山东省泰安市岩溶地下水系统划分及循环模式分析

高菡 宋一心 刘博瀚 陈小雪

摘要：为细化岩溶水系统划分，以更加精细地进行岩溶水资源开发与利用，对山东省泰安市巖溶地下水系统进行厘定，分析了其岩溶水循环模式。结果表明：泰安市岩溶地下水资源丰富但分布不均，依据划分原则与方法，可划分为2个一级岩溶水地下水系统，6个二级岩溶地下水系统；岩溶水循环模式分为单斜盆地循环模式和岩溶断块循环模式两类，不同循环模式具有相对不同的循环特征与规律。依据水文地质条件不同，岩溶水循环可分为浅、中、深三种循环机理。

关键词：岩溶地下水系统；岩溶水循环；山东省泰安市

中图法分类号：P641 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.005

文章编号：1006-0081（2024）02-0029-05

0 引 言

岩溶水资源以相对独立、规模大小不等的岩溶系统进行循环，在城市发展和工农业用水中发挥着重要作用。20世纪60年代，托特（Tóth）提出了复杂盆地下的地下水流结构特征，将流动系统理论推广到了非均匀介质场，奠定了地下水系统理论的基础。中国正式开始对地下水流系统的研究是在20世纪80年代，陈梦熊等总结了地下水系统概念及其理论，介绍了其研究方法；梁杏等提出对地下水流系统数值模型进行应用研究，拓宽了地下水系统的研究方法。随着水文地质学者陆续将地下水系统应用到区域水文地质工作中，地下水系统理论与方法也日趋完善，先后完成了西南岩溶水系统、华北平原、鄂尔多斯盆地、黄河流域等地区地下水系统划分工作。

泰安市地处山东省鲁中地区，主要含水层为古生代寒武-奥陶系碳酸盐岩；受多期构造影响，形成了大小不同、相对独立完整的岩溶地下水系统单元。1987年，山东省开展了岩溶水系统的划分研究工作，将山东省划分为3个水文地质区，后又细化为14个水文地质亚区、70个水文地质小区，并沿用至今。近年来，由于研究区内岩溶水资源被大量开采，区内地下水资源环境发生了一系列变化，岩溶系统边界也需要进一步厘定，亟需开展新的岩溶系统划分工作。本文充分考虑地质构造单元、地表水流域及地下水流向等因素，进一步分析区内岩溶水资源赋存特征与循环规律，明确各岩溶水系统边界条件及系统特征，为区内岩溶水资源合理开采与可持续开发利用提供科学指导。

1 研究区概况

1.1 气象水文

研究区属华北暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明。常年平均气温12.8 ℃，无霜期200 d左右。区内多年（1958～2018年）平均降水量为697 mm，受季风气候影响，年际降水变幅较大。

区内主要水系为大汶河水系，为黄河重要支流，主要汇集泰山东、南、西麓诸水与徂徕山周围诸水。柴汶河、瀛汶河、石汶河、泮汶河以及牟汶河为大汶河的主要集水区，面积5 655 km，占全流域的62.4%。自东向西流经莱芜、新泰、泰安、肥城、宁阳、汶上、东平等县、市，汇注东平湖，出陈山口后入黄河。河流长208 km，流域面积为9 069 km。主要水库有东平湖、角峪水库、黄前水库等。

1.2 地质构造

研究区位于中朝准地台鲁西断块隆起西北部，分布区内泰山凸起、新甫山凸起、蒙山凸起（西段）、东平凸起、布山凸起、泰莱凹陷、肥城凹陷、汶口凹陷、汶东凹陷、蒙阴凹陷、汶上-宁阳潜凹陷，构成了“五凸六凹”的构造格局，影响区内地形地质特征、水文地质单元划分、地表水系发育及地下水分布等。主要构造体系包括北西向构造、近东西向构造、旋扭构造和新华夏系构造。地层出露齐全，构造凸起由太古界变质岩系构成，盆地南侧、西侧寒武系-奥陶系沿边界线条带状展布，且在盆地北部弧形断裂带内断续分布；在盆地内，上古生界石炭系、二叠系、中生界侏罗系、白垩系、新生界古近系多隐伏于第四系之下，局部出露；第四系在盆地内广泛分布。

1.3 水文地质条件

研究区含水岩组类型齐全，分为松散岩类孔隙含水岩组、碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组、碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组和岩浆岩、变质岩类裂隙含水岩组4种类型。

如图1所示，寒武-奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组分布于各盆地外围，是区域内最重要的含水岩组，也是主要供水目的层；岩浆岩、变质岩类裂隙水含水岩组分布于各盆地外围补给区，范围大，但水量不丰富，仅能满足分散开采、小水量需求；碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组在各盆地内广泛分布，富水性及水质差，不具供水条件，但边缘的灰质砾岩、半固结砂砾岩为强富水含水层，水质良好；第四系松散岩类孔隙含水岩组分布于各盆地及山间河谷，富水性受地下水补给条件及厚度限制，其中强富水地段可成为供水水源地。研究区内地下水运动由四周分水岭地带向中间汇流，然后向西排泄；各盆地南部岩溶水运动具有单斜构造自流盆地特征，北部则为断块内短径流、径流受阻后排泄。

