濟(jì)南趵突泉泉域泉群生態(tài)基流量研究

管清花，李福林，陳學(xué)群，馮 平，李成光，劉海嬌

（1.山東省水利科學(xué)研究院，濟(jì)南250013；2.山東省水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南250013；3.濟(jì)南市水文局，濟(jì)南250014）

0 引 言

濟(jì)南是全國(guó)聞名遐邇的“泉城”，泉水是濟(jì)南獨(dú)具特色的自然景觀，是濟(jì)南深厚歷史文化底蘊(yùn)的重要載體，是歷史文化名城的重要組成部分。濟(jì)南趵突泉泉域四大泉群分別為趵突泉、黑虎泉、珍珠泉和五龍?zhí)叮何恢梅植既鐖D1所示［1］。自20世紀(jì)50年代以來(lái)四大泉群噴涌的歷史演變經(jīng)歷了常年噴涌期、噴涌過(guò)渡期、衰減期和人工調(diào)控期（圖2）。50年代，泉群日均流量為36.6 萬(wàn)m3/d；1968-1980年，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，城市工農(nóng)業(yè)及生活用水量的增加，巖溶水的開(kāi)采量不斷加大，泉水流量也隨之減少，由14.29 萬(wàn)m3/d 減至9.39 萬(wàn)m3/d，個(gè)別泉出現(xiàn)暫時(shí)斷流的現(xiàn)象［2］；80年代，濟(jì)南市用水量急劇增大，巖溶水位隨著開(kāi)采量的增加而快速下降，平均泉水流量最大不超過(guò)13 萬(wàn)m3/d，一般在8 萬(wàn)m3/d 以下，泉水出現(xiàn)間歇性斷流；2001年以后，濟(jì)南市通過(guò)增大玉清湖和鵲山水庫(kù)引黃供水量，逐步減少地下水開(kāi)采量；并通過(guò)玉符河放水回灌等措施，至2001年9月17日趵突泉得以復(fù)涌［3］；近幾年，趵突泉泉群保持噴涌狀態(tài)，但是在降水量偏低年份趵突泉的水位則在28.15 m 的黃色警戒線徘徊，甚至接近紅色預(yù)警水位，其中2016年6月3日趵突泉的水位僅為27.95 m，直逼紅色預(yù)警線；2019年5月份，趵突泉的水位又一次逼近紅色預(yù)警線，面臨停噴危險(xiǎn)，保泉形勢(shì)依然嚴(yán)峻［4］。

圖1 四大泉群位置分布圖Fig.1 Location distribution of four spring groups

圖2 1959-2014年趵突泉泉群泉流量變化圖Fig.2 Flow change of Baotu spring from 1959 to 2014

泉水是地下水的重要排泄方式，濟(jì)南市的趵突泉泉水首先是重要的景觀水體，泉水以景觀利用為主；其次是重要的生態(tài)補(bǔ)水水源，泉水最終補(bǔ)給河川徑流，對(duì)維持河流、湖泊等水體生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)揮著重要作用［5］。多年來(lái)濟(jì)南市在泉水保護(hù)方面做了大量的工作，相繼出臺(tái)了《濟(jì)南市名泉保護(hù)總體規(guī)劃》、《泉水直接補(bǔ)給區(qū)雨水集蓄入滲技術(shù)規(guī)程》等，通過(guò)減少巖溶地下水開(kāi)采、引江引黃水置換地下水源、回灌補(bǔ)源、泉水補(bǔ)給保護(hù)區(qū)的劃定與管控、重點(diǎn)滲漏帶生態(tài)修復(fù)等技術(shù)手段保障泉水的可持續(xù)噴涌。多年來(lái)學(xué)者對(duì)于泉水流量的研究也以均值、最大最小流量、流量的衰減模擬以及影響流量變化的因素等研究為主［6］，注重的是泉水的景觀效應(yīng)，但是對(duì)于較為穩(wěn)定的排泄量的生態(tài)基流量的研究較少，基流是較為穩(wěn)定的地下水徑流過(guò)程，其年際和年內(nèi)變化較小，對(duì)維持河流、湖泊生態(tài)流量有著極為重要的意義，泉水的基流量對(duì)流域水文演變、河流物種演化、生態(tài)系統(tǒng)健康等具有重要作用［7］。文章重點(diǎn)研究趵突泉泉群的生態(tài)基流量，以及下游重點(diǎn)河道的生態(tài)需水量，分析濟(jì)南市的巖溶泉水對(duì)河流、湖泊等生態(tài)系統(tǒng)的影響。

