臥虎山水庫(kù)對(duì)濟(jì)南泉水影響的定量分析

劉 江，李 波，楊增元，杜雪梅

(1.山東省水文水資源勘測(cè)局，山東 濟(jì)南 250014； 2.山西省第三地質(zhì)工程勘測(cè)院，山西 晉中 030620)

濟(jì)南以泉水聞名，泉水是濟(jì)南的特色和靈魂。

濟(jì)南南部山區(qū)是濟(jì)南泉域地下水的重要補(bǔ)給來(lái)源，臥虎山水庫(kù)建成后，天然狀態(tài)下的玉符河流域水循環(huán)模式發(fā)生了根本性改變，出現(xiàn)了人工側(cè)支循環(huán)圈，形成“天然-人工”雙驅(qū)動(dòng)力作用下的流域“二元”水循環(huán)模式[1]。這種“二元”模式導(dǎo)致玉符河流域水資源情勢(shì)的演變，地表水與地下水的轉(zhuǎn)化受到很大影響，從而影響到了泉水流量的大小。

目前有關(guān)濟(jì)南市的水資源評(píng)價(jià)大多是采取分區(qū)集總式的評(píng)價(jià)方法，缺乏單一因子對(duì)水資源的空間變異特征影響的專門研究。對(duì)于臥虎山水庫(kù)這一區(qū)域最大的下墊面變化因子，其對(duì)區(qū)域地下水補(bǔ)給量影響究竟有多大，至今沒有定量的計(jì)算研究。本文計(jì)算了臥虎山水庫(kù)對(duì)區(qū)域巖溶水補(bǔ)給量的影響，進(jìn)而分析對(duì)泉流量的影響。

1 研究區(qū)概況

1.1 濟(jì)南泉域

濟(jì)南泉域位于泰山穹隆的北翼，總體上是以古生代地層為主體的北傾單斜構(gòu)造。出露地層為太古界泰山巖群(Art)，古生界寒武系(∈)、奧陶系(O)、石炭系(C)、二疊系(P)和新生界第四系，泉域北部分布有中基性侵入巖體。泉域東邊界為東塢斷裂，西邊界為馬山斷裂(長(zhǎng)清西關(guān)以北為透水段)，南邊界為地表分水嶺，北以濟(jì)南巖漿巖體和石炭、二疊系煤系地層為界，面積為1486km2[2]。

1.2 玉符河

玉符河發(fā)源于濟(jì)南南部山區(qū)的錦繡、錦陽(yáng)、錦云三川。三川匯入臥虎山水庫(kù)，流出水庫(kù)后始稱玉符河，由南向北徑流，注入黃河，全長(zhǎng)41km。

表1 天然及人工調(diào)蓄狀態(tài)下玉符河徑流量對(duì)比

玉符河是典型的漏河。自水庫(kù)大壩至潘村出山口為玉符河上游河段，共17.5km屬于山間河谷，是河水直接補(bǔ)給巖溶地下水的主要河段；潘村至北店子村入黃口為玉符河下游河段，處于沖積扇上，河水與第四系孔隙水有直接聯(lián)系，與巖溶水沒有直接聯(lián)系。玉符河上游河段地表河水滲漏條件好，滲漏量大。尤其是渴馬至潘村段是河水的強(qiáng)滲漏地段，河床卵石層厚達(dá)10m，直接覆蓋在張夏灰?guī)r巖溶帶上，河水通過(guò)卵石空隙迅速進(jìn)入地下，根據(jù)水文觀測(cè)和有關(guān)試驗(yàn)[3]研究，玉符河上游河段河道滲漏能力為15m3/s，即，從臥虎山水庫(kù)壩址處來(lái)水流量小于15m3/s時(shí)，河水在出山口之前就能全部滲入地下，來(lái)水流量大于15m3/s時(shí)，多余部分可進(jìn)入下游河道。

玉符河下滲的河水是濟(jì)南泉域巖溶水的重要補(bǔ)給來(lái)源。

1.3 臥虎山水庫(kù)

臥虎山水庫(kù)位于濟(jì)南泉水的間接補(bǔ)給區(qū)，水庫(kù)控制流域面積557km2(圖1)，庫(kù)區(qū)多年平均降水量698mm，徑流量5517萬(wàn)m3，興利庫(kù)容3698萬(wàn)m3。建庫(kù)初期，水庫(kù)以防洪、農(nóng)業(yè)灌溉為主，1988年被確立為飲用水水源地，年均供水量2000萬(wàn)m3。

2 臥虎山水庫(kù)對(duì)泉域巖溶水補(bǔ)給量的影響

臥虎山水庫(kù)對(duì)濟(jì)南泉域巖溶水補(bǔ)給量的影響主要表現(xiàn)在以下3方面：河道水文特征變化對(duì)地下水補(bǔ)給量的影響、水庫(kù)灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)地下水補(bǔ)給量的影響、利用水庫(kù)放水進(jìn)行人工回灌對(duì)地下水的影響。

