長清-孝里鋪水文地質單元巖溶地下水資源量計算及開采潛力分析

薄克庭，蔡有兄

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南　250014)

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長清-孝里鋪水文地質單元巖溶地下水資源量計算及開采潛力分析

薄克庭，蔡有兄

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南250014)

在收集利用前人研究成果的基礎上，計算巖溶地下水補給資源量，通過調查統計獲得巖溶地下水開采資源量，采用水均衡法和數值法計算巖溶地下水可增采資源量，并分析增采潛力。通過水文地質條件分析，將歸德鎮附近富水地段作為增采潛力開采區，最后提出巖溶地下水開發利用建議。

水文地質單元；巖溶地下水；潛力分析；長清-孝里鋪；濟南市

引文格式：薄克庭，蔡有兄.長清-孝里鋪水文地質單元巖溶地下水資源量計算及開采潛力分析[J].山東國土資源，2015,31(12)：37-42.BO Keting，CAI Youxiong. Calculation of Karst Groundwater Resources and Analysis on Exploitation Potentiality of Changqing-Xiaolipu Hydrogeologic Unit[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(12)：37-42.

1　研究區范圍及水文地質條件

1.1研究區邊界條件

長清-孝里鋪水文地質單元位于泰山隆起的西北翼[1]，跨濟南市長清區、平陰縣和德州市齊河縣，總面積約935.40km2(圖1)。西部以牛角店斷裂和黃山巖脈為界，其中牛角店斷裂為一透水斷裂，在黃河以北構成透水邊界，黃山巖脈在黃河以南構成阻水邊界。東部邊界以馬山斷裂為界，斷裂兩盤地層相對錯動較大，形成了2個斷塊地質體，即長清-孝里鋪和濟南泉域2個水文地質單元。長清-孝里鋪水文地質單元內的新周莊以南至崗辛莊段，斷層E、W兩盤地層巖性及巖溶發育情況存在較大差異，此段斷層阻水。新周莊南至老屯段馬山斷層長約6.1km，斷層E盤巖性主要為奧陶紀馬家溝群北庵莊組和土峪組的灰巖，泥灰巖，W盤巖性為馬家溝群五陽山組的灰巖，斷層兩盤都為巖溶發育的灰巖，富水性較好，但根據以往群孔抽水試驗和動態觀測等資料表明，該段斷層顯示了一定程度的阻水作用①。老屯至前隆段長約2.50km，在鉆孔揭露深度內，斷層E盤為馬家溝群五陽山組的灰巖，斷層W盤為馬家溝群五陽山組、閣莊組和八陡組灰巖，巖溶均發育，富水性好，反映了斷層具良好的透水性。雖然老屯以北至前隆段為透水性質，但與整條馬山斷層的長度和主要作用相比是局部的。因此，把馬山斷層作為長清-孝里鋪水文地質單元與東部濟南泉域水文地質單元的邊界。北部邊界以東阿斷裂為界，該斷裂自東阿縣高集鎮，向東北經齊河縣趙官鎮、胡官屯鎮東部出境，斷裂總體走向NE40°，傾向NW，傾角85°,總長度達100km。該斷裂ES盤寒武紀、奧陶紀與WN盤石炭紀、二疊紀直接接觸，斷裂兩側落差大于2500m，為高角度的張性阻水斷裂。南部以地表分水嶺為界，分水嶺西起黃山巖脈，經賢子峪，冷飯店、興隆鎮南，玉皇頂、木閣寨北等制高點至雙山東南研究區。另外鑒于南沙河水對巖溶水的補給，南部補給區范圍在東南部已越過馬山斷層南段，以南沙河北支與北沙河的地表分水嶺為邊界，即從崗辛起向東沿黃石崖、桃花峪分水嶺為界。調查證實，地下分水嶺可以用地表分水嶺近似代替，構成南部地下水邊界。

