章丘區百脈泉泉域水文地質條件分析及泉水保護

李 哲 聶玉朋* 丁冠濤 劉同哲 劉小健 馬冠群

（山東省地質礦產勘查開發局八○一水文地質工程地質大隊，山東 濟南 250014）

泉水作為一種大自然的優美景觀，一直深受人們的喜愛，也是一個地區旅游文化的名片。但因以往無節制地汲取地下水，造成含水層水位顯著下降,引發次生環境地質問題，如地面沉陷、泉水停噴[1]，尤其在出現干旱少雨的氣候，導致泉水補給量不足，地下水水位恢復緩慢等，加快泉眼停噴的節奏[2]。因泉水遭受到停噴問題嚴重，引起社會各界人士的高度關注，政府部門開展相應的治理工作[3-4]。

許多學者也對泉水保護方面進行了大量研究，如王源、吳林娟分析泉水噴涌形成條件、控制機理及分布特征[5-6]；黃靜對濟南市泉水保護并提出可行性的方案，對泉水旅游資源的可持續性進行評價分析[7]。本文以濟南市章丘區百脈泉為研究對象，從水文地質條件入手，查明泉水補給通道和滲漏帶分布，制定泉水保護總體規劃措施，確保百脈泉水資源的可持續利用。

1 研究區概況

研究區位于山東省中部地區，以山地和山前沖積平原為主，地勢上表現出東南部較高，西北區域相對低緩。區域地層受構造運動影響較大，區內發育較大的文祖-埠村向斜和甘泉斷裂等。

研究區為暖溫帶的大陸性季風氣候，春季少雨多風，降雨多集中于夏季。據以往降雨量資料知，年降雨量峰值為899.2mm（1990 年），年降雨量最小為311.2mm（1989 年），平均值為607.8mm/yr。百脈泉泉域屬于小清河支流繡江河水系，穿過百脈河、繡江河、巴漏河等河流。

2 水文地質條件

2.1 含水層空間結構

根據地層巖性、富水性及埋藏條件，區域含水層主要成寒武系巖溶含水層、奧陶系巖溶含水層、石炭- 二疊系碳酸鹽巖與碎屑砂泥巖相間巖溶含水層，基巖裂隙含水層及松散層孔隙含水層，其中百脈泉水主要為奧陶系巖溶含水層。由于斷裂破壞帶較發育，為泉水提供儲水空間且泉水沿著斷裂帶向上出露地表，如圖1 所示。

圖1 含水層結構示意圖

2.2 巖溶水補徑排條件

2.2.1 補給條件

大氣降雨是百脈泉域含水層的主要補給水源。研究區南部的山區普遍發育灰巖地層，補給區多為裸露灰巖或在上部沉積薄層松散半固結物質。受斷層切割錯動影響較大，巖層裂隙明顯，成為雨水入滲的良好通道。其次區域內溝谷、河流較多，降水和河流水入滲方向與巖層傾向基本一致，有利于水源的補給。

2.2.2 徑流條件

巖溶地下水沿地勢較高的南部向北部流動，最終匯集到山前排泄區。其次在山區分水嶺以南，地下水沿巖層面和裂隙帶由南向北徑流；地下水在局部地區以泉的形式排泄，沿坡降方向流出；泉域西邊界地下水向北西、北西西方向徑流，因受到文祖斷裂的阻隔，水流沿隔水構造帶向北徑流；在不開采地下水情況下，泉域東邊界的地下水向地勢較低的北部地區流動。

由于受明水斷裂、繡水斷裂、賀套斷裂等近南北向斷裂作用，巖溶地下水沿破碎帶形成的導水通道呈現快速徑流，在部分通道甚至以管道流的形式運移，特別是明水斷裂南北貫穿了直接補給區和匯集排泄區，是泉域具有重大意義的導水斷裂。

2.2.3 排泄條件

根據區域地形地貌和地質構造特點，排泄區主要位于研究區北部的山前沖積平原。巖溶含水層常被松散層及石炭- 二疊系地層所覆蓋，因此該區域主要以泉水排泄、人工開采及礦山排水方式排泄。

2.3 水化學特征分析

根據以往學者對泉水水化學特征的相關研究[8]，本次將研究區內大量的泉水樣本送至檢驗中心進行化驗分析，依據水化學Mischka Lev 分類法，把研究區泉水水質分為重碳酸鹽型、重碳酸- 硫酸鹽型、硫酸- 重碳酸鹽型、硫酸- 鹽酸型四種。

經分析，重碳酸鹽型泉水分布在南部補給區。由于地勢高、裸露基巖裂隙發育，徑流充分，有利于水源補給，水質類型為HCO3-Ca/Mg，TDS 為450～600mg/L，屬低礦化度淡水；重碳酸- 硫酸型巖溶水在泉域內分布最為廣泛，覆蓋了大部分補給區和排泄區，水質類型為HCO3·SO4-Ca，TDS 為400～750mg/L，為礦化度低的淡水；硫酸鹽- 重碳酸型區內巖溶水徑流速度緩慢，且與煤系水發生混合作用，SO42-含量，水質類型為SO4·HCO3-Ca，TDS為800～1500mg/L，屬中低礦化度淡水；硫酸鹽- 鹽酸型分布于泉域西北部，由于受斷裂阻隔影響，地下水徑流微 弱。 水 質 類 型 為 SO4·Cl-Na ·Ca，TDS 為6713.7～6682.1mg/L，為礦化度高的咸水。