圖1 研究區(qū)地理位置

2.1 河道水文特征變化對(duì)巖溶水補(bǔ)給量的影響

2.1.1 河道水文特征變化

在臥虎山水庫(kù)建成運(yùn)行之前，水庫(kù)大壩附近河道長(zhǎng)年有水，水庫(kù)建成以后，水量經(jīng)過(guò)水庫(kù)的攔截調(diào)蓄，被用于灌溉和城市生活用水，河道流量減少，河道徑流的年內(nèi)、年際變化特征也發(fā)生了很大改變。通過(guò)對(duì)大壩處河道徑流進(jìn)行還原計(jì)算(表1)，可知多年平均(1971—2004年，下同)臥虎山水庫(kù)壩下河道天然徑流量6843萬(wàn)m3/a，人工調(diào)蓄后河道實(shí)際徑流量4407萬(wàn)m3/a，減少了35.6%。

2.1.2 巖溶水補(bǔ)給量的變化

根據(jù)前面分析，玉符河上游河段的滲漏能力為15m3/s，即當(dāng)來(lái)水量小于15m3/s時(shí)，在該河段能夠全部滲入地下補(bǔ)給巖溶水，當(dāng)來(lái)水流量大于15m3/s時(shí)，超過(guò)15m3/s的流量進(jìn)入下游河道。根據(jù)這一結(jié)論分別計(jì)算出天然條件下的歷年逐月巖溶水補(bǔ)給量，及水庫(kù)建成運(yùn)行后實(shí)際歷年逐月巖溶水補(bǔ)給量，對(duì)照兩種情況下的巖溶水補(bǔ)給量，分析玉符河河道水文特征變化對(duì)巖溶水補(bǔ)給影響。

表2 典型年及多年平均玉符河水對(duì)巖溶水補(bǔ)給量

玉符河上游河段河水對(duì)地下水的補(bǔ)給量按以下方法計(jì)算：當(dāng)河道來(lái)水量小于15m3/s時(shí)，地下水補(bǔ)給量等于河道徑流量；當(dāng)河道來(lái)水量大于15m3/s時(shí)，地下水補(bǔ)給量采用下式計(jì)算：

Q=15Δt

式中：Q為地下水補(bǔ)給量，m3；Δt為相應(yīng)時(shí)間間隔，s。

計(jì)算結(jié)果：天然條件下臥虎山水庫(kù)壩下玉符河水補(bǔ)給巖溶水5611萬(wàn)m3/a，人工調(diào)蓄后玉符河水補(bǔ)給巖溶水3057萬(wàn)m3/a，比天然條件下減少了45.5%(表2)。

2.2 水庫(kù)灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)巖溶水補(bǔ)給量的影響

臥虎山水庫(kù)灌區(qū)地層為雙層結(jié)構(gòu)，上覆第四系松散層厚度從數(shù)米至十?dāng)?shù)米，巖性以亞砂土和亞黏土為主，下伏地層主要為寒武系張夏組灰?guī)r及鳳山組灰?guī)r，在該地區(qū)張夏組及鳳山組灰?guī)r巖溶發(fā)育，上覆第四系孔隙水都能迅速滲漏補(bǔ)給到下伏巖溶水系統(tǒng)。

臥虎山水庫(kù)灌區(qū)主要沿玉符河分布，設(shè)計(jì)灌溉面積55.3km2，有效灌溉面積44.7km2。灌區(qū)作物主要為小麥與玉米、花生、地瓜間作。多年平均灌溉水量為1324萬(wàn)m3/a，灌溉以大水漫灌為主，灌溉入滲補(bǔ)給地下水量為252萬(wàn)m3/a。

因此，臥虎山水庫(kù)灌區(qū)多年平均農(nóng)業(yè)灌溉補(bǔ)給地下巖溶水252萬(wàn)m3/a。

2.3 回灌補(bǔ)源對(duì)泉域巖溶水的影響

濟(jì)南市為了保護(hù)泉水景觀，自2001年開始充分利用玉符河流域的地形、地層、地質(zhì)構(gòu)造及水動(dòng)力等自然條件，數(shù)次從臥虎山水庫(kù)放水補(bǔ)源。據(jù)有關(guān)監(jiān)測(cè)分析成果，補(bǔ)源水量全部在玉符河上游滲入地下補(bǔ)給了巖溶水，對(duì)市區(qū)泉群水位動(dòng)態(tài)影響明顯。

雖然回灌補(bǔ)源對(duì)于保泉作用明顯，但是由于臥虎山水庫(kù)同時(shí)擔(dān)負(fù)著為城市生活及農(nóng)業(yè)灌溉供水的任務(wù)，因此，可用于回灌補(bǔ)源的水量有限，如何解決好保泉與供水的矛盾，還需要統(tǒng)籌當(dāng)?shù)厮醇翱退?，做好科學(xué)調(diào)度[4]。

