大数据在章丘区泉水保护工作中的应用

马秀芸，张扩成

（1.济南市章丘区城乡水务局，山东 济南 250200；2.山东济南市邢家渡引黄灌溉管理处，山东 济南 250000）

1 百脉泉泉群概况

1.1 百脉泉泉群的成因

百脉泉泉域为济南三大泉域之一，百脉泉与著名的趵突泉齐名，古有“西则趵突为魁，东则百脉为冠”的记载。泉域地处泰沂山脉北麓，泰山断块凸起的北缘，地理坐标：北纬 36°30′～36°45′32″，东经 117°27′30″～117°50′。南边界为地表分水岭，即小清河流域与大汶河流域分水岭，东边界为禹王山断层，西边界南段为地表分水岭，北段为文祖断层，北边界为底行煤埋深500m界线，面积480.7km2，其中补给区面积355km2（章丘250km2，淄博105km2），边缘煤田区面积125.7km2（章丘89.1km2，淄博36.6km2）。

百脉泉水为奥陶系石灰岩裂隙岩溶水，简称奥灰水，为上升泉类型。奥灰水主要接受大气降水的入渗补给和河道的渗漏补给。大气降水沿石灰岩裂隙渗入地下后，沿岩层倾向向北东方向径流，受北部不透水层（石炭二迭系砂页岩含煤地层）的阻挡折向西北，源源不断地向明水一带汇集。明水为泉域补给区内最低点，地面标高60m左右，汇集于明水的奥灰水，西部受文祖断层阻挡而富集，受上覆煤系地层阻挡而承压。明水附近，受文祖大断层的影响，在区域应力作用下，形成了多条北北东、北北西向的断层，不但增加了断块内奥灰含水层的导水性和储水空间，而且破坏了上覆地层的连续性，承压的奥灰水沿断层破碎带裂隙或钻孔穿越上覆地层涌出地表，形成百脉泉泉群。

百脉泉泉群主要分部于明水的东麻湾和西麻湾，其中，百脉泉、东麻湾、西麻湾、墨泉、梅花泉和净明泉六处名泉被评为济南新七十二名泉。

1.2 泉域自然地理概况

百脉泉域横跨两个地级市（济南、淄博），4个行政区（济南市章丘区、淄博市周村区、淄川区、博山区）。泉域地处泰沂山脉北麓，自然地势南高北低，东高西低，海拔由南部山区800余米向北逐渐降低，明水泉口附近海拔仅60m左右。南部主要是太古界泰山群变质岩组成的低山丘陵地形，海拔一般在600m左右；中部为古生界寒武系、奥陶系灰岩组成的低山丘陵地形，海拔400～800m左右，山区地形因受岩层产状影响，单面山地形较多，一般南坡陡，北坡较缓；北部逐渐过渡为山前平原。其地貌大致可划分为侵蚀构造低山丘陵、剥蚀堆积丘陵和堆积倾斜平原三种形态。

百脉泉域属小清河水系，主要河道有东、西巴漏河，东巴漏河发源于淄博境内的青龙湾，南北贯穿于章～淄边界。西部属西巴漏河流域，两河流均流经石灰岩山区，河道渗漏严重，均属季节性河道。

2 影响百脉泉群喷涌的主要因素

百脉泉域为一相对独立的水文地质单元，四周皆为不透水的零流量边界，为泉排型岩溶泉域。具有典型的雨源型特征，岩溶地下水主要接受大气降水的入渗补给和河道的渗漏补给。排泄方式有工农业开采排泄、煤矿排水和泉排泄。天然状态下，泉水是岩溶地下水的唯一排泄方式，理论上讲永远不会干涸。因此，影响百脉泉群喷涌的主要因素有大气降水、居民生活、工农业开采和煤矿开采。

