章丘区百脉泉泉域水文地质条件分析及泉水保护

李 哲 聂玉朋* 丁冠涛 刘同哲 刘小健 马冠群

（山东省地质矿产勘查开发局八○一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014）

泉水作为一种大自然的优美景观，一直深受人们的喜爱，也是一个地区旅游文化的名片。但因以往无节制地汲取地下水，造成含水层水位显著下降,引发次生环境地质问题，如地面沉陷、泉水停喷[1]，尤其在出现干旱少雨的气候，导致泉水补给量不足，地下水水位恢复缓慢等，加快泉眼停喷的节奏[2]。因泉水遭受到停喷问题严重，引起社会各界人士的高度关注，政府部门开展相应的治理工作[3-4]。

许多学者也对泉水保护方面进行了大量研究，如王源、吴林娟分析泉水喷涌形成条件、控制机理及分布特征[5-6]；黄静对济南市泉水保护并提出可行性的方案，对泉水旅游资源的可持续性进行评价分析[7]。本文以济南市章丘区百脉泉为研究对象，从水文地质条件入手，查明泉水补给通道和渗漏带分布，制定泉水保护总体规划措施，确保百脉泉水资源的可持续利用。

1 研究区概况

研究区位于山东省中部地区，以山地和山前冲积平原为主，地势上表现出东南部较高，西北区域相对低缓。区域地层受构造运动影响较大，区内发育较大的文祖-埠村向斜和甘泉断裂等。

研究区为暖温带的大陆性季风气候，春季少雨多风，降雨多集中于夏季。据以往降雨量资料知，年降雨量峰值为899.2mm（1990 年），年降雨量最小为311.2mm（1989 年），平均值为607.8mm/yr。百脉泉泉域属于小清河支流绣江河水系，穿过百脉河、绣江河、巴漏河等河流。

2 水文地质条件

2.1 含水层空间结构

根据地层岩性、富水性及埋藏条件，区域含水层主要成寒武系岩溶含水层、奥陶系岩溶含水层、石炭- 二叠系碳酸盐岩与碎屑砂泥岩相间岩溶含水层，基岩裂隙含水层及松散层孔隙含水层，其中百脉泉水主要为奥陶系岩溶含水层。由于断裂破坏带较发育，为泉水提供储水空间且泉水沿着断裂带向上出露地表，如图1 所示。

图1 含水层结构示意图

2.2 岩溶水补径排条件

2.2.1 补给条件

大气降雨是百脉泉域含水层的主要补给水源。研究区南部的山区普遍发育灰岩地层，补给区多为裸露灰岩或在上部沉积薄层松散半固结物质。受断层切割错动影响较大，岩层裂隙明显，成为雨水入渗的良好通道。其次区域内沟谷、河流较多，降水和河流水入渗方向与岩层倾向基本一致，有利于水源的补给。

2.2.2 径流条件

岩溶地下水沿地势较高的南部向北部流动，最终汇集到山前排泄区。其次在山区分水岭以南，地下水沿岩层面和裂隙带由南向北径流；地下水在局部地区以泉的形式排泄，沿坡降方向流出；泉域西边界地下水向北西、北西西方向径流，因受到文祖断裂的阻隔，水流沿隔水构造带向北径流；在不开采地下水情况下，泉域东边界的地下水向地势较低的北部地区流动。

由于受明水断裂、绣水断裂、贺套断裂等近南北向断裂作用，岩溶地下水沿破碎带形成的导水通道呈现快速径流，在部分通道甚至以管道流的形式运移，特别是明水断裂南北贯穿了直接补给区和汇集排泄区，是泉域具有重大意义的导水断裂。

2.2.3 排泄条件

根据区域地形地貌和地质构造特点，排泄区主要位于研究区北部的山前冲积平原。岩溶含水层常被松散层及石炭- 二叠系地层所覆盖，因此该区域主要以泉水排泄、人工开采及矿山排水方式排泄。

2.3 水化学特征分析

根据以往学者对泉水水化学特征的相关研究[8]，本次将研究区内大量的泉水样本送至检验中心进行化验分析，依据水化学Mischka Lev 分类法，把研究区泉水水质分为重碳酸盐型、重碳酸- 硫酸盐型、硫酸- 重碳酸盐型、硫酸- 盐酸型四种。

经分析，重碳酸盐型泉水分布在南部补给区。由于地势高、裸露基岩裂隙发育，径流充分，有利于水源补给，水质类型为HCO3-Ca/Mg，TDS 为450～600mg/L，属低矿化度淡水；重碳酸- 硫酸型岩溶水在泉域内分布最为广泛，覆盖了大部分补给区和排泄区，水质类型为HCO3·SO4-Ca，TDS 为400～750mg/L，为矿化度低的淡水；硫酸盐- 重碳酸型区内岩溶水径流速度缓慢，且与煤系水发生混合作用，SO42-含量，水质类型为SO4·HCO3-Ca，TDS为800～1500mg/L，属中低矿化度淡水；硫酸盐- 盐酸型分布于泉域西北部，由于受断裂阻隔影响，地下水径流微 弱。 水 质 类 型 为 SO4·Cl-Na ·Ca，TDS 为6713.7～6682.1mg/L，为矿化度高的咸水。