2.4 臥虎山水庫(kù)對(duì)區(qū)域巖溶水補(bǔ)給影響總量

玉符河河道水文特征變化對(duì)區(qū)域巖溶水補(bǔ)給量帶來(lái)的影響是負(fù)影響，即減少了巖溶水補(bǔ)給量；水庫(kù)灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉和人工回灌補(bǔ)源對(duì)區(qū)域巖溶水補(bǔ)給量的影響是正影響，即增加了巖溶水補(bǔ)給量。在進(jìn)行還原計(jì)算，分析河道水文特征變化對(duì)區(qū)域巖溶水補(bǔ)給量的影響時(shí)，已考慮了人工回灌補(bǔ)源引起的河道徑流量變化。因此，臥虎山水庫(kù)對(duì)區(qū)域巖溶水補(bǔ)給影響總量等于玉符河河道水文特征變化對(duì)區(qū)域巖溶水補(bǔ)給量帶來(lái)的影響與水庫(kù)灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)區(qū)域巖溶水補(bǔ)給量的影響的代數(shù)和，其影響量為2302萬(wàn)m3/a，即由于臥虎山水庫(kù)的建設(shè)，平均每年玉符河流域減少2302萬(wàn)m3對(duì)濟(jì)南泉域巖溶水的補(bǔ)給量。

3 臥虎山水庫(kù)對(duì)濟(jì)南泉水影響程度分析

3.1 濟(jì)南泉水流量衰減情況

自1959年有監(jiān)測(cè)記錄以來(lái)，濟(jì)南泉水噴涌狀況可分為4個(gè)階段[5]：①高水位常年噴涌期(1959—1968年)，該時(shí)期四大泉群長(zhǎng)年噴涌，只有1968年個(gè)別泉群出現(xiàn)季節(jié)性斷流，泉水平均流量為34.5萬(wàn)m3/d；②季節(jié)斷流期(1969—1980年)，該時(shí)期四大泉群由全部常年噴涌轉(zhuǎn)為僅個(gè)別泉群常年噴涌，高水位泉群出現(xiàn)季節(jié)斷流。泉水平均流量15.5萬(wàn)m3/d；③低水位經(jīng)常斷流期(1981—2002年)，該時(shí)期四大泉群基本上每年均出現(xiàn)春季斷流現(xiàn)象，甚至全年斷流。泉水平均流量4.56萬(wàn)m3/d。④泉水流量恢復(fù)期(2003—2009年)，自2003年9月6日趵突泉又一次復(fù)涌以來(lái)，四大泉群已持續(xù)噴涌，泉水平均流量12.8萬(wàn)m3/d。

可見，濟(jì)南泉水噴涌量呈明顯衰減趨勢(shì)。

影響泉水流量的因素主要有大氣降水量的變化、地下水人工開采量變化、下墊面條件的改變對(duì)地表、地下水轉(zhuǎn)化的影響等3個(gè)方面。臥虎山水庫(kù)則屬于下墊面條件改變的一個(gè)因子。

3.2 臥虎山水庫(kù)對(duì)濟(jì)南泉水影響程度

據(jù)有關(guān)研究，濟(jì)南泉域總面積1486km2，多年平均巖溶水補(bǔ)給量19453萬(wàn)m3/a(53.3萬(wàn)m3/d)。

自1959年開始，濟(jì)南市區(qū)4大泉群具有系統(tǒng)的泉水位及泉流量的監(jiān)測(cè)資料。監(jiān)測(cè)序列的前10年(1959—1968年)，人類活動(dòng)對(duì)濟(jì)南泉水的影響相對(duì)較小，泉域下墊面條件變化不大，泉域巖溶水人工開采量較小。1959—1968年泉域平均年降水量為698.3mm，與泉域多年平均(1956—2006年)年降水量687.5 mm基本相當(dāng)，因此，可以把1959—1968年的泉水噴涌狀況作為天然條件下的背景值。

天然條件下(1959—1968年)，市區(qū)4大泉群平均涌水量為12592.5萬(wàn)m3/a(34.5萬(wàn)m3/d)，占泉域巖溶水年總補(bǔ)給量的64.7%。按同樣比例分配，臥虎山水庫(kù)對(duì)泉域巖溶水補(bǔ)給影響總量2302萬(wàn)m3/a(6.3萬(wàn)m3/d)，其中對(duì)泉流量的影響為1489.3萬(wàn)m3/a(4.08萬(wàn)m3/d)，占天然條件下泉流量的11.8%，即在不考慮其他因素的情況下，臥虎山水庫(kù)的攔蓄運(yùn)行使市區(qū)四大泉群的泉流量削減了11.8%。

[1] 劉家宏，秦大庸，王浩，等.海河流域二元水循環(huán)模式及其演化規(guī)律[J].科學(xué)通報(bào)，2010(6)：512-521.

[2] 徐軍祥，邢立亭，佟光玉，等.濟(jì)南泉域地下水環(huán)境演化與保護(hù)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004，31(6)：69-73.

[3] 吳興波.濟(jì)南人工回灌補(bǔ)源保泉試驗(yàn)研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2004.

[4] BOUWER H.Artificial recharge of groundwater：hydrogeology and engineering[J].Hydrogeology Journal，2002，10(1)：121-142.

[5] 邢立亭.濟(jì)南泉域巖溶水環(huán)境保護(hù)[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2006(9)：601-604.