（环境工程专业论文）济南市保泉供水研究.pdf

声明 y 6 1 6 6 49 本人郑重声明我所呈交的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，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：赵砖之 日期：2 。禾2 皇 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) ：赵曾丧名：锈钮吼州- f 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景 地球因为有水而美丽，生命从而诞生、繁衍、发展，直至人类出现。人类的祖先在历史 漫长的岁月里，曾经过着“逐水草而居”的生活，他们为了保障生存、繁衍与发扬文化，无 论在任何地方，都得千方百计地寻找出活命水来。这些地方通过人们的劳动、创造，逐步形 成了城市。所以说，水是城市形成与发展不可替代的要素之一。山东首府济南曾因遍布市区 的泉水而被称为“泉城”，这些泉水为济南的经济发展和人民生活安定发挥了重要的作用， 济南城的人们为此而骄傲“1 。元代于钦以地理学家的眼光，曾评价道：“济南山水甲齐鲁， 泉甲天下”。济南向以“泉城”著称于世，境内泉水众多，素有“家家泉水，户户垂杨”的 美誉。至于涌泉的具体数字因统计的范围不同，调查的详略不一，加之泉水本身时有变化 因此，古今说法歧异。金代有人立了名泉碑，列举了济南境内的七十二名泉。此后，济 南七十二泉之说不径而走。其实，在古代“七十二”是个泛指数，济南涌泉远远不止七十二 处。其中仅正式命名的泉水就有一百四、五十处；如再加上无名泉在内，那数目就更多了”。 然而。济南七十二名泉之说，流传甚久。传播甚远，几乎家喻户晓。 水是生命之源，是社会生产力的原动力之一伽，水作为农业之命脉，工业之血液，也是 制约人类社会发展的重要因素 4 1 。随着济南市社会经济的发展，城市化水平的提高和城市人 口的不断增加，对水资源的需求与日俱增，城市水资源供、需矛盾日益尖锐。济南泉水之源 岩溶地下水被超量开采，于是，在许多年份，趵突泉不涌了，黑虎泉不喷了，珍珠泉不 冒了。五龙潭不流了。 人类大规模的经济和社会活动对环境和生态的变化产生了极为深远的影响，而环境、生 态的变异又反过来引起自然界水资源的变化，部分或全部地改变原来水资源的变化规律。人 们通过对水资源变化规律的研究，寻找这种变化规律与社会发展和经济建设之间的内在关 系以便有效地利用水资源，使环境质量向着有利于人类当今和氏远利益的方向发展。与此 同时，节水、污水再生回用、水体污染控制与修复的现代理论与技术的研究取得了显著进展 i 劓。人类社会对水的需求愈来愈迫切，水与人类、水与社会、水与经济、水与政治、水与环 境、水与文化、水与旅游等问题已形成和发展为水事科学这一独立科学研究体系o 人类对 水与经济规律方面的研究一直是水事科学研究的重点，有识之士已把水的永续供给( 利用) 研究作为二十一世纪的头等大事1 。 达芬奇有一句名言：“水是自然的驾御者”。然而。并不是所有的人都把水的作用估 计得那么高，还有许多人对水的问题太缺乏忧患意识了。地球上可利用的淡水是有限的， 进入2 0 世纪7 0 年代以来，随着黄河流域人口的增加和工农业生产的发展，不仅干百年来滔 滔坷i 尽的黄河水“j 现断流的局面，而且，断流时间越来越长：1 9 9 4 年断流7 5 天，1 9 9 5 年断 流1 2 2 灭，1 9 9 6 年断流超过1 5 0 天，1 9 9 7 年断流超过2 6 6 天。断流河段造成的用水矛盾和经 西安建筑科技大学硕j 二学位论文 济损失也越来越大，1 9 9 , 5 年断流河段长达7 4 2 k m 。黄河断流造成的用水矛盾和经济损失也越 来越大；1 9 9 5 年断流造成胜利油田减产3 0 亿元，山东省辖市等3 3 3 3 万公顷灌区无水可引， 德州、滨州、东营三市限量供水，济南市引黄水厂停产3 个月。 政治家说；未来战争将会由争夺水资源引发；哲学家说：一切预测黼不确定性，惟独 未来必定缺水这一预测确定无疑；经济学家说；能源危机后，下一轮将是水源危机；而科学 家说：淡水是不可取代的，水危机更是科学界所忧虑的。有人戏言：i 羚世界所面临的水荒， 要是发生在春秋战园时期，早引发诸侯大战了。由此看来，合理开发利用地下水资源与保护 泉城自然环境，对地下水资源进行科学、高效的管理，是解决这一问题的关键。保泉供水， 恢复济南泉水特色，成为社会各界广泛关注的焦点、热点、难点。生活中的热点，往往也是 理论上的难点，或者是理论上解决了，但在实践中还没有解决。无论在理论上，还是在实践 上，探索都是非常有意义的。解决济南市水资源利用的可持续性问题早已迫在眉睫，“要未 雨绸缪、不要临渴掘井”，切实可行地做好保泉供水工作。 1 2 研究概况 l _ 21 国内外对水资源的研究概况 国外通常认为j | j 水量和用水效率是衡量一个国家或地区经济发展、社会文明程度的一个 重要尺度，经济越发达，文明程度越高，用水效率和用水量也越大嘲n 们“” 纵观人类开发利用水资源的过程，可以简单分为粗放型利用阶段，转轨阶段和永续利用 阶段。