濟南歷城巨野河沖洪積扇雨洪水儲存調蓄研究

趙有美，劉小平，劉文

(山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊，山東省地質礦產勘查開發局地下水資源與環境重點實驗室，山東省地下水環境保護與修復工程技術研究中心，山東 濟南 250014)

0 引言

海綿城市理論中的“滲、滯、蓄、凈、用、排”技術已廣泛用于城市雨洪水資源管理中，國內大部分的海綿城市建設主要是從城市徑流控制、地表水、包氣帶巖層的下滲儲存為主[1-3]，對利用第四系含水層巨大的儲存空間用于儲存調蓄雨洪水資源的研究較少[4-5]。第四系含水層用于雨洪水儲存調蓄具有不易污染、雨水吸附凈化、改善水質、減少城市洪澇災害、供水安全的優點，同時具有改善生態地質環境等特性。濟南單斜構造山前分布著南大沙河、北大沙河、玉符河、巨野河、巴漏河等諸多山前河流沖洪積扇，其第四系厚度50～150m，70m以淺分布有5～30m的中砂及中粗砂夾礫石，具備良好的地下水儲存調蓄空間。本文以巨野河沖洪積扇中深層較大的相對封閉的儲存調蓄空間為研究對象，通過平水期、枯水期開發利用沖洪積扇砂層含水層的地下水資源，降低第四系水頭高度，騰出儲水空間，雨季儲存城市硬化地面、河流流域地表徑流的雨洪水，減輕雨洪水的危害，實現雨洪水的資源化，解決當地水資源短缺的問題[6-10]。為濟南市一系列的山前河流沖洪積扇推廣雨洪水第四系砂層儲存調蓄提供理論與數據支撐。

1 研究區概況

1.1 自然地理

研究區位于濟南市東部，章丘市西部，距離濟南市區約20km，位于巨野河流域中下游。地貌類型上屬于山前傾斜平原和黃河沖積平原地貌過渡地帶，地貌類型由南向北依次為山前傾斜平原、黃河沖積平原和洼地。地勢總體南高北低，相對較平坦，起伏不大，地面高程18.0～50.0m，自然比降1/2000左右，由南部的山前杜莊水庫向北部小清河一帶傾斜。

研究區地處中緯度內陸地帶，屬暖溫帶大陸性氣候，平均氣溫為12.8℃，極端高溫為42.1℃(1955年7月24日)，極端低溫為-23℃(1972年1月26日)。1956—2017年多年平均降水量為685.49mm。降水在年內分配不均，多集中在汛期，汛期(6—9月)平均降水量451.20mm，占降水量的65.82%，12月至次年3月平均降水量37.56mm，僅占全降水量的5.48%。

研究區地表水系發育，有巨野河、小清河及引黃干渠。巨野河源于濟南市歷城區西營街道拔槊泉、飲馬泉，流經彩石街道和孫村街道，入濟南市章丘區龍山街道，經杜張水庫復又入歷城董家街道、唐王街道、遙墻街道，在鴨旺口入小清河，全長48.5km，流域面積260km2。

1.2 地質、水文地質條件

1.2.1 地層巖性

研究區第四系廣泛分布，南部山前地帶第四系巖性為黏質砂土、砂質黏土、黏土夾砂礫石層。北部小清河附近第四系巖性為粉砂、粉土、黏質砂土。第四系堆積物的厚度變化較大，受地形坡向控制，厚度總體由南向北、由東向西逐漸增厚，從南部山前地帶55m至北部小清河附近達150m左右。

1.2.2 水文地質條件

研究區地下水由上而下可劃分為：松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水等3種類型。松散巖類孔隙水含水層是本次雨洪水儲存調蓄主要利用的層位，含水層巖性以中細砂、中粗砂、卵礫石為主，在垂向上具多層結構，單層厚度較小，并夾有數層薄層黏土，具有微承壓—承壓性。含水層厚度5～16m，水位埋深在1.27～18.11m，水位變幅在3～10m。研究區中東部單井出水量1000～3000m3/d，西部、南部單井出水量為500～1000m3/d，僅東南小部分區域單井出水量<500m3/d，其富水性受沖洪積扇分布的控制，沖洪積扇內富水性較好。

