了3 s 技术，从空问角度分析了城市扩展导致下垫面变化，从而引起地下水 补给量的减少。研究结果表明，城市扩展是导致地下水补给量减少的主要原因之一，研 究结果验证了前人的科学观点。 研究范围：济南市区与长清县界为西边界，南以长城岭地表分水岭为界，东界到东 坞断裂，北部以石炭、二叠系和火成岩交界处为北界，整个研究区范围位于济南泉域区 内，面积大约为l 0 0 3 5 k m 2 。 研究方法：本次工作在前人研究的基础上，以水文学、水文地质学理沦为依据，通 过收集国内外有关资料和研究区有关研究成果，科学地论证了地下水补给量与下垫面之 间的关系。并以此为理论依据和分类指标，利用先进的3 s 技术，在m a p i n f o 、 r c v i e w 、 e r d a s 等软件支持下，提取研究区不同时期的空问信息，将空间信息转化为水文信息，根 据研究区三水转化关系，分三部分计算研究区地下水补给减少量：降水入渗补给减少量、 水体渗漏补给减少量、灌溉回灌水补给减少量，得出城市扩展对研究区地下水补给的影 响情况。 主要研究成果： 1 、借鉴前人的理论成果及试验数据。结合研究区下垫面的实际情况，采用变参系数 法，比较合理的确定了不同下垫面的入渗系数。 2 、通过分析计算，验证了城市扩展对地下水补给量有很大影响的科学判断。 3 、研究结果表明，自1 9 9 5 年至2 0 0 0 年期间，由于城市扩展导致正常年份每年减少 地下水补给：1 9 9 5 一1 9 9 8 年减少2 3 1 9 万m 3 ；1 9 9 8 2 0 0 0 年减少z 8 8 4 万m 3 。 4 从土地利用类型变化分析城市扩展，耕地的城市化是影响地下水补给量减少的主要 因素，其次是草地。由此可见，城市扩展应尽可能避免占用耕地。绿化是增加地下水补 给量的有效方法。 5 、从空问角度分析城市扩展，城市扩展速度与地形地貌关系密切。平原、丘陵地区 的城市扩展速度是占主要地位，因而平原、丘陵地区的降水入渗减少量最大。因此，平 原、丘陵地区的城市化又是导致地下水补给量减少的主要原因。 6 、借用3 s 技术，从不同时间、不同角度分析城市扩展的发展变化规律是一项十分 有效地技术手段。同样，地下水的补给涉及到地貌、土地利用、降水量等各项要素，反 映这些要素的数据量十分大，传统的研究方法很难做到同步、准确、及时。本项研究仅 用了3 个时相的遥感图像，便可以准确的提取不同时期的下垫面信息。 7 、试验观测到的数据是本文写作的基础，没有前人的研究成果、试验数据，便不可 能合理准确的获得本次研究成果。因此，传统的研究手段也是不可缺少的，只有将传统 的研究方法与现代技术融合在一起，才能有效地提高研究水平。 关键字：济南市城市扩展地下水补给 降水入渗系数3 s 技术 分类号：p 3 4 3 9 济南市城市扩展对地下水补给的影响研究 r e s e a r c ho nt h er e c h a r g eo fg r o u n d w a t e ra f c t e db y u r b a ne x p a n s i o ni nj i n a nc i 衄 a b s t r a c t j i n a ni sk n o w na sah i s t o r yc u l t u r ec i t yf o rs p r i n g si nt h ew o r l d ，t h ed y n a j n i c v a r i e t i e so ft h es p r i n gw a t e r t a b l eh a v eg o ta ni m p o r t a n ti n f l u e n c ei nt h ee c o n o m y ， e n v i r o n m e n to fj i n a nc i t y i nr e c e n tt w e n t yy e a r s ， t h ereasonsarev a r i o u st h a t t h es p r i n g s u p p l ya n dt i m er e d u c ec o n t i n u o u s l y m a n ys c h o l a r sa n do r g a n i z a t i o n s h a v ed o n em a n yw o r k so nt h es p r i n go fj i n a n ，e s p e c i a l l yi nt h ea s p e c t so fr e c h a r g e o fg r o u n d w a t e ri nj i n a n，a n dp u tf o r w a r dt h a tt h eu r b a ne x p a n s i o nh a st h e i n f l u e n c ei nr e c h a r g eo ft h eg r o u n d w a t e r t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o n o ft h