大數(shù)據(jù)在章丘區(qū)泉水保護工作中的應用

馬秀蕓，張擴成

（1.濟南市章丘區(qū)城鄉(xiāng)水務局，山東 濟南 250200；2.山東濟南市邢家渡引黃灌溉管理處，山東 濟南 250000）

1 百脈泉泉群概況

1.1 百脈泉泉群的成因

百脈泉泉域為濟南三大泉域之一，百脈泉與著名的趵突泉齊名，古有“西則趵突為魁，東則百脈為冠”的記載。泉域地處泰沂山脈北麓，泰山斷塊凸起的北緣，地理坐標：北緯 36°30′～36°45′32″，東經(jīng) 117°27′30″～117°50′。南邊界為地表分水嶺，即小清河流域與大汶河流域分水嶺，東邊界為禹王山斷層，西邊界南段為地表分水嶺，北段為文祖斷層，北邊界為底行煤埋深500m界線，面積480.7km2，其中補給區(qū)面積355km2（章丘250km2，淄博105km2），邊緣煤田區(qū)面積125.7km2（章丘89.1km2，淄博36.6km2）。

百脈泉水為奧陶系石灰?guī)r裂隙巖溶水，簡稱奧灰水，為上升泉類型。奧灰水主要接受大氣降水的入滲補給和河道的滲漏補給。大氣降水沿石灰?guī)r裂隙滲入地下后，沿巖層傾向向北東方向徑流，受北部不透水層（石炭二迭系砂頁巖含煤地層）的阻擋折向西北，源源不斷地向明水一帶匯集。明水為泉域補給區(qū)內(nèi)最低點，地面標高60m左右，匯集于明水的奧灰水，西部受文祖斷層阻擋而富集，受上覆煤系地層阻擋而承壓。明水附近，受文祖大斷層的影響，在區(qū)域應力作用下，形成了多條北北東、北北西向的斷層，不但增加了斷塊內(nèi)奧灰含水層的導水性和儲水空間，而且破壞了上覆地層的連續(xù)性，承壓的奧灰水沿斷層破碎帶裂隙或鉆孔穿越上覆地層涌出地表，形成百脈泉泉群。

百脈泉泉群主要分部于明水的東麻灣和西麻灣，其中，百脈泉、東麻灣、西麻灣、墨泉、梅花泉和凈明泉六處名泉被評為濟南新七十二名泉。

1.2 泉域自然地理概況

百脈泉域橫跨兩個地級市（濟南、淄博），4個行政區(qū)（濟南市章丘區(qū)、淄博市周村區(qū)、淄川區(qū)、博山區(qū)）。泉域地處泰沂山脈北麓，自然地勢南高北低，東高西低，海拔由南部山區(qū)800余米向北逐漸降低，明水泉口附近海拔僅60m左右。南部主要是太古界泰山群變質(zhì)巖組成的低山丘陵地形，海拔一般在600m左右；中部為古生界寒武系、奧陶系灰?guī)r組成的低山丘陵地形，海拔400～800m左右，山區(qū)地形因受巖層產(chǎn)狀影響，單面山地形較多，一般南坡陡，北坡較緩；北部逐漸過渡為山前平原。其地貌大致可劃分為侵蝕構(gòu)造低山丘陵、剝蝕堆積丘陵和堆積傾斜平原三種形態(tài)。

百脈泉域?qū)傩∏搴铀担饕拥烙袞|、西巴漏河，東巴漏河發(fā)源于淄博境內(nèi)的青龍灣，南北貫穿于章～淄邊界。西部屬西巴漏河流域，兩河流均流經(jīng)石灰?guī)r山區(qū)，河道滲漏嚴重，均屬季節(jié)性河道。

2 影響百脈泉群噴涌的主要因素

百脈泉域為一相對獨立的水文地質(zhì)單元，四周皆為不透水的零流量邊界，為泉排型巖溶泉域。具有典型的雨源型特征，巖溶地下水主要接受大氣降水的入滲補給和河道的滲漏補給。排泄方式有工農(nóng)業(yè)開采排泄、煤礦排水和泉排泄。天然狀態(tài)下，泉水是巖溶地下水的唯一排泄方式，理論上講永遠不會干涸。因此，影響百脈泉群噴涌的主要因素有大氣降水、居民生活、工農(nóng)業(yè)開采和煤礦開采。

