济南历城巨野河冲洪积扇雨洪水储存调蓄研究

赵有美，刘小平，刘文

(山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东省地质矿产勘查开发局地下水资源与环境重点实验室，山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250014)

0 引言

海绵城市理论中的“渗、滞、蓄、净、用、排”技术已广泛用于城市雨洪水资源管理中，国内大部分的海绵城市建设主要是从城市径流控制、地表水、包气带岩层的下渗储存为主[1-3]，对利用第四系含水层巨大的储存空间用于储存调蓄雨洪水资源的研究较少[4-5]。第四系含水层用于雨洪水储存调蓄具有不易污染、雨水吸附净化、改善水质、减少城市洪涝灾害、供水安全的优点，同时具有改善生态地质环境等特性。济南单斜构造山前分布着南大沙河、北大沙河、玉符河、巨野河、巴漏河等诸多山前河流冲洪积扇，其第四系厚度50～150m，70m以浅分布有5～30m的中砂及中粗砂夹砾石，具备良好的地下水储存调蓄空间。本文以巨野河冲洪积扇中深层较大的相对封闭的储存调蓄空间为研究对象，通过平水期、枯水期开发利用冲洪积扇砂层含水层的地下水资源，降低第四系水头高度，腾出储水空间，雨季储存城市硬化地面、河流流域地表径流的雨洪水，减轻雨洪水的危害，实现雨洪水的资源化，解决当地水资源短缺的问题[6-10]。为济南市一系列的山前河流冲洪积扇推广雨洪水第四系砂层储存调蓄提供理论与数据支撑。

1 研究区概况

1.1 自然地理

研究区位于济南市东部，章丘市西部，距离济南市区约20km，位于巨野河流域中下游。地貌类型上属于山前倾斜平原和黄河冲积平原地貌过渡地带，地貌类型由南向北依次为山前倾斜平原、黄河冲积平原和洼地。地势总体南高北低，相对较平坦，起伏不大，地面高程18.0～50.0m，自然比降1/2000左右，由南部的山前杜庄水库向北部小清河一带倾斜。

研究区地处中纬度内陆地带，属暖温带大陆性气候，平均气温为12.8℃，极端高温为42.1℃(1955年7月24日)，极端低温为-23℃(1972年1月26日)。1956—2017年多年平均降水量为685.49mm。降水在年内分配不均，多集中在汛期，汛期(6—9月)平均降水量451.20mm，占降水量的65.82%，12月至次年3月平均降水量37.56mm，仅占全降水量的5.48%。

研究区地表水系发育，有巨野河、小清河及引黄干渠。巨野河源于济南市历城区西营街道拔槊泉、饮马泉，流经彩石街道和孙村街道，入济南市章丘区龙山街道，经杜张水库复又入历城董家街道、唐王街道、遥墙街道，在鸭旺口入小清河，全长48.5km，流域面积260km2。

1.2 地质、水文地质条件

1.2.1 地层岩性

研究区第四系广泛分布，南部山前地带第四系岩性为黏质砂土、砂质黏土、黏土夹砂砾石层。北部小清河附近第四系岩性为粉砂、粉土、黏质砂土。第四系堆积物的厚度变化较大，受地形坡向控制，厚度总体由南向北、由东向西逐渐增厚，从南部山前地带55m至北部小清河附近达150m左右。

1.2.2 水文地质条件

研究区地下水由上而下可划分为：松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水等3种类型。松散岩类孔隙水含水层是本次雨洪水储存调蓄主要利用的层位，含水层岩性以中细砂、中粗砂、卵砾石为主，在垂向上具多层结构，单层厚度较小，并夹有数层薄层黏土，具有微承压—承压性。含水层厚度5～16m，水位埋深在1.27～18.11m，水位变幅在3～10m。研究区中东部单井出水量1000～3000m3/d，西部、南部单井出水量为500～1000m3/d，仅东南小部分区域单井出水量<500m3/d，其富水性受冲洪积扇分布的控制，冲洪积扇内富水性较好。