ef o r ep e o p l e ，m a k e suseo f3 st e c h n 0 1 0 9 i e s ，a n a l y z e st h eb o t t o mm a tc h a n g e d f r o mt h ec i t ye x p a n s i o n ， w h i c hc a u s e st h ef a l lo fg r o u n d w a t e rl e v e l t h er e s u l t e x p r e s s e s ： i t i sas c i e n c es t a n d p o i n tt h a tu r b a ne x p a n s i o ni soneo ft h em a i n r e a s o n st oc a u s et h ed e c r e a si n go fs u p p l yt og r o u n d w a t e r t h er a n g eo fr e s e a r c h ：t h eb o u n d a r yo fj i n a nb e t w e e nc h a n g q i n gc o u n t yi st h e w e s tb o u n d a r y ，t h em o u n t a i nr a n g eo ft h eg r e a tw a l lw a t e r s h e di st h es o u t hb o u n d a r y t h ed o n g w uf r a c t u r ei st h ee a s tb o u n d a r y ，t h eh a n do v e rb o u n d a r yo fa n t h r a c o l i t h i c s y s t e ma n di g n e o u sr o c ki st h en o r t hb o u n d a r y t h ew h 0 1 er e s e a r c hs c o p el o c a t e s i n s i d et h es p r i n gf i e l do fj i n a n ，a n da r e ai sa b o u t1 0 0 3 5s q u a r ek il o m e t e r s t h i s w o r ki sf o u n d e do nf o r er e s e a r c h ， b yh y d r 0 1 0 9 y ，h y d r o l o g yg e o l o g y t h e o r i e s ， o nc o l l e c t i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e l e v a n td a t aa n dt h e r e l e v a n tr e s e a r c hr e s u l t ，p r o o f i n gt h er e l a t i o n sb e t w e e nr e c h a r g eo fg r o u n d w a t e r a n dt h eb o t t o mm a tt y p e s t h ep a p e re x t r a c t si n f o r m a t i o no ft h es t u d yf i e l db y 3 st e c h n 0 1 0 9 i e s ，t h e nc o n v e r t ss p a c ei n f o r m a t i o na st h eh y d r o l o g yi n f o r m a t i o n ， a c c o r d i n gt ot h et h r e ew a t e rc o n v e r s i o nr e l a t e si nt h es t u d yf i e l d 。c a l c u l a t e s t h er e d u c ef r o mr e c h a r g eo f g r o u n d w a t e r ： t h er e d u c ef r o mr e c h a r g eo f p r e c i p i t a t i o n ，t h er e d u c ef r o mr e c h a r g eo fs u r f a c ew a t e r ，t h er e d u c ef r o mr e c h a r g e o fi r r i g a t i o nw a t e r ，a t l a s tg e t sq u a n t i t a t i v ed 8 t e s t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t s ： 1 t h ep a p e rc o n f i r m sr