趵突泉取水工程对济南护城河通航影响研究

(山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250014)

1 概述

1.1 工程概况

济南泉水赋予济南市独特的泉水文化。特别是中心城区四大泉群，位置集中、出流量大、十分壮观。近年来，通过在东西护城河上新建船闸，护城河与大明湖得以通航，实现“一船游泉城”，充分发挥了泉水的景观价值。目前出流后的泉水经大明湖流入小清河，利用率较低。为让泉水发挥景观价值的同时，最大限度的为济南市民服务，达到泉水真正意义上的“先观后用”，拟建设泉水输送工程，泉水输送自趵突泉泉池西北侧至普利门处市自来水公司，引水工程管道全长1 211 m，在趵突泉公园新建加压泵房(地下)、铺设管道等工程。设计最大取水能力3万 m3/d，额定取水量2万 m3/d。泉水输送工程规划图见图1。

图1 输水工程管线规划图

趵突泉引水工程位于观澜亭北50 m、河道西侧，工程主要由取水口、进水阀门、水管、泵房(三台额定1.5万 m3/d的水泵)等组成。

1.2 研究意义

场区处于趵突泉公园内，根据初步规划，取水工程埋置深度3.80～5.43 m，标高23.85～25.47 m，挖深较大，场地及附近水文地质条件复杂。此外工程建成后，将减少趵突泉泉群流入护城河的水量，对护城河通航工程可能将产生一定影响。因此应就该项目的建设对泉水影响以及下游环境的影响进行研究。

2 自然地理及区域地质背景

2.1 气象

济南市属暖温带大陆性半湿润季风气候区，四季分明。春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季晴和气爽，冬季寒冷少雪。历年平均气温14.2℃，最高气温达42.7℃，最低气温达-19.7℃。多年平均降水量为646.55 mm，在6～9月集中降水，12月至翌年3月较小，降水量的大小直接影响到地下水的补给量。从气象资料分析，最大降水量1 194.50 mm，最小340 mm。多年平均蒸发量1 918.2 mm。

2.2 水文

工程场区位于趵突泉公园内，处于趵突泉泉池北约70 m。除趵突泉外，附近名泉有澄洲泉、杜康泉、花墙子泉、满井泉。

趵突泉泉水部分自西河道流向护城河。工程距离橡胶坝(护城河)220 m。

2.3 地形地貌

济南市地处鲁中山地的北缘，南依泰山，北临黄河。南部为山区，深沟峡谷，海拔500～600 m；中部为山前冲洪积平原，海拔一般25～50 m；北部为黄河冲积平原，海拔一般20～30 m，工程区海拔28.5～29.7 m，最大高差1.2 m。

2.4 地质概况

济南地区地层以太古代泰山岩群为基底，上覆覆盖古生界寒武系、奥陶系、新近系以及第四系；在工作区附近，主要分布奥陶系以及第四系地层。包括：

古生界奥陶系地层(O)：地层产状在工作区一带为NW 40°～60°/ 8°～26°NE。主要地层以灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩为主。

第四系(Q)：在工作区一带广泛分布，厚度自南向北逐渐增厚，在10～20 m左右。岩性以人工填土、粘性土、碎石类土(区域附近以胶结砾岩居多)为主。

本区构造为单斜构造中发育有多条规模较大的NNW向断裂，其中距离场区较近的断裂有千佛山断裂、文化桥断裂。其中：

千佛山断裂呈北北西向斜切工作区西侧，规模较大，全长约36 km。总体产状N10°～30°W/SW。工程位于千佛山断裂东侧，距离约为1 km。

文化桥断裂在千佛山断裂东约3.5 km处，与其近于平行。已知长约3 km，产状N340°-350°W/>60°SE。

在工程区附近，岩浆岩与奥陶系地层互相穿插、犬牙交错，十分复杂。岩浆岩的厚度总体上呈现由南向北逐渐增厚的趋势。

2.5 水文地质条件

济南地区处于泰山北麓北倾单斜构造之内，在此构造之中的地下水流向总体上呈现由南向北的特征。在济南泉域北部火成岩体及西部石炭二叠系碎屑岩体的共同作用之下，形成西郊～市区～东郊长条状的富水带，此富水带岩溶十分发育，单井涌水量一般大于5 000 m3/d。在工程区附近，主要含水岩组有：

(1)松散岩类孔隙水含水层(组)：岩性以碎石(胶结砾岩地层)及碎石夹粘土为主。单井涌水量一般小于500 m3/d。

(2)岩浆岩风化裂隙水含水层(组)：岩性主要为闪长岩、辉长岩风化层等，地下水赋存于风化裂隙、构造裂隙中，风化带厚度一般小于40 m。由于裂隙发育不均，故富水性较差且不均匀。该含水岩组单井涌水量一般小于200 m3/d。

(3)碳酸盐岩裂隙—岩溶水含水层(组)：岩性主要为寒武系上统凤山组和奥陶系碳酸盐岩。该含水岩组单井涌水量一般大于5 000 m3/d。补给来源主要为南部山区灰岩裸露区大气降水入渗补给以及地表水渗漏补给。地下水总的运动方向与地形和地层产状基本一致，由南向北运动。地下水的排泄途径主要为泉群排泄和人工开采排泄。

工程场区水化学类型与趵突泉一致，各项离子二者相差较小。趵突泉水位标高28.02 m，工程场区水位标高27.20 m，推测工程位置处第四系含水层受出流后岩溶水侧向补给。