直至本粒7 0 年代以前，人类对水瓷源的利用不注重经济效益，社会效益和生态效益， 很大程度上是粗放开发利用。随着生产力水平的提高，愈加暴露出了这种开发模式与社会经 济、生态的不协调性，如河道断流，地_ f 水漏斗加深，土壤沙化、水体污染、地区问或部门 问水资源分配不均，水资源利用率下降等。首先区域性出现水荒，水质严重恶化，这一时期 可称为转轨期。水的宝贵和稀缺造成的种种损失，使人类重新审视自己的行为方式，这也是 人类利j j 水资源由粗放型向水续型转化的转折点，从观念上人类终于摒弃了传统模式，开始 认识到水，f = = 怍“取之不尽，用之不竭”，从而开始了水资源永续利用的新纪元。人们越来越 清楚地认谚 到：认识水、重视水，维护水资源和环境与增加国家实力和个人财富同样重要。 嗣际l ：隔绕这一问题也展开了深层次的探讨。1 9 9 2 年在巴西召开的联合国环境与发展大会通 过的 2 1 世纪议程不仪标志着持续发展现已成为国际社会的共识，而且把可持续道路作为 全球的基本发展战略和行动指南。 从当前水资源的可持续利用研究前沿看，个突出的特点是新的水资源可持续利用与管 理准则正在建立。现行的水资源利用与管理准则主要考虑( 1 ) 经济效益：( 2 ) 技术效率；( 3 ) 实施可靠性。尽管这些原则仍然是水资源利用与管理中最基本的原则，但是，从 2 1 世纪议 程要求的社会可持续发展与环境保护新的高度看，要求规划和决策者建讧新的思想。我国 地域复杂，水资源的问题较多，专i 1 # i 对水资源可持续利用、社会经济可持续发展的量化方 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 法和决策技术研究，还处在起步阶段。我国水资源系统的科学管理水平和效率还有待提高， 尤其利用现代新技术、新理论，如遥感信息、地理信息、社会经济信息和水文信息，建立以 流域水资源可持续利用开发可管理为目标包括风险分析的水资源管理决策支持系统，还需要 大力发展。 1 2 2 济南市研究概况 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n 2 。”、泉域地下水年 龄“”、泉域系统碳循环i ”i 、地下径流场模拟“等不同角度对之进行了研究。多年来先后提交 过符种不同比例尺的水、工、环地质勘察报告、监测报告、相关图件等综合研究成果。主要 成果如下：( 1 ) 1 9 5 8 年开始开展了济南地区地下水动态观测工作，山东省地质局八0 一队及 山东省地质环境监测总站先后提交了1 9 5 8 1 9 6 0 年、1 9 6 0 1 9 6 2 年、1 9 7 2 1 9 7 7 年地下水 动态与地质环境监测报告。( 2 ) 1 9 6 2 年山东省地质局水文地质观测总站提交了“济南地区地 f 水动态观测总结报告”。( 3 ) 1 9 8 1 1 9 8 4 年完成1 ：5 万水文地质测绘：i ：作，工作范丽至泉 域东、西边界。( 4 ) 1 9 8 4 1 9 8 8 年完成1 ：5 万济南泉域供水水文地质勘探工作，并提交勘探 报告。( 5 ) 1 9 8 6 年i h 东省地质环境监测总站进行了“济南明水单斜水文地质区石灰岩岩溶地 下水均衡试验研究”工作，并提交了相应的报告。( 6 ) 1 9 8 6 年山东省地矿局八0 一水文地质 ：啊戥电质队进行了“山东省济南市长清孝里铺地区供水水文地质勘探”工作。并提交了相 应的报告。( 7 ) 1 9 9 0 年建立济南泉域水资源管理模型，并提交了报告，为研究张夏组与奥陶 纪岩溶水之间水力联系，进行了大型示踪试验，于1 9 9 2 年提交了济南泉域岩溶水系统水 力联系研究报告。( 8 ) 1 9 9 1 年山东省地质环境监测总站进行了“i i i 东省济南m 地。f 水资源开 发利用现状调查和保证程度论证”工作，并提交了报告。( 9 ) 1 9 7 7 1 9 8 2 年、1 9 8 3 1 9 9 0 年、 1 9 9 1 1 9 9 5 年、1 9 9 6 2 0 0 0 年山东省地质环境监测总站分别提交了四期山东省济南地区 地质环境监测阶段报告。 由1 ：岩溶发育的复杂性，直到现在还有许多问题未得到解决比如对济南市泉域的范围和 边界的确定就长期存在争论“”。上世纪八一1 年代初，济南市已实施进采外补内”的应急措施。 供水部i j 关停_ ：r 泉水周边的普利门、饮虎池、泉城路三个水厂，只保留了解放桥一个水厂， 同时东郊和西郊水厂开始启用，城区地下水开采量由每天的3 0 多万立方米减至1 2 万立方米。 但事与愿违，从1 9 8 2 年到1 9 8 5 年，济南市降水量与常年基本持平，趵突泉照例是每年春季 断流，当时提 的“三年恢复泉水常涌”的目标落空。关键的一点，济南泉域的内、外界至今 还有争议，也就足说，泉域边界没搞清楚，到底停哪个范围的井有效，还有待于论证。从1 9 8 1 年至今济南保泉曲曲折折走了2 0 多年。从节水保泉、采外补内、引黄保泉、回灌补源， 每颂人的保泉工程背后，专家的争沦伴随始终。保泉2 0 多年，专家们争论了2 0 多年。这 种无休止的争论在很大程度j 二影响甚至左右了政府的决策过程。