e a s o n a b l yt h ed i f f e r e n tc o e f f i c i e n t so fr e c h a r g ef r o m p r e c i p i t a t i o na st h ed i f f e r e n tb o t t o mm a t sb ya d o p t i n gt oc h a n g ec o e f f i c i e n t m e t h o d 2 o nt h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ，t h ep a p e rv e r i f i e st h es c i e n c ej u d g m e n t t h a tu r b a ne x p a n s i o nh a si n f l u e n c ei nr e c h a r g ef r o mg r o u n d w a t e r 3 t h er e s e a r c hr e s u l te x p r e s s e s ：f r o m1 9 9 5t o2 0 0 0y e a r s ，t h eu r b a ne x p a n s i o n c a u s e st ot h er e d u c ei nr e c h a r g eo fg r o u n d w a t e ra n n u a l l y ：b e t w e e n1 9 9 5a n d1 9 9 8 y e a r s ， t h er e c h a r g eo fg r o u n d w a t e rd e c r e a s e s2 ，3 1 9 ，0 0 0s q u a r e ：b e t w e e n1 9 9 8a n d 2 0 0 0y e a r s ， t h er e c h a r g eo fg r o u n d w a t e rd e c r e a s e s2 ，8 8 4 ，0 0 0s q u a r e 4 f r o mc h a n g e so ft h eb o t t o mem a tt y p e s ， i t i sam a i nf a c t o rt oa f f e c tt h e g r o u n d w a t e rr e p l e n i s h m e n tt h a tt h ef a r m l a n di st u r n e di n t ot h eu r b a n 。t h el a w n v 济南市城市 r 展对地下水补给的影响研究 i st h en e x ti no r d e r f r o mt h i s ，t h eu r b a ne x p a n s i o ns h o u l da v o i dt a k i n gu p f a r m l a n dp o s s i b l y i t i st h ev a l i dm e t h o dt oa d ds u p p l yt ou n d e r w a t e rb y a f f o r e s t i n g 5 t h ep a c eo fu r b a ne x p a n s i o nr e l a t e sc l o s e l yt ot o p o g r a p h y t h ep l a i n ，m o u n d i st h em a i nr e g i o nt u r n e dt ou r b a n ， s or e d u c eo fr e c h a r g ef r o mp r e c i p i t a t i o ni s t h e1 a r g e s ti nt h ep l a i n ，m o u n d 6 ， i t i st h ea v a i l a b l em e a n st oa n a l y z et h ev a r i e t yr e g u l a t i o no fu r b a n e x p a n s i o nf r o mt h ed i f f e r e n tm e a n t i m ea n da n 9 1 eb y3 st e c h n o l o g i e s t h er e c h a r g e o fu n d e r g r o u n dw a t e ri sa f f e c t e db yt h eg e o g r a p h y ，1 a n du s e ，p r e c i p it a ti o ne t c ， f o re l e m e n t a lh u g ed a t a ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o di si m p o s s i b l et oa t t a i nt h