1 BFI方法與圖解

1.1 基流分割法

基流是地下水補(bǔ)給河川徑流的水量，也指來(lái)源于地下水或其他延遲部分的徑流［8］，是枯水季節(jié)河川徑流的主要補(bǔ)給來(lái)源。Smakhtin 和Batchelor［9］指出基流是地下儲(chǔ)水量對(duì)徑流的貢獻(xiàn)。按照原理的差異，基流計(jì)算方法主要分為圖解法、水文模型法、同位素法、數(shù)學(xué)物理法及數(shù)值模擬法等5 種方法［10］。基流分割法是通過(guò)分割實(shí)測(cè)徑流序列，將地下水補(bǔ)給形成的那部分徑流量分割出來(lái)的方法。基流分割是指：河水（泉水）流量可以分成基流和洪流，其中基流量等于地下水的補(bǔ)給量。基流指數(shù)法（Base flow index，簡(jiǎn)稱BFI）［11］，由英國(guó)水文所1980年提出，是以基流指數(shù)為權(quán)系數(shù)來(lái)計(jì)算基流量的方法，基流量與徑流量的比值稱之為基流指數(shù)，BFI越大，相應(yīng)徑流的動(dòng)態(tài)變化就越小。BFI 方法首先將年內(nèi)日流量過(guò)程按照給定的時(shí)間間隔（N，d）分割成365/N個(gè)時(shí)間段，接著確定每個(gè)時(shí)間段內(nèi)流量的最小值，然后將局部極小值與相鄰時(shí)段的流量最小值進(jìn)行比較，若該流量的最小值與拐點(diǎn)檢驗(yàn)因子（turning point test factor）的乘積小于相鄰時(shí)間段的流量最小值，則可確定該點(diǎn)為拐點(diǎn)；重復(fù)上述過(guò)程，確定出流量過(guò)程線上的所有拐點(diǎn)并依次連接，連線以下的面積即為計(jì)算的基流量［12，13］。具體模型過(guò)程為：

若：λqi/qi+1＜1且λqi/qi-1＜1，則：

式中：N為計(jì)算時(shí)間間隔；Q為計(jì)算時(shí)間段的流量；Q（d）min為計(jì)算時(shí)間段的最小流量；λ為檢驗(yàn)因子，一般取值0.9；qi為最小流量；p為拐點(diǎn)值。

1.2 水文圖解模擬生態(tài)基流量

在基流分割圖上，是在流量過(guò)程線圖上確定出所有低值點(diǎn)，即形成具有數(shù)學(xué)意義的拐點(diǎn)，所有拐點(diǎn)所形成的面積為基本生態(tài)基流量。本次利用基流分割法做泉流量的水文圖解模擬，確定巖溶泉水的基流量以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的補(bǔ)給量（如圖3），曲線為泉流量變化情況，通過(guò)局部極小值與相鄰時(shí)段的流量最小值進(jìn)行比較，確定該點(diǎn)為拐點(diǎn)，通過(guò)連接拐點(diǎn)確定泉水的基流量。

圖3 基流分割法確定基流量模型圖Fig.3 Model of base flow segmentation method to determine the base flow

本次以濟(jì)南市區(qū)四大泉群趵突泉、黑虎泉、五龍?zhí)丁⒄渲槿獮榇恚ㄟ^(guò)長(zhǎng)序列的流量監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行基流量的分析計(jì)算，計(jì)算典型年情況下泉水補(bǔ)給河流的生態(tài)水量。

2 趵突泉群生態(tài)基流分析

從成因上說(shuō)，濟(jì)南泉水屬侵蝕—接觸泉［14，15］。當(dāng)河流接受泉水補(bǔ)給時(shí)，可利用基流分割法確定地下水對(duì)河水的補(bǔ)給量。根據(jù)趵突泉、五龍?zhí)丁⒄渲槿⒑诨⑷膶?shí)測(cè)泉流量數(shù)據(jù)，基流是通過(guò)分割實(shí)測(cè)徑流序列而獲得的，基流量與徑流量的比值成為基流指數(shù)（BFI）。為提高基流分割法計(jì)算基流量的可靠性和代表性，趵突泉泉群噴涌的基流計(jì)算采用近1999-2014年的泉流量系列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，頻率年分別選擇豐水年（P=25%）為2005年，平水年（P=50%）為2010年，特枯年（P=95%）為2014年。

