（水文学及水资源专业论文）济南市人工回灌补源保护泉水的研究.pdf

摘要 目前，用人工回灌补充地下水，可以快速、有效地阻止地下水水位的持续 下降，防止各种地质灾害的发生。许多国家都在积极探索这种方法来抬升地下水 位，而且有地方在尝试用污水进行回灌，补充地下水的同时，利用地下水的自净 作用对污水进行净化后再利用。 本文分析了人工回灌补充地下水对济南泉域地下水水位的影响以及回灌过 程中水位的动态变化规律；分析了济南泉域和补源地点之间的水力联系及人工回 灌补源对泉水的影响程度；计算了济南市人工回灌试验对地下水的补充效果，分 析了地表水和地下水的转化规律；在不同水平年和不同地下水开采条件下，运用 水文地质概念模型对未来泉水水位进行预报。 结果表明，济南市各含水层之间水力联系密切，济西水源地与市区泉域之间 关系密切，开发济西地下水会对泉水造成影响；玉符河上游渗漏条件好，可以作 为回灌工程的最佳补源地点；人工回灌补给效果明显，回灌水有效系数为 8 0 7 9 ；合理地进行地表水和地下水的联合调度，既可以保障济南市工农业及人 民生活用水的需求，又可以保障泉水常年喷涌。 关键词：人工回灌，地下水，转化规律，水文地质概念模型，泉水预报 a b s t r a c t n o w , a r t i f i c i a lr e c h a r g e o fg r o u n d w a t e ri sa l le f f e c t i v ew a yt oc o n t r o l t h e d e c l i n i n g l e v e lo ft h e g r o u n d w a t e r a n dh o l db a c kt h e g e o l o g i cd i s a s t e r s ，m a n y c o u n t r i e si nt h ew o r l da r ep r a c t i c i n gt ou s et h i sw a y t op r o t e c tg r o u n d w a t e r i ns o m e p l a c e s ，t h es e w a g e i sr e c h a r g e d ，a n di tw i l lb er e u s e da f t e rb e i n gp u r i f i e db yg r o u n d i nt h i sp a p e r , t h ei n f l u e n c et ot h el e v e lo ft h eg r o u n d w a t e rb ym e a n so fr e c h a r g e g r o u n d w a t e r i nj i n a nc i t yw a sa n a l y z e d ，a n dt h er u l eo f t h ed y n a m i cm o v e m e n to f t h e l e v e lo f g r o u n d w a t e r w a sg o t t h eh y d r a u l i cr e l a t i o nb e t w e e nt h ef o u n t a i n sa n dt h e i r s o u r c e sw a sa l s oa n a l y z e d t h er e c h a r g ee f f i c i e n c ya n dt h er u l eo ft r a n s f o r m a t i o n b e t w e e ns u r f a c ea n dg r o u n d w a t e rw e r ec a l c u l a t e d a tl a s t ，t h ew a t e rl e v e lo ft h e f o u n t a i n sw a sf o r e c a s t e d b yu s i n g a h y d r o g e o l o g i c a lm o d e l t h er e s u l ti sr a t i o n a l ，t h e r ei sc l o s e l yh y d r a u l i cc o n t a c ta m o n gt h ea q u i f e r si n j i n a nc i t y , a l s ob e t w e e nt h ew a t e rs o u r c ei nt h ew e s ts u b u r ba n dt h ef o u n t a i n s ，s oi t w i l lb ei ni n f l u e n t i a lt ot h ef o u n t a i n se x p l o i t i n gt h ew a t e ri nt h ew e s ts u b u r b ；t h e e f f e c to nt h eg r o u n d w a t e ri sg o o da n dt h ec