e s y n c h r o n o u s ，a c c u r a t e ， i nt i m ed a t e u s i n go n l yt h r e eir n a g e so fr e m o t es e n s i n g ， l h eb o t t o mm a ti n f o r m a t i o ncanb ea c c u r a t e l ve x t r a c t e d 7 e x p e r i m e n td a t a sd o n earet h ef o u n d a l i o no ft h ep a p e r i t i si m p o s s i b l e l og e tt h er e a s o n a b l ea n da c c u r a t er e s e a r c hr e s u l t sw i t h o u tt h ef o r ee x p e r i m e n t d a t a s ，t h e r e f o r et h et r a d i t i o n a lr e s e a r e hj 】 e a n sa r ei n d i s p e n s a b l e ，o n l yb l e n d i n g m o d e r 丌t e c h n i q u ew i t ht h et r a d i t i o n a lr e s e a r c hm e t h o dt o g e t h e r ， i t i sp o s s i b l e t oi n c r e a s et h es t u d y1 e v e l k e yw o r d s ：j i n a nc i t y u r b a ne x p 8 n s i o n ， r e e h a r g eo fg r o u n d w a t e r ， c o e f f i c i e n to fr e c h a r g ef r o mp r e c i p i t a t i o n ， 3 st e c h n o l o g i e s c l a s s i f i c a t i o nn u m b e r ：p 3 4 3 9 济南市城市扩展对地下水补给的影响研究 济南市城市扩展对地下水补给的影响研究y5 9 8 9 6 3 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 ( 注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：焉寺失导师签字 襄承弦 签字日期：2 0 0 4 年、。4 月2 6 日签字日期：2 0 0 4 年4 月2 6 日 湖、导师同意 鼻全文公布 济南市城市扩展对地下水补给的影响研究 济南市城市扩展对地下水补给的影响研究 1 序言 1 1 研究工作的背景及意义 1 1 1 研究工作的背景 济南是山东省省会城市，是全省的政治、经济、文化中心。济南是历史上古老城市 之一，因位于古济水之南，而得名“济南”，又因其独特的地形地貌、地质构造和岩性条 件，造就了济南市丰富的泉水，因而济南市又被美称为“泉城泉都”。在历史上，济 南市地下水文状况基本处于稳定状态；但是近、现代以来，却遭受了各种人文因素的破 坏：修建高层建筑深挖地基破坏了泉水出露的水文地质条件；南部山区河川径流的破坏、 植被的减少导致济南地下水补给量减少；以抽取地下水为主要方式的现代城市供水又导 致地下水位下降。济南地下水环境的变化突出表现为地下水位大幅度下降、地下水补给 量r 益减少、泉水大面积秸竭、地下水位随四时气候干湿而呈现剧烈波动。水文环境的 变化是自然因素和人文因素、区域内部因素和区域外部因素等综合作用的结果，具有被 动性和不可逆性。 泉水是地下水的露头，泉水的水文状况又能直接反映着地下水的水文变化情况。2 0 0 3 年由于降水偏多。地下水位升高，使济南市泉群复苏。但观察近几十年来泉群复涌，发 现泉水喷涌时间减少，复涌线出现增长的趋势( 见表1 一1 ) ，说明地下水文状况正慢慢发 生变化，这不能忽视。 表l 一11 9 9 0 2 0 0 3 济南市泉群喷涌时间及喷涌线 济南市城市扩展对地下水补给的影响研究 1 1 2 研究工作的意义 水是人类生产、生活不可缺少的资源，特别是济南这样一个以泉水著称的城市。泉 是济南市的灵魂，泉是济南市代表性的标志。但如果泉水不能长期喷涌，从济南市发展 的k 远角度来看，那么济南市损失的不仅仅是经济效益，还有更大的品牌效益，济南将 失去它的特色。济南作为国内外著名的泉城，其水资源问题具有代表意义，它不仅关系 到济南城市的未来发展，更决定着泉城特色和城市形别”。 济南市区水资源具有总量不足、年际变化大、年内分配不均和地域分布不均等特 点，多年平均水资源总量为5 8 7 亿m 3 ，人均占有水资源量为2 2 5 m 3 ，仅占全国人均水资 源量的l 1 0 ，远低于国际公认的人均水资源量1 0 0 0 一的标准，属于严重缺水的城市，是 全国重点缺水城市之一【2 l 。