2.1 穩(wěn)定N值

3個(gè)水文年，趵突泉、五龍?zhí)丁⒄渲槿⒑诨⑷幕髦笖?shù)與N值的關(guān)系如圖4所示。

從不同典型年四大泉群基流指數(shù)BFI與N值關(guān)系曲線圖（圖4）可以看出，四大泉群當(dāng)N≥10 時(shí)，各水平年基流指數(shù)趨于穩(wěn)定，因此選取N=10計(jì)算四大泉群的基流量。

圖4 趵突泉泉域四大泉群基流指數(shù)BFI與N值關(guān)系圖Fig.4 Diagram of BFI index and N of Baotu spring

2.2 生態(tài)基流量及基流指數(shù)

利用基流指數(shù)法（BFI），對(duì)濟(jì)南市區(qū)四大泉群進(jìn)行了泉流量計(jì)算、分析基流量及基流指數(shù)。趵突泉、黑虎泉、五龍?zhí)丁⒄渲槿拇笕喝髁康谋O(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為7日，根據(jù)不同典型年四大泉群基流指數(shù)BFI與N值關(guān)系曲線圖，選取N=10即每月三日泉流量作為每個(gè)時(shí)段的流量最小值，分別對(duì)四大泉群各典型年泉水流量與基流量進(jìn)行計(jì)算分析。四大泉群泉水流量與基 流量計(jì)算結(jié)果如圖5、表1所示。

圖5 泉流量與基流量計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation results of spring flow and base flow

由圖5、表1可以看出，四大泉群豐水年份泉水流量為12 112.32 萬(wàn)m3/a，基流量為9 409.45 萬(wàn)m3/a，基流指數(shù)為0.79，最大的是趵突泉，其次是五龍?zhí)丁⒑诨⑷钚檎渲槿黄剿攴萑髁繛? 678.67 萬(wàn)m3/a，基流量為5 562.94 萬(wàn)m3/a，基流指數(shù)為0.72，最大的是黑虎泉，其次是趵突泉、五龍?zhí)丁⒄渲槿豢菟攴萑髁繛? 167.99 萬(wàn)m3/a，基流量為4 321.42 萬(wàn)m3/a，基流指數(shù)為0.70，最大的是黑虎泉，其次是趵突泉、五龍?zhí)丁⒄渲槿?/p>

表1 四大泉群豐水年份泉水流量與基流量計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of spring flow and base flow in wet years

2.3 泉群生態(tài)基流量成果分析

基流是較為穩(wěn)定的地下水徑流過(guò)程，無(wú)法通過(guò)實(shí)測(cè)手段得到，僅能從其年際和年內(nèi)變化上探討其穩(wěn)定性和基流計(jì)算方法的適應(yīng)性，通過(guò)BFI 分析當(dāng)N≥10 時(shí)，各水平年基流指數(shù)趨于穩(wěn)定，因此本次確定N=10，計(jì)算四大泉群的基流量在年際和年內(nèi)的變化均較為穩(wěn)定。

依據(jù)表1，四大泉群的平均基流指數(shù)在豐水年、平水年和枯水年分別為0.79、0.72 和0.70，各泉的基流指數(shù)在0.6～0.8 之間變化，基流所占的比重較大，且基流指數(shù)較為穩(wěn)定，這是由于該泉群為侵蝕—接觸上升泉，來(lái)自南部補(bǔ)給區(qū)的巖溶地下水徑流至老城區(qū)附近，遇到巖漿巖體阻隔，在地形低洼部位通過(guò)淺部石灰?guī)r巖溶裂隙涌出地表，形成濟(jì)南諸泉。濟(jì)南南部山區(qū)發(fā)育厚度達(dá)到1 000 余米的寒武-奧陶系石灰?guī)r，裂隙、巖溶發(fā)育，在地表，溶溝、溶槽、落水洞以及巖溶裂隙的發(fā)育，為地下水接受大氣降水入滲和上游河水滲漏補(bǔ)給形成巖溶地下水創(chuàng)造了條件；在地下，溶洞、溶孔、溶隙及裂隙的發(fā)育為巖溶地下水的儲(chǔ)存運(yùn)移提供了空間與通道，巖溶裂隙發(fā)育的巨厚石灰?guī)r層為濟(jì)南泉水之源，為巖溶地下水的補(bǔ)給、儲(chǔ)存和運(yùn)移提供了良好的場(chǎng)所和通道。

