卧虎山水库对济南泉水影响的定量分析

刘 江，李 波，杨增元，杜雪梅

(1.山东省水文水资源勘测局，山东 济南 250014； 2.山西省第三地质工程勘测院，山西 晋中 030620)

济南以泉水闻名，泉水是济南的特色和灵魂。

济南南部山区是济南泉域地下水的重要补给来源，卧虎山水库建成后，天然状态下的玉符河流域水循环模式发生了根本性改变，出现了人工侧支循环圈，形成“天然-人工”双驱动力作用下的流域“二元”水循环模式[1]。这种“二元”模式导致玉符河流域水资源情势的演变，地表水与地下水的转化受到很大影响，从而影响到了泉水流量的大小。

目前有关济南市的水资源评价大多是采取分区集总式的评价方法，缺乏单一因子对水资源的空间变异特征影响的专门研究。对于卧虎山水库这一区域最大的下垫面变化因子，其对区域地下水补给量影响究竟有多大，至今没有定量的计算研究。本文计算了卧虎山水库对区域岩溶水补给量的影响，进而分析对泉流量的影响。

1 研究区概况

1.1 济南泉域

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北倾单斜构造。出露地层为太古界泰山岩群(Art)，古生界寒武系(∈)、奥陶系(O)、石炭系(C)、二叠系(P)和新生界第四系，泉域北部分布有中基性侵入岩体。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，北以济南岩浆岩体和石炭、二叠系煤系地层为界，面积为1486km2[2]。

1.2 玉符河

玉符河发源于济南南部山区的锦绣、锦阳、锦云三川。三川汇入卧虎山水库，流出水库后始称玉符河，由南向北径流，注入黄河，全长41km。

表1 天然及人工调蓄状态下玉符河径流量对比

玉符河是典型的漏河。自水库大坝至潘村出山口为玉符河上游河段，共17.5km属于山间河谷，是河水直接补给岩溶地下水的主要河段；潘村至北店子村入黄口为玉符河下游河段，处于冲积扇上，河水与第四系孔隙水有直接联系，与岩溶水没有直接联系。玉符河上游河段地表河水渗漏条件好，渗漏量大。尤其是渴马至潘村段是河水的强渗漏地段，河床卵石层厚达10m，直接覆盖在张夏灰岩岩溶带上，河水通过卵石空隙迅速进入地下，根据水文观测和有关试验[3]研究，玉符河上游河段河道渗漏能力为15m3/s，即，从卧虎山水库坝址处来水流量小于15m3/s时，河水在出山口之前就能全部渗入地下，来水流量大于15m3/s时，多余部分可进入下游河道。

玉符河下渗的河水是济南泉域岩溶水的重要补给来源。

1.3 卧虎山水库

卧虎山水库位于济南泉水的间接补给区，水库控制流域面积557km2(图1)，库区多年平均降水量698mm，径流量5517万m3，兴利库容3698万m3。建库初期，水库以防洪、农业灌溉为主，1988年被确立为饮用水水源地，年均供水量2000万m3。

2 卧虎山水库对泉域岩溶水补给量的影响

卧虎山水库对济南泉域岩溶水补给量的影响主要表现在以下3方面：河道水文特征变化对地下水补给量的影响、水库灌区农业灌溉对地下水补给量的影响、利用水库放水进行人工回灌对地下水的影响。

图1 研究区地理位置

2.1 河道水文特征变化对岩溶水补给量的影响

2.1.1 河道水文特征变化

在卧虎山水库建成运行之前，水库大坝附近河道长年有水，水库建成以后，水量经过水库的拦截调蓄，被用于灌溉和城市生活用水，河道流量减少，河道径流的年内、年际变化特征也发生了很大改变。通过对大坝处河道径流进行还原计算(表1)，可知多年平均(1971—2004年，下同)卧虎山水库坝下河道天然径流量6843万m3/a，人工调蓄后河道实际径流量4407万m3/a，减少了35.6%。

2.1.2 岩溶水补给量的变化

根据前面分析，玉符河上游河段的渗漏能力为15m3/s，即当来水量小于15m3/s时，在该河段能够全部渗入地下补给岩溶水，当来水流量大于15m3/s时，超过15m3/s的流量进入下游河道。根据这一结论分别计算出天然条件下的历年逐月岩溶水补给量，及水库建成运行后实际历年逐月岩溶水补给量，对照两种情况下的岩溶水补给量，分析玉符河河道水文特征变化对岩溶水补给影响。

表2 典型年及多年平均玉符河水对岩溶水补给量

玉符河上游河段河水对地下水的补给量按以下方法计算：当河道来水量小于15m3/s时，地下水补给量等于河道径流量；当河道来水量大于15m3/s时，地下水补给量采用下式计算：

Q=15Δt

式中：Q为地下水补给量，m3；Δt为相应时间间隔，s。

计算结果：天然条件下卧虎山水库坝下玉符河水补给岩溶水5611万m3/a，人工调蓄后玉符河水补给岩溶水3057万m3/a，比天然条件下减少了45.5%(表2)。

2.2 水库灌区农业灌溉对岩溶水补给量的影响

卧虎山水库灌区地层为双层结构，上覆第四系松散层厚度从数米至十数米，岩性以亚砂土和亚黏土为主，下伏地层主要为寒武系张夏组灰岩及凤山组灰岩，在该地区张夏组及凤山组灰岩岩溶发育，上覆第四系孔隙水都能迅速渗漏补给到下伏岩溶水系统。