2.1 大氣降水補給

巖溶地下水主要接受大氣降水的入滲補給和河道的滲漏補給，整個巖溶水系統(tǒng)具有多年調(diào)節(jié)性。泉水的水位和流量不僅與當年而且與去年、前年的降水量有關，若出現(xiàn)連續(xù)枯水年，地下水補給量嚴重不足，泉水出現(xiàn)長時間斷流。據(jù)章丘境內(nèi)降雨資料，如1999—2002年，為連續(xù)4個枯水年，泉域年平均降水量只有482.3mm，泉水1999年6月12日停噴至2000年11月21日，2001年3月21日再次停噴至2003年9月16日（本次長達909d）；若出現(xiàn)連續(xù)豐水年，地下水補給量充沛，泉水則持續(xù)噴涌，如2003—2005年為連續(xù)3個豐水年，泉域年均降水量842.9mm，泉水自2003年9月16日噴涌以來，一直保持良好的噴涌勢頭，而且創(chuàng)造了65.93m的歷史最高水位(2005年10月7日)。另外，由于百脈泉域補給面積相對較小，泉水逕流途徑相對較短，泉水位受大氣降水影響十分敏感，如2003年9月3日～5日，泉域平均降水量132.8mm，泉水位4日上升1.11m，5日上升3.17m，可見，受降雨影響，反應十分迅速。

泉域章丘境內(nèi)設有官莊、閆家峪、文祖、雙山和明水五個雨量站，積累了自1971年以來歷時近半個世紀（48年）的系列降雨資料。近幾年，又新增加了多處雨量觀測站，站點布設更加合理，站點布設密度增大，對研究大氣降雨對泉水的影響更加有利。另外，上游的淄博境內(nèi)也積累了多站點、長系列的降雨量資料，可一并加以認真分析研究。

2.2 人工開采地下水

人工開采是巖溶地下水的主要排泄方式之一，主要包括農(nóng)田灌溉、工業(yè)及城市生活供水和農(nóng)村人畜用水3個方面。人工開采對泉水的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一是在泉口附近大量抽排巖溶水，直接降低了泉口水位，影響泉水出流；二是在泉域內(nèi)面狀抽取巖溶水，消耗了巖溶水總量，從而減少了巖溶水從泉口的排泄量，即削減了泉水流量。

1）泉口附近開采地下水和集中供水水廠開采對泉水的影響。泉口附近原開采巖溶水的主要有西麻灣水廠、賀套水廠和城區(qū)內(nèi)的自備水源井。據(jù)省地質(zhì)局第一水文隊1979年6月16日涌水試驗資料表明，當群1、群4、群5三個井組同時涌水時，鉆孔涌水量1.413m3/s，百脈泉群的出流量由涌水前的2.665m3/s減為1.990m3/s，減小量為0.675m3/s，占涌水前總流量的25.3%。由此可見，在泉口附近抽取地下水，對泉水流量的影響是明顯的。

2003年枯水期時，泉水斷流，由于西麻灣水廠和賀套水廠的開采，形成兩個水位降落漏斗，西麻灣漏斗中心水位較周圍低0.5m左右，賀套漏斗中心水位低于周圍約3.5m，由于賀套水廠在泉口上游，形成的地下水降落漏斗對泉頭上游來水起著“截流”作用。

2005年4月1日，關閉了泉頭附近的西麻灣水廠，2017年關閉了賀套水廠，泉域章丘境內(nèi)兩處集中供水水廠停止抽水運行。兩處水廠自建成運行以來，為章丘主城區(qū)的發(fā)展發(fā)揮了至關重要的作用。同時，也積累了長系列的地下水開采資料，對研究泉水噴涌非常寶貴和重要。泉域淄博境內(nèi)先后建設了8處集中供水水廠，運行多年來，也積累了大量的地下水開采系列資料。

2）泉域內(nèi)面狀開采地下水對泉水的影響。百脈泉域橫跨兩個地級市（濟南、淄博），4個區(qū)（濟南市章丘區(qū)，淄博市周村區(qū)、淄川區(qū)、博山區(qū)），包括11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。區(qū)內(nèi)巖溶地下水是最主要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活飲用水水源，大量的面狀開采，消耗泉域地下水水資源總量，使地下水位總體下降，尤其是干旱年份，由于降雨量少，地下水開采量增加。

多年來，隨著水資源管理工作的進一步規(guī)范和嚴格，積累了一系列地下水開采量資料，是研究分析泉水影響因素的重要依據(jù)。

2.3 煤礦開采

煤系地層是奧灰?guī)r溶水的承壓頂板，構(gòu)成百脈泉域的北部邊界，是百脈泉賴以形成和存在的基本地質(zhì)條件。煤系地層中的砂巖裂隙水及層間灰?guī)r水通過斷層破碎帶裂隙與下伏的奧灰水（泉水）存在一定的水力聯(lián)系，尤其在明水附近，由于南北向斷層較多，煤系地層的連續(xù)性和完整性受到破壞，巖石裂隙度增大，煤系地層與下伏奧灰水的水力聯(lián)系增強，天然狀態(tài)下，二者處于相對平衡狀態(tài)。