2 0 0 2 年济南l i i 人大为专家们 的争论做了次“小结”。济南市人大向1 5 名省内外专家提出。j - 6 个问题，请他们作答。这六 3 西安建筑科技大学硕士学位论文 个问题h 旷济南泉水成因及补给范围”、“南部山区地表水与市区地下水的关系”、“玉符河干流 与济南泉水的关系、“济南泉水与东西地下水的关紧、“如何解决泉水常年喷涌”、“济南水 源地补给量是多少，如遇大旱3 5 年能否保i i e 供水，口1 5 名专家就以上6 个问题全部回函答 复。从这次调查情况看，专家们由于专业所依据的勘察资料及计算方法的不同，对6 个问题 的看法不完全一致，对有的问题争论较大，争论的焦点主要是泉水补给区的范围、玉符河干 流与i 仃区泉水的关系、东西部地下水与市区泉水的关系，等问题。这些问题直到目前还在争 论。尽管在具体的理沦问题上专家意见相左，但在如何解决泉水常年喷涌问题l ，7 0 的专 家意见与上世纪8 0 年代济南保泉之初的思路惊人致。他们都认为保泉是一项系统工程， 应采取开源、节流、补源、涵养水源等综合措施。 1 3 主要研究内容与研究目标 本课题的主要通过总结大量基础资料以及水文地质调查、示踪试验、抽水试验弄清 泉域的范围，在分析济南市四大泉群喷涌历史演变的基础上，利用统计资料，建立泉群年平 均喷涌量与年最低地- f 水位之问的定量方程，得山四大泉群喷涌的底限水位与最低景观流量 f 内对应关系，然后，计算保证泉涌的地下水最大允许开采量的控制性参数。最后，提出保泉 钐水的措施并进行相关的研究。 2 泉域自然地理 2 1 地形与地势 济南市是一座历史古城，城区处于泰山山地与鲁西北冲积平原交接的山前倾斜平原上， 黄河在城北流过。受地形条件的影响和制约，城区呈东北一西南伸展。南部的低山陵为泰山 余脉，地形崎岖，主要由石灰岩组成。从低山丘陵往北是由南向北倾斜的i 【l 前倾斜平原，由 于切割侵蚀，在倾斜甲原的上部山麓地带形成了很多冲沟，如窑头大沟、羊头峪沟、广场东 沟、广场西沟等沟深4 6 f i l ，最深可达l o m ；宽2 0 4 0 m ，最宽可达8 0 m 。在济南北部为黄 河小清河l t 积平原，标高小r3 0 m ，是济南市较低沣的地带，由于燕山期岩浆侵入岩局部突 “j 地面形成了别其特色的由辉长岩、闪长岩所组成的星点形残丘地貌景观，标高一般在7 5 1 5 0 m ，如华山、鹊山、匡山等。总的看，济南市市区地势为东南部最高，西部次之，北部和 东北部低下，海拔由市区南部的5 0 m 降至小清河一带的2 1 m 左右。受地形地貌条件的影响， 济南夏的地表水、地下水均向市区北部汇集。 2 2 地貌类型 根据济南地区地貌特征，分为低i l j 丘陵、冲洪秘平原、冲积平原、蚀余孤山四种地貌类 型。 ( - - ) t t i j 丘陵 分布在济南市区以南，以海拔1 0 0 2 0 0 m 的低丘陵占面积最广。其次是海拔2 0 0 3 0 0 m 的t 1 1 丘陵，海拔4 0 0 m 以上的高丘陵占面积很少。淡地貌区侵蚀切割强烈，切割深度在5 0 m 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 左右，随着高度的增加而地面愈加崎岖。 ( 二) 冲洪积平原 呈带状分布于低山丘陵前缘，以南部山地山麓线为界向北至小清河一带，地势为南东高 北西低，坡度铰和缓，向北渐减。岩性为粘土、粉质粘土，冲沟发育，般深3 5 m ，宽2 0 5 0 m ，地形变化大。 ( 三) 冲积平原 小清河以北为冲积平原，面积较大，坡度最小，地面平坦，地形单一，海拔一般小于3 0 m ， 最低处只有2 1m 左右，地面组成物质主要是由河流冲积而来的泥沙，淤泥。 ( 四) 蚀余孤山 蚀余孤山零星分布在北部冲洪积平原、冲积平原上，由辉长岩组成，标高5 0 3 0 0 m 。 风化录0 蚀使山顶呈浑圆状，低洼处为第四系沉积物覆盖，这些孤山高度虽小，而坡度多陡峻， 古有“齐烟九点”之称。 2 3 水文 ( 一) 河淑见图2 1 ) 图2 ，l 济南市地表水系图 ( 1 ) 黄河：黄河自粱山县斑鸠店流入平阴境内，东北向流经长清、历城、济阳、章丘诸 5 西安建筑科技大学硕士学位论文 县区，主要支流有浪溪河、玉带河、玉符河等。区内长度5 8 k i n ，为地上悬河，黄河水因含有 大量泥砂，水色浑黄，但无嗅无味，p h 值为8 左右，属于淡水，为重碳酸钠型水，处理后适 于灌溉和饮j h ，由于气象和人为因素的影响，黄河在济南河段目前已成为季节性河。研究表 明黄河水与泉域岩溶水没有水力直接联系，与沿黄第四系关系密切，河水补给沿岸第四系孔 隙水。 ( 2 ) 玉符河：玉符河为黄河的支流，发源于南部泰山北麓的长城岭，全长8 0 k i n 左右，上 游由锦绣川、锦阳川、锦银川三条支流，在卧虎山水库汇合为玉符河主流，主河道呈蛇曲状 由东南流向西北延伸，主要浙经宅而头、西渴马、崔马、周王庄。最后在槐荫区吴家堡镇北 店予流入黄河。由于砾石、粗砂覆盖，河道渗漏严重，在崔马附近强烈渗漏，多年平均渗漏 量7 3 x 1 0 1 寸d ，是岩溶水的重要补给源之一。玉符河多年平均径流量0 8 2 7 亿m 3 ，年最大径 流量3 7 5 9 亿甜。 ( 3 ) 小清河：小清河位于黄河之南，发源于济南西郊的睦里村，向东北方向径流，向东 流经历城、章丘等区、县，主要支流有东泺河、西泺河、兴济河等，至寿光县羊角沟人莱州 湾，t - 1 8 9 1 年人工开凿，全长2 3 2 k m ，济南段长6 0 k m ，小清海水源有上游玉符河汇集山区 大气i 铎水和低洼地带排泄的地下水、黄河的渗水、济南泉的泉水，小清河水质优良，是名符 其实的“清河”。自七十年代以来，随着济南人e l 的增加、工业的发展、生活污水和工业废 水日益增加，污水排人远远超过小清河的自净能力，致使小清河严重污染，清水生物绝迹， d , f i i 河已成为济南一条总排污河。 ( - - ) 水库 南部山区有卧虎山水库、锦锈川水库。它们对于济南市的供水、灌溉，补充岩溶水也有 着重要意义。 ( i ) 卧虎山水库 卧虎山水库位于玉符河上游三川会合处。历城南部山区，锦绣川、锦阳川、锦云川三条 大j l l 经仲宫镇并渡口村汇入卧虎山、黄花山狭长地带。1 9 5 8 年于臣 虎山、黄花山之闻。筑起 一条长9 8 5 米，高3 7 米的大坝，拦截玉符河水，落成卧虎山水库。距济南市区2 5k m 。水库 北为卧虎山，形似猛虎雄踞，翘首东望。水库控制流域面积5 5 4 晡。总库容1 1 6 亿m 3 ，原 设计兴利水位1 3 0 5m ，相应库容5 4 8 3 万甜。由于库区上游移民问题未解决。现状兴利水位 1 2 6m 兴利库容3 6 9 8 万矗，是一座以防洪、城市供水、农田灌溉为主要功能的综合型大型 水库。 ( 2 ) 锦锈川水库 锦绣川水库位_ _ j ：卧虎山水库上游，属于玉符河水系，水库流域面积11 6 k i n 2 ，总库容4 0 6 9 万寸，兴利库容3 0 0 0 万霜。 ( 3 ) 鹊山水库和玉清水库 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 鹊山水库占地面积7 3 2 5 8 公顷，建于黄河北岸，总库容4 6 0 0 万立方米，死库容6 7 0 万立 方米，水库围坝长1 2 公里，坝高l o 米；玉清水库总库容4 8 5 0 万立方米，蓄水面积4 9 平方 公里，2 0 0 0 年1 2 月2 9 日正式建成通水。玉清水厂占地面积1 4 公顷，设计日供水能力4 0 万 立方米，水厂采用当今世界比较先进的水处理工艺，是济南市最先进的大型净水厂。玉清水 厂与已建成的鹊山水库向市区日供水8 0 万立方米，在黄河断流的情况下，可向市区持续供 水1 0 0 余天。引黄供水工程的建成，调整了济南的供水格局，供水水源中地下水与地表水的 e e 例由以前的7 比3 逐步调撼为4 比6 ，不仅保障了城市供水，而且为节水保泉、恢复泉涌 奠定了基础。 ( 三) 湖泊 济南市的湖泊主要有大明湖、美里湖、洋涓湖、鹊山湖、华山湖、东湖等，其中，美里 湖、洋涓湖、鹊山湖、华山湖等，随着人类活动已淤改成农田，现仅存零星水面。大明湖是 济南三大名胜之一，是泉城重要风景名胜和开放窗口。“四面荷花三面柳，一城山色半城湖”， 大明湖是天然湖泊，地势低洼，大明湖湖底标在2 0 0 2 2 3 5 3 m 之间。湖底由不透水的火 成岩构成由众多的泉水径流汇集成湖，有“众泉汇流 之说。“恒雨不涨，久旱不涸”是 其一大特点，并具“蛇不见，蛙不鸣”的自然生态之谜。 大明湖，应该像镜子一样的清澈明净。由于群泉停喷，大明湖缺乏活水补充，水质恶化， 不断注入大明湖的生活污水中氨磷的含量极高，它们在湖中不断积累，致使浮游藻类过度繁 殖大量消耗水中的氧，造成原来水中的生态链被打破，使湖水逐渐变的浓绿浑浊。- - n 盛 夏持续酶高温天气，湖水就变缛浓绿，取绿油漆一样，不但冒泡，而且散发异味，沿湖岸的 水域，尤其如此。 2 4 气蒙 济南泉域地处中纬度内陆地带，属暖温带大陆性季风气候春季干燥少雨，夏季炎热多 雨，历年3 卜均气温1 4 2 ，最高气温达4 2 7 。c ( 1 9 4 2 年7 月6 日) ，最低气温达一1 9 ，7 0 9 5 3 年【月1 7 日) 。 根据1 9 5 2 2 0 0 2 年济南泉域内降水资料，年平均降水量为6 2 6 m m ，其典型年降水量分配 见表( 2 1 ) 。 ( 一) 降水特征 ( 1 ) 时间特征：济南泉域内降水量在年的分配很不均匀，在6 9 月大量集中降水，平 均为5 0 0 。o 4 m m ，占全年降水量的7 7 3 4 ，其中7 月份最大，为2 0 0 0 7 m m ，占全年降水量 的3 l 1 2 月至翌年3 月降水量较小，各月一般均小于1 2 m m ，其中1 月份最小为5 5 3 m m ， 占全年降水量的0 9 0 5 。 ( 2 ) 空问特征：本区降水量在空间上分配也有差异，南部山区多年平均降水量大于北部 平原。 7 妇安建筑科技大学硕士学位论文 ( 二) 蒸发特征 本区的水断蒸发量是各种气象要素综合反映，主要受控于气象、气压、降水、日照等。 7 、8 月份蒸发量最大，i 月份最小，多年平均蒸发量为2 4 2 8 8 0 m m 。 