o e f f i c i e n to f r e c h a r g ei s8 0 7 9 ：s ot h e w a t e rc a ns a r i s f yt h en e e do f t h ei n d u s t r y , a g r i c u l t u r ea n dt h e l i v i n go f c i t i z e ni nj i n a n c i t ya n dc a ne n s u r et h ef o u n t a i n a tt h es a l n et i m e ，i f t h eu t i l i z a f i o no f t h es u r f a c ew a t e r a n dg r o u n d w a t e ri sr e a s o n a b l e k e y w o r d s ：a r l i l l e i a lr e c h a r g eo f g r o u n d w a t e r , g r o u n d w a t e r , t r a n s f o r m sr u l e , h y d r o g e o l o g i e a lc o n c e p t u a lm o d e l ，f o r e c a s to f t h ew a t e rl e v e l 前言 随着工农j 止的发展和世界人口的持续增长，水资源短缺已成为人类面临的最 严峻的资源问题之一。从二卜世纪中叶起，世界各国大规模地开采地下水，带来 了地下水位大面积、大幅度下降之害。我国也一样，由于地表水的短缺和污染， 从六十年代开始，就大量地开采地下水，尤其是在地表水缺乏的地区，地下水已 经成为某些地区主要的水源。过量地开采地下水，致使地下水水位迅速下降，造 成地下水漏斗区不断增大，饮用水井枯竭，地面塌陷，海水入侵等严重的地质灾 害。 如果能在短期内缓解这种危机，从可持续的角度出发，地下水人工回灌是一 种比较快速、有效的办法。地下水回灌可以补充枯竭的地下水资源，扩大地下水 资源的存储量。地下含水层贮存再生水供城市用水高峰时使用，可以有效解决供 水和需求之间的矛盾，对干旱和半干旱的缺水地区尤为重要。 国外早在二十世纪五十年代就对用人工回灌的方法补充地下水进行过研究， 而且也取得了很好的效益。我们国家起步比较晚，现在还处于摸索和实践阶段。 济南是一个泉水丰富的地区，著名的四大泉水响誉中外。但是多年来，由于 地下水的超采，和近几年降雨量的减少，至使趵突泉停喷达9 2 6 天之久。为了使 名泉复涌，济南市展开了大规模的“保泉”行动，其中用人工回灌补充地下水，使 地下水水位抬升，从而使泉水复涌就是其中最积极而有效的方法之一。 本论文结合济南市运用人工回灌的技术来补充地下水从而使趵突泉重新喷 涌的试验，来论述运用人工回灌的技术来补充地下水、抬高地下水位的机理和效 果以及所取得的效益。本论文共分六章，各章内容如下： 第一章：地表水补充地下水的研究概况，主要论述了论文的研究背景，地表 水与地下水的转换机理，及人工回灌补给地下水的重要意义和国内外的研究进 展。 第二章：济南人工回灌补源保泉试验，主要介绍济南市人工回灌补充地下水 的试验，包括试验的目的和意义、背景情况( 包括自然地理情况、水文气象情况、 水资源特征、地质构造特征及水文地质情况等) 、试验的过程和结果。并根据试 验的结果进行了分析和计算。 第三章：人工补源水文地质模型，通过实测数据与计算数据的对比可以知道， 模型很好地模拟了泉域地下水的运动规律，同时也验证了模型可以用于这一区域 的水位预报。 第四章：利用模型对未来泉水水位的预报及回灌效益的分析，运用已有的模 型对不同水平年、不同保证率、不同开采条件下的泉水情况进行预报，同时对回 灌效益进行了分析。 第五章：结论和展望：对本论文进行了总结，并对未来人工回灌的发展进行 了展望。 本文作者参加了由水利部水资源管理中心组织实施的“济南保泉”项目，在工 作和做论文期间得n t 项目组成员的悉心指导和帮助，论文中所引用的观测数据 及使用的模型均由山东省济南市水利局提供，特此感谢! 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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。与我一同工作的同事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了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：耋塑垒玎年，月寸，日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学校论文的复印件或电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的 公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者。