2 技术方法

本文综合利用物探、钻探、水位统测、抽水试验、回灌试验、水质分析等方法分别对巨野河冲洪积扇位置、范围、含水砂层厚度、单井涌水量、回灌量、地表径流量、地下水水质、河水水质及储存调蓄资源量进行了研究(图1)。其中，雨洪水储存调蓄范围依据高密度电法，结合水位统测结果综合分析确定；砂层厚度特征采用高密度电法和钻探相结合的方式确定；通过对钻孔进行抽水试验、常压回灌试验等确定水文地质参数，采用变径流系数经验公式法[11-13]、水位恢复法、储存量计算公式[14-16]来计算巨野河流域的地表河流径流量、储水系数和冲洪积扇储存调蓄量[17-18]。

1—物探剖面线及编号；2—水文地质钻孔及编号；3—地质剖面线；4—水质取样点位置图1 济南历城巨野河物探剖面线布设图

3 储存调蓄特征

用于雨洪水储存调蓄区必须具备适宜的水文地质条件、一定的汇水条件和相对封闭的空间。储存调蓄量与储存调蓄区面积、砂层厚度、砂层的储水系数成正比[19-21]。

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3.1 储存调蓄区

为确定巨野河冲洪积扇的位置和范围，沿现代巨野河两侧布设了6条高密度电法和电测深剖面线，并施工了3眼水文地质钻孔进行验证(图1)。图2为高密度电法和电测深法解译的冲洪积扇位置和范围，从图2中可以看出巨野河冲洪积扇大体南北向呈扇形展布，面积约69.98km2。其轴部位于巨野河现代河床的右岸，沿段家庄—唐王镇—娄家村东一线分布，冲洪积扇大多也位于巨野河现代河床的右岸，扇顶位于杜张水库北西巨野河出山口全节河村附近，扇缘位于小清河南岸地势相对低洼处。

1—冲洪积扇范围；2—冲洪积扇轴部图2 巨野河冲洪积扇位置范围图

根据冲洪积扇地下水含水系统的空间结构、水文地质特征及地下水开采利用条件，巨野河冲洪积扇是理想的天然雨洪水储存调蓄区。巨野河冲洪积扇的东、西、南边界为冲洪积扇的边界，其岩性由山前坡洪积物组成，岩性主要为粉质黏土夹碎石等，透水性差，北部扇缘地带位于小清河南岸地势相对低洼处，也是地下水位南北向最低处，为地下水的溢出带，在此地段其南侧的地下水向其径流补给，北侧的小清河河水水位高于地下水水位，小清河河水向地下水补给，第四系之下分布有巨厚的石炭-二叠系，与岩溶含水层水力联系微弱。因此，巨野河冲洪积扇砂层为一相对封闭的含水层，作为本次研究雨洪水储存调蓄区范围。

3.2 砂、卵砾石层厚度特征

为确定巨野河冲洪积扇砂、卵砾石层的厚度，通过高密度电法和电测深剖面测量并结合钻探进行验证。图3为第四系砂层厚度等值线图，图4为雨洪水储存调蓄区剖面线，从图3中可以看出，第四系砂、卵砾石层厚度从轴部向两侧逐渐变薄，从扇顶向扇中逐渐变厚再向扇缘变薄，厚度从16.1m逐渐变薄为1.3m。从图4可以看出研究区含水层砂层主要分布于巨野河冲洪积扇内，垂向上大体分为3层：

1—砂层厚度等值线/m；2—水文地质钻孔砂层厚度/m；3—冲洪积扇范围；4—冲洪积扇轴部图3 巨野河冲洪积扇第四系砂层厚度等值线图

1—粉质黏土；2—砂层；3—卵砾石；4—泥岩；5—砾岩；6—孔号/孔深/m图4 巨野河雨洪水储存调蓄区剖面线

第一层砂、卵砾石层，在冲洪积扇内广泛分布，分布深度在10～25m以浅，浅黄色—棕黄色，结构松散—致密，砾石成分主要为灰岩，砂颗粒的主要成分为石英、长石，磨圆度较好，颗粒由南向北逐渐变小，在南部扇顶地带为卵砾石，粒径一般5～8cm，向北扇缘地带逐渐过渡为中粗砂，厚度一般小于2m。