2.1 大气降水补给

岩溶地下水主要接受大气降水的入渗补给和河道的渗漏补给，整个岩溶水系统具有多年调节性。泉水的水位和流量不仅与当年而且与去年、前年的降水量有关，若出现连续枯水年，地下水补给量严重不足，泉水出现长时间断流。据章丘境内降雨资料，如1999—2002年，为连续4个枯水年，泉域年平均降水量只有482.3mm，泉水1999年6月12日停喷至2000年11月21日，2001年3月21日再次停喷至2003年9月16日（本次长达909d）；若出现连续丰水年，地下水补给量充沛，泉水则持续喷涌，如2003—2005年为连续3个丰水年，泉域年均降水量842.9mm，泉水自2003年9月16日喷涌以来，一直保持良好的喷涌势头，而且创造了65.93m的历史最高水位(2005年10月7日)。另外，由于百脉泉域补给面积相对较小，泉水迳流途径相对较短，泉水位受大气降水影响十分敏感，如2003年9月3日～5日，泉域平均降水量132.8mm，泉水位4日上升1.11m，5日上升3.17m，可见，受降雨影响，反应十分迅速。

泉域章丘境内设有官庄、闫家峪、文祖、双山和明水五个雨量站，积累了自1971年以来历时近半个世纪（48年）的系列降雨资料。近几年，又新增加了多处雨量观测站，站点布设更加合理，站点布设密度增大，对研究大气降雨对泉水的影响更加有利。另外，上游的淄博境内也积累了多站点、长系列的降雨量资料，可一并加以认真分析研究。

2.2 人工开采地下水

人工开采是岩溶地下水的主要排泄方式之一，主要包括农田灌溉、工业及城市生活供水和农村人畜用水3个方面。人工开采对泉水的影响主要表现在两个方面：一是在泉口附近大量抽排岩溶水，直接降低了泉口水位，影响泉水出流；二是在泉域内面状抽取岩溶水，消耗了岩溶水总量，从而减少了岩溶水从泉口的排泄量，即削减了泉水流量。

1）泉口附近开采地下水和集中供水水厂开采对泉水的影响。泉口附近原开采岩溶水的主要有西麻湾水厂、贺套水厂和城区内的自备水源井。据省地质局第一水文队1979年6月16日涌水试验资料表明，当群1、群4、群5三个井组同时涌水时，钻孔涌水量1.413m3/s，百脉泉群的出流量由涌水前的2.665m3/s减为1.990m3/s，减小量为0.675m3/s，占涌水前总流量的25.3%。由此可见，在泉口附近抽取地下水，对泉水流量的影响是明显的。

2003年枯水期时，泉水断流，由于西麻湾水厂和贺套水厂的开采，形成两个水位降落漏斗，西麻湾漏斗中心水位较周围低0.5m左右，贺套漏斗中心水位低于周围约3.5m，由于贺套水厂在泉口上游，形成的地下水降落漏斗对泉头上游来水起着“截流”作用。

2005年4月1日，关闭了泉头附近的西麻湾水厂，2017年关闭了贺套水厂，泉域章丘境内两处集中供水水厂停止抽水运行。两处水厂自建成运行以来，为章丘主城区的发展发挥了至关重要的作用。同时，也积累了长系列的地下水开采资料，对研究泉水喷涌非常宝贵和重要。泉域淄博境内先后建设了8处集中供水水厂，运行多年来，也积累了大量的地下水开采系列资料。

2）泉域内面状开采地下水对泉水的影响。百脉泉域横跨两个地级市（济南、淄博），4个区（济南市章丘区，淄博市周村区、淄川区、博山区），包括11个乡镇。区内岩溶地下水是最主要的工农业生产和生活饮用水水源，大量的面状开采，消耗泉域地下水水资源总量，使地下水位总体下降，尤其是干旱年份，由于降雨量少，地下水开采量增加。

多年来，随着水资源管理工作的进一步规范和严格，积累了一系列地下水开采量资料，是研究分析泉水影响因素的重要依据。

2.3 煤矿开采

煤系地层是奥灰岩溶水的承压顶板，构成百脉泉域的北部边界，是百脉泉赖以形成和存在的基本地质条件。煤系地层中的砂岩裂隙水及层间灰岩水通过断层破碎带裂隙与下伏的奥灰水（泉水）存在一定的水力联系，尤其在明水附近，由于南北向断层较多，煤系地层的连续性和完整性受到破坏，岩石裂隙度增大，煤系地层与下伏奥灰水的水力联系增强，天然状态下，二者处于相对平衡状态。