卧虎山水库灌区主要沿玉符河分布，设计灌溉面积55.3km2，有效灌溉面积44.7km2。灌区作物主要为小麦与玉米、花生、地瓜间作。多年平均灌溉水量为1324万m3/a，灌溉以大水漫灌为主，灌溉入渗补给地下水量为252万m3/a。

因此，卧虎山水库灌区多年平均农业灌溉补给地下岩溶水252万m3/a。

2.3 回灌补源对泉域岩溶水的影响

济南市为了保护泉水景观，自2001年开始充分利用玉符河流域的地形、地层、地质构造及水动力等自然条件，数次从卧虎山水库放水补源。据有关监测分析成果，补源水量全部在玉符河上游渗入地下补给了岩溶水，对市区泉群水位动态影响明显。

虽然回灌补源对于保泉作用明显，但是由于卧虎山水库同时担负着为城市生活及农业灌溉供水的任务，因此，可用于回灌补源的水量有限，如何解决好保泉与供水的矛盾，还需要统筹当地水源及客水水源，做好科学调度[4]。

2.4 卧虎山水库对区域岩溶水补给影响总量

玉符河河道水文特征变化对区域岩溶水补给量带来的影响是负影响，即减少了岩溶水补给量；水库灌区农业灌溉和人工回灌补源对区域岩溶水补给量的影响是正影响，即增加了岩溶水补给量。在进行还原计算，分析河道水文特征变化对区域岩溶水补给量的影响时，已考虑了人工回灌补源引起的河道径流量变化。因此，卧虎山水库对区域岩溶水补给影响总量等于玉符河河道水文特征变化对区域岩溶水补给量带来的影响与水库灌区农业灌溉对区域岩溶水补给量的影响的代数和，其影响量为2302万m3/a，即由于卧虎山水库的建设，平均每年玉符河流域减少2302万m3对济南泉域岩溶水的补给量。

3 卧虎山水库对济南泉水影响程度分析

3.1 济南泉水流量衰减情况

自1959年有监测记录以来，济南泉水喷涌状况可分为4个阶段[5]：①高水位常年喷涌期(1959—1968年)，该时期四大泉群长年喷涌，只有1968年个别泉群出现季节性断流，泉水平均流量为34.5万m3/d；②季节断流期(1969—1980年)，该时期四大泉群由全部常年喷涌转为仅个别泉群常年喷涌，高水位泉群出现季节断流。泉水平均流量15.5万m3/d；③低水位经常断流期(1981—2002年)，该时期四大泉群基本上每年均出现春季断流现象，甚至全年断流。泉水平均流量4.56万m3/d。④泉水流量恢复期(2003—2009年)，自2003年9月6日趵突泉又一次复涌以来，四大泉群已持续喷涌，泉水平均流量12.8万m3/d。

可见，济南泉水喷涌量呈明显衰减趋势。

影响泉水流量的因素主要有大气降水量的变化、地下水人工开采量变化、下垫面条件的改变对地表、地下水转化的影响等3个方面。卧虎山水库则属于下垫面条件改变的一个因子。

3.2 卧虎山水库对济南泉水影响程度

据有关研究，济南泉域总面积1486km2，多年平均岩溶水补给量19453万m3/a(53.3万m3/d)。

自1959年开始，济南市区4大泉群具有系统的泉水位及泉流量的监测资料。监测序列的前10年(1959—1968年)，人类活动对济南泉水的影响相对较小，泉域下垫面条件变化不大，泉域岩溶水人工开采量较小。1959—1968年泉域平均年降水量为698.3mm，与泉域多年平均(1956—2006年)年降水量687.5 mm基本相当，因此，可以把1959—1968年的泉水喷涌状况作为天然条件下的背景值。

天然条件下(1959—1968年)，市区4大泉群平均涌水量为12592.5万m3/a(34.5万m3/d)，占泉域岩溶水年总补给量的64.7%。按同样比例分配，卧虎山水库对泉域岩溶水补给影响总量2302万m3/a(6.3万m3/d)，其中对泉流量的影响为1489.3万m3/a(4.08万m3/d)，占天然条件下泉流量的11.8%，即在不考虑其他因素的情况下，卧虎山水库的拦蓄运行使市区四大泉群的泉流量削减了11.8%。

[1] 刘家宏，秦大庸，王浩，等.海河流域二元水循环模式及其演化规律[J].科学通报，2010(6)：512-521.

[2] 徐军祥，邢立亭，佟光玉，等.济南泉域地下水环境演化与保护[J].水文地质工程地质，2004，31(6)：69-73.

[3] 吴兴波.济南人工回灌补源保泉试验研究[D].武汉：武汉大学，2004.

[4] BOUWER H.Artificial recharge of groundwater：hydrogeology and engineering[J].Hydrogeology Journal，2002，10(1)：121-142.

[5] 邢立亭.济南泉域岩溶水环境保护[J].水利科技与经济，2006(9)：601-604.