2 技術方法

本文綜合利用物探、鉆探、水位統測、抽水試驗、回灌試驗、水質分析等方法分別對巨野河沖洪積扇位置、范圍、含水砂層厚度、單井涌水量、回灌量、地表徑流量、地下水水質、河水水質及儲存調蓄資源量進行了研究(圖1)。其中，雨洪水儲存調蓄范圍依據高密度電法，結合水位統測結果綜合分析確定；砂層厚度特征采用高密度電法和鉆探相結合的方式確定；通過對鉆孔進行抽水試驗、常壓回灌試驗等確定水文地質參數，采用變徑流系數經驗公式法[11-13]、水位恢復法、儲存量計算公式[14-16]來計算巨野河流域的地表河流徑流量、儲水系數和沖洪積扇儲存調蓄量[17-18]。

1—物探剖面線及編號；2—水文地質鉆孔及編號；3—地質剖面線；4—水質取樣點位置圖1 濟南歷城巨野河物探剖面線布設圖

3 儲存調蓄特征

用于雨洪水儲存調蓄區必須具備適宜的水文地質條件、一定的匯水條件和相對封閉的空間。儲存調蓄量與儲存調蓄區面積、砂層厚度、砂層的儲水系數成正比[19-21]。

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3.1 儲存調蓄區

為確定巨野河沖洪積扇的位置和范圍，沿現代巨野河兩側布設了6條高密度電法和電測深剖面線，并施工了3眼水文地質鉆孔進行驗證(圖1)。圖2為高密度電法和電測深法解譯的沖洪積扇位置和范圍，從圖2中可以看出巨野河沖洪積扇大體南北向呈扇形展布，面積約69.98km2。其軸部位于巨野河現代河床的右岸，沿段家莊—唐王鎮—婁家村東一線分布，沖洪積扇大多也位于巨野河現代河床的右岸，扇頂位于杜張水庫北西巨野河出山口全節河村附近，扇緣位于小清河南岸地勢相對低洼處。

1—沖洪積扇范圍；2—沖洪積扇軸部圖2 巨野河沖洪積扇位置范圍圖

根據沖洪積扇地下水含水系統的空間結構、水文地質特征及地下水開采利用條件，巨野河沖洪積扇是理想的天然雨洪水儲存調蓄區。巨野河沖洪積扇的東、西、南邊界為沖洪積扇的邊界，其巖性由山前坡洪積物組成，巖性主要為粉質黏土夾碎石等，透水性差，北部扇緣地帶位于小清河南岸地勢相對低洼處，也是地下水位南北向最低處，為地下水的溢出帶，在此地段其南側的地下水向其徑流補給，北側的小清河河水水位高于地下水水位，小清河河水向地下水補給，第四系之下分布有巨厚的石炭-二疊系，與巖溶含水層水力聯系微弱。因此，巨野河沖洪積扇砂層為一相對封閉的含水層，作為本次研究雨洪水儲存調蓄區范圍。

3.2 砂、卵礫石層厚度特征

為確定巨野河沖洪積扇砂、卵礫石層的厚度，通過高密度電法和電測深剖面測量并結合鉆探進行驗證。圖3為第四系砂層厚度等值線圖，圖4為雨洪水儲存調蓄區剖面線，從圖3中可以看出，第四系砂、卵礫石層厚度從軸部向兩側逐漸變薄，從扇頂向扇中逐漸變厚再向扇緣變薄，厚度從16.1m逐漸變薄為1.3m。從圖4可以看出研究區含水層砂層主要分布于巨野河沖洪積扇內，垂向上大體分為3層：

1—砂層厚度等值線/m；2—水文地質鉆孔砂層厚度/m；3—沖洪積扇范圍；4—沖洪積扇軸部圖3 巨野河沖洪積扇第四系砂層厚度等值線圖

1—粉質黏土；2—砂層；3—卵礫石；4—泥巖；5—礫巖；6—孔號/孔深/m圖4 巨野河雨洪水儲存調蓄區剖面線

第一層砂、卵礫石層，在沖洪積扇內廣泛分布，分布深度在10～25m以淺，淺黃色—棕黃色，結構松散—致密，礫石成分主要為灰巖，砂顆粒的主要成分為石英、長石，磨圓度較好，顆粒由南向北逐漸變小，在南部扇頂地帶為卵礫石，粒徑一般5～8cm，向北扇緣地帶逐漸過渡為中粗砂，厚度一般小于2m。