签名，：耄垂：簦矿年j 月旷日 1 1 问题的提出 第一章绪论 1 1 1 我国地下水资源开发现状 我国地下淡水天然资源多年平均为8 8 0 0 多亿立方米，约占全国水资源总量 的1 3 ，从上世纪7 0 年代开始，我国开始大量开采地下水。随着经济社会的发展 和城市化进程的加快，开采量逐年递增。近2 0 年来，全国地下水开采量平均以 每年2 5 亿立方米的速度增加，不到1 0 年就要翻一番，地下水占总供水量的比例 已从1 9 8 0 年的1 4 o 增长到2 0 0 0 年的1 9 8 。从上世纪8 0 年代初至9 0 年代末， 全国以城市和农村井灌区为中心形成的地下水超采区数量从5 6 个发展到1 6 4 个， 超采区面积从8 7 万平方公里扩展到l8 万平方公里，现在年地下水超采量已近 百亿立方米，累计超采量逾1 0 0 0 亿立方米l l ，2 】。 地下水的严重超采，造成了地下水水位持续下降，在许多地区已经引发了饮 用水井桔竭，地面塌陷，海水入侵等严重的地质灾害。所以，合理地使用地下水， 有效地对地下水进行补充，以阻止地下水位的下降，是当务之急。 1 1 2 济南市地下水开发和用现状 济南市是一个水资源很贫乏的城市，属于资源型缺水城市。以2 0 0 1 年为例 1 3 1 ，全市总供水量为1 8 9 6 亿m 3 ，其中，地下水供水量为1 0 0 3 亿m 3 ，占总供水 量的5 2 9 ，占多年平均地下水资源量的8 2 8 。济南市水资源开发利用程度很 不均匀，地表水开发程度很低，地下水开发程度较高，特别是市区及其周围的地 下水开发利用程度已相当高，部分地区已出现超采状况。由于大量抽取地下水， 采补失街，地下水严重超采，致使泉水从1 9 7 2 年春季开始出现断流，以后几乎 年年有停喷现象，而且停喷时间逐年延长，地下水漏斗区已扩大到2 8 9k m 2 ，导 致泉群停涌、地下水环境恶化及地裂地陷等一系列环境闯题。 1 1 3 济南市保泉行动 由于世界人口的增长和淡水资源的危机与日俱增，使得数亿人遭受着水的贫 困，而全世界由于对水的需求超过了蓄水层可持续的出水量，在主要河流干涸的 同时，地下水位地持续下降，经济的发展与生态的失衡，不仅损害了当代人的利 益，也占有r 后代入的利益。因此，为了保障资源与环境的协调发展，针对日益 紧缺的水资源状况，结合地下水严重超采的现实情况，我国开展了“地下水保护 行动”。 济南市被列为全国“地下水保护行动”的第一个试点城市，济南市“地下 水保护行动”的重点是保护以趵突泉为代表的泉水，使趵突泉等泉水实现复涌， 而要使泉水复涌的首要条件是要保证泉域的地下水位达到泉水警界水位。面对济 南市及其周边地区地下水位的持续下降的局面，采取积极有效的办法阻止并恢复 地下水水位，应该是济南“保泉行动”的主要内容。作为第一个试点城市，济南 市保泉行动的成功与否，直接关系到全国的“地下水保护行动”进程和效果。 1 1 4 济南市关于泉域地下水之闻有关系的争论 搞清济南泉域地下水之间的关系，才能有效地采取措施保护地下水。济西 有丰富的地下水已成共识，但专家们争论的焦点是济西水源和市区泉域水源是 碗水”还是“两碗水”。 持“一碗水”的专家主要来自原山东省8 0 1 水文地质队( 简称8 0 1 队) ，山东 师范大学地理系黄春海【4 ，5 墩授更是这个观点的有力的支持者和倡导者。“一碗 水”的观点认为，济南西郊地下水与市区泉水是连通的，开采济西水源会影响济 南保泉。 “两碗水”观点的代表商广宇高工认为【6 ，4 7 】由于存在一个岩溶弱发育带， 济南的地下水分为济东和济西两个互不相干的水系，这个开发济西地下水并不会 影响趵突泉的喷涌，而且还可以起到保泉的作用。 另外，翟宏国【8 】又从大量的水文数据中得出结论：黄河与济南泉水关系密切。 黄河水位很低时，济南的标志性泉水趵突泉停喷；当黄河水位较高时，泉水 复涌。翟宏国分析说，由于黄河在山东境内是地上“悬河”，济南市紧邻黄河， 且黄河远远高于济南市区，黄河水补给泉水很正常。通过研究分析，他认为当黄 河泺口水文站的水位在2 6 7 米以上时，对济南泉水影响明显，低于这个水位， 则济南泉水很容易出现停喷现象。 本文结合济南市人工回灌实验，通过分析实验结果支持第一种观点。 1 2 地表水与地下水的转换机理 将地表水转化为地下水，是解决地下水持续下降问题的一种快速有效的方法， 地表水与地下水的转化是水周期性循环运动的环节之一，人类活动可以对其造成 很大的影响，下面具体介绍一下地表水与地下水的转换机理。 由于水循环，致使地球上各种形式的水源不断地进行交换更新【9 l ，所以水资 源和其它一些自然资源不同( 如矿产资源，这些资源是随着开采而减少的) ，它 在不停地循环复原，这也是水资源有别于其它资源的特性。水量转化就发生在这 种水循环的过程中。水量转化意味着水的相变，包括液态、固态水的汽化、水汽 凝结降水等反复过程。从大气层到地面以下，可以为分大气水、地表水、士壤水 与地下水，这四水之间存在着频繁的物质与能量交换，构成了水量转化。 “四水转化”就是上述四水系统中水的往返流通与相变。大气水分通过凝结作 用变为液态与固态降水，进而转化为地表水、土壤水与地下水。而地表水、土壤 水及地下水又通过上升、蒸发等作用，变成水汽，形成大气水分【。 