3 下游河道生態(tài)需水量計(jì)算

河道生態(tài)修復(fù)的首要問(wèn)題是要保證下游河道生態(tài)最小需水量。河道最小生態(tài)需水量的計(jì)算最直觀的做法是先確定生態(tài)基流量，再分別確定某一時(shí)間段內(nèi)河道生態(tài)凈需水量和對(duì)應(yīng)的損耗量，兩者之和為最小生態(tài)需水量，本次采用拐點(diǎn)法推求生態(tài)基流量。

3.1 生態(tài)需水量計(jì)算方法

在不同徑流量的長(zhǎng)期影響下，河流會(huì)一段時(shí)期內(nèi)呈現(xiàn)出一定的橫斷面形態(tài)，而在河岸與河床底部之間又存在不小于1 個(gè)的坡度突變點(diǎn)，稱之為拐點(diǎn)（圖6）。當(dāng)河道流量大于拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的流量時(shí)，一個(gè)較大的流量變化只對(duì)應(yīng)一個(gè)相對(duì)較小的河寬變化；反之，當(dāng)河道流量小于拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的流量時(shí)，一個(gè)較小的流量變化就會(huì)引起一個(gè)較大的河寬變化。按照生態(tài)需水量計(jì)算中常用的R2CROSS 法和濕周法原理［16］，拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的生物學(xué)意義就是，流量大于該拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量（高水）時(shí)，生物生境對(duì)流量的變化不敏感；當(dāng)流量小于該拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量（低水）時(shí)，生物生境對(duì)流量的變化非常敏感。因此，從一定意義上說(shuō)，為了保證河流的正常生態(tài)功能，需要河流至少維持該拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量值，即最小生態(tài)流量。在最小生態(tài)流量的基礎(chǔ)上，河流將能夠滿足維持河流系統(tǒng)水生生物棲息地的最低水量要求。

圖6 典型河形的河床概化圖Fig.6 A schematic view of a typical riverbed

從數(shù)學(xué)層面分析，此突變點(diǎn)的數(shù)學(xué)意義是以流量為自變量的流量和水面寬關(guān)系函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)的最大值，也是二階導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)（圖7）。流量與河寬關(guān)系線突變點(diǎn)用下式描述：

其中：a≤Q≤b，a和b分別為與多年平均流量相比較小的一個(gè)正數(shù)。

圖7 河道斷面流量和水面寬變化率關(guān)系示意圖Fig.7 The relationship between the flow rate of river section and the rate of change of water surface width

3.2 泉群下游河段生態(tài)基流量與景觀需水量分析

趵突泉泉群下游5條支流的典型斷面采用拐點(diǎn)法進(jìn)行最小生態(tài)流量計(jì)算，在計(jì)算的流量中，斷面流量中最大值即可視為整個(gè)干流河道的生態(tài)基流量。濟(jì)南泉群河道景觀需水量主要依據(jù)觀光旅游船所需要的吃水深度進(jìn)行計(jì)算，游船游艇的吃水深度一般為0.8～1.2 m。當(dāng)河道景觀水深取1.0 m 時(shí)，相應(yīng)的景觀需水量計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 濟(jì)南泉群不同河流生態(tài)基流量及對(duì)應(yīng)流速一覽表Tab.2 List of ecological base flow and corresponding rate of different rivers in Jinan springs

根據(jù)拐點(diǎn)法計(jì)算，濟(jì)南市泉群下游河段的生態(tài)需水量為1 687.17 萬(wàn)m3/a；維持通航按照水深1.0 m 計(jì)算，景觀需水量為6 783.39 萬(wàn)m3/a。

3.3 泉群基流對(duì)河道生態(tài)需水的影響

濟(jì)南市趵突泉泉水以景觀利用為主，兼顧生態(tài)補(bǔ)水與居民飲水，趵突泉泉群排泄的巖溶地下水，通過(guò)黑虎泉護(hù)城河、趵突泉東側(cè)支流、趵突泉西側(cè)支流、珍珠泉支流、五龍?zhí)吨Я魑鍡l支流排入護(hù)城河，流入大明湖，最終進(jìn)入小清河。泉水是護(hù)城河、大明湖、小清河通航的重要水源保障，泉群基流量特別是枯水季節(jié)的基流量是維持河道湖庫(kù)等物種演化、生態(tài)系統(tǒng)健康的重要來(lái)源。

