济南泉水的成因及保泉对策研究

2013-08-15刘莉莉宋苏林崔春梅

山东水利 2013年5期

刘莉莉，宋苏林，崔春梅

（1.山东省水利科学研究院，山东济南 250013；2.济南市水文局，山东济南 250014）

济南市城区分布着以趵突泉、黑虎泉、珍珠泉、五龙潭四大泉系为主的泉水约130处，多年平均泉水喷涌量约为14万m3/d。随着泉域地下水开采量的增加，1966年起泉群喷涌量开始衰减，1971年趵突泉断流，此后断流情况更加严重，1981-03至1982-09，趵突泉停喷 18个月，1993-02至 2001-09，趵突泉最长断流时间达926 d之久。济南市市委、市政府将“保泉”列为重大问题研究，采取了一系列的保泉措施，确保了泉水的喷涌。

1 泉水的成因

济南泉域特殊的地质与水文地质条件，形成了举世闻名的四大名泉群，泉水的成因主要与泉域的地形、地貌、地质构造、气象等因素有关。

1）地形地貌。济南位于鲁中山地，地势南高北低，从南往北依次有中山、低山、丘陵，地势有利于地下水和地表水向城区汇集。泉水出露处位于丘陵与华北平原相接的山前倾斜平原之上。

2）地质构造。南部山区属泰山隆起北翼，为单斜构造。由于北侧断裂切断，形成许多小断块，其中千佛山断块是构成四大泉群的构造基础。南部山区基底为前震旦系变质岩，上覆寒武系和奥陶系石灰岩岩层，市区为第四系沉积层。在构造运动和长期溶蚀的作用下，岩溶地貌发育，形成了大量溶沟、溶孔、溶洞等，组成了脉状地下网道。市区北部为燕山期辉长岩——闪长岩侵入体，闪长岩岩质坚硬、质地细密、隔水性能好，向南延伸覆于石灰岩之上。千佛山断块以西有千佛山断层，东有羊头峪断层，这样就组成了东西北三面阻水岩体，构成了三面封闭的排泄单元。

3）气象。济南地处温带，平均年降雨量为675 mm，大气降水是泉水的主要补给源。

综上济南泉水的成因为：地下水由南部山区接受大气降水的补给，沿地层倾向向北径流，受北部岩浆岩体的阻挡，沿岩石的风化裂隙穿过较薄的第四系松散岩层出露出地表形成泉。从成因上讲，济南泉水属于侵蚀——火山岩体接触泉。

2 泉水断流的成因

2.1 补给量减少

随着经济社会的发展和城市化进程的加快，泉域下垫面条件发生改变，地下水入渗能力下降，减少了泉水的补给量。城市化过程对于泉水的影响主要反映在对降雨径流关系以及地下水入渗补给的影响方面。有关统计资料表明，1991—1993年汛期径流系数3年平均值为0.62，最大次降雨径流系数达0.82，而1960—1965年间最大次降雨径流系数仅为0.41。降雨入渗量的减少，影响了泉群的喷涌。

南部山区位于泰山背斜的北翼，作为城市的天然生态屏障，不仅维护着城市大气环境的正常新陈代谢，而且也是整个泉域地下水资源的重要涵养补给区和城市的“后花园”。但伴随着城市化的发展，南部山区生态环境遭受了严重的破坏，地下水补给量不断减少，在一定程度上影响了市区泉群的喷涌。

2.2 地下水超采

随着经济的发展，济南市需水量剧增，岩溶水开采量也逐渐增加。1936年，济南市首次建成了趵突泉水厂用于城市供水，日均开采地下水0.76万m3。1939年最高供水量1.4万m3/d，1945年供水量约0.6万m3/d、1948年供水量约0.71万m3/d，当时人们对地下水的开采量较小，泉水未出现断流现象。随着经济的发展，地下水开采量由1959年的不足10万m3/d，发展到上世纪90年代的70～80万m3/d；泉水位由1959年的30 m降低到1993年的小于27.5 m（泉群喷涌水位），造成泉群的断流。随着相关部门保泉工作的大力开展，限制了地下水的开采量，岩溶水开采量在近几年有所减小。

3 保泉措施

3.1 地下水动态监测

目前济南泉域地下水动态监测系统主要由两部分组成：1）由水利系统完成的地下水位自动监测系统，在泉域范围内布设了15眼自动监测井，现已发展至36眼；2）由地矿部门完成的地下水水位与水质监测系统，在济南示范区安装了29台自动水位监测仪，布设51个水质监测点，其中地下水水质点31个。地下水动态监测系统的建立，能够准确、合理、及时地监测泉域地下水位、水质时空变化的全过程，为调整地下水开采布局提供技术支持，为泉水复涌作出了重大贡献。

3.2 引黄引库保泉

为了保持泉群正常喷涌，需要减少地下水的开采量，为了保障济南市社会经济健康、持续、高速发展，又需要不断增加供水量，要解决两者之间的矛盾、实现双赢必须开辟新的水源。济南市先后建成了卧虎山、锦绣川、狼猫山3座水库及向城区供水的配套工程和鹊山、玉清湖2座引黄平原水库及向城区供水的配套工程。地表水库和引黄工程供水基础设施的相继建成与投入使用，使济南市客水和地表水的供水能力进一步提高，供水格局发生了很大变化。打破了原来由地下水单一供水的供水格局，减少了地下水的开采，对保泉供水工作有深远的意义。2008年全市总供水量中，地表水与地下水的比例为55.44∶44.56。

3.3 人工回灌补源

济南市水利局于2001-08在玉符河上游段进行了第一次回灌补源试验，试验历时12 d，放水量800万 m3，2002-03-12至2002-03-27又进行了第二次回灌补源，历时15 d，放水量900万m3。分析试验成果可知：1）玉符河上游东渴马——潘村段可作为人工补源的最佳地点，在此处建立回灌补源工程；2）回灌补源工作有助于市区泉水地下水位的提升；3）市区和西郊是统一水体，之间有密切的水力联系。

3.4 抽水试验

济南市组织实施了济南西郊抽水试验、西郊水厂停抽水试验和解放桥水厂停抽水试验。通过多次抽水试验研究结果，总体可以得出：济南西郊、东郊地下水与泉域地下水之间都存在密切的水力联系，大量开采西郊和东郊地下水都会威胁市区泉水正常喷涌。应在保证泉水正常喷涌的前提下，适量开采东郊、西郊地下水资源；在泉群喷涌危机时要及时停采东郊、西郊地下水源。

3.5 人工增雨保泉

济南市是干旱、冰雹等气象灾害活动频繁的地区，水资源比较缺乏。经研究表明，每年流经济南市的空中云水资源，转化为地面降水的尚不足5%，空中云水资源非常丰富，可开发利用的潜力很大。在济南市南部山区开展增雨（雪）保泉人工影响天气工作，可以最大限度地开发利用空中云水资源，增加地面有效降水量，涵养南部山区地下水源，保持市区泉水持续喷涌。