本文重点讨论地表水与地下水的转换问题，通过对某一地区地表水与地下水 转换关系的研究，可以人为调整转换的水量，从而合理有效地利用地下水资源。 降水是切水资源总的来源。当降水到达地面以后，一部分形成地表径流 r s ，另一部分则入渗入地下( w ；w 。+ w b ) ，w 占降水的量的多少不同的地区会 有些差异，但基本上都能达到8 0 - - 9 0 左右【l l 】。w 又可分为三部分：是土 壤水的水平流( f ) ；二是垂直向下入渗补给地下水( p g ) ；三是填充土壤中的不 足水量。在地表水与地下水的形成与转换过程中，各种水资源并非各自独立，而 是互相关联的，地表水与地下水转换关系如图1 1 【1 2 1 4 】。 ep r s + l v f 图1 1地表水与地下水转换关系图 图中：墨： 区域流入量； 户：降水量； e ：蒸发量： w s ： 降水入渗量； ： 地下水蓄量。 b ： 地表径流量； f ：壤中流； 名： 降水入渗补给地下水量； g ： 地下水扩散进入土壤量； ： 地下基流量； 咚： 河渠渗透补给量； 尺： 河川径流总量r = b + + f ； ： 区域流出量。 图1 1 的水量转换关系还可用下列水量平衡方程式表示 r k + 1 、土壤系统： p - r s + e g = e + e g + ( 1 1 ) 式中w s 为土壤蓄水变量，多年平均状况下，2 w s o 。 2 、地下水系统： 名+ c g = e g + a ( 1 2 ) 式中为地下蓄水变量，多年平均状况下，_ 0 。 由式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 可得： p b + c g = e + + 6 ( 1 - 3 ) 令w s + w ；。a w ，则式( 1 3 ) 可变为： p - r s “g 2 e + a w ( 1 - 4 ) 多年平均情况下，矽一0 ，并考虑引用区外来水，则式( 1 4 ) 变为 e = p 一略+ c g + 吩 ( 1 - 5 ) 其中为引用区外来水量，这与图1 1 的结果是一致的。 如果有人类活动的影响，引用地表水或抽取地下水进行灌溉，或进行人工回 灌补充地下水，则通过土壤媒介又有第三次或是第四次转换过程。随着转换层次 增加，地表水与地下水的转换将越来越复杂。通常情况下，可以用下式来表示地 表水与地下水的形成： 地表水：r = b + r g + f ( 1 6 ) 地下水：= 名+ 4 乇+ + 名+ 0 9 ( 1 7 ) 式中：m g ：地下径流侧向补给； c g ：河渠渗透补给： 名：灌溉回归补给： d g ：人工回灌补给。 1 3 人工回灌补充地下水 1 3 i 人工回灌补充地下水的基本概念 地下水人工回灌，有时也称为有计划地补充地下水，指将多余的地表水、暴 雨径流水或再生污水通过地表渗透或回灌井注水，或者通过人工系统人为改变天 然渗滤条件，将水从地面上输送到地下含水层中，随后同地下水一起作为新的水 源开发利用【1 5 , 1 6 。 1 3 2 人工回灌地下水的技术措施 由于地形、地质、土壤、水源以及工程设施现状等许多条件的差异，人工回 灌地下水要根据不同的地区而选用不同的技术措施，这样才能做到合理、有效， 本文只讨论浅层水的人工回灌，其回灌技术措施大体归纳为以下几类 1 7 】： 1 、利用干涸的河床、渠道及骨干排水系统引水、蓄水，利用自然渗透能力 补给地下水。 2 、利用自然冲沟，洼地建设塘堰和水库，以及改造各种坑塘，使之与引水渠 联结起来，通过这些设施在蓄水期的渗透补给地下水。 3 、利用古河道沙地淹灌、耕地休闲期淹灌，以及耕地作物生长期大定额淹灌， 增加渗漏量。 4 、在沙砾层埋藏较浅的地方，利用大口井及廊道，把经过净化处理的水直接 向地下水含水层灌注等。 1 3 3 人工回灌地下水的潜在的优点和缺点 随着供水短缺与日俱增，在许多地区，尤其是干旱与半干旱地区，人工回灌 地下水显示出许多潜在的优点 1 , 1 8 j ： 1 、将过剩的地表水或将天然降水、城市污水经深度处理后，回灌于地下适 宜的含水层中，地下含水层将起到地下水库的作用。在多雨季节和用水低峰期， 将再生水通过渗滤池或注水井回灌于地下，在枯水季节和用水高峰期抽取利用， 地下含水层便成为储蓄水的银行。与地面水库相比，地下水库不占地面，很少有 不良的生态影响，很少或几乎没有蒸散发损失，不影响地表土层和植物，蓄水量 大，成本低，操作简单，容易实施。 2 、利用含水层蓄水与供水，在回灌水渗滤进入土壤并向下渗透到各种地质 构造时发生自净作用。 3 、利用含水层蓄水可以水力阻拦海水入侵，减少或防止地下水位下降，保 持取水构筑物出水能力并能起到控制或防止地面沉降的作用。 在充分考虑到地下水回灌作为水资源管理工具所呈现的诸多优越性的同 时，也暴露出其潜在的不足之处，具体如下： ( 1 ) 建设回灌工程的场地、土壤与植被受扰动，可能会损害周围的生态环 境。 ( 2 ) 回灌水水质必须达到一定的水质标准，否则会降低含水层的质量 ( 3 ) 要有充足的水源供地下水回灌。若水量太少，地下水回灌可能在经济 上是不可行的。 