第二层砂、卵砾石层，在冲洪积扇内广泛分布在25～70m以浅的深度范围内，浅黄色—棕黄色，结构松散—致密，颗粒的主要成分为石英、长石，磨圆度较好，卵砾石粒径由南向北变小，南部扇顶地带粒径一般为3～5cm；向北扇缘地带粒径逐渐变小，粒径一般在2～3cm，厚度由南向北逐渐增厚，南部厚度一般在2m左右，北部厚度可达5m。

第三层卵砾石层，主要分布于冲洪积扇的中北部，灰白色，填充物为黄棕色黏土，碳酸钙质，含方解石、白云石，胶结程度差，砾石磨圆度较好，粒径2～5cm，厚度由中部向北部逐渐变厚，可达10m。

3.3 储水系数

为了求取巨野河冲洪积扇内不同分区内的储水系数等水文地质参数，本次工作在冲洪积扇顶、扇中、扇缘分别施工了一眼水文地质钻孔，并对其进行了2个落程的稳定流抽水试验，扇顶含水砂层厚度为12.4m，单井出水量1450m3/d，稳定降深22.85m；扇中含水层厚度为16.1m，单井出水量2520m3/d，稳定降深27.0m；扇缘含水层厚度12.5m，单井出水量2030m3/d，稳定降深10.4m。经计算扇缘储水系数为0.0494，扇中储水系数为0.0451，扇顶储水系数为0.007。

3.4 储存调蓄水源

巨野河冲洪扇的补给水源主要包括大气降水、河水、水库放水、汛期山区洪水及污水处理厂排放的中水。巨野河长48.5km，流域面积260km2，其中山区226km2，平原区34km2。在平均降水685.49mm条件下，雨洪水年均径流量为3717万m3。

3.5 调蓄水源水质论证

根据巨野河河水水质分析结果和收集的巨野河上游狼猫山水库的水质分析结果(2013年10月)：巨野河河水和上游水库地表水水化学类型为重碳酸钙型水，总硬度为264.49～365.29mg/L，矿化度在411.22～601.88mg/L，各项离子含量均符合《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准。

3.6 储存调蓄量

3.6.1 计算分区

根据第四系孔隙水平面流场(图5)和第四系地下水的储存调蓄特征对巨野河冲洪积扇进行分区，考虑冲洪积扇的位置、含水砂卵砾石厚度、水位变幅等因素共分3个区，为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。其中，Ⅰ区位于冲洪积扇的扇缘，面积为24.57km2；Ⅱ区位于冲洪积扇的扇中，面积为25.52km2；Ⅲ区位于冲洪积扇的扇顶及边沿两侧，面积为19.19km2(表1，图6)。

1—地下水位等值线/m；2—地下水流向；3—冲洪积扇范围；4—水位统测点及编号图5 巨野河第四系孔隙水等水位线图

1—冲洪积扇范围；2—分区界线；3—冲洪积扇轴部；4—分区编号图6 巨野河储存调蓄量计算分区图

表1 各分区面积及分布

3.6.2 水头高度

储存调蓄量的计算需要考虑地下水位的环境约束条件，由于研究区第四系孔隙水水位埋深较浅，为了不对研究区土壤环境、地下水环境产生负面影响，综合考虑巨野河冲洪积扇作为地下水库的调蓄能力，以及大规模开发利用其第四系孔隙水可能对研究区环境不产生明显影响，来确定各分区地下水位埋深的最高值和最低值[22-23]。

汛期雨洪水储存调蓄后的最高地下水位埋深取2018年11月时的地下水水位埋深(表2)；由于各区的地下水位埋深值不一致，因此取各区平均值做为各区雨洪水储存调蓄后的最高地下水位埋深值。