第二層砂、卵礫石層，在沖洪積扇內廣泛分布在25～70m以淺的深度范圍內，淺黃色—棕黃色，結構松散—致密，顆粒的主要成分為石英、長石，磨圓度較好，卵礫石粒徑由南向北變小，南部扇頂地帶粒徑一般為3～5cm；向北扇緣地帶粒徑逐漸變小，粒徑一般在2～3cm，厚度由南向北逐漸增厚，南部厚度一般在2m左右，北部厚度可達5m。

第三層卵礫石層，主要分布于沖洪積扇的中北部，灰白色，填充物為黃棕色黏土，碳酸鈣質，含方解石、白云石，膠結程度差，礫石磨圓度較好，粒徑2～5cm，厚度由中部向北部逐漸變厚，可達10m。

3.3 儲水系數

為了求取巨野河沖洪積扇內不同分區內的儲水系數等水文地質參數，本次工作在沖洪積扇頂、扇中、扇緣分別施工了一眼水文地質鉆孔，并對其進行了2個落程的穩定流抽水試驗，扇頂含水砂層厚度為12.4m，單井出水量1450m3/d，穩定降深22.85m；扇中含水層厚度為16.1m，單井出水量2520m3/d，穩定降深27.0m；扇緣含水層厚度12.5m，單井出水量2030m3/d，穩定降深10.4m。經計算扇緣儲水系數為0.0494，扇中儲水系數為0.0451，扇頂儲水系數為0.007。

3.4 儲存調蓄水源

巨野河沖洪扇的補給水源主要包括大氣降水、河水、水庫放水、汛期山區洪水及污水處理廠排放的中水。巨野河長48.5km，流域面積260km2，其中山區226km2，平原區34km2。在平均降水685.49mm條件下，雨洪水年均徑流量為3717萬m3。

3.5 調蓄水源水質論證

根據巨野河河水水質分析結果和收集的巨野河上游狼貓山水庫的水質分析結果(2013年10月)：巨野河河水和上游水庫地表水水化學類型為重碳酸鈣型水，總硬度為264.49～365.29mg/L，礦化度在411.22～601.88mg/L，各項離子含量均符合《地表水環境質量標準》Ⅱ類標準。

3.6 儲存調蓄量

3.6.1 計算分區

根據第四系孔隙水平面流場(圖5)和第四系地下水的儲存調蓄特征對巨野河沖洪積扇進行分區，考慮沖洪積扇的位置、含水砂卵礫石厚度、水位變幅等因素共分3個區，為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。其中，Ⅰ區位于沖洪積扇的扇緣，面積為24.57km2；Ⅱ區位于沖洪積扇的扇中，面積為25.52km2；Ⅲ區位于沖洪積扇的扇頂及邊沿兩側，面積為19.19km2(表1，圖6)。

1—地下水位等值線/m；2—地下水流向；3—沖洪積扇范圍；4—水位統測點及編號圖5 巨野河第四系孔隙水等水位線圖

1—沖洪積扇范圍；2—分區界線；3—沖洪積扇軸部；4—分區編號圖6 巨野河儲存調蓄量計算分區圖

表1 各分區面積及分布

3.6.2 水頭高度

儲存調蓄量的計算需要考慮地下水位的環境約束條件，由于研究區第四系孔隙水水位埋深較淺，為了不對研究區土壤環境、地下水環境產生負面影響，綜合考慮巨野河沖洪積扇作為地下水庫的調蓄能力，以及大規模開發利用其第四系孔隙水可能對研究區環境不產生明顯影響，來確定各分區地下水位埋深的最高值和最低值[22-23]。

汛期雨洪水儲存調蓄后的最高地下水位埋深取2018年11月時的地下水水位埋深(表2)；由于各區的地下水位埋深值不一致，因此取各區平均值做為各區雨洪水儲存調蓄后的最高地下水位埋深值。