1 4 国内外研究进展 引水补源进行地表水与地下水联合调蓄是水文学、水资源学及水文地质学 联合研究的新领域，国外地表水与地下水调蓄研究开始于二十世纪五十年代，人 工补源在五、六十年代以来应用较为普遍，并取得了良好的经济效益，其研究范 围主要集中于利用地表水进行人工回灌，增加地下水的补给量、稳定地下水位、 控制地面沉降、地下储能等等。 美国的w r m i l l s 【1 9 】从五十年代开始研究了洛杉矶南端的o r a n g e 地下水盆地 地下水人工回灌和废水再利用。该地区自五十年代开始构筑人工回灌工程，到九 十年代初地表浅层回灌面积发展到4 k m 2 。但是自七十年代以后，该河上游增大 了经处理的废水排放，水中富营养成分造成微生物的生长并加快了淤泥的产生， 降低了入渗速率。于是，在研究人工回灌的同时又研究和试验了各种处理淤塞的 方法。 荷兰的t n o l s t h o o m 和m j m o s c h l 2 0 2 在五十多年前在阿姆斯特丹沙丘地区 进行人工回灌试验，根据其研究成果，阿姆斯特丹供水公司自1 9 5 7 年利用人工 回灌工程防止咸水入侵，提供了首都城市6 0 的饮用水。后来，阿姆斯特丹供水 公司又将r h i n e 河水经处理后用于回灌，4 0 个回灌池每隔2 0 年进行一次清洁处 理。 澳大利亚的p e t e rj d i l l o n 2 】 在南澳大利亚b o l i v a r 进行了含水层存储和恢复 中水质的变化。该工程利用暴雨水回灌，经过勘察，选定了灰岩含水层进行回灌。 而且在回灌过程中对地下水水质进行监测，并根据监测资料进行深入地分析，以 d o c 为指标，分析了回灌井和周边地区在回灌和抽水的各个阶段水质的变化规 律。 德国自由大学的qm a s s m a n n 2 2 1 等人在德国o d e r 河边缘围海造田地区进行 地球化学调查，分析了河水入渗的地球化学作用。 德国不属于缺水国家，但出于经济与生态考虑，某些地区( r u h r v a l l e y , r h i n e v a l l e y ) 实旌了人工土也下水回灌，一些地区实施雨水的收集与回灌1 2 斟。柏林地区 地表水一般不作直接饮用，主要以地下水作为供水水源。饮用水的4 0 到6 0 来自h a v e l 河和s p r e e 河的渗滤回灌水，其他部分依靠地下水人工回灌的方式加 以补充【2 4 , 2 5 1 。回灌水在地下( 7 0 ，1 7 0 m ) 停留2 个月后被抽取出来。 科威特将冬季生产过量的淡水用于人工回灌贮存于含水层中，供夏季用。为 了将城市污水用于市区内，在s u l a i b i y a h 场地建造了l m x l m 的渗滤试验池，经 过三级处理后的城市污水通过渗滤池渗滤几个月后，水质适合不受限制的灌溉用 水试验池的水力负荷率为1 5 r r d d ，大约1 7 h m 2 土地面积可满足再生水回灌到含水 层的要求，贮存在含水层中的再生水可供日后使用 2 6 j 。 在发展中国家，纳米比亚的s z e e l i e1 2 7 研究了纳米比亚西部o m a r u m 三角 洲含水层系统中的供水系统。通过勘查证实表层的粘性土层造成自然入渗速率很 低。于是建造了入渗盆地来加强了渗入量。经过1 9 9 7 年和2 0 0 0 年两个雨季，人 工回灌工程入渗了很可观的水量。作者采用数值模型评价了回灌工程的入渗量， 提出了改进回灌工程的方案。 印度地下水研究所主任、国际水文地质学会副主席s d l i m a y e 2 s ，在西印 度半干旱基岩地区建造了含水层入渗的试验田。该地区居住有1 5 0 0 万农民，年 降水量为3 0 0 5 0 0 r n m a ，由于降水不均匀，为控制和利用雨水，采取了各种方法 进行地下水人工回灌，增大基岩含水层的入渗量。包括在抽水井四周开凿数个回 灌井；构筑地下坝减少地下水流出量；在抽水井附近挖蓄水坑塘；从溪流中抽水 灌入井孔；在雨季节流雨水直接排入抽水井；利用坑道和矿井存储雨水并回灌等。 我国人工补给工作开展得比较晚，自上世纪五十年代中期在石油、纺织等工 业部门试行深井人q i l 给，到七十年代初才在北方部分省区进行农田供水人工补 给试验口。 河北省水利科学研究所、水利水电科学研究院滕明柱等【2 9 】在于1 9 7 9 年在河 北获鹿县采用地面入渗的方法进行了浅层地下水回灌的试验研究，对回灌情况下 地下水的均衡做了分析。具体有三种类型，包括坑塘及小水库蓄水入渗、渠系侧 渗补给地下水和灌溉入渗。得出几年来回灌年平均补给模数为l o 3 万m 3 ( k i n 2a ) ， 加上正常补给平均模数2 7 万i n 3 ( k m 2 a ) ，使地下水的总补给模数达到了3 7 1 3 万 m 3 ( k r a 2 a 1 。 田园等在河南温县采用建回灌工程的方法进行了地下水人工补给的试验研 究，该试验建了引蟒上岭回灌工程、猪龙河提水工程、济蟒截排自流引水工程、 引沁自流灌溉回灌工程等。通过计算，每年人工回灌补给地下水2 0 0 0 万m 3 。 姜明武等在山东省桓台县利用天然河道和已有沟渠、坑塘，实行排、蓄、引 相结合的原则，建成了由甲级沟渠和七、八处拦河闸组成的回灌工程体系，年回 灌补给量达到15 6 4 m m 。 