3 补给通道及渗漏带分布

3.1 补给通道探查

为提高泉水回灌补源效果，确保泉水持续喷涌，在泉水保护工作中补给通道的勘查就尤为关键。地下水补给通道探查方法有同位素示踪试验、涌水试验、物探技术等[9-10]。

3.1.1 涌水试验

在涌水试验中获取明水断裂、秀水断裂、砚池山断裂东西两侧的水位。在涌水试验前后，水位降深基本一致，如表1 所示。由于泉群附近断裂切割古生代地层，局部奥灰水与煤系水相通。群4 井组涌水试验中对本溪组灰岩含水层观12 孔水位观测，其水位下降0.28m，如表2所示。同期水质分析表明两含水层的水质基本相同，且标志性SO42-含量相当，说明地下水间存在水力联系。

表1 绣水断裂两侧观测孔水位降深

表2 奥灰岩溶水与煤系水位对比表

东石河断裂位于泉群东部约2.3km 处，该断裂两侧地下水水质、岩溶含水层富水性存在差异，但两侧有统一水位。灰岩直接接触，并未错断，初步推断为导水断裂，导水性能相对较弱。

因此，通过现场调查研究，认为明水断裂导水性能最强，是泉群的主要径流通道及泉水保护的重要研究对象。

3.1.2 示踪试验

为查清明水破碎带导水性能，于2016 年12 月进行第一次示踪试验，如图2(a)所示。在白泉村水文井sw02井投放150kg 钼酸铵，第2d 在下游1km 双山水文井监测出，第4d 在距离投源孔5.7km 的百脉泉监测出，第5d在百脉泉中Mo6+离子浓度达到峰值，第7d 在鲍庄监测点和虎踞泉监测出，推断示踪剂运移速度为1.0km/d。证明断裂破碎带导水性良好，是主要的泉水补给通道。

图2 示踪试验影响范围

为验证补源效果及查清补源影响范围，之后开展第二次示踪试验，如图2(b)所示。投源点设置于小东山补源井。投放示踪剂4h 后，在百脉泉和西麻湾检测出异常，进一步验证明水断裂具有导水性。本次示踪试验第3d在泉群下游5.0km 监测点处检测异常，证明富水滞留区与泉群之间的水力联系密切。两次示踪试验及回灌补源监测数据显示明水断裂破碎带是泉水补给的主要通道。

3.2 渗漏带分布

渗漏带圈定依据地形地貌、地层岩性及岩溶发育程度、地质构造、松散层覆盖厚度及渗透性、表流特征、工程建设开发程度及先前研究成果，对泉域内主要渗漏带进行圈定。为便于研究，根据地表流域分布特征将补给区细分为若干个小流域。

最终将研究区域划分为9 个小流域，即马家峪小流域、水龙洞小流域、栗家峪小流域、阎家峪小流域、青杨河小流域、黄家峪小流域、滴水泉小流域、瀛汶河小流域和孟家峪小流域，流域分布如图3 所示。依据渗漏影响因素，在各小流域圈定主要渗漏带13 个，其中最大面积为14.81km2，分布在马家峪小流域，而孟家峪小流域内未发现渗流带。

图3 主要流域及渗漏带分布

4 泉水保护

根据济南市各泉域开发利用状况及实际的水文地质条件，对汇集排泄区和补给区制定了相应的保护措施。

4.1 对汇集排泄区重点保护区范围内已有的水源地，加强对地下水开采范围和水量的控制监管，充分考虑泉水补给量与岩溶地下水开采量间的平衡关系。

4.2 在补给区保护范围内，种植低矮类乔灌类植物，增加地表植被覆盖率，涵养水源。

4.3 修建屋顶、地面雨水收集设施，收集的雨水经处理后达到地表水Ⅲ类以上水质标准后，通过渗坑渗井等促渗工程进行回灌。

5 结论

通过对百脉泉泉域的系统调查分析，查清了区域水文地质条件。在此基础上，深入分析了泉域补给通道和渗漏带分布情况，并提出泉群保护措施，得出以下结论：

5.1 根据涌水试验和示踪离子试验综合分析，认为明水断裂破碎带是泉水补给的主要通道。

5.2 根据划分依据将研究区域圈定为9 个小流域，流域内发育13 个渗流带。

5.3 从泉水的水质、水量、环境保护等方面对汇集排泄区和补给区开展相应的保护措施，可有效实现泉水的可持续利用。