邢立亭1 徐军祥2 张伟3
（1.济南大学，济南250002；2.山东省地矿局，济南250013；3.山东省地矿工程勘察院，济南250014）
作者简介：邢立亭（1966—），男，研究员，主要从事水文地质、环境地质勘查研究工作。
摘要：本文根据野外实际调查成果，深入探讨自然与人为因素对济南泉域岩溶地下水环境的影响，提出了优化开采布局、回灌补源等水环境保护对策。
关键词：济南泉域；水环境；演化；保护
济南泉域是我国北方岩溶水系统典型代表，地质条件极其复杂，受自然因素和人类活动强烈影响，近几十年来，泉域的生态地质环境变化显著，研究该区地下水环境演化特征，对于泉域地下水资源可持续利用和保泉具有重要意义。
1 泉域水文地质特征
1.1 泉域边界
济南泉域位于泰山穹隆的北翼，总体上是以古生代地层为主体的向北倾斜的单斜构造。出露地层为太古宇泰山岩群，古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和新生界第四系，泉域北部分布有中基性侵入岩体。区内断裂构造发育，主要有千佛山断裂、马山断裂、东坞断裂、炒米店断裂等。
泉域东边界为东坞断裂，西边界为马山断裂（长清西关以北为透水段），南边界为地表分水岭，北边界以济南岩浆岩体和石炭系、二叠系煤系地层为界，面积为1486km2。
1.2 岩溶地下水水动力条件
济南南部山区广泛分布寒武—奥陶系石灰岩，地表、地下岩溶十分发育，地表溶洞、溶沟、溶槽和密布于石灰岩表面的溶蚀裂隙为地下水接受大气降水直接入渗补给、地表水的渗漏补给创造了极为有利的条件。根据钻孔资料和示踪试验，碳酸盐岩溶洞、溶孔、溶隙、溶蚀管道十分发育，为岩溶地下水的储存、运移提供了巨大的空间。因此，济南岩溶地下水补给条件良好、储存空间巨大。
根据地下水动态观测，岩溶水水位、泉水流量与降水密切相关，大气降水直接入渗补给是岩溶水系统的主要补给来源，其次为地表水渗漏补给，主要渗漏河流有玉符河和北沙河。
岩溶水总体流向由南向北径流，受北部燕山期岩浆岩及石炭系、二叠系地层阻挡，在其接触地带形成岩溶水富集区，单井涌水量一般大于5000m3/d，天然条件下岩溶水以泉水排泄为主，目前，人工开采是泉域岩溶水系统的最主要排泄方式。
2 岩溶地下水资源开发利用现状
奥陶系裂隙岩溶含水层作为济南工农业用水和城市生活用水的主要取水目的层，有着悠久的历史。市区早在1936年建成趵突泉水厂并正式供水，供水量1.28×104m3/d，到1956年增至3.6×104m3/d，随着经济发展和人口增加，用水量不断增大，至20世纪80年代中期相继建立市区、西郊和东郊水源地。市区有解放桥、普利门、饮虎池和百货大楼水厂，西郊有腊山、峨眉山和大杨庄水厂，东郊有华能路和东源水厂，南部有羊头峪和文化路水厂。
1990～2002年，泉域内自来水公司多年平均开采量为35.52×104m3/d，其中峨眉山、大杨庄、腊山西郊三水厂平均开采量为21.91×104m3/d，市区各水厂为11.41×104m3/d，华能路、东源水厂和羊头峪为2.2×104m3/d。此外，白泉泉域宿家张马、裴家营、中李水厂开采约14×104m3/d。随着鹊山水库、玉清湖水库的投产，自来水公司对地下水的开采量自2001年9月以来逐步减产，关停了市区各水厂。
工业自备井主要分布在市区外围，其数量庞大，而且较为分散。1990～2002年，工业自备井多年平均开采量为13.15×104m3/d。
3 水文地质条件演变与地下水环境负效应
自然因素和人类活动加剧了济南地区生态地质环境的演变，引起诸多生态环境地质问题。
3.1 人类活动引起的水文地质条件的变化
3.1.1 人工开采改变地下水流场，袭夺泉流量
20世纪60年代初期，济南市区地下水开采量小于10×104m3/d，80年代以来，市区、西郊、东郊集中开采量达到（50～55）×104m3/d。大量开采岩溶水，改变了地下水天然流场，大量开采地下水特别是在市区直接抽取岩溶地下水是影响泉水出流的主要原因之一。2001年9月，市区水厂相继关闭，但工业自备井大量开采，在七贤庄和经济学院一带两大降落漏斗仍然袭夺泉水的补给量（图1）。