近年来，我国在京、1 津、沪、冀、鲁、豫等先后开展了地下水人工补给为主 的调蓄技术研究 3 0 , 3 1 1 ，但均属第四系孔隙水含水层，在北京西郊利用地下水开采 累计亏损形成的蓄水空间，运用人工回灌技术建立了库容8 亿m 3 的大型地下水 库，其费用仅为设计地表水库的十分之一至二十分之，可见通过回灌技术可使 有限的资源产生更大的经济和社会效益。 1 5 本文研究的意义 随着人口的增长和国民经济的快速发展，用水最也在不断增长。同时，由于 地表水的污染，导致了过量地开采地下水来满足人民生活的用水需求。地下水被 长期过量地开采，又得到不到有效的补充，必将导致地面沉降、海水入侵等地质 灾害。 山东省济南市本是一个泉水丰富的地区，著名的四大泉水享誉中外，但是， 由于地下水长期严重超采和近年来降雨量减少，至使趵突泉停喷达9 2 6 天之久， 严重制约了济南的经济发展，影响了社会声誉。 本文结合济南市人工回灌补充地下水的试验，分析了济南泉域各含水层之间 地下水的关系，及地下水运动规律；计算了补源区域的渗透量和渗透能力；计算 了人工回灌补充地下水的效果；分析了人工回灌补源对泉水的影响程度，从而确 定了济南市人工回灌补充地下水的最佳补源地点；根据地表水与地下水的转换规 律，提出了济南市地表水与地下水联合调度的建议，运用模型对泉水的水位进行 了预报，为以后合理地使用水资源提供有力的技术支持。 第二章济南市人工回灌补充地下水的实践 2 1 人工回灌试验区域的概述 人工回灌试验区域界定在济南市泉域补给区域范围内，南以长城岭地表分 水岭为界；北以小青河辉长岩、闪长岩的侵入体出露及隐伏区为界；西马山断裂 为界；东以相对隔水的东坞断裂为界 3 2 ，3 ”，总面积1 6 0 0 1 a n 2 ( 见图2 1 ) 。 图2 1 回灌实验区概况图 根据济南市地质勘测局的勘测报告【3 4 1 和大量观测资料证实，玉符河上游地 段，河床内以砂、卵砾石为主，并与下伏灰岩直接接触，下伏灰岩在催马上游为 张夏组灰岩，以下为风山组至奥陶系灰岩，其岩溶均很发育，砂、卵砾石中的孔 隙水可补给灰岩地下水( 见图2 2 ) ，所以选取这一段为回灌补水的渗漏段。分别 在宅科、土屋、西渴马、催马设4 个测流断面，测站断面设置处河道较为平整， 河床较直，无影响水流的建筑物。在每一个测流断面处沿河床修两道拦河堤，堤 长3 0 米，高1 5 2 o 米，前三个断面水流较大设计宽为1 0 米，后一个断面由于 水流量的减小设计宽为5 米。 图2 2 玉符河剖面示意图 选取卧虎山水库作为回灌试验的水源，卧虎山水库是济南市唯一的大型水 库，总库容1 1 6 亿m 3 ，水库兴利库容6 2 0 0 万m 3 ，相应的兴利水位为1 3 0 5 m 。 卧虎山水库水质在回灌期间较好，总磷、总氮、生化需氧量、化学需氧量、油类、 氨氮、大肠睾 菌、硫酸磷、硝酸盐、亚硝酸盐、p h 值均达到地面m 类水标准， 满足人工回灌补给地下水的水质要求。所以，回灌不会引起地下水水质的不良变 化( 见附表) 。 在试验区域内共布设4 1 眼观测井，其中岩溶水井3 2 眼，包括奥陶系含水 层水井2 7 眼，张夏组含水层水井5 眼，奥陶系水井中有1 2 眼自动观测井，井的 具体位置见表2 1 ，( 附图1 ) 。 表2 ，1 济南市人工回灌补源试验观测井基本资料一览表 序号站点名称监测井位置井附近地面高程( f f l )井深( m ) 1 趵突泉趵突泉公园北门南 2 86 6 21 0 5 2 黑虎泉解放阁西向8 0 m 处 3 2 2 9 01 0 1 3山大路山大路3 9 # f 7 南角3 3 0 1 22 5 2 4 机床一厂厂东门西北向泵房内4 1 5 4 51 7 2 5宋庄峨眉山水厂西南3 75 4 01 0 2 6 担山屯高速公路管理处院内 3 3 9 1 01 2 7 7 仁里仁里村西侧铁路旁4 1 7 0 02 1 0 8 腊山河市精神病医院东 3 16 7 0 2 6 0 9 腊山水厂西郊腊山水厂院内3 7 9 5 62 0 0 l o 杨家屯东郊杨家屯村村南2 9 5 8 88 5 1 1 冶金宾馆文化路冶金宾馆院内 7 6 4 1 3 1 8 0 1 2 山东科技千佛山医院南邻8 9 5 6 94 8 0 1 3 八里洼张安新村南向1 0 2 3 1 1 4小庄 小庄村南1 0 0 米 5 8 9 1 9 7 1 5 潘村潘村北5 0 米5 4 0 9 91 4 0 1 6小李庄村北2 0 米3 3 9 5 0 2 5 0 1 7 建材学院学校南向5 4 2 4 02 6 0 1 8 东渴马东渴马村中8 5 9 0 52 4 0 1 9 西渴马西渴马村北1 0 米8 9 2 9 12 1 0 2 0 催马催马村公路东侧8 0 8 12 8 0 2 1 大庙屯大庙屯村北5 0 0 米4 7 3 0 1 8 0 2 2 小白庄 小白庄村北3 0 0 米9 3 9 81 1 8 2 3 党家庄党东村村南1 5 米6 4 4 7 2 1 6 5 2 4 罗而庄 罗而庄村北2 0 0 米6 2 9 8 52 0 7 