趵突泉泉群枯水年份泉水基流量為4 321.42 萬(wàn)m3/a，基流指數(shù)為0.70，最大的是黑虎泉，其次是趵突泉、五龍?zhí)丁⒄渲槿蝗合掠沃Я鞯纳鷳B(tài)需水量為1 687.17 萬(wàn)m3/a，景觀需水量為6 783.39 萬(wàn)m3/a，因此枯水年的泉群基流量能夠滿足河道的生態(tài)需水量，但是達(dá)不到景觀用水的用水需求。

濟(jì)南的南部山區(qū)是泉水的重要補(bǔ)給區(qū)，趵突泉泉域面積約1 659.58 km2［12］，其中間接補(bǔ)給區(qū)面積為991.08 km2，這一區(qū)域所有靠大氣降水補(bǔ)給形成的地表水、地下水，均以地表徑流、地下徑流形式補(bǔ)給直接補(bǔ)給區(qū)區(qū)域；直接補(bǔ)給區(qū)面積為447.98 km2，是以寒武系炒米店組中下部灰?guī)r（原上寒武系鳳山組底板）地層為南界線，北部以第四系厚度為30 m 或火成巖侵入界線和石灰系與奧陶系假整合接觸界為界線；濟(jì)南南部山區(qū)出露的地層主要有古生界寒武系，奧陶系及新生界第四系松散沉積地層［17］。濟(jì)南得天獨(dú)厚的巖溶地質(zhì)條件，為地下水提供了匯集和流動(dòng)的空間，南部山區(qū)巖溶地貌發(fā)育，蓄積了大量的大氣降水，形成了豐富的巖溶地下水。從泉群的排泄量來(lái)看，自五十年代以來(lái)流量下降了近20 萬(wàn)m3/d，甚至特枯年份出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，破壞了河道、湖泊的生態(tài)基流量，泉水的基流量是地下水對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的重要補(bǔ)給，是維持河道、湖庫(kù)等生態(tài)系統(tǒng)的重要補(bǔ)給來(lái)源。濟(jì)南的泉水噴涌受降雨、地下水開(kāi)采、下墊面變化及城鎮(zhèn)化發(fā)展等多方面因素的影響，濟(jì)南的泉流量衰減在不同歷史發(fā)展階段，其關(guān)鍵性影響因素不同，因此合理科學(xué)的計(jì)算出濟(jì)南市區(qū)泉水的基流量，為濟(jì)南市泉水保護(hù)提供了重要的依據(jù)。

4 結(jié) 論

（1）基流量的計(jì)算方法較多，其計(jì)算精度及與實(shí)際的相符性是研究的關(guān)鍵，BFI法是通過(guò)對(duì)年徑流量進(jìn)行多時(shí)段分割，計(jì)算相鄰時(shí)段流量最小值，通過(guò)拐點(diǎn)位置確定泉水的基流量，該方法的特點(diǎn)是時(shí)段分割越多其計(jì)算結(jié)果越接近實(shí)際，但其數(shù)據(jù)計(jì)算量也更大，濟(jì)南四大泉群的監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為7 d，通過(guò)分析確定N=10 時(shí)，計(jì)算的四大泉群的基流量在年際和年內(nèi)的變化均較為穩(wěn)定。

（2）濟(jì)南四大泉群日均流量自20世紀(jì)50年代以來(lái)下降了近20萬(wàn)m3，特枯年份甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。泉水基流量是巖溶水生態(tài)系統(tǒng)的重要指示，是維持下游河道、湖庫(kù)等生態(tài)系統(tǒng)健康的重要保障。濟(jì)南的泉水流量在不同歷史發(fā)展階段，其影響的關(guān)鍵性因素不同，文章對(duì)不同水平年泉水生態(tài)流量的分析結(jié)果，將為濟(jì)南市泉水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)與泉水保護(hù)方案的制訂提供重要的技術(shù)依據(jù)。

（3）巖溶水系統(tǒng)是一個(gè)補(bǔ)給、徑流、排泄為一體的全面、系統(tǒng)、完整的生態(tài)系統(tǒng)［18］。其任何一個(gè)環(huán)節(jié)的變化都將影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的變化，因此，濟(jì)南泉水保護(hù)要更加注重保護(hù)和治理的系統(tǒng)性、整體性、協(xié)同性。 □