表2 1 济南泉域岩溶水系统典型年降水量分配表 多年特丰年丰水年平水年枯水年特枯年 月比例 平均 p = 5 p = 2 5 p = 5 0 p = 7 5 p - - 9 5 l0 9 0 55 8 5 32 t 2 5 09 2 5 02 3 0 00 3 5 00 0 5 0 21 2 5 88 1 3 62 4 6 7 61 1 9 0 07 0 0 0o 9 7 50 2 2 5 3 1 8 3 9 1 1 8 8 93 2 4 0 01 9 1 7 69 4 0 04 8 2 5l3 3 8 43 9 0 72 5 2 6 07 0 8 8 63 4 5 8 72 0 5 5 08 0 7 52 1 5 0 55 8 1 83 7 6 2 01 0 7 6 2 54 8 7 7 52 8 4 0 01 7 2 7 57 7 1 2 6 1 1 8 6 4 7 6 7 0 9 1 7 5 6 7 6 9 8 8 8 86 5 3 0 03 7 5 6 31 4 6 8 8 7 3 0 9 9 62 0 0 4 0 74 0 0 7 1 22 6 1 4 6 01 9 3 6 7 51 2 9 2 5 06 8 ，2 7 5 82 4 9 6 21 6 1 3 9 l3 4 3 3 2 52 1 4 0 5 01 4 2 1 0 01 0 6 7 0 05 8 9 2 5 99 5 1 36 1 6 0 71 5 1 4 7 58 8 2 7 55 3 6 7 52 9 3 3 78 9 3 8 1 04 5 5 l2 9 4 2 28 2 3 2 54 7 2 7 52 2 1 5 06 1 0 0i 7 5 0 l l2 9 9 01 9 3 3 26 5 8 7 52 9 9 5 01 0 0 0 04 4 2 51 0 5 0 1 21 3 6 99 0 2 83 0 1 3 81 4 3 0 04 1 7 5“7 3 80 1 7 5 年总量 6 4 6 5 5 29 4 9 8 4 17 4 6 8 6 06 3 9 6 7 56 3 2 2 5 03 9 5 5 6 3 3 泉域环境水文地质条件 3 1 地层岩性及其富水性 济南市位- j ：鲁l f l 山地和山前倾斜平原的交接带，地势南高北低南部为绵延起伏的泰山 l l j 脉，山势陡峻，侵蚀强烈，中部为低山丘陵，冲沟发育；北部为山前倾斜平原及黄泛冲积 平原。济南地区自南而北分布的地层有：太古宙泰山岩群( a r t ) 混合片麻岩、变粒岩等组成 的变质岩系；古生代寒武系馒头至长山组灰岩、页岩、鲕状灰岩、竹d 1 状灰岩、泥质条带灰 岩及灰岩与页岩互层，风山组豹皮灰岩夹泥质条带扶岩；奥陶系( 0 ) 下统治里一一亮甲山组 含燧石条带自云质灰岩巾统马家沟组一至六段石灰岩和泥灰岩，其巾一、三、五段以泥灰 岩为主，二、四、六段为质纯灰岩为主；本区寒武系，奥陶系地层厚度分别为5 1 4 和9 3 9 m 。 在市区和东、西郊一带山前平原区，寒武，奥陶系地层隐伏于第四系及煤系地层之下，石炭、 二迭系砂页岩央煤层即煤系地层。假粳合于中奥陶系之上在济南市区西部北部至东北郊， 往北跨黄河，有i l i i 积2 7 0 k m 2 的燕山期辉氏岩、闪长岩侵入体即济南岩体。新生代第四系松散 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 堆积层广泛分布于山前倾斜平原，其中西郊分布有玉符河和北沙河形成的冲积一洪积层。 上寒武统凤山组灰岩和中、下奥陶统灰岩是济南地区主要含水层f 堋，灰岩裂隙岩溶发育， 总厚度8 0 0 1 0 0 0 m ，相互具密切水力联系，有统一的水面形态，故作同含水层组。低山 丘陵区岩石裸露，单并出水量一般小于l o o m 3 d ；山前平原区灰岩隐伏于第四系之下，裂隙 岩溶发育，单井出水量在1 0 0 0 5 0 0 0 m 3 d ，岩溶水埋深小于l o m ，局部地区钻孔自流。市 区著名的四大泉群( 趵突泉群、珍珠泉群、黑虎泉群、五龙潭泉群) 以及城市和工业供水皆源 于此含水层组。 中寒武统张夏组鲕状灰岩裂隙、岩溶也较发育，大多分布于南部山区，灰岩裸露区单井 出水量小于1 0 0 5 0 0 m 3 d o 市区此层灰岩埋深在5 0 0 m 以下，单井出承量可达1 0 0 0 3 0 0 0 m 3 d ，局部承压自流。 下寒武统馒头组，中寒武统徐庄组及上寒武统崮山组、长山组大多为薄层灰岩与页岩互 层，分布在南部山区，单井出水量一般小于l o o m 3 d 。变质岩地区风化裂隙和构造裂隙发育 带含水，富水性差，单井出水量一般小于1 0 1 1 1 3 d 。 松散岩类孔隙水含水层主要分布在玉符河和j 艺沙河的冲积洪积层内，岩性为中粗砂夹 砾石，多层状，单井出水量一般在1 0 0 0 2 0 0 0 m 3 d ，是农业灌溉主要取水层。 3 2 主要地质构造 济南泉域发育的断裂主要有北北西、北北东两组断裂，其中规模较大的断裂自西向东依 次有：马山断层、千佛山断层、文化桥断层、东梧断层。( 见周3 1 ) ( 一) 马山断层 图3 1 泉域构造图 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 马山断层南起变质岩分布区，经大崖庄、芯村、后夏、孙庄、老屯向前隆村延伸并穿过 黄河。