高 菡 等 山东省泰安市岩溶地下水系统划分及循环模式分析2 岩溶地下水系统划分条件

2.1 岩溶区边界

在20世纪90年代，山东省主要开发利用碳酸盐岩顶板埋深200 m以浅的浅部循环岩溶水。随着岩溶地质工作及地热地质工作的深入开展，岩溶热储勘察深度达到了深部（3 000 m）。杨询昌等研究认为，埋深大于3 000 m的深部岩溶基本不发育；冯亚伟等在开展山东省岩溶区研究时以岩溶热储埋深3 000 m以浅作为岩溶区边界。通过收集以往相关钻孔资料及此次钻孔资料，结合研究区内地层结构、岩溶发育程度分析，发现岩溶发育特征集中分布在400 m以浅，400～1 000 m段岩溶少量发育。因此，将碳酸盐岩顶板埋深1 000 m作为岩溶区埋藏边界。

2.2 划分原则

（1）岩溶地下水系统是以岩溶水为主要地下水類型的地下水系统。应在自然状态下的地下水流场与含水岩组条件下进行系统划分。

（2）岩溶水系统必须具有完整、独立的岩溶补给、径流、排泄特征，且系统边界要清晰明确；系统内部不同含水层岩溶水水力联系密切。

（3）结合以往水文地质分区及相关资料，在最新1∶50 000水文地质调查及现有调查成果资料的基础之上，进行岩溶水系统划分。

2.3 划分依据

2.3.1 一级岩溶水系统

一级岩溶水系统一般具有明显的水文地质特征，且有完整、统一的补给径流排泄区；主要依据岩溶水流系统与岩溶水流向进行划分。一级岩溶水系统应具有完整的区域水循环体系，系统内水动力场、水化学场具有明显的统一性，符合水循环的变换规律，一般处于同一构造单元内，边界主要以深部大断裂、盆地分水岭或流域分水岭为主。

2.3.2 二级岩溶水系统

二级岩溶水系统主要依据区内地下水流系统分区特征进行划分，其边界条件主要包括地表分水岭、断裂构造、隔水边界及滞流边界等。

（1）地表分水岭。研究区内岩溶水系统主要发育于鲁中低山丘陵山区，多期岩浆侵入构造了高低起伏的地形地貌，发育了不同流域的地表水系。地表分水岭构成了不同水流系统边界条件，如区内泰安盆地与肥城单斜之间，由岩浆岩形成的地表分水岭构成了其边界条件。

（2）断裂构造。多期断裂构造发育造成了地层错动，形成了阻水边界。断裂往往会切割地下含水岩组，造成断裂两侧岩性错动，破坏地下水动力场与化学场，形成两个没有或只有少量物质交换的地下水流系统。如新汶盆地与汶口-汶东盆地之间，禹村断裂、洪沟断裂切断了两侧水力联系，形成了不同次级岩溶水系统。

（3）隔水边界与滞流边界。隔水边界主要指受地层岩性影响形成不透水地层、构成系统的外部边界。滞流边界主要指相对阻水但仍有少量地下水通过，当含水岩组达到一定深度时，该段地下水流动缓慢而形成的边界，如莱芜盆地北边界多以岩溶水滞流边界作为系统边界。

3 岩溶地下水系统划分结果

依据上述划分原则及依据，将研究区划分为2个一级岩溶水系统：东平-莱芜盆地岩溶水系统（Ⅱ）和宁阳-新泰盆地岩溶水系统（Ⅱ）。其中东平-莱芜盆地岩溶水系统又进一步划分为肥城单斜（Ⅱ）、泰安盆地（Ⅱ）和芦泉屯断块（Ⅱ）3个二级岩溶水系统；宁阳-新泰盆地岩溶水系统划分为汶口-汶东盆地（Ⅱ）、新汶盆地（Ⅱ）、军屯断块（Ⅱ）3个二级岩溶水系统。具体划分结果与依据见图1和表1。

4 循环模式与资源分析

4.1 循环模式分析

受区域地质构造影响控制，不同岩溶水系统呈现出不同的岩溶水循环模式。将研究区内岩溶水循环模式划分为单斜盆地循环模式和岩溶断块循环模式两类。两种模式具有不同的岩溶水补径排特征及富水规律。

4.1.1 单斜盆地循环模式

研究区内肥城单斜岩溶水系统、泰安盆地岩溶水系统、汶口-汶东盆地岩溶水系统和新汶盆地岩溶水系统属于单斜盆地循环模式。该模式具有浅部径流、循环迅速、富水不均等特点，大气降水及裂隙水为其主要岩溶水补给来源，人工开采及泉出流构成了其主要排泄方式。

鲁中南地区受多期岩浆岩活动影响，太古界基底岩体隆升，断裂构造发育，造成古生代地层发生掀斜，形成了多个倾向北、北东的单斜构造盆地。各盆地两侧构造抬升造成了地下水运动的主要动力势差，古生代碳酸盐岩含水岩组接受大气降水补给及南部岩浆岩变质岩区裂隙水补给后，在重力驱动下沿寒武统朱砂洞组层间岩溶裂隙、寒武系含水层组溶隙及断裂沟通裂隙组成的裂隙网络，向盆地腹部地势低洼处径流，如图2所示（根据刘元晴等的图片修改）。地下水径流方向与岩层倾向一致。