表2 地下水位埋深统计一览表

由于研究区第四系孔隙水利用率较低，现状条件下为农田作物种植区的季节性集中开采及蔬菜、经济作物全年持续性少量开采，最低地下水位埋深取值以现状条件下枯水期值为基础，结合拟大规模开发利用时增加的降深值做为最低埋深限值。Ⅰ区水位埋深枯水期大多在10m左右，Ⅱ区水位埋深枯水期大多在12～13m左右，Ⅲ区水位埋深枯水期大多在15m左右。考虑到各区的富水性有所差别，Ⅰ区富水性条件较好，大规划开采第四系孔隙水资源时所激发的水位降深取值为3m，Ⅱ区富水性中等，激发的水位降深取值为5m，Ⅲ区富水性相对最差，激发的水位降深取值为8m，故Ⅰ区最低水位埋深取值为13m，Ⅱ区最低水位埋深取值为17m，Ⅲ区最低水位埋深取值为23m。各分区水头升高值见表2。扇缘Ⅰ区水头升高值为7.45m，扇中Ⅱ区水头升高值为12.56m，扇顶Ⅲ区水头升高值为18.06m。

3.6.3 储存调蓄量计算

巨野河冲洪积扇储存调蓄量主要是指在人为干预条件下，对研究区地质环境、地下水环境不产生负面影响的最高水位与开采条件下达到的最低水位之间的储存量[24-27]。根据公式5，经计算巨野河冲洪积扇内地下水储存调蓄量为2592.45万m3(表3)。

表3 研究区第四系孔隙水储存量 单位：m3

3.6.4 出水能力与出水方式

巨野河冲洪积扇含水层岩性从南部扇顶的粒径一般5～8cm卵砾石向北部扇缘2～3cm的卵砾石、中粗砂过渡。根据冲洪积扇各区抽水试验成果分析：扇顶Ⅲ区渗透系数为9.72m/d，影响半径为599.57m；扇中Ⅱ区渗透系数为36.68m/d，影响半径为784.92m；扇缘Ⅰ区渗透系数为19.93m/d，影响半径为465.20m。从渗透系数可以看出，从扇顶向扇缘单井出水量逐渐增强。从单井的抽水量和抽水稳定时间来看，抽水时很快达到水量、水位的平衡稳定状态，具备良好的供水条件。根据本次抽水试验情况，抽水方式可以采取潜水泵取水方式。

3.6.5 回灌补水能力与回灌补水方式

根据冲洪积扇各区回灌试验成果分析：扇顶Ⅲ区回灌水量275m3/d，水头高度为1.90m，渗透系数为9.64m/d，影响半径为59.62m。扇中Ⅱ区回灌水量1459m3/d，水头高度为4.26m，渗透系数为17.99m/d，影响半径为192.58m。扇缘Ⅰ区回灌水量935m3/d，水头高度为3.44m，渗透系数为17.71m/d，从渗透系数可以看出，从扇顶向扇缘单井出水量逐渐增强。从单井的回灌量和回灌稳定时间来看，回灌时很快达到水量、水位的平衡稳定状态，说明巨野河冲洪积扇具有较强的回灌储水条件。

地下水补给方式有很多种，研究区雨洪水储存调蓄砂、卵砾石层最浅埋深在深度10m，最深可达100m左右，结合山前河流冲洪积扇的水文、地貌、水位、含水砂、卵砾石层的埋藏情况，选择深井回灌作为雨洪水储存调蓄的补给方式。

4 结论

(1)巨野河冲洪积扇具有较好的雨洪水储存调蓄潜力，含水层由砂、卵砾石层组成，具有相对天然的封闭储水条件；在不引起环境负效应的前提下，储存调蓄量为2592.45万m3；储存调蓄水源主要来自于大气降水、河水、水库泄洪放水、汛期山区洪水以及污水处理厂中水，储存调蓄资源量充足，回灌、出水条件良好，补给方式为深井回灌方式。

(2)通过对巨野河冲洪积扇雨洪水储存调蓄研究，查明影响河流冲洪积扇调蓄能力的影响因素有冲洪积扇的面积、砂层岩性及厚度、砂层的储水系数等，可为济南市系列山前冲洪积扇用于海绵城市建设中雨洪水储存利用提供参考。