全长3 2 k i n ，总体走向帅，倾向s w ，倾角较大。由南向北依次为； 1 芯村以南地段该段断裂东盘为泰山群变质岩，西盘岩性主要为寒武系灰岩、页 岩。泰山群变质岩在风化层下坚硬密实不透水，为一阻水地层，所以马山断裂在该段为 地层阻水。 2 芯村老屯地段断裂东盘地层岩性主要为寒武系张夏组、崮山组、长山组、 风山组灰岩和奥陶系下统冶里、亮里山组白云岩，马家沟一二段灰岩，地下岩溶不发育， 透水性差、富水性弱，特别是崮山组、长山t i l t 也层为相对隔水层。马山断裂西侧为岩溶 发育，透水性好的奥陶系灰岩。通过1 9 8 6 年在断裂以西进行地群孔抽水试验( 最大抽水 量6 4 1 万米3 日) ，生孔停泵和开泵抽水，位于主孔同一侧的观测孔的水位上升和下降 反i 映灵敏，1 f i j 在马山断裂东侧观测孔水位无明显的变化，所以此段阻水。从此段断裂两 侧含水层的水文地质条件对比也可以看出断裂的阻水性实际上是断裂东侧地层阻水。 3 老屯以北地段该段长约2 5 公里，断层两盘为奥陶灰岩，岩溶均发育，富水性 强，断层两盘有相同的水面形态和动态变化规律。群孔抽水时两盘观测孔有相同降速和降 幅( 见表3 1 ) ，说叫马山断裂在本段具透水性质。 表3 11 9 9 5 年马山断裂北段东西两侧观测孔水位对比表 月 观涣。齐 l35891 1 东侧，3 2 4 83 2 7 9 23 0 7 1 23 1 2 4 23 2 8 7 23 2 2 8 2 列侧，c 坼 3 2 5 0 l3 2 1 ，5 6 l3 0 6 9 13 1 0 4 13 2 7 7 l 3 2 1 l ( 二) 千佛山断层 千佛山断层位于泉域中部，呈n n j | | 向。断裂南起变质岩区的金牛山，经天井峪、丁字寨 穿越t i 佛山经南郊宾馆东北角进入济南市区并被第四系所覆盖。总体走向n n w ，倾向娜， 倾角6 0 d 一8 妒。 ( 三) 文化桥断层 文化桥断裂南起羊头峪，经体工大队西侧至中心医院文化桥附近向北延伸。走向n n w ， 倾向s w ，倾角大于6 0 0 ，该断裂为透水断裂。 ( 四) 东梧断裂 东 器断裂南起泰山群分布的下阁老，经西营、黄路泉峪，经过港沟西山，被港沟断裂截 切后，向n n w 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 。东梧断裂总体为隔水断裂，在徐家l l 齐南铁厂段 具弱透水性。 i o 西安建筑科技大学硕士学位论文 在刘志远村南和义和庄村西的钻孔抽水试验证实断层的阻水性 ( 1 ) 文l j 志远村南，断层东盘j 2 2 孔抽水，出水量4 8 5 m d 。降深4 6 8 m ，位于东盘东北方 向相距2 5 0 米处的j 8 2 号孔水位下降0 3 8 米。而位于西盘的西北方向与抽水孔相距1 5 0 米 的机井和相距4 8 0 米的j 8 1 号孔，水位未见下降。显示断层的阻水性。 ( 2 ) 刘志远村南北，l 9 9 5 年东梧断裂北段东西两侧观测孔水位对比相差较大( 见表 3 2 ) ，说明东梧断裂北段具弱透水性。 表3 21 9 9 5 年东梧断裂北段东西两侧观测孔水位对比表 l 3 5 8 9l l 观测孔 东侧， 2 5 2 4 6 9 92 3 4 9 52 0 8 9 1 92 0 8 2 92 5 6 4 92 5 4 3 9 西侧，a 2 8 1 3 8 7 7 1 0 1 4 1 96 8 2 9 6 8 5 99 3 5 91 1 5 5 9 3 3 泉水的成因 “家家泉水，户户垂杨”，这是清人刘鹗在老残游记中对济南的描写，在当时来说， 不足夸张。在本世纪五十年代，济南这座泉城每秒钟大约有4 立方米的泉水涌出，单是著名 的趵突泉，每天就涌出7 万立方米的泉水。除此以外，比较著名的还有珍珠泉、黑虎泉等。 济南缒泉水之所以这样多，其成因是： 1 、岩层倾向与地势倾斜的一致性是济南泉水形成的地质地貌基础。 在济南的南面，是一片山区。属于泰山背斜北翼的济南单斜构造区，岩层倾向总体以大 约3 0 度左右的斜度f 1 南向北倾斜，向北倾斜的单斜构造与南高北低地势的一致性，为地下 水由南向北运动奠定了良好的地质地貌基础；( 见图3 2 ) 。 2 、岩溶裂隙发育的巨厚石灰岩层为济南泉水之源一岩溶地f 水的补给、储存、运移提 供了良好场所乖i 通道。与此同时，北部不透水的庞大的岩浆岩体犹如大坝阻挡了地下水的去 路，为济南泉水形成提供了得天独厚的条件。 济南南部d i 区发育厚度达1 0 0 0 余米的寒武奥陶系石灰岩，裂隙、岩溶极其发育。在 地表。溶沟、溶槽、落水洞以及岩溶裂隙的发育，为地下水接受大气降水入渗和上游河水渗 漏补给，形成岩溶地下永仑i j 造了重要条件；在地下，发闭脚醐目、溶孔、溶隙及裂隙连通起 来有如许多隧道，为岩溶地下水的储存运移提供了空间与通道。已形成的岩溶地下水顺地势 和岩层倾向由商向低自南向北流动，汇集于济南山前地带。济南岩浆岩体呈东西向椭圆型展 布两起位里序，东到王合人镇，南至段店镇一姚家镇，北到桑棒店一孔家村。总面积约3 3 0 平方公l l ，构成济南t 社斜构造岩溶地下水的天然屏障。