3.1.2 间接补给区补给量减小
济南泉域间接补给区面积为990km2，主要分布在广大南部山区，包括马山、万德、高而、张夏、崮山、仲宫、柳埠、西营等乡镇。地层为寒武系中下统灰岩、碎屑岩和泰山群变质岩，由于入渗条件差，河流、沟谷纵横，地表径流发育，地下水大多就地补给，汇于沟谷，短途运移、排泄，因此，大部分河流发源于此。上游地表溪流20世纪70年代以前，汇集到玉符河、北大沙河后，向下游径流，分别在朱家庄-潘村、崮山拦河坝-琵琶山段渗漏补给泉域地下水。间接补给区汇集地表径流和地下溢出量，通过河道进入直接补给区。如1963年卧虎山水库，通过溢洪道向玉符河放水1.0186×108m3进入黄河，一部分入渗补给地下水。卧虎山水库修建以前，玉符河基本常年有流，据1962年观测，玉符河下游周王庄河段4月13日河水位为29.4m。
图1 市区附近岩溶水等水位线
1—断层；2—火成岩界线；3—等水位线（m）；4—地下水流向
20世纪60～70年代在北沙河、锦银川、玉带河、锦绣川等河道修建众多水库，拦截上游地表径流，特别是80年代后期，随着卧虎山、锦绣川水库向市区供水后，源自间接补给区的地表水补给逐渐减小。如从1999年至2003年6月，卧虎山水库上游554km2汇水面积，除回灌试验放水外，未向玉符河放水。自卧虎山、锦绣川水库向市区供水后，两水库向党家庄、兴隆、分水岭一带直接补给区放水灌溉量逐渐减少。
3.1.3 城市扩展减少岩溶水入渗补给面积
城镇建设使城市建成区面积增加，从而导致岩溶水直接补给区面积逐渐减少。根据多时相动态遥感解译，1954年济南城区面积仅28.8km2，处在直接补给区面积不足2km2，随着城市规模的不断扩大，城区逐渐向东、东南、南部及西南方向的直接补给区扩展，近年比20世纪50年代扩展了175.6km2。20世纪80年代以来城镇化南扩速率加快，直接补给区建成区面积逐年加大（图2），从而减少了地下水补给量。如太平庄、羊头峪、八里洼、六里山、金鸡岭、马山坡、兴隆等南部山区开发后，地面固化，大气降水直接进入防洪沟。而防洪沟淤积严重，地形坡降大，不能形成有效入渗，诸多地段成为永久性不渗漏区。2000年直接补给区范围内建成区面积比1954年增加51.3km2，按多年平均降水量648mm计算，由于城区扩展影响而减少的地下水补给量为3.8×104m3/d。
3.1.4 滥采、滥挖对生态环境的影响
据不完全统计，济南南部山区共有大小不等采石点200多个，采石、挖土造成地貌景观、植被破坏，导致水土大量流失。据调查，大量采石点是在20世纪80年代以后兴建的，由于灰岩山区土壤稀薄，树木植被稀少，山石开采进一步减少直接补给区的植被覆盖率。直接补给区因采石、烧砖造成严重水土流失，调蓄水量减小，地下水补给量亦随之减小。
图2 城区扩展演变图
1—1954年城区范围；2—1970年城区扩展范围；3—1981年城区扩展范围；4—2000年城区扩展范围
3.2 地下水环境负效应
3.2.1 地下水水位下降，泉水断流
20世纪60年代初期，地下水开采量较小，地下水平均水位在31.54～30.72m，泉流量为（35.52～33.58）×104m3/d；70年代中期，地下水位下降到28.15m，泉流量减少到15.22×104m3/d左右；70年代末至80年代初，地下水位平均由28.15m下降到26.68m，泉流量减少到10.48×104m3/d左右；进入90年代，泉水断流时间加长，1999～2001年泉水连续断流达932d（图3）。
3.2.2 地下水超采降落漏斗形成
长期集中开采地下水，在东郊工业区、七贤庄和经济学院一带形成多个降落漏斗，袭夺泉水补给量。
3.2.3 大明湖、小清河污染