由于济南市经济的发展、人口的增多，城市扩展以成必然趋 势，但从地下水补给方面看，城市扩展对地下水补给影响的程度如何? 城市扩展如何布 局才能做到合理：即满足济南市发展的需要，又使得济南市结合所处地理环境特点，减 小对地下水补给的影响。基于上述考虑，本文主要研究：由于济南市城市扩展而对地下 水补给量产生的影响，并进行量化计算，为济南市城区规划提供参考：也为济南市提出的 保泉工程提供有效的数据支持，使济南实现水资源的可持续利用。 1 2 研究现状 1 2 1 国内外研究现状 由于城市扩展与城市的郊区化之问没有明显的区别，所以至今城市扩展没有一个统 一的定义。佛罗里达国际大学工程设计学院的一位副教授里德埃温说：“城市扩展是一 个具体的问题，你很难严格地说出城市的扩展从哪儿开始，到哪儿结束”。里德为城市扩 展下了一个定义：城市任意发展，以能随意进入的土地因被住宅、厂房、学校、医院等 占用而减少为特征【3 】。 城市扩展对地下水补给的影响主要表现在：城市扩展不透水面积增加，降雨入渗对 地下水的补给量减少【4 j 。而济南市区泉水与水源地大气降水之间有着天然响应关系，影 响这种响应关系的主要因素是大气降水转化为地下水的转化率，其根本即是地表的渗透 性【5 】。基于降水入渗的重要意义，看一下国内外对此的研究现状。 1 、降水入渗研究现状 入渗过程虽然复杂，但是对它的计算有相当大的意义，许多水文工作者在此取得了 巨大成就。理论上对入渗的研究主要有：水量平衡法、扩散法、达尔西法和经验方法。 水分入渗方面的数学模型有许多种，包括理论的、经验的、半理论半经验的，国内外著名 下渗方程，如g r e e n a m p t 方程，p h i l i p 理论方程，k o s t i a k o v 经验公式，h o r t o n 公式，s m i m 入渗方程等【6 7 j 。 我国计算降水入渗的方法主要有以下几种：一般地区，常用的计算方法为降水入渗 系数法，本法的关键是如何确定降水入渗系数：在具有动态观测资料的地区，常采用水 济南市城市扩展对地f 水补给的影响研咒 位升幅法；此外，还常采用数理统计法，即根据地下水水位升幅与降水量的观测资料， 建立相关公式。当水位升幅受两种主导因素影响时，采用多元回归分析法求降水入渗量。 2 、技术应用现状 如今g i s 、r s 在国内外的研究已深入到各行各业，主要用于研究城市扩展、国土规 划、水土流失等方面。g i s 在地下水中的应用也取得了令人瞩目的成就，如：找水源、 地下水模型研究等。 g i s 和r s 在国外地下水方面的研究已经非常广泛，但在国内才刚刚起步【8 】。在1 9 9 3 年3 月1 4 | 一1 8 同，在美国亚拉巴马州莫比尔市举行了“地理信息系统和水资源专题讨 论会”：1 9 9 3 年4 月1 6 日2 2 日，在奥地利的维也纳召开了“地理信息系统在水文学和 水资源管理中的应用”国际学术讨论会。会议论文c | 1 就提到r s 和g i s 在水资源中的应 用，主要包括6 方面的内容：g i s 在地下水模型q 一的应用；含水层性质的识别； 在地下水监测网设计的应用：应用于输入数据的设计和用户界丽；利用遥感数据研 究地下水：编制水文地质图。 对地下水的研究离不开现代技术的支撑，g i s 为地下水的研究提供了强有力的分析 手段及工具，地下水研究又为g i s 提供了必要的数据源及研究对象。作为一种高新技术， 虽然g i s 在地下水应用研究上有许多优点，但是g i s 技术必须和本专业结合起来，只有 这样才能使专业问题得到更快、更科学的解决。 1 2 2 项目研究现状 济南岩溶地下水的研究程度很高，不同学者曾从水资源分析与管理【9 10 1 、济南“保泉” 措施探析一2 1 、影响济南市区名泉停涌的主要因素分析、济南泉群成因及保泉措施【1 4 】、 城市化对水文特性的影响【4 】等不同角度对之进行了研究。总结前人工作，造成济南地下 水补给量减少的主要原因集中以下几个方面：一是区域内森林植被涵养水源的能力降低。 由于滥砍滥伐，森林植被遭到严重破坏，森林植被拦蓄大气降水、强化降水就地入渗的 能力降低，涵养水源能力明显衰减。二是区域内近年来的各种丌发建设活动日趋频繁， 将原具备一定水土保持功能的自然地理环境加以人为强制性改变，进一步降低了水源涵 养能力。尤其在泉水的直接补给区内，开发建设活动造成的影响更为严重。因而，大气 降水i = = b 于硬化不透水层面积的增加而形成地表径流流失，地下水得不到有效的补给i 。 三是泉域范围和边界不清。对济南泉域的范围和边界的确定长期存在的争论，到目前为 止，关于边界位簧的说法有多种，有的还相差很大，这就导致在采取保泉措施时不能有 的放矢。 为保证城市发展刑水的需求，再现昔i = i _ | 泉城特色，山东省委、省政府提出了许多措 施。济南市政府于1 9 9 8 年6 月报请国家计委批准立项，实施了“引黄供水”重点工程。1 9 9 9 年1 2 月，占地9 4 0 公顷，库容量4 6 0 0 万立方米的鹊山引黄调蓄水库建成蓄水。