来自南部补给区的岩溶地下水径流至 西安建筑科技大学硕士学位论文 老城区附近，遇到岩浆岩体阻隔，就流不过去了，被围得水泄不通。那里拦蓄起来的地下水 越积越多，由于不能前进，因此必须另找出路。因为在地形低洼部位有的地方地下存莅裂缝， 就给地下水的排出开了方便之门，那里拦蓄的大量地下水，凭着强大压力沿着这些裂缝夺门 而出，涌出地表，形成济南诸泉。 图3 2 泉水成因剖面图 济南的泉水所以会特别多，是由于这里具有上面所说的地质条件造成的，南部的山区所 储藏的丰富的地下水，就是供给济南泉水用的天然水塔，使济南许多地方都自鲁有盼泉水喷出。 3 4 地下水的运动规律 在济南四大泉群主要渗漏地段的东南、南、西南4 0 0 多i 击范围内，水利部门曾分别在 老君井、涝坡庄机井、白土岗机井和谣渴马村机井四个地点，先后分四次投放示踪物进行连 续多次的大规模的泉水来源连通试验嘲，较全面地查清了泉水的来源情况，摸清了在岩溶发 育地区地下水流的运行规律。通过总结试验，得出以下主要结论： ( 1 ) 查清了济南市四大泉群的水源地四次试验的结果证明，济南四大泉群的泉水来 源地是锦绣川以北的广大地区，该地区地下水从东南、南、西南三个方向汇聚泉群。东南部 面积大，汇水快，地下水水位比降从白土岗到黑虎泉达2 0 3 ，视流速达1 2 7 6m h ，是 泉水的主要水源地；西南部面积小，汇水慢，地下水位比降从西渴马到趵突泉为1 7 6 ，视 流速为1 0 4 2m h ，为泉水的次要来源。 ( 2 ) 发现泉水补给区地下水的岩溶网络通道试验中发现，试验区内普遍存在着地下岩 溶通道，岩溶水沿网络通道系统向下游流动，各通道水流彼此交叉，连通成层状水系，埋深 在地下水位以下5 0 l0 0i n 。般出水量好的机井均位于l 蝌网络系统中，它们与泉水相同， 上接地表落水溺、落水漏斗、溶沟、竖井或断层裂隙，但瞬咯通过断层的比较少。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 泉水流速快于井水流速试验中通过视流速的比较发现，泉水的视流速比井水的视 流速卜均约快2 1 8 2 3 1m h 。这一结果反映了泉水的水流通畅，其来路中多溶洞，具岩 溶洞穴水的特点。井水流动慢是因为其多为裂隙水。 ( 4 ) 受岩溶发育程度等因素影响岩溶水流表现为明显的不均一性这一特点在试验区内 普遍存在。如白上岗到搬倒井之间的水力坡度为15 o ，到l j 六里河的水力坡度为l6 5 ， 前者的枧流速为5 3 3n l h ，后者的视流速为8 3 3n l h ，说明地下水流速不完全取决于水 力坡度。从示踪物到达的时问看，与水流的距离没明显的相关，如白二l 岗距两八里洼7 1l i i l ， 示踪物历时3 0 h ；距搬倒井4 5 l q i i ，示踪物却历时8 4 5 h ，前者的视流速为2 3 6 7 m h ，后者 为5 3 ：j i i l h 。与投放示踪物距离相近的不同采t - 4 - 4 t ：，其示踪物的含量差别较大，如小岭和兴 隆j 船巨白土岗分别为2 k m 和3 k m 。前者采到的水样钼离子含量高达2 4i i i g l ，而后者最高 只有0 3m g l 。说明岩溶水的不均一性。 ( 5 ) 行泉群的补给区和补给水流速度不同试验巾发现，五龙潭的地下水流视流速1 4 0 0 m h 、珍珠泉为9 7 2m h 、黑虎泉为1 2 7 6m h 、趵突泉1 0 4 7m h ，说明五龙潭的水路 最畅通。本次试验还发现，东南部来的地下水，黑虎泉所采水样中示踪物峰值出现最早，西 南部来的地f 水趵突泉所采水样中峰值出现最早。如第一次试验，位于市区东南的老君井 地下水流，8 h 就到达黑虎泉，第二天趵突泉才出现从黑虎泉扩散或5 i 其它水路辽回而来的示 踪物。位n h 区西南的西渴马井地下水流携带的示踪物，趵突泉所采水样最早出现峰值，五 龙潭1 2 h 后水样中 j t 现峰值，而黑虎泉珍珠泉末采到示踪物峰值。予市区东南的自土岗井地 下水流，黑虎泉所采水样彳；仅峰值出现早，缸e l 含量高，比其它泉高：h4 倍，说明东南是济 南东部泉群水源补给地，t l j 区东南夏季多暴雨中心，在此拦洪蓄水对恢复泉群作用甚大。 ( 6 ) 关r 泉群补给区界线济南泉群补给区的南北界线是清楚的，东西界线仍争议较大， 有的以断层作为东西的界线，有的以地表分水岭作为界线。试验发现，以等水位线作为泉群 补给区的东西边界较为合理。 3 5 济南泉域的泉域边界 泉域是指天然条件f 泉水的汇流及蓄水范围。研究泉群的补给范围，对保护t 名泉至关重 要同时也足评价地下水资源和保泉供水的主要依据。过去2 0 年曾采取的“采外补内”的 保泉措施。其指导思想无疑是j e 确的。之所以成效不显著，根本原因是泉域范围及边界条件 没有搞清“采外”的部分水源仍在泉域范围内，“补内”( 为恢复泉涌而停采) 的部分水源 又恰恰在泉域以外。关1 二济南泉域的范围，有关方面的观点不尽一致啪：一些争家认为， 泉水j l ! 要来源于济南的东南方向。泉域的东边界在埠村垛庄南麦腰一带；西边界在济南 市区西部的刘长山自马山一带；南边界在济南市区以南的大涧沟涝坡一带。另一些专家 认为，泉水二l i 要来源于济南的南部方向。