1—斷層及推測斷層界線；2—透水斷層；3—弱透水斷層；4—阻水斷層；5—巖脈；6—地下(地表)分水嶺 圖1　長清-孝里鋪水文地質邊界圖

1.2研究區水文地質條件

1.2.1含水巖組劃分及其特征

根據含水層巖性組合特征及地下水的賦存條件、富水程度，將研究區含水巖組可劃分為松散巖類孔隙水含水巖組、碎屑巖類裂隙水含水巖組、碳酸鹽巖裂隙-巖溶含水巖組、碎屑巖夾碳酸鹽巖溶-裂隙含水巖組和塊狀巖類含水巖組。由于研究區地下水主要賦存在碳酸鹽巖裂隙-巖溶含水巖組中，因此該文只對碳酸鹽巖裂隙-巖溶含水巖組進行說明。根據研究區水文地質條件該含水巖組分為三山子組-馬家溝群含水亞組和寒武紀張夏組含水亞組。

三山子組-馬家溝群含水亞組含水層巖性為厚層純灰巖、白云質灰巖、灰質白云巖、白云巖和泥質灰巖。巖溶裂隙發育，導水性強，有利于地下水的補給、徑流和富集，在重力作用下，形成一個具有統一水面的含水體。在低山丘陵區灰巖直接裸露地表，巖溶裂隙發育，有利于大氣降水的滲入補給，為巖溶地下水的補給徑流區，單井出水量一般小于100m3/d。在地形、構造及地表水補給有利處，單井出水量可大于500m3/d，地下水位埋深50～100m，甚者大于100m，水位年變幅20～50m。丘陵及部分島狀山分布區，含水層主要為奧陶紀灰巖，富水性中等，單井出水量100～1000m3/d，局部地段由于構造控制，單井出水量可大于1000m3/d。山前傾斜平原以及單斜構造前緣，含水層巖溶裂隙發育，地下水儲存于裂隙溶洞中，一般單井出水量可達1000～5000m3/d，局部地區大于10000m3/d[2]，水位埋深小于10m，局部地區自流，水位年變幅3～4m。

寒武紀張夏組含水亞組主要分布在研究區南部山區和北部平原區，南部山區絕大部分裸露地表，北部均埋藏于奧陶紀地層或寒武紀地層之下，巖性以鮞狀灰巖為主，其次為白云質條帶細晶灰巖。該含水層上、下由具有相對隔水作用的崮山組和饅頭組的頁巖構成頂、底板，含水層巖性可溶性強，尤其是在巖層的頂部和底部，巖溶發育較強。該含水巖組裸露區單井出水量一般小于500m3/d，隱伏區單井出水量500～1000m3/d，局部地段大于1500m3/d*山東省地礦工程勘察院、濟南市水利局、濟南大學，濟南市地下水資源調查評價，2008年。。

1.2.2巖溶地下水的補徑排條件

三山子組-馬家溝群巖溶地下水的運動與魯中山地其他地區相似，受地形、地質、構造等因素制約較為復雜。該含水巖組的主要補給來源為大氣降水入滲補給，其次為地表水滲漏補給、第四系孔隙水補給、側向徑流補給等。排泄方式主要包括人工開采和向第四系排泄等。巖溶水的運動方向和地形及巖層的傾斜方向大體一致，在接受補給后由南向北運動。巖溶地下水在運動過程中水力坡度隨地形坡度由陡漸緩，當地下水運動至山區與平原交接帶，在北部由于受下伏石炭紀、二疊紀地層的阻擋，巖溶水向北運動受阻，產生“壅水”現象，在這些地段往往形成巖溶水的強富水區[3]。

寒武紀張夏組含水亞組裸露區多見溶槽、溶溝、溶芽，有利于大氣降水的入滲補給，因此，大氣降水是張夏灰巖的主要的補給來源之一。張夏灰巖在接受大氣降水的補給后，沿地層傾向向北部徑流，在徑流的過程中，受斷裂及構造影響，使之通過構造裂隙與上覆的奧灰巖溶水溝通，向奧灰巖溶水排泄，另一部分繼續向北進入更深的循環。

2　地下水資源量計算

2.1水均衡計算

2.1.1計算參數的確定

降水量采用長清區1953—2013年多年平均降水量0.6342m。降水入滲系數α取0.28。經計算，直接補給區面積144.66km2，張夏組灰巖區面積30.96km2。考慮到該區農灌區多位于山間河谷或山間盆地地帶，地勢低洼平緩，便于入滲，故農灌回滲系數β值取0.30。