2 0 0 0 年 1 2 月，占地6 4 0 公顷，库容量4 8 5 0 万立方米的玉清湖引黄调蓄水库建成竣工，2 0 0 1 年7 3 济南市城市扩展对地下水补给的影响椰f 究 月，与之配套的同供水4 0 万立方米的玉清水厂投入运行。地表水与地下水的供水比例， 由过去的3 ：7 调整为7 ：3 。节水保泉，修建水库，关停市区部分供水井，引水回灌，提 高水价，定额用水等，为早日再现泉城特色奠定了坚实的基础。但是，至今不能保证济 南泉水常年出流，而且此项工作压力很大。 泉水断流的原因是多方面综合因素的结果，不仅与自然因素有关，而且与人类活动 对济南市生态环境的改变有极大的关系。从以往的资料看，人们针对城市扩展对地下水 补给方面的研究很多，不过现京的研究成果、措施一般是从总体上、定性上来说明问题 的，而基于3 s 技术，从空间角度分析城市扩展致使下垫面发生变化，进而对地下水补给 产生影响尚缺乏研究深度。 2 研究区概况 2 1 研究区范围的界定 研究城市扩展对地下水补给的影响，必须了解济南市泉域范围，但对于济南泉域范 围，有关单位、专家尚没有统一的看法，其主要分歧点是东西边界问题峙l 。关于济南泉 域东谣边界的观点主要有：东到东坞，西至马山断裂：还有东到文祖镇断裂，西至马山 断裂：东到文祖镇断裂，西界以张夏西部的五峰山、凤凰台，香炉山分水岭为界等不同 分界观点。这些东西边界的划分依据有以断裂带为界划分，还有的是以闪长岩体的分布、 向斜的侧翼和地表水分水岭等为界划分的。笔者对专家的研究成果进行了综合分析，根 据济南市水文地质构造特点和几条近于南北向的相对隔水的断层，避开存在争议的问题， 确定本次工作的研究区：济南1 9 9 5 年市区与长清县界为西边界，南以长城岭地表分水岭 为界，东界到东坞断裂，北界为北部以石炭、二叠系和火成岩交界处，整个研究区范围 位于济南泉域区内，面积大约为l 0 0 3 5 k m 2 。 2 2 自然环境条件 2 2 1 地形地貌( 附图1 ) 研究区地处鲁中山地的北缘和山前倾斜平原的过渡带，南依泰山，北临黄河，地形 南高北低，变化显著，南部为绵延起伏的山区，北部为山前倾斜平原。研究区最高海拔 9 4 0 米，最低2 0 米。根据地貌分类标准及济南市地区地貌特征，将济南分为平原、丘陵、 山地三种地貌类型。 平原区 平原区分稚于研究区北部，为山前倾斜平原与黄河冲积平原，标高2 0 一5 0 米。冲积 平原分布在北部黄河南岸，物质组成与微地貌变化受黄河、小清河控制，本区由于受人 为因素影响较大，地势平坦，仅有零星残丘分布。冲一洪积平原区成放射状分布于山地前 缘，地势为东南高西北低，坡度不大。冲一洪积平原区土质较好，属低山、丘陵向平原 过渡地带，是地下水富集区。 残丘、丘陵 4 济南市城市扩展对地下水补给的影响研究 残丘、丘陵位于济南市中南部，标高在3 0 0 米以下，切割深度5 0 米左右，属于剥蚀 堆积区。千佛山以西地区，山顶多呈浑圆状，沟谷呈u 型，沟谷倾角5 叱1 0 。南部重力堆 积地貌较发育，且有滑坡、崩塌。千佛山以东，河流不发育，地势起伏不大。山体周围 多为人工开采石料形成的人工陡崖。残丘多分布在冲一洪积平原，一般由灰岩组成，标 高5 0 一3 0 0 米，风化侵蚀使山顶呈浑圆状，低洼处为第四系堆积物覆盖，残丘大部分被人 工开采，形成陡崖。 中、低山地 中低山地分布在济南市南部边缘，标高3 0 0 9 4 0 米，流水作用强烈，沟谷呈v 型。 南部山区地貌条件以中、低山为主，山前平原很少。山地中大部分为石狄岩山地，山高 坡陡，谷深沟多，水土流失严重，为全省水土流失最严重的地区之一。 2 2 2 地层、构造 研究区是济南泉域的一部分，总体上是一个以古生代为主体的向北倾斜的单斜构造。 区内出露的地层主要有：古生界寒武系、奥陶系碳酸盐岩夹碎屑岩、新生界第四系松散 堆积物广泛分布于山前及沟谷地带，厚度由南向北逐渐增大。区内断裂构造主要有东坞 断裂、千佛山断裂。独特的地质构造条件为泉水的形成奠定了基础：南部灰岩分布区接 受大气降水后，顺岩层向北运移，在北部遇火成岩体阻挡形成裂隙上升泉群“。 东坞断裂 东坞断裂南起泰山群分布的下阁老，经珏营、黄路泉峪，经过港沟西山，并被港沟断 裂截切后，向n n s 进入第四系隐伏区，经刘志远、义和庄、张马屯东、大水坡延伸过黄 河。区内长约3 9 k m ，总体走向n n w ，倾向s w 。 千佛山断裂 千佛山断裂位于研究区中部。走向北西2 0 0 一4 0 0 ，倾角6 0 0 一7 0 0 。断裂规模较大，断 裂南起变质岩的金牛山，经田径峪，丁子寨穿越千佛山7 】。 2 2 3 气象、水文 该区属于暖温带半湿润大陆性季风气候区，多年平均气温1 0 一1 4 ，最高气温达 4 2 7 ，最低气温大一1 9 7 。多年平均降雨量6 5 0 7 0 0 m ，受夏季风影响，雨量集中 在6 9 月份，占全年降雨量7 5 。降雨量在空间上的分配也有差异，南部山区多年平均 降水量多于北部平原，且山区多暴雨。 河流 玉符河为黄河的支流是研究区的主要河流，发源于南部泰山北麓的长城岭，其上游 就是锦绣、锦云和锦阳三川，以锦绣川为主流。历史时期的玉符河是南山唯一的一条常 年流水河流，河水通过渗漏常年补给济南众泉水，应该是济南地下水的重要补给区【1 8 】。 