泉域的西边界在玉符河以两；南边界达到历城区西 营、柳蜱、商i 酊以南的地震分水岭；东边界在济南相薹东部的甸柳庄仝福庄一带。 1 3 西安建筑科技大学硕士学位论文 济南泉域是以溶隙溶孑l 为主及少量洞穴、管道组成的网络型导水通道和蓄水系统，喀斯 特含水介质导水、富水程度具有各向异性和不均一性特点，仅以少量钻孔、试验工作确定水 文地质边界，是有局限性的。为搞清济南泉水的来龙去脉，有的放矢，科学保泉，只有从区 域整体上进行勘察研究和水动力场、化学场、物理场、温度场、同位素场等系统分析，并利 用喀斯特水动态长期观浸i 资料进行数理分析，才能更准确地确定泉域边界。 作者利用具有代表性且资料齐全的2 0 世纪8 0 年代济南地区喀斯特水动态长期观测资料 ( 表3 3 ) ，计算了淞( 泉) 区与东、西郊开采区喀斯特水水位的相关性。 表3 32 0 世纪8 0 年代济南市区及东西郊地下水表水位 市( 泉) 区东郊开采区西郊开采区趵突泉 年份 地下水位( m )地下水位( m )地下水位( m )断流时间 1 9 8 02 7 4 一 1 8 4 1 9 8 t2 6 7 一 2 8 2 1 9 8 22 6 52 4 32 8 33 6 5 1 9 8 32 7 o2 4 12 8 82 7 3 1 9 8 4 2 7 22 4 6 2 9 38 l 1 9 8 5 。2 7 42 4 12 9 97 t 1 9 8 62 6 52 3 12 8 88 2 1 9 8 72 6 22 3 2 2 7 7 2 2 7 1 9 8 82 6 12 2 22 5 o3 6 0 1 9 8 9 2 4 01 8 5 2 5 5 3 6 5 ( 1 ) 东郊开采区喀斯特水水位与市( 泉) 区喀斯特水水位相关方程为： hm = 1 4 5 4 + 0 5 1 4 h $ ，相关系数r = 0 9 6 ，显著相关。 ( 2 ) 西郊开采园喀斯特水水位与市( 泉) 区喀斯特水水位相关系数方程为： hm = 1 3 0 6 + 0 4 7 7 h 日，r = 0 7 9 ，较显著相关。 根据以上相关分析，得出两点看法；济南东、西郊开采区喀斯特水与市( 泉) 区嚷斯特 水是有联系的，处于同一个泉域内；喀斯特水开采对市( 泉) 区喀斯特水、泉水的影响，东 郊大于西郊。 在2 0 世纪5 0 年代末及6 0 年代，济南市( 泉) 区和东西郊区喀额特水水位差异并不大， 都在3 0m 左右( 见图3 3 ) ，显而易见存在统一的区域地下水位，这有力地佐汪了市( 泉) 区和 东、西郊区喀斯特水处于同一泉域内。 1 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 i f ! 州盘嚷拜 l f i l o2 9 e l ( r 9k4 砰 3 1 蔗啦托 2 l 如j 图3 3 天然状态济南泉域汇集排泄区水动力剖面图( i g f i o 年) 彳e 喀斯特水被大量开采以后，市( 泉) 区和东、西郊区喀斯特水水位发生了不同程度的变 化。众所周知水往低处流，东郊开采区喀斯特水水位较i h ( 泉) 区喀斯特水水位低，那么补给 区流到东郊，f 采区的水量要增加，而流到市( 泉) 区的水量要减少，由此可以理解东郊喀斯特 水的，l ：采x , j - i l s ( 泉) 区喀斯特水的严重影响。( 如图3 4 ) l i 帆e 眄k 晕l 图3 4 开采状态济南泉域汇集排泄区水动力削面图( 2 0 0 1 年枯水期) 根据前述通过连通试验确定的地下水流的运行规律以及主要构造成的阻水性质和上述 i f ( 泉) l 爱与东、两郊，f 采区喀斯特水水位的相关性分析，经综合研究，作者对济南泉域的边 界枢定如下： ( 一) 东边界东坞断裂 ( 二) 西边界一马山断裂 ( 三) 北边界，济南四大泉群的成因是地f 水由南部山区接受大气降水的补给，沿地层倾 向向北迳流，受北部岩浆岩体的阻挡，迳流受阻，沿岩石的风化裂隙穿过较薄的第四系松 散岩层f l _ ；露二j 二地表形成泉。总的来说，泉域的北部边界基本上以岩体作为边界。 1 5 、 i 一 - 一 埘ii，州ll叫 j 0lii小l止l州l叫j 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 四) 南边界，根据区域地层分布，泉域南部主要是太古界泰山群变质岩系，地下 水分水岭和地表分水岭基本趋于一致，可把南部地表水的分水蛉作为泉域的南部边 界。 总上所述，济南泉域的总面积为1 4 8 6 k m 2 。 3 6 济南泉域功能分区 济南泉域的功能分区，是指在济南泉域范围内，泉水与其母体岩溶地下水形成过程中起 不同作用的地殷：魁分。济南泉域可分为直接补给区、问接补给区、汇集排泄区等3 个功能区 ( 见图3 5 ) 图3 5 济南泉域的功能分区 直接补给区：指大气降水直接人渗补给泉水汇流系统的地区。主要位子济南市区南部， 大涧沟一涝坡以北的裸露石灰岩山区。此外，北沙河前大彦及玉符河渴马一带为地表水强渗 漏段，也属于直接补给区。 间接补给区：指泉域上游所有靠大气降水补给形成的地表水、地下水，均以地表径流形 式进入、补给直接补给区的地区。主要位于济南市南部和疆南部的玉