2.1.2補給量(Q補)及排泄量(Q排)計算

根據水均衡法計算，長清-孝里鋪水文地質單元巖溶地下水多年平均條件下總補給量為6061.19萬m3/a(16.61萬m3/d)，總排泄量為5015.59萬m3/a (13.74萬m3/d)，總補給量大于總排泄量(表1)，為正均衡。

表1　巖溶水補、排項均衡計算

2.1.3可增采資源量計算(Q可采)

研究區地下水補給來源廣泛持久，補給條件優越，排泄區地下巖溶發育，富水性好，西北部又有煤系地層阻擋，各項補給量完全可以轉化為可開采量。因此，排泄量中除工農業開采量1627.90萬m3/a(4.46萬m3/d)以外，尚有4434.75萬m3/a(12.15萬m3/d)通過洼地補給第四系或轉化為地表水和徑流排泄。因此，增大人工開采襲奪通過洼地和徑流排泄量是可行的，所以，在現狀開采的基礎上，該單元可增采4434.75萬m3/a(12.15萬m3/d)巖溶地下水資源是有保障的。

2.2數值法計算

根據長清-孝里鋪水文地質單元條件，采用數值法預測分析實施開采方案對該區地下水動態及均衡的影響。通過分析資料結合前人研究成果，建立研究區的概念模型及結構模型，利用Visual MODFLOW軟件對模型進行數值計算，并根據觀測資料對模型進行識別與驗證，最后借助識別驗證好的數值模擬模型對開采方案進行模擬計算，預測分析其對地下水的影響*山東省地礦工程勘察院，濟南地區優質地下水供水水文地質調查，2015年。。

2.2.1開采方案模擬

根據水文地質調查成果，確定開采目的層位為巖溶含水層，在研究區內富水地段確定了2種開采方案，分別為：

方案一：開采井位于曹樓井組，設計單井涌水量為13333.33m3/d，共布設6個抽水井，開采量總計8萬m3/d。

方案二：位置與方案一相同。設計單井涌水量為12500m3/d，共布設8個抽水井，開采量總計10萬m3/d。

2.2.2開采方案對地下水位的影響

運行方案一后，地下水位產生明顯變化，在布井地段出現了一個明顯的地下水降落漏斗，最大降深約9.02m，位于曹樓附近，年降幅0.902m；馬山斷裂長清北排泄區水位降深約1.49m，年降幅0.149m。曹樓水源地巖溶水的開采對整體流場影響不大，雖然馬山斷裂長清北觀測孔水位下降，但依然能趨于穩定狀態，水位維持在29m附近，對濟南泉域補給量并未大幅襲奪。

運行方案二后，地下水位降落漏斗進一步擴大，曹樓最大降深為12.25m，年降幅達1.225m，馬山斷裂長清北排泄區水位降深約1.50m，年降幅為0.150m。由于開采量的加大，抽水后得不到有效補給，降落漏斗增大，水位降深加大。曹樓水源地開采量的加大，對長清北排泄區影響較小。

2.2.3數值模擬結果

根據數值模擬，增加的開采方案不僅激發了地下水補給量的增加，同時也使排泄量減少，地下水均衡狀態均呈正均衡，但有減小趨勢，均衡差分別為0.1939萬m3/d，0.1419萬m3/d(表2)。

表2　增加開采條件下地下水均衡一覽(萬m3/d)

通過數值法對巖溶水開采方案模擬分析表明，實施開采方案后，地下水水位變化明顯，在開采井附近產生地下水降落漏斗，對水文地質單元的地下水位也有一定影響。枯水系列年的方案一、方案二開采方案改變地下水均衡狀態。自然情況下，馬山斷裂為巖溶水的排泄邊界，而實施開采方案后，激化增加補給量，襲奪部分邊界排泄量，但激化與襲奪總量是有限度的，各方案計算說明連續枯水系列年條件下，尤其是考慮到趙官煤礦開采等因素，長清地區開采量不宜超過14萬m3/d(含分散開采)。若考慮東邊界以東外圍水源地，應建立長孝-濟南數值模型，統一進行地下水資源評價。