由于地下水位下降，泉水断流，大明湖、小清河水得不到充足补充，出现严重富营养化。
3.2.4 地下水质量下降
20世纪50年代济南地区社会经济尚不发达，工业“三废”排放量少，岩溶地下水开采量小，处于天然流场。以 50年代水质资料作为地下水环境污染起始值，研究济南地区地下水污染演化：1958年以来，随着人类活动加剧和开采量增加，市区、东郊和西郊岩溶水水质有逐渐恶化的趋势，矿化度、总硬度、氯离子、硫酸盐、硝酸盐等常规组分含量呈上升趋势（图4），尤其
图3 1959～2002年泉流量、地下水位、开采量与降水量关系图
1—年降水量；2—市区年均水位；3—年均泉流量；4—市区及外围开采量
图4 1958～2002年市区地下水硬度、矿化度变化曲线图
1—硬度；2—矿化度
4 济西水源地地下水开采潜力分析
已开辟的济南西郊桥子李、冷庄、古城水源地在北沙河流域、玉符河流域，在丰水年份的丰水期，部分地段钻孔自流，本区岩溶地下水开采具有开采潜力，如2004年9月在古城水源地开采的情况下，钻孔仍然自流。
根据计算，北沙河流域多年平均降水条件下的降水补给量为9.2×104m3/d，由于上游水库截流，在平均降水量年份仅有少部分地表水补给，因此，桥子李和冷庄水源地的开采量不宜大于10×104m3/d，峨眉山、腊山、大杨庄水厂和古城水源地距离泉群较近，对泉水影响大，应关闭腊山水厂，并控制开采量不大于6.0×104m3/d。
5 水环境保护和保泉对策建议
5.1 调整开采布局，实施分质供水
通过数值模拟优化计算（农业开采没有计算在内），枯水期保持泉水位在28.5 m以上，泉域岩溶水允许开采量为18.8×104m3/d，济西水源地开采量为10×104m3/d，西郊水厂开采量为5.8×104m3/d，东郊工业自备井控制在3.0×104m3/d；白泉泉域可供水量为28.29×104m3/d，长-孝水源地建议开采8.0×104m3/d；泉水先观后用5.0×104m3/d，合计60.09×104m3/d。这些优质地下水资源可用于生活和高精尖工业用水。按照人均用水量150L/d计算，可满足400万人生活用水。一般工业用水改用地表水（长江水和黄河水），充分发挥玉清湖、鹊山水库作用，彻底关停工业自备井。农业灌溉在节水的前提下，改用地表水，限制利用岩溶地下水。
5.2 回灌补源
由于卧虎山、锦绣川、岳庄等水库拦蓄大量地表径流，减少泉域地下水的补给量，改变了自然生态系统，直接影响着泉水的出流，因此，卧虎山、锦绣川水库应停止向市区供水，整修已有输水干渠向兴隆、石青崖、玉符河等直接补给区回灌补源。岳庄水库用于北沙河补源，降低“西进”对西郊地下水环境的影响；随着东部产业带和东部新城的规划建设，未来可考虑引水进行东郊补源，目前尚缺补源水源。
5.3 逐步关停工业自备井
减少东西郊工业自备井开采，逐步消除经济学院、井架沟、高新技术开发区一带的降落漏斗对泉水补给量的袭夺。
5.4 控制城区向直接补给区内扩展
为避免城市开发建设影响泉水补给，因此，济南城市建设“南控”边界应在平安店—潘村—玉符河河谷—丰齐—大杨庄—刘长山—英雄山—羊头峪—牛旺一线。在该线以南的岩溶地下水直接补给区，禁止进行规划建设。
5.5 逐步进行小流域治理，加强植树造林，调整南部山区农业生产结构
泉域南部直接补给区应禁止毁林占地建设别墅区、居住区、工业园，以及陡坡开荒、开山采石等。逐步调整南部山区产业结构，实施退耕还林，禁止放牧，停止开山采石，大力发展林果业，实施生物工程，增加植树造林面积，对马啼峪、龙洞峪、大涧沟、石青崖、柏石峪、小岭子、板倒井、下井沟、腊山等沟谷进行治理，禁止倾倒垃圾和占用，起到涵养水源的作用。
总之，恢复泉水长年喷涌是一复杂的系统工程，不可能通过一项措施在短期内得以实现，需统一认识，近期措施与远期目标相结合，分步实施。
主要参考文献
徐军祥，康凤新.2001.山东省地下水资源可持续开发利用研究.北京：海洋出版社.