2 5 殷家林殷林村北3 0 0 米5 6 1 21 0 5 2 6 文庄文庄东南仓库院内8 1 9 5 2 2 0 2 7 蛮子庄 蛮子庄村北向1 2 5 4 9 92 1 7 2 8植物园 植物园南侧6 2 0 2 21 7 0 2 9 炒米店炒米店村北向8 1 3 0 9 2 9 0 3 0 杜家庙杜庙村南向4 6 1 0 6 1 1 6 3 1 南康南康村北2 0 米1 4 4 3 2 3 0 0 3 2 7 4 2 3 厂工厂南侧 2 5 0 3 3 九曲庄 九曲庄村东南向 3 8 0 3 4 潘村潘村村北3 0 米5 3 9 8 5 3 4 5 3 5 小李庄小李庄村北1 0 米 3 3 0 1 42 1 3 6 东渴马 东渴马村东向8 3 1 8 3 1 1 3 7 催马 催马村中7 5 9 4 1 3 6 3 8宋庄 来庄村西北5 0 0 米 3 1 9 7 82 7 3 9 仁里仁里火车站内 3 9 9 3 3 3 3 4 0 赵营 赵营村东北角4 8 8 2 3 2 16 4 1 罗而庄 罗而庄村6 3 0 0 7 2 9 2 2 试验的背景情况 2 2 1 自然地理情况 济南市位于山东省中部，地理坐标为东经1 1 6 。1 l 一1 1 7 。4 4 ，北纬 3 6 。0 1 一一3 7 。3 2 ，面积8 1 5 4 k m 2 。 济南泉域地处鲁中山地与山前倾斜平原的交接带，地形南高北低，南部为绵 延起伏的山区，山势陡峻，深沟峡谷剥蚀强烈，绝对标高在5 0 0 - - 7 0 0 m ，中部为 低山丘陵区，地形坡度变缓，沟谷宽阔，冲沟发育，标高在2 5 0 - - 5 0 0 m ，北部为 山前倾斜平原，绝对标高在2 0 - - 5 0 m 。 2 2 2 水文气象条件 ? 。 薹。 i j 童i 。； p 冀 图2 3 济南市地理位置示意图 济南市属暖温带半湿润季风气候，春季干早多西南风，夏季炎热多雨，秋季 气爽宜人，冬季寒冷多东北风。降雨有明显的季节性，汛期6 9 月份占全年降 雨量的7 0 ；降雨在空间分布不均，全市多年平均降雨量6 4 6 5 5 m m ，自东南向 西北递减。全市历年平均气温1 4 2 c ，7 月份最高平均气温2 7 4 c ，1 月份最低 平均气温1 4 ，南部气温高，北部气温低。域内多年平均蒸发量为1 9 2 6 o m m ， 蒸发值大于降水值，相对差值呈现由东南向西北的递增趋势，干旱指数为2 左右， 无霜期为1 9 2 - - 2 3 8 d 。 2 2 3 水资源特征 济南市是我国北方水资源比较匮乏的城市之一，属资源型缺水。全市多年 平均水资源总量1 9 5 9 亿m 3 ( 地表水7 4 7 亿m 3 ，地下水1 2 1 2 亿i t j 3 ) ，j l 占- 有水资源量3 5 1 m 3 ，仅为全国人均占有水资源量的1 6 ( 见表2 2 ) 。 表2 2 济南市水资源总量计算成果表单位：万m 3 2 2 4 地质构造特征 济南泉域内地层以古生界地层为主体，太古界泰山群混合岩、片麻岩广泛分 布于南部，古生界寒武系地层从南向北由老到新出露齐全，奥陶系地层分布于研 究区中部，并逐渐往北隐伏于第四系之下，第四系自下更新到全新统在剖面上均 有出露【3 5 】。泉域内地质构造及各时代的地层岩性特征及分布见附图2 。 济南泉域的地质构造为一以古生界地层为主的北倾单斜构造，单倾构造的 北部处于鲁西隆起和鲁西北断陷的过渡带，受新华夏及晚期东西向构造的影响， 有广泛的岩浆活动。古生界地层受北北西向构造的影响和新华夏系的影响，断裂 发育，自东向西发育多条横穿全区的大断裂，北北西向的断列有：东坞断裂、千 佛山断裂、石马断裂、平安店断裂、马山断裂南北向有炒米店断裂，北东向有港 沟断裂( 见图2 4 ) 。这些断裂在地质力学上先期表现为张性特征，后期表现为压 性特征，这种以早期东西向构造为基础，后期受多次构造作用，南北有一定的差 异。北北西向断裂发育，自东向西将济南泉域单斜构造分割成若干断块，对泉域 含水层的分布规律，地下水运动特征等起到一定的控制作用。东坞断裂和马山断 裂构成了泉域的东西边界。 2 2 5 水文地质条件 图2 4济南泉域地质构造纲要图 济南泉域是一个相对独立、完整的以岩溶地下水为主的系统【3 t 3 7 1 。按储存 空间、含水介质特征等其含水岩组可划分为第四系孑l 隙水含水岩组、裂隙岩溶水 含水岩组、岩溶裂隙水含水岩组和裂隙水含水岩组。 在济南泉域各含水岩组中，与泉水关系密切且具有供水意义的含水岩组是 第四系孔隙水含水岩组和裂隙岩溶水含水岩组，特别是后者与泉水的关系最为密 切，并具有集中供7 k , 唇s l ，是济南泉域最主要和最重要的含水岩组。其他几类含 水组与济南泉水的关系是间接的，同时也不具备集中供水意义。所以本论文只重 点论述第四系孔隙水含水岩组和裂隙岩溶水含水岩组。 l 、第四系孔隙水含水岩组 第四系孔隙水含水岩组包括北沙河、玉符河冲洪积扇孔隙水( 承压水) 和 山前坡洪积孔隙潜水含水层，后者厚度一般小于2 0 m ，富水性较差，单井出水量 小于1 0 0 m 3 d ，大气降水入渗补给是其主要补给来源。它与岩溶地下水无水力联 系，无集中供水意义。 