3　開采潛力分析

3.1水文地質結構良好

圖2　長清-孝里鋪水文地質單元水文地質條件圖

研究區內馬山斷裂和孝里鋪斷裂所夾的三角地帶為區內主要富水地段(圖2)。孝里鋪斷裂西側有煤系地層，厚度約200多米，構成其相對阻水邊界，東部馬山斷裂有一段為弱透水性質，奧陶紀灰巖裂隙、巖溶發育，含水層厚度大，有良好的地下水通道和儲水空間。灰巖之上覆有厚度30～200余米的第四紀地層，紅色粘土層構成了巖溶水的隔水頂板，廣大的南部山區為巖溶水的補給區，所以，構成為一個具有相對獨立補給、徑流和排泄條件的單斜構造水文地質單元。

3.2補給條件好

該三角地帶地處巖溶水的匯流區，中部有黃河水滲漏補給；南部接受大氣降水入滲徑流補給；局部地區巖溶水可得到第四紀含水層的下滲補給，主要在山前平原近山的第四系較薄處，如在前平、小屯、莊樓、前劉官莊一帶，第四紀地層厚度5～20m，底部粘土層也薄，平水期和枯水期，第四紀孔隙水水位高于下伏巖溶水水位，這時第四紀孔隙水就垂直下滲補給下部巖溶水；西部平陰水文地質單元的巖溶水通過牛角店斷裂徑流補給。因此，該水文地質單元巖溶水補給條件較好。

3.3具有較強的調蓄能力

研究區富水地段奧陶紀馬家溝群地層分布齊全，含水層厚度較大，總厚度約800～1000m，具有較大的儲水空間和較強的調蓄能力。根據長孝勘探資料，長清區顧小莊—曹樓村—墳臺村—長清西關一線富水性極強，單井涌水量大于10000m3/d。曹樓村CK1號井主要含水層為馬家溝群北庵莊組灰巖，而曹樓村西CX38號井、墳臺村CK2號井、長清西關CX39號井主要含水層為馬家溝群五陽山組灰巖，而以上地段單井涌水量均大于10000m3/d，證實了研究區富水地段含水層厚度較大，具有較大的儲水空間和較強的調蓄能力。還有以往由于受技術手段、勘探深度的限制，研究區內鉆孔深度一般為350m左右，存在下伏巖溶水含水層勘探不明的問題。根據曹樓附近CC6號鉆孔分層抽水資料，在流量相差無幾的情況下，在未揭露三山子組含水層時降深為5.61m，而在僅僅揭露三山子組上部含水層后降深減少至1.74m。這充分說明研究區內三山子組含水層富水性較好，具有進一步勘察開發利用的潛力。

3.4地下水動態分析

根據長清區歸德鎮曹樓村CK1號和城關鎮西關村CX15號鉆孔地下水水位的多年(2007—2013年)動態變化曲線可以看出(圖3)，研究區巖溶水動態具有顯著的平盤上升、平盤下降、緩降陡升的特點，遇到枯水年巖溶水水位持續緩慢下降，遇到豐水年，巖溶水在強降水的影響下，水位快速回升并得到完全恢復。2006年研究區降水量僅為475.3mm，為枯水年，該年降水量比多年平均降水量702.19mm(1953—2013年)少226.89mm，有效降水量太少，對巖溶地下水的入滲補給明顯不足，導致水位持續下降，于2007年6月出現最低水位。2007年降水量717.6mm，地下水位于7月份逐漸上升，一直到12月才開始下降。2008年、2009年降水量基本相當，區域地下水水位較為穩定。2010年降水量838.3mm，為豐水年，但7月份之前，降水量極少，對巖溶水入滲補給不足，導致2010年枯水期水位為多年枯水期最低水位。7月中旬以后降雨異常集中，地下水位急劇上升， 到9月普降大雨后，出現多年豐水期最高水位。受2010年豐年的影響，2011年枯水期巖溶地下水水位仍然較高，為多年枯水期水位最高的一年。2011年、2012年降水量分別為556.9mm，610.2mm，較2010年偏少，豐水期地下水位上升幅度較小，水位一直處于穩定狀態。2013年降水量為791.1mm，地下水位在7—8月回升，豐水期水位較前兩年高，9月中旬水位下降，進入消耗階段。