河水渗漏有两种类型：一种是断层渗漏，上游三川断裂带发育，三川与断裂带的结合部 位成为河川渗漏和地下水富集的主要构造，是河水和地下水的重要转化点。另外一种是 e 济南市城市扩展对地下水补给的影响研究 岩溶渗漏，玉符河中下游流经岩溶发育的石灰岩区，河水渗漏量大。 湖泊 大明湖位于济南旧城之北，面积4 6 5 公顷，约占旧城区的四分之一。湖面浩大，湖 光山色美丽多姿，号称济南市四大名胜之一，湖水主要来源于珍珠泉、泮池、王府池等 诸泉，泉水在曲水亭汇入百花洲，然后流入大明湖，湖水出汇波桥，汇集护城河水，入 小清河。 水库 ( 1 ) 、卧虎山水库 卧虎山水库位于济南市的南部山区。锦绣川、玉带河、锦银川三条支流在卧虎山水 库上游汇合，流域面积5 5 7k m 2 ，水库下游距黄河4 4 5 k m ，水库总库容l ，1 6 4 亿m 3 ，兴 利库容o 5 8 6 3 亿m 3 ，平水年平均水深8 2 7 8 m ，实际库容3 1 9 8 万m 3 ，水面面积3 8 6 k m 2 。 ( 2 ) 、锦绣川水库 锦绣川水库位于卧虎山水库的上游，属于玉符河水系，水库流域面积1 1 6 k m 2 ，总库 容4 1 0 0 万m 3 ，兴利水位2 4 8 5 m ，兴利库容3 5 9 2 万一，死库容1 0 8 万m 3 。 2 3 社会经济条件 研究区内以农业经济活动为主，农业用地主要分布在平原、山谷及低洼地地带，农 作物以小麦、玉米、大豆、地瓜为主，一年两作，土壤肥力中等偏下，排水条件好，但 i 司缺水，灌溉条件差，此外还有少量的果园和菜地1 9 】；副业以劳务输出、建筑业、运输 业、采石、烧砖为主。区内经济发展水平很不一致，城市近效区经济发达，中部次之， 南部为最贫困。 3 研究内容与方法 3 。l 研究内容 本项目探讨的具体内容包括以下几个方面： ( i ) 根据影响降水入渗的因素分析，确定研究区下垫面划分类型及降水入渗系数。 ( 2 ) 研究区下垫面的空间信息提取，根据水文资料，建立属性数据库和空间数据库。 ( 3 ) 数据库空间分析，建立各种数学分析模型，对补给区下垫面类型划分。 ( 4 ) 对不同时期土地利用类型动态变化模拟分析，从属性变化、面积转移矩阵、空问三方 面分析土地利用变化特征。 ( 5 ) 计算不同时期降水入渗减少量、水体渗漏减少量、灌溉回灌水减少量。 ( 6 ) 城市扩展对地下水补给影响的量化分析。 3 2 研究方法 本次工作在前人研究的基础上，以水文学、水文地质学理论为依据，通过收集国内 外有关资料和研究区有关研究成果，科学地论证了地下水补给量与下挚面之间的关系； 济南市城市扩展对地下水补给的影响研究 并以此为理论依据和分类指标，利用先进的g i s 和r s 技术，在m a p i n f 0 、a r c v i e w 、e r d a s 等软件支持下，提取研究区不同时期的空间信息，将空间信息转化为水文信息，根据研 究区三水转化关系，分三部分计算研究区补给减少量：降水入渗补给减少量、水体渗漏 补给减少量、灌溉回灌水减少量，得出城市扩展对研究区地下水补给的影响情况。 幽3 一l 工作流程 4 影响降水入渗的因素分析及降水入渗系数获得方法确定 4 1 研究区三水转换 根据研究区水文特点及研究区三水( 大气降水、地表水、地下水) 之间关系，绘出 研究区三水转化图。从图中可以清晰地看出大气降水转化为地下水的过程，以及地下水 补给来源。 4 1 图研究区三水转化 4 2 影响降水入渗的因素分析 降水入渗补给系数a 是地下水资源规划管理和三水转化研究中最重要的水文参数 济南市城市扩展对地下水补给的彬l l 9 研究 其精度直接影响到成果的可靠性。最初人们用下式定义降水入渗补给系数： q = p ，p p 。 式中：p r _ 降水入渗补给量( m m ) ；p 一降水量( m m ) ：p 口_ 一临界降水量( 唧) 。 然而临界降水量p 。取决于某一时段内的总降水量、雨日、雨型、气象因素、时段初 的包气带土壤含水率以及地下水埋深。因此，它是随时问而变化的，其值难以确定，从实用 意义上讲，是很不方便的。为了便于应用，我国目前大多用下式定义降水入渗补给系数n ： o = p ，p 符号意义同上。即为降水入渗补给量与降水量的比【2 0 】。 4 2 1 气候影响降水入渗 降水是气候特征的重要体现，降水量的多少、降水强度、降水历时又直接影响地下 水的补给的变化。地下水资源量随时间变化，主要受大气降水控制，一般降水量大的年 份地下水补给量大，降水量小的年份，地下水补给量也小2 “。济南市降水量的“少、多、 少”的季度变化，泉水水位和流量也相应地出现“低、高、低”和“小、大、小”的季 节变化。不过在时间上较降水的季节变化推迟一些。一般年份，泉水变化过程是自年初 始，流量逐渐减少，至6 月出现最小量和最低水位；7 月份随降水量增加而流量丌始增大， 8 、9 月出现最大流量和最高水位。一般规律是年降水量多，当年泉流量大，水位高；年 降水量少，当年泉水的流量也小。 