在盆地腹部，中生代砂岩、泥岩等阻水地层及岩体侵入阻挡影响承压富集，部分地区沿构造裂隙及溶蚀洞穴上涌成泉。现今主要富水区多建成地下水水源地以集中开采地下水，如大武、旧县、曹楼等水源地。

4.1.2 岩溶断块循环模式

研究区内芦泉屯断块岩溶水系统、军屯断块岩溶水系统属于岩溶断块循环模式。该模式岩溶水主要接受间接补给、径流缓慢，地下水资源受构造影响明显。孔隙水下渗补给及断块周边测渗补给为岩溶水主要补给方式，人工集中开采为主要排泄方式。

泰安西部受到几条大型断裂切割作用，形成了分散的小型断块。断块受构造切割影响，整体地势较为低洼、平缓，上层多覆盖第四系松散层，下伏地层多以古生代寒武系碳酸盐岩地层为主，奥陶系地层分布面积较少。碳酸盐岩地层也呈现单斜产出，但产状较缓。岩溶水主要接受上层孔隙水的越流补给及断块两侧的侧向径流补给，仅在地势较高的小面积出露区接受大气降水补给，如图3所示。此类岩溶水径流与单斜盆地相比较为缓慢，富水地段面积小，岩溶水资源不如单斜盆地丰富。区内岩溶水排泄主要以人工开采为主。

两种循环模式受地层空间结构、岩溶裂隙发育深度、补径排条件等因素影响，又可以分为浅循环、中循环、深循环3种情况。在单斜盆地山前区域，地层较为裸露，裂隙岩溶发育较浅，主要为岩溶水的上游补给区，大部分降水入渗补给后形成浅循环径流向下游补给，少部分沿断裂向下补给下游，形成中、深循环；在盆地腹部，受地层埋深等条件影响，岩溶水富集、循环条件差，以深循环为主。在岩溶断块区域，地层大多埋深在松散沉积物以下，地下水循环条件差，主要以中、深循环为主。

4.2 岩溶水资源分析

水量均衡法是计算和评价区域地下水资源的基础方法，评价地下水资源时，应从开采条件出发，全面考虑水源地各种可能的补给量，按照开采量不超过多年平均补给量的原则来论证开采量是否具有补给保证。

依据水均衡法，通过分析各岩溶水系统补给量与排泄量，计算了各系统岩溶水可开采资源量：全区岩溶地下水可开采资源量为62 331.5万m/a，其中肥城单斜岩溶水系统为17 218.54万m/a、泰安盆地岩溶水系统为5 362.15万m/a、汶口-汶东盆地岩溶水系统为13 594.77万m/a、新汶盆地岩溶水系统为14 821.50万m/a、芦泉屯断块岩溶水系统为6 349.57万m/a、军屯断块岩溶水系统为4 984.97万m/a。

5 结 论

本文对山东省泰安市岩溶发育区的岩溶水系统进行梳理分类，分析其循环模式，得到如下结论。

（1）依据研究区划分原则与依据，将研究区划分为2个一级岩溶水系统：东平-莱芜盆地岩溶水系统和宁阳-新泰盆地岩溶水系统。其中，东平-莱芜盆地岩溶水系统又进一步划分为肥城单斜、泰安盆地和芦泉屯断块3个二级岩溶水系统；宁阳-新泰盆地岩溶水系统划分为汶口-汶东盆地、新汶盆地、军屯断块3个二级岩溶水系统。

（2）研究区内岩溶水循环模式划分为单斜盆地循环模式和岩溶断块循环模式两类，两种模式具有不同的循环机理和富水特征。

（3）研究区内岩溶水循环受水文地质条件影响，可分为浅循环、中循环和深循环。浅循环主要在单斜构造盆地山前区域，中、深循环则分布于单斜盆地内部与岩溶断块区域。

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（编辑：高小雲）

Analysis on division of karst groundwater system and its circulation

model in Tai′an City，Shandong ProvinceGAO Han，SONG Yixin，LIU Bohan，CHEN Xiaoxue

（Shandong Coalfield Geological Planning Investigation and Research Institute，Jinan 250014，China）

Abstract： To refine the division of karst water systems and achieve more precise development and utilization of karst water resources，the karst underground system in Tai′an City of Shandong Province had been determined，and the karst water cycle model had been analyzed. The results showed that the karst groundwater resources in Tai′an City were rich but unevenly distributed，according to the principles and methods of division，the groundwater system could be divided into two primary karst groundwater systems and six secondary karst groundwater systems. The karst water cycle mode could be divided into mono-clinic basin cycle mode and karst fault block cycle mode two types. Different cycle modes had relatively different cycle characteristics and patterns. According to the different hydrogeological conditions，the karst water cycle could be divided into three types，namely shallow cycle，medium cycle and deep cycle．

Key words： karst groundwater system；karst water cycle；Tai′an City in Shandong Province