圖3　研究區巖溶水水位多年動態曲線圖

研究區巖溶水在遇到2010年豐水年后，水位大幅升高，1個豐水年完全補償了所消耗的儲存量。根據多年水位動態觀測資料，CK1，CX15自2007年1月至2013年12月，水位分別上升了0.19m和0.64m，反映研究區巖溶水具有較好的調蓄功能和極強的補給能力，具有一定的開采潛力[4]。

4　結論與建議

4.1結論

綜合考慮研究區水均衡法和數值法計算結果，確定研究區可增加開采資源量10萬m3/d。目前開采條件下，巖溶地下水具有較大的增采潛力。

4.2建議

(1)根據研究區巖溶水水文地質條件，進一步優化地下水動態監測網，加強工作區巖溶地下水水質、水量、水位的長期監測工作。特別要注意監測水源地開采后的影響范圍和出現的地質環境問題。同時也為今后開展各項水文地質勘查、建立地下水資源信息系統及管理模型等工作積累必要的基礎資料[5]。

(2)加強地下水資源環境保護，防止水質污染。對研究區巖溶地下水污染區，盡快采取有效的防治措施，以免污染范圍進一步擴大，同時應加強對地下水可能造成污染的工業三廢、生活垃圾、農藥化肥等排放和使用量的控制，絕對禁止其污染物隨意就地排放和不達標排放[6]。

(3)嚴格新增水井定點和成井的檢查驗收工作。新增水源井井位、井深和取水層位必須有行政主管部門統一確定，并制定嚴格的質量驗收制度，以杜絕諸如盲目打井、混合串層開采等不合理現象的發生。

(4)農業用水應盡可能用地表水替代，減少巖溶水開采量。

[1]宋明春，王沛成，梁邦啟，等.山東省區域地質[M].濟南:山東省地圖出版社，2003.

[2]徐軍祥，康鳳新，張中祥，等.山東省重大水文地質問題—理論技術創新與應用[M].濟南：山東科學技術出版社，2014，198-199.

[3]邢立亭，徐軍祥，張偉.濟南泉域巖溶地下水環境演化及保泉對策研究[A]//山東省地礦局主編.山東省環境地質文集[C].北京：地質出版社，2007：31-37.

[4]陳洪年，張文才，戴振芬.雙村巖溶水系統多年開采動態分析及潛力評價[A]// 山東省地礦局主編. 山東省環境地質文集[C].北京：地質出版社，2007：83-86.

[5]高明志，尚宇寧，高明玲 ，等.濟南地下水環境保護研究[A]// 山東省地礦局主編.山東省環境地質文集[C].北京：地質出版社，2007：38-42.

[6]史啟朋，王博倫，趙慶令，等.官橋斷塊地下水資源量分析評價[J]. 山東國土資源，2013，29(9)：61-64.

Calculation of Karst Groundwater Resources and Analysis on Exploitation Potentiality of Changqing-Xiaolipu Hydrogeologic Unit

CAI Youxiong

( Shandong Geo-engineering Exploration Institute，Shandong Jinan 250014 ，China)

Based on the collection and utilization of previous study results, amount of recharge resources accounts of karst groundwater has been calculated. Through investigation and statistics, karst groundwater exploitation resources has been obtained. The recoverable resources of karst groundwater which can be increased by using water balance method and numerical method have been calculated, and the increasing production potentiality has been analyzed. According to analysis on hydrogeological condition, rich water section near Guidezhen town will be regarded as increasing production potentiality mining area. Suggestions for the exploitation and utilization of groundwater have been put forward .

Hydrogeological unit; karst groundwater; potentiality analysis; Changqing-Xiaolipu; Jinan city

2015-02-04；

2015-03-07；編輯：陶衛衛

薄克庭(1975—)，男，山東鄒城人，工程師，主要從事水工環和樁基礎施工工作；E-mail:bocaiyu_2009@sina.com

P641.8

B

①山東省地質礦產局八0一水文地質工程地質大隊，長清-孝里鋪水源地供水水文地質勘探報告，1986年。