4 2 2 植被影响降水入渗 植被有利于降水补给地下水，其原因，一方面植被阻滞了地表坡流，另一方面植被 土壤有机质多，结构性好，植物根系使表土透水性加强，落叶可保护土壤结构免遭雨滴 的破坏，植被，特别是森林植被能够增加降水入渗，起到调节涵养水源的作用。据山东 省栖霞县科学测算，该县森林覆盖率若增加1 个百分点，可至少增加地下蓄水8 0 0 多万 立方米，营造“生物水库”【2 2 】。 大量研究表明植被对降雨入渗的影响十分复杂，不同植物的生长过程，不同的土地 利用情况，不同土质的降水入渗规律均有很大差异【2 3 1 。王忠科( 1 9 9 4 ) 的研究表明，除 覆盖度不同其余条件基本相同的相同情况下，入渗系数随植被覆盖度的不同而发生变化， 稳渗率随植被覆盖度的增加而增加，即覆盖度越大稳渗率越大。石生新( 1 9 9 2 年) 的研 究表明：随着植被盖度的增加，不同时段的累积入渗量呈指数增加；不同的植被类型， 以封育荒坡的土壤入渗率最大，乔木林次之，灌木林和农田较小。吴长文( 1 9 9 5 ) 对同一 植被8 种林分的坡面土壤入渗指标，采用双环入渗仪和针条式人工降水器同时进行了测 试，得出了同一种植被类型，不同林分的入渗速率也不一样的结论。对于草地而言草 地密度对入渗影响较大，不同密度草地入渗性能不一样。 4 2 3 坡度影响降水入渗 坡度是影响降水入渗规律的重要地貌因素。国内外大量研究结果表明，坡度对降水量 r 济南市城市扩展对地下水补给的影响研究 影响十分复杂，往往因地而异，与当地的土质、土地利用、植被情况相关22 1 。根据周星 魁所做实验：在当土地利用、植被情况相同的情况下，取坡度范围o 一2 0 。，不同坡度降水 入渗结果见4 一l 表。 表4 1 不同坡度降水入渗结果 坡度o5 0l o o1 5 02 0 0 降雨强度( m m ，m n ) 1 41 41 41 41 4 降雨历时( m i n ) 1 0 4 59 28 1 58 7 79 0 7 稳渗率( m m m ) 3 7 83 2 82 4 02 0 o 1 8 o 中科院力学研究所陈力通过对坡面降水入渗产流研究后指出：从理论上讲，随坡度 的增加，降落到土壤表面的雨滴所形成的坡面水流流速越大，水层厚度愈加减少。水层 的正压力愈小，入渗能力愈低，另一方面，投影面积相同时坡度愈大，单位面积的实际 承雨量应越小，从而渗入土壤中的降水愈小，稳渗率小。 4 2 4 坡向影响降水入渗 中国林业科学研究院计算机模拟土壤水分入渗的研究数据证明( 图4 2 ) ，坡向对土 壤的入渗影响很大。阴坡中，裸地和灌木的初渗率都比油松的快，达到稳渗的时间也长 但是灌木和油松的累积入渗量都比裸地的高。到8 0 m i n 时，灌木的累积入渗量最大，油 松次之，裸地最少。阳坡中，灌木和侧柏的初渗率较裸地的快，但达到稳渗的时间也长 裸地很快就达到稳渗，并且稳渗率明显高于灌木林和侧柏。因此，在开始时，裸地的累 积入渗量高，入渗经过6 0 i n 以后，侧柏的累积入渗量最大，灌木次之，裸地最少【2 4 1 。 阴坡不耐林地二b 艘承分入渗肇 1 浊梧# 3 ，辨被灌术 j 明城撩地 豫较= f 同# 媳土壤水分 蠹 1 辩蛾谦地 2 翻l l ；| 林 ，糨驻搬水 济南市城市扩展对地下水朴给的影响研究 毛拍 v 柏 l6 量 12 蠢 8 o 翻 静 峰 耐矧对翔 明城捉地滴松淼磕、避本# 地累计人谤岳阳艘襁地，倒抽韩培， | 鐾本雉地景计 瞎嚣 图4 2 坡向对降水入渗的影响 4 2 5 地层影响降水入渗 在鲁中山区，奥陶系地层岩溶裂隙较为发育，赋水性好：并且，皆处于各单斜构造 的前缘或盆地底部，地势较低，因此降水入渗补给系数最大；而变质岩及岩浆岩构成的 裂隙含水层，均以构造裂隙、风化裂隙为主，裂隙细小且连通性差，裂隙发育浅，储水 空间小，并且主要处于分水岭一带，地形坡度陡，因此降水入渗补给系数最小：其它地 层的透水性、含水性介于两者之间 2 5 1 。就鲁中山丘区来说，几种地层的多年平均年降水入 渗补给系数由大到小的次序为：奥陶系、寒武系、第四系、变质岩及岩浆岩。 4 3 研究区降水入渗系数获得方法确定 综合以上分析，影响降水入渗的因素很多：地貌、地层、人工建筑、植被、气候等， 考虑的影响因素越全面，越会接近下垫面实际情况，计算的降水入渗系数就越精确。事 实上一个流域的任何一点入渗系数都不可能相同，因此要想降水入渗系数准确，必须把 流域划分为点，但这几乎是不可能的；另外，因资料限制，考虑影响降水入渗的因素越 多，必须假设的参数会因此增多，所以，在不影响计算精度的基础上，本次工作只考虑 了：地貌、岩性、耕地、林地、草地等土地利用方式和降水量几种影响因素。研究区降 水系数获得方法，借用由东省水科院多年观测实验研究成果变参公式2 6 1 。变参公式 中影响降水入渗的因素为地形、岩性和降水量( 见表4 2 ) ，按此影响因素获得下垫面平 均降水入渗系数，共1 4 种系数类型，在此基础上，获得研究区不同下垫面的降水入渗系 数。变参公式如下： p r = a g f p i o g = a g l o g p i d g 式中：p r 一地下水入渗补给量 og 平均降水入渗系数 f 计算面积 p i 年降水量 a 2 一地形、岩性指数 1 n 济南市城市扩展对地