3 補給通道及滲漏帶分布

3.1 補給通道探查

為提高泉水回灌補源效果，確保泉水持續噴涌，在泉水保護工作中補給通道的勘查就尤為關鍵。地下水補給通道探查方法有同位素示蹤試驗、涌水試驗、物探技術等[9-10]。

3.1.1 涌水試驗

在涌水試驗中獲取明水斷裂、秀水斷裂、硯池山斷裂東西兩側的水位。在涌水試驗前后，水位降深基本一致，如表1 所示。由于泉群附近斷裂切割古生代地層，局部奧灰水與煤系水相通。群4 井組涌水試驗中對本溪組灰巖含水層觀12 孔水位觀測，其水位下降0.28m，如表2所示。同期水質分析表明兩含水層的水質基本相同，且標志性SO42-含量相當，說明地下水間存在水力聯系。

表1 繡水斷裂兩側觀測孔水位降深

表2 奧灰巖溶水與煤系水位對比表

東石河斷裂位于泉群東部約2.3km 處，該斷裂兩側地下水水質、巖溶含水層富水性存在差異，但兩側有統一水位。灰巖直接接觸，并未錯斷，初步推斷為導水斷裂，導水性能相對較弱。

因此，通過現場調查研究，認為明水斷裂導水性能最強，是泉群的主要徑流通道及泉水保護的重要研究對象。

3.1.2 示蹤試驗

為查清明水破碎帶導水性能，于2016 年12 月進行第一次示蹤試驗，如圖2(a)所示。在白泉村水文井sw02井投放150kg 鉬酸銨，第2d 在下游1km 雙山水文井監測出，第4d 在距離投源孔5.7km 的百脈泉監測出，第5d在百脈泉中Mo6+離子濃度達到峰值，第7d 在鮑莊監測點和虎踞泉監測出，推斷示蹤劑運移速度為1.0km/d。證明斷裂破碎帶導水性良好，是主要的泉水補給通道。

圖2 示蹤試驗影響范圍

為驗證補源效果及查清補源影響范圍，之后開展第二次示蹤試驗，如圖2(b)所示。投源點設置于小東山補源井。投放示蹤劑4h 后，在百脈泉和西麻灣檢測出異常，進一步驗證明水斷裂具有導水性。本次示蹤試驗第3d在泉群下游5.0km 監測點處檢測異常，證明富水滯留區與泉群之間的水力聯系密切。兩次示蹤試驗及回灌補源監測數據顯示明水斷裂破碎帶是泉水補給的主要通道。

3.2 滲漏帶分布

滲漏帶圈定依據地形地貌、地層巖性及巖溶發育程度、地質構造、松散層覆蓋厚度及滲透性、表流特征、工程建設開發程度及先前研究成果，對泉域內主要滲漏帶進行圈定。為便于研究，根據地表流域分布特征將補給區細分為若干個小流域。

最終將研究區域劃分為9 個小流域，即馬家峪小流域、水龍洞小流域、栗家峪小流域、閻家峪小流域、青楊河小流域、黃家峪小流域、滴水泉小流域、瀛汶河小流域和孟家峪小流域，流域分布如圖3 所示。依據滲漏影響因素，在各小流域圈定主要滲漏帶13 個，其中最大面積為14.81km2，分布在馬家峪小流域，而孟家峪小流域內未發現滲流帶。

圖3 主要流域及滲漏帶分布

4 泉水保護

根據濟南市各泉域開發利用狀況及實際的水文地質條件，對匯集排泄區和補給區制定了相應的保護措施。

4.1 對匯集排泄區重點保護區范圍內已有的水源地，加強對地下水開采范圍和水量的控制監管，充分考慮泉水補給量與巖溶地下水開采量間的平衡關系。

4.2 在補給區保護范圍內，種植低矮類喬灌類植物，增加地表植被覆蓋率，涵養水源。

4.3 修建屋頂、地面雨水收集設施，收集的雨水經處理后達到地表水Ⅲ類以上水質標準后，通過滲坑滲井等促滲工程進行回灌。

5 結論

通過對百脈泉泉域的系統調查分析，查清了區域水文地質條件。在此基礎上，深入分析了泉域補給通道和滲漏帶分布情況，并提出泉群保護措施，得出以下結論：

5.1 根據涌水試驗和示蹤離子試驗綜合分析，認為明水斷裂破碎帶是泉水補給的主要通道。

5.2 根據劃分依據將研究區域圈定為9 個小流域，流域內發育13 個滲流帶。

5.3 從泉水的水質、水量、環境保護等方面對匯集排泄區和補給區開展相應的保護措施，可有效實現泉水的可持續利用。