3 工程区地层渗透性分析

3.1 地层

钻探深度内，场地地层可划分为5层：

(1)填土：褐灰色～灰色，松散，主要成分为粘性土，含碎石、砖块等，厚度4.1～4.3 m，底标高24.85～25.01 m。

(2)粉质粘土：棕黄色，硬塑，含碎石，厚度3.7～3.8 m，底标高21.05～21.31 m。粉质粘土地层渗透系数合1.2×10-4m/d。

(3)碎石：棕黄色，密实，碎石主要成份为石灰岩，局部钙质胶结，见照片3-2。该层中部在2号钻孔位置夹一层粉质粘土夹层。厚度3.7～4.5 m，底标高16.45～16.81 m。

(4)粉质粘土：棕黄色，硬塑，含碎石。厚度1.7～2.0 m，底标高14.45～14.61 m。该层渗透系数合1.6×10-2m/d，可视为隔水层。

(5)全风化闪长岩：灰黄色，软塑，岩石风化严重，见照片3-3，夹强风化闪长岩碎块，最大揭露厚度0.6 m。

趵突泉北门处第四系厚度约15 m，闪长岩埋深53 m，下覆为奥陶系石灰岩，岩溶发育。工程附近下覆闪长岩体厚度约20 m，闪长岩地层以下为石灰岩地层。

3.2 工程区渗透性分析

为查明工程区渗透性进行了抽水试验，并以工程钻孔作为观测孔。水井主要含水层为碎石(及胶结砾岩)地层，全孔含水层厚度4.1 m。

根据恢复水位计算渗透系数按下列公式：k=1.57rw(h2-h1)/t(s1+s2)

计算恢复30 min、45 min、75 min时间段渗透系数，计算结果如表1[1]：

表1 渗透系数计算表

含水层渗透系数近似值取值为4.8 m/d。抽水试验过程中，对观测孔1、观测孔2进行同步观测，掉泵后，观测孔水位仍持续下降，最大降幅观测孔1为2 cm；观测孔2为8 cm。1号观测孔的降幅说明填土层亦具有一定渗透性。

4 取水对护城河通航影响评价

4.1 工程有关水文环境

趵突泉泉水景观壮观，水系发达。趵突泉流向歩青桥出水口的流量，占趵突泉总流量的50.8%，在趵突泉至歩青桥之间，其他小泉流量极小，故认为处于趵突泉至歩青桥之间的西河道流量与歩青桥流量相同。

护城河连接市区趵突泉、黑虎泉、五龙潭及大明湖，是济南市中心城区重要的水系，护城河已可通航，以过闸运行的方式保障护城河通航工程，护城河东西两侧均设置闸门，东闸门位于老东门附近，西闸门位于五龙潭公园东门附近，在闸门以南，黑虎泉、趵突泉、五龙潭泉水是护城河的来源。护城河内通过闸门控制河水水位标高，闸门以北，水位高程控制在23.92 m，闸门以南，水位标高控制在26.50 m。护城河通航标高受河道底板、通行桥上限共同限制，船只通行时水位标高严格控制在26.50 m。护城河在河闸以内，河闸间距离2.4 km，总面积5.9万 m2，蓄拦水量约10万 m3。

护城河通航工程是济南市水上交通的重要工程，全年通航。船只通航正常情况下线路由黑虎泉-趵突泉-五龙潭(西船闸)-大明湖-东船闸-黑虎泉(或反方向)，通航一次船闸消耗水量574 m3，本次计算考虑闸室侧壁地层情况以及地层的隔水性，通航一次消耗水量按照600 m3(约6%其他损耗水量)计算。

4.2 工程建设对泉水影响分析

工程建设最大基坑开挖深度为5.3 m，对应基底标高为23.85 m，根据钻探，工程对应地层可能为粉质粘土地层。粉质粘土地层底标高21.05～21.31 m，顶标高24.85～25.01 m。工程建设位于此地层之内。工程建设将挖除该层1～1.16 m；该层剩余地层厚度2.54～2.80 m。根据室内土工试验，粉质粘土层渗透系数为1.2×10-4m/d，该层可视为隔水层。

基底对应地层以下第四系尚有碎石层以及粉质粘土地层，距离闪长岩地层尚有9.1～9.24 m。根据附近地质资料，闪长岩体厚度约20 m，下部为石灰岩，据此分析，基底距离石灰岩地层约29 m。

工程建设虽然位于第四系含水层碎石层之上，第四系含水层碎石层底部尚有1.7～2.0 m厚的粉质粘土地层，该地层渗透系数为1.2×10-4m/d，亦可视为隔水层。同时从地层结构分析，第四系含水层碎石层与岩溶水含水层石灰岩地层之间尚有粘性土地层、闪长岩地层。二者之间无直接水力联系。

由于工程位置处，由于隔水性能较好的粘性土地层的阻隔，工程建设标高以上，第四系与岩溶水含水层无直接水力联系。工程建设时，基坑开挖对岩溶水补给、径流、排泄无明显影响。

4.3 取水对护城河通航影响分析

当趵突泉引水工程取水时，按照额定取水2万 m3/d计算，趵突泉流入护城河流量则相应减少，以2014年为例，取水对通航影响见表2，由表2可知，2014年全年流量能够满足15分/班的正常行船需求。全年流量各月平均流量均不能满足旺季通航水量需求；在其他月份，通航时只能等待水位恢复至26.5 m方能通航，等待时间间隔4.9～10.6 min。当取水后，除10月份以外，其它各月流量均能够满足15分/班的正常行船需求；旺季减少频次1.7-3.8次/h，通航时间增加2分钟6秒～4分钟42秒。

表2 取水工程对通航影响分析表

5 结语

该区域水文地质条件复杂。拟建场区第四系孔隙水含水层富水性差，奥陶系灰岩岩溶水含水层无直接水力联系。工程建成后，取水对护城河通航造成一定影响，应减小行船频率，增大船只运行间隔。