煤矿开采过程中，矿井、巷道、采空区等破坏了原生的地质结构，在垂直方向和水平方向上切穿了不同的地层，形成了人为的水力联系通道，对泉水造成了严重的影响。一是采空区上覆岩层由于原地质应力平衡被打破而产生塌陷，形成次生岩石裂隙，造成地面沉陷，可能形成新的泉水泄漏点。二是矿坑生产过程中排出大量岩溶泉水，削减泉水流量。矿坑充水的来源一是煤田接受大气降水和垂直入渗补给，二是石灰岩山区地表洪水泄流经煤田时沿河道、冲沟的渗漏补给，三是石灰岩岩溶水通过断层破碎带向矿坑侧向补给，四是煤田下伏石灰岩岩溶水沿断层裂隙向矿坑顶托补给，五是煤田中的部分钻孔、深井（取岩溶水），由于没下井管封闭或者封闭止水不严，岩溶水涌入采空区。

章丘和淄博是山东省煤炭主要产地之一，资源丰富，煤炭产业历史悠久。近年来，随着供给策结构改革和产业结构调整，煤炭行业发生了重大变化，章丘境内煤矿已全部关停。多年来，积累了大量的长系列煤炭开采和排水资料，是泉水研究的重要科学依据。

2.4 泉群排泄

百脉泉泉域为一相对独立的水文地质单元，四周皆为不透水的零流量边界，为泉排型岩溶泉域。天然状态下，泉水是岩溶地下水的唯一排泄方式，理论上讲永远不会干涸。多年来，对泉水喷涌量、泉水位及泉域地下水位的观测一直没有间断，各个部门为了不同的目标均开展了大量观测工作，积累了丰富的资料。

3 条件变化分析

3.1 补给量因素

随着城市规模的迅速扩大和人为活动的增加，泉水直接补给区面积减少；上游自然河道填埋、占压或防渗处理，大大减少了地下水的有效补给量，同等降雨条件下，地下水的补给量减少。同时，也增加了城市防洪压力。

近几年，随着社会各界保泉工作力度的加大，实施了一些增加补给量的有效措施。一是实施了人工增雨作业；二是在南部山区自然河道内，建设了几十处拦蓄补源保泉工程；三是新打了18眼回灌补源井；四是实施了多项调水补源保泉综合治理工程。与自然状态相比，补给条件发生了有利变化。

3.2 开采量因素

随着水资源管理和保泉工作力度的不断加大，泉域尤其是主城区供水水源结构发生了重大调整，用泉域外水资源进行替代。同时，西麻湾水厂、贺套水厂相继停采，城市自来水管网覆盖范围内的自备井逐步关闭。

3.3 煤矿开采和排水因素

随着产业结构调整，煤炭企业全部关停，对地质结构的破坏和煤炭排水成为历史。同时，在采空区及其附近也可能产生新的环境地质问题，需要做新的调查研究。

4 建议

百脉泉泉域地质、水文地质条件复杂，泉水喷涌影响因素众多，而且不断变化。泉水的研究是一个长期的过程，是一个对各种条件不断认识和提高的过程。多年来，泉水保护和研究工作一直持续进行，积累了包括大气降雨、地下水开采量、煤矿开采及排水、泉水流量及地下水位观测、泉水水质等等大量的长系列的资料，同时，根据实际工作需要，可以再建设一批地下水位、入渗补给、泉水流量等高科技的实时监测系统，对泉水动态实时掌控。

数据的采集和存储是基础，分析研究工作尤为重要而且亟待进行。可以通过互联网、云计算等技术手段，将这些大数据进行系统分析，找出各个相关影响因素的权重，制定科学规划，为保泉决策提供依据。建立泉域水资源智能管理平台，最后，建立泉域水资源管理数学模型，由定性管理转型定量管理。