煤礦開采過程中，礦井、巷道、采空區(qū)等破壞了原生的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在垂直方向和水平方向上切穿了不同的地層，形成了人為的水力聯(lián)系通道，對泉水造成了嚴重的影響。一是采空區(qū)上覆巖層由于原地質(zhì)應力平衡被打破而產(chǎn)生塌陷，形成次生巖石裂隙，造成地面沉陷，可能形成新的泉水泄漏點。二是礦坑生產(chǎn)過程中排出大量巖溶泉水，削減泉水流量。礦坑充水的來源一是煤田接受大氣降水和垂直入滲補給，二是石灰?guī)r山區(qū)地表洪水泄流經(jīng)煤田時沿河道、沖溝的滲漏補給，三是石灰?guī)r巖溶水通過斷層破碎帶向礦坑側(cè)向補給，四是煤田下伏石灰?guī)r巖溶水沿斷層裂隙向礦坑頂托補給，五是煤田中的部分鉆孔、深井（取巖溶水），由于沒下井管封閉或者封閉止水不嚴，巖溶水涌入采空區(qū)。

章丘和淄博是山東省煤炭主要產(chǎn)地之一，資源豐富，煤炭產(chǎn)業(yè)歷史悠久。近年來，隨著供給策結(jié)構(gòu)改革和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，煤炭行業(yè)發(fā)生了重大變化，章丘境內(nèi)煤礦已全部關停。多年來，積累了大量的長系列煤炭開采和排水資料，是泉水研究的重要科學依據(jù)。

2.4 泉群排泄

百脈泉泉域為一相對獨立的水文地質(zhì)單元，四周皆為不透水的零流量邊界，為泉排型巖溶泉域。天然狀態(tài)下，泉水是巖溶地下水的唯一排泄方式，理論上講永遠不會干涸。多年來，對泉水噴涌量、泉水位及泉域地下水位的觀測一直沒有間斷，各個部門為了不同的目標均開展了大量觀測工作，積累了豐富的資料。

3 條件變化分析

3.1 補給量因素

隨著城市規(guī)模的迅速擴大和人為活動的增加，泉水直接補給區(qū)面積減少；上游自然河道填埋、占壓或防滲處理，大大減少了地下水的有效補給量，同等降雨條件下，地下水的補給量減少。同時，也增加了城市防洪壓力。

近幾年，隨著社會各界保泉工作力度的加大，實施了一些增加補給量的有效措施。一是實施了人工增雨作業(yè)；二是在南部山區(qū)自然河道內(nèi)，建設了幾十處攔蓄補源保泉工程；三是新打了18眼回灌補源井；四是實施了多項調(diào)水補源保泉綜合治理工程。與自然狀態(tài)相比，補給條件發(fā)生了有利變化。

3.2 開采量因素

隨著水資源管理和保泉工作力度的不斷加大，泉域尤其是主城區(qū)供水水源結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大調(diào)整，用泉域外水資源進行替代。同時，西麻灣水廠、賀套水廠相繼停采，城市自來水管網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的自備井逐步關閉。

3.3 煤礦開采和排水因素

隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，煤炭企業(yè)全部關停，對地質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞和煤炭排水成為歷史。同時，在采空區(qū)及其附近也可能產(chǎn)生新的環(huán)境地質(zhì)問題，需要做新的調(diào)查研究。

4 建議

百脈泉泉域地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復雜，泉水噴涌影響因素眾多，而且不斷變化。泉水的研究是一個長期的過程，是一個對各種條件不斷認識和提高的過程。多年來，泉水保護和研究工作一直持續(xù)進行，積累了包括大氣降雨、地下水開采量、煤礦開采及排水、泉水流量及地下水位觀測、泉水水質(zhì)等等大量的長系列的資料，同時，根據(jù)實際工作需要，可以再建設一批地下水位、入滲補給、泉水流量等高科技的實時監(jiān)測系統(tǒng)，對泉水動態(tài)實時掌控。

數(shù)據(jù)的采集和存儲是基礎，分析研究工作尤為重要而且亟待進行?？梢酝ㄟ^互聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術手段，將這些大數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，找出各個相關影響因素的權(quán)重，制定科學規(guī)劃，為保泉決策提供依據(jù)。建立泉域水資源智能管理平臺，最后，建立泉域水資源管理數(shù)學模型，由定性管理轉(zhuǎn)型定量管理。