北沙河、玉符河冲洪积扇孔隙潜水一承压水含水层，该含水层位于北沙河、 玉符河冲洪积扇构成的山前倾斜平原地带，面积约1 3 0 k m 2 ，地形自南向北微倾。 其含水层埋藏深度2 0 7 0 m ，水位埋深4 - 7 m ，浅部为潜水、深部为承压水，含水 层厚度1o - 3 0 m ，富水性较强，单井出水量1 0 0 0 15 0 0 m 3 d ，水质良好，矿化度小 于1 o g l ，水位年度变辐较大，一般5 1 0 r e ，单井出水量一般小于5 0 0 m 3 d 。该 含水层主要补给方式包括大气降水入渗补给，河流入渗补给和岩溶地下水补给， 能够集中供水。 2 、裂隙岩溶水含水岩组 ( 1 ) 寒武系张夏组裂隙岩溶水 主要分布在南部山区，含水层顶底板分别为具有相对起隔水作用的崮山组页 岩和徐庄组页岩，灰岩顶部及底部岩溶发育。在有利地形、构造和补给条件下， 富水性增强，单井出水量大于1 0 0 0 m 3 d 。 大气降水入渗补给、河流渗漏补给是其主要补给来源，在锦绣川的谣营至九 曲河段、玉符河的东渴马到催马河段、北沙河的崮山至前大彦河段，大量接受河 水的渗漏补给。该裂隙岩溶水通过断裂与上覆裂隙岩溶水发生水力联系，是裂隙 岩溶水的重要补给来源之一。 ( 2 ) 寒武系风山组一奥陶系裂隙岩溶水 主要分布在南部低丘陵区和北部山前隐伏区，总厚度1 0 0 0 m 。受断裂作用和 火成岩体侵入影响，各层接触关系发生变化，在港沟、炒米店和石马断裂的南部 地段，奥陶系含水层与张夏灰岩含水层直接接触。东坞、千佛山、炒米店、马山 等断裂，将泉域分割成东坞断裂一千佛山断裂、千佛山断裂一炒米店断裂和炒米 店断裂一马山断裂三大断块：。寒武系凤山组到奥陶系含水层岩性为厚层灰岩、 白云质灰岩、泥质灰岩等，岩溶裂隙发育，且彼此连通，导水性强，有利于地下 水的补给、径流、富集，是具有统一水面的含水体。 寒武系张夏组灰岩接受河水渗漏补给后，通过地质构造补给风山组至奥陶系 灰岩含水层。 沿东渴马一催马一炒米店方向：受地形、地层产状、地质构造作用，河床 段接受补给后，地下水沿地层倾向径流，受炒米店断裂影响，一部分穿过断裂向 深部运动，另一部分水在较高水头压力作用下通过断裂向上进入凤山组含水层 ( 见图2 5 ) 。 沿玉符河纵剖面方向，即西渴马催马一罗而庄一潘村方向，催马以上河段 张夏灰岩得到补给，通过断裂毒h 给上部凤山至奥陶系含水层，催马以下地段，河 床渗漏直接补给凤山组至奥陶系含水层( 见图2 6 ) 。 沿催马一党家庄一文庄方向：张夏组灰岩接受河水补给后，受断裂带影响， 可补给风山组至奥陶系含水层，沿该方向向前，就形成了对趵突泉等泉水的补给 ( 见图2 7 ) 。 固粕憾旧幂唧嘘长i唧迥i懊*交 气n 函 甭lllii】 长霹旅椽懈lilifi|lill业 k h h 个1 l 。8f个、j 。器干l 匝恂惜旧罹暴庭津州 u n 匝 圈帕惰旧幂趟议世搽糕l唧础l霹靶州n函 从以上三个主要方向分析论证，玉符河上游地段的渗漏会对泉水及济南泉 域西部地下水形成补给。对泉水的补给程度及水位上升高度，取决于补给量的大 小和时问等因素。 2 3 试验过程 l 、放水时间与放水量 第一次试验放水时间是2 0 0 1 年汛期8 月1 8 日至8 月3 0 日，共1 3 天，充分 结合卧虎山水库防汛腾空库容，放水量8 0 0 万r f l 3 ；第二次试验2 0 0 2 年3 月1 2 日开始放水，至3 月2 7 日结束，共1 6 天，放水量9 0 0 万1 t 1 3 。 2 、观测时间及要求 ( 1 1 测流 第一次试验各断面自有水开始进行测流，、狈4 流共进行1 3 天。前3 天( 8 月 1 8 日8 月2 0 日) 每小时测流一次，后1 0 天( 8 月2 1 日- 8 月3 0 日) 每2 小时 测流一次。第二次试验只对水库出水口进行测流。 ( 2 ) 地下水位观测 地下水位观测在放水前5 天开始，延续至停水后6 天结束。第一次试验进行 了2 4 天，第二次试验进行了2 7 天。前3 天每8 小时观测一次( 8 ：0 0 1 6 ：0 02 4 ： o o ) ，以后第1 小时观测一次( 整点观测) 。 2 4 试验结果 2 4 1 河道渗漏量 第一次试验：河水在流经4 个断面渗漏后，流量减小，最后在潘村处全部 渗漏于地下。第一次试验各测流断面流量过程线见图2 8 。 河流的渗漏量由上、下游测流断面间的过水总量之差而得到【3 0 】，( 蒸发量 很小，5 2 m m d ，所以此处不考虑) 。经计算，各段间的渗漏水量分别为9 3 8 1 、 1 8 1 0 2 、1 8 4 0 7 、3 4 1 1 万m 3 ( 见表2 3 ) 。 第二次试验：于2 0 0 2 年3 月1 2 日开始放水至3 月2 7 日放水结束，放水1 5 天，总放水量9 0 0 万m 3 ，至潘村处全部渗漏于地下。 口l 日8 曰o 日8 目6 z 日8 曰6 9 日8 臼8 z 日8 目0 h 8 日托日8 目9 z 皆8 且9 0 皆8 臼9 z 日8 厘 目t zr j 8 自 目 0 皆8 目0 r a 8 耳z z 日8 目弓g 皆8 甘i g 日8 目i z 皆8