表2 地下水位埋深統計一覽表

由于研究區第四系孔隙水利用率較低，現狀條件下為農田作物種植區的季節性集中開采及蔬菜、經濟作物全年持續性少量開采，最低地下水位埋深取值以現狀條件下枯水期值為基礎，結合擬大規模開發利用時增加的降深值做為最低埋深限值。Ⅰ區水位埋深枯水期大多在10m左右，Ⅱ區水位埋深枯水期大多在12～13m左右，Ⅲ區水位埋深枯水期大多在15m左右。考慮到各區的富水性有所差別，Ⅰ區富水性條件較好，大規劃開采第四系孔隙水資源時所激發的水位降深取值為3m，Ⅱ區富水性中等，激發的水位降深取值為5m，Ⅲ區富水性相對最差，激發的水位降深取值為8m，故Ⅰ區最低水位埋深取值為13m，Ⅱ區最低水位埋深取值為17m，Ⅲ區最低水位埋深取值為23m。各分區水頭升高值見表2。扇緣Ⅰ區水頭升高值為7.45m，扇中Ⅱ區水頭升高值為12.56m，扇頂Ⅲ區水頭升高值為18.06m。

3.6.3 儲存調蓄量計算

巨野河沖洪積扇儲存調蓄量主要是指在人為干預條件下，對研究區地質環境、地下水環境不產生負面影響的最高水位與開采條件下達到的最低水位之間的儲存量[24-27]。根據公式5，經計算巨野河沖洪積扇內地下水儲存調蓄量為2592.45萬m3(表3)。

表3 研究區第四系孔隙水儲存量 單位：m3

3.6.4 出水能力與出水方式

巨野河沖洪積扇含水層巖性從南部扇頂的粒徑一般5～8cm卵礫石向北部扇緣2～3cm的卵礫石、中粗砂過渡。根據沖洪積扇各區抽水試驗成果分析：扇頂Ⅲ區滲透系數為9.72m/d，影響半徑為599.57m；扇中Ⅱ區滲透系數為36.68m/d，影響半徑為784.92m；扇緣Ⅰ區滲透系數為19.93m/d，影響半徑為465.20m。從滲透系數可以看出，從扇頂向扇緣單井出水量逐漸增強。從單井的抽水量和抽水穩定時間來看，抽水時很快達到水量、水位的平衡穩定狀態，具備良好的供水條件。根據本次抽水試驗情況，抽水方式可以采取潛水泵取水方式。

3.6.5 回灌補水能力與回灌補水方式

根據沖洪積扇各區回灌試驗成果分析：扇頂Ⅲ區回灌水量275m3/d，水頭高度為1.90m，滲透系數為9.64m/d，影響半徑為59.62m。扇中Ⅱ區回灌水量1459m3/d，水頭高度為4.26m，滲透系數為17.99m/d，影響半徑為192.58m。扇緣Ⅰ區回灌水量935m3/d，水頭高度為3.44m，滲透系數為17.71m/d，從滲透系數可以看出，從扇頂向扇緣單井出水量逐漸增強。從單井的回灌量和回灌穩定時間來看，回灌時很快達到水量、水位的平衡穩定狀態，說明巨野河沖洪積扇具有較強的回灌儲水條件。

地下水補給方式有很多種，研究區雨洪水儲存調蓄砂、卵礫石層最淺埋深在深度10m，最深可達100m左右，結合山前河流沖洪積扇的水文、地貌、水位、含水砂、卵礫石層的埋藏情況，選擇深井回灌作為雨洪水儲存調蓄的補給方式。

4 結論

(1)巨野河沖洪積扇具有較好的雨洪水儲存調蓄潛力，含水層由砂、卵礫石層組成，具有相對天然的封閉儲水條件；在不引起環境負效應的前提下，儲存調蓄量為2592.45萬m3；儲存調蓄水源主要來自于大氣降水、河水、水庫泄洪放水、汛期山區洪水以及污水處理廠中水，儲存調蓄資源量充足，回灌、出水條件良好，補給方式為深井回灌方式。

(2)通過對巨野河沖洪積扇雨洪水儲存調蓄研究，查明影響河流沖洪積扇調蓄能力的影響因素有沖洪積扇的面積、砂層巖性及厚度、砂層的儲水系數等，可為濟南市系列山前沖洪積扇用于海綿城市建設中雨洪水儲存利用提供參考。