城市扩展对趵突泉泉域直接补给区保泉能力影响

孙斌，高文锋，魏月，雷炳霄，毕栋威

(山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队(山东省地矿工程勘察院)，山东 济南 250014)

济南是以泉水著称的国家级历史文化名城，其水资源问题具有代表意义，它不仅关系到济南城市的未来发展，更决定着泉城特色和城市形象[1]。近60多年来，泉水经历了高水头持续喷涌-低水头衰减枯竭-人工调控复涌3个变化阶段[2]。自2003年以来，泉水实现了16年持续喷涌，但与20世纪五六十年代相比，喷涌水位、流量已经无法恢复如初，受人工开采、生态环境破坏、城市扩展等[3-9]多方面影响。泉水动态变化对济南市社会经济、环境有着重大影响，同时城市发展也反作用于泉水动态。许多学者、研究机构从不同角度对济南市的泉水进行了科学研究，特别在地下水补给方面，开展了回灌补源[10-12]、引黄、引江补源[13]、海绵城市[14-15]及典型渗漏带保护开发与评价[16]等大量工作；在直接补给区渗漏带方面研究，山东师范大学黄春海教授首次提出强渗漏带概念，指出济南地市泉域补给区范围内存在24个强渗漏带[17]，2014年，山东省水利科学研究院和济南市水利局提交了“济南泉域重点强渗漏带调查与保护修复规划”成果，划分了24个强渗漏带类型、范围与保护红线(1)济南市水利局,山东省水利科学研究院,济南泉域重点强渗漏带调查与保护规划,2014年。。目前，对于泉域直接补给区城市化影响以点状研究多，而面上研究相对较少，该文在前人研究的基础上，利用1954年—2015年期间的城市扩展资料，通过3S技术，从时空角度开展城市扩展导致泉水直接补给区面积变化及地下水补给量减少等方面的研究，分析揭露直接补给区入渗功能变迁及其对保泉能力的影响，为直接补给区保护和恢复治理提供参考。

1 泉域功能分区

趵突泉泉域岩溶地下水主要是由南部大气降水入渗补给和地表水渗漏补给后，沿地形和地层倾向向北运动，在山前受火成岩阻挡后岩溶水富集。千佛山地堑内四大泉群涌出地表，为典型的单斜自流构造。根据岩溶水的补给、径流、汇集、排泄条件，将趵突泉泉域岩溶水系统功能自南向北划分为岩溶水间接补给区、直接补给区、汇集排泄区(图1)。

1—泰山岩群；2—寒武系；3—奥陶系；4—火成岩；5—断层；6—泉图1 趵突泉泉域功能分区剖面图

间接补给区主要指南部山区的变质岩、寒武纪馒头组和寒武纪张夏组分布区，面积为977.18km2。

直接补给区为南部丘陵区及山前平原广泛分布的寒武纪炒米店组—中奥陶系灰岩区，面积为451.79km2。其与市区泉水联系最为密切，是关系泉水保护的重要地带。因灰岩地表、地下裂隙岩溶发育，组成复杂的岩溶网络系统，易于接受大气降水及间接补给区汇水入渗，快速反应“三水”转化规律。同时，因地表岩溶发育，岩石裸露或覆盖层薄，其生态环境也相对脆弱，易于遭受人类活动破坏，且恢复治理难度较大。因此，加强直接补给区保护对保持泉水持续喷涌至关重要。

汇集排泄区接受降水和地表水渗漏补给的岩溶水，在直接补给区受地形和单斜构造的控制，由南向北径流运动，在西郊北部受下伏石炭二叠系地层阻挡，在市区和东郊高新区受深厚的火成岩阻挡，使岩溶水在接触带附近集蓄，面积为301.03km2。

2 济南城市化进展及其影响

2.1 城市扩展特征

根据多时像遥感解译，1954年济南城区面积仅仅28.89km2，城区位于解放桥西，棋盘街、八一礼堂、南辛庄以北范围，占用直接补给区面积仅1.985km2。随着社会经济发展，城市规模逐渐增大，城市扩展方向主要向东、东南、南、西南方向发展。1970年前后城区面积为56.10km2，80年代为74.19km2，2000年为204.49km2，2010年为347km2，至2015已经扩展到390km2(图2)。从城市扩展速度看，60多年来济南城区面积经历了由缓慢增长到快速增长到爆发式增长3个阶段。1954—1980年年均扩展面积1.74km2，1980—2000年年均扩展面积6.52km2，2000—2015年年均扩展面积12.37km2。可以看出，城镇化南扩速度最快时间段在20世纪80年代以后，尤其是在21世纪初期，而且主要向南部奥陶纪灰岩区扩展。如今东郊高新技术产业开发区、大小汉峪、孟家、中井、荆山、浆水泉、羊头峪、八里洼、千佛山、太平庄、兴隆-土屋、金鸡岭、十六里河、九曲、七贤镇、南北康而、腊山、党家庄及长清大学城等一带，奥陶纪灰岩地表岩溶相对发育区，已基本被规划和建设为各类开发区。

2.2 城市扩展影响

(1)直接补给区面积逐渐萎缩

60多年来，济南城市发展空间的扩展不断向南部山区蔓延，而这些地段恰恰是地下水的直接补给区，是泉水的源头。截至2015年，趵突泉泉域内被侵占直接补给区面积由20世纪50年代的1.985km2扩大至130km2(图3)。其中，1954—1980年，累计侵占面积为8.36km2，年平均侵占面积为0.32km2，1980—2000年，累计侵占面积为42.93km2，年平均侵占面积为2.15km2，2000—2015年，侵占面积为76.73km2，年平均侵占面积为5.11km2，这一变化趋势与济南城市扩展速度和方向基本吻合。

1—1954年主城区范围;2—1970年主城区扩大范围;3—1981年主城区扩大范围;4—2000年主城区扩大范围;5—2010年主城区扩大范围;6—2015年主城区扩大范围图2 1954—2015年济南市主城区扩展图

图3 直接补给区被侵占面积变化图

(2)城市表流、洪涝增多

随着市区河道被挤占、衬砌，加之南部山区地面固化面积急剧增加，使下垫面不透水层大大增加，下渗量和蒸发量减少，导致地表径流量随城区扩展逐渐增加[18]，自20世纪60年代至90年代，部分地区径流系数由0.5增加到0.9。地表径流量增加，使城区容易产生洪涝灾害。自1949—2007年，济南发生洪涝灾害28次[19]，平均每两年一次，如2007年7月18日，济南市区3小时降水量达180mm[20]，大量地表径流由南部丘陵区向城区低洼处汇集，由于水量大且湍急，市区部分交通中断，泄洪河道外溢，造成人员伤亡和财产损失。

3 直接补给区面积削减对保泉影响

直接补给区地表沟谷渗漏是岩溶水最重要的补给场所，同时山坡、山脚的土壤、植被等对于小流域内的水源涵养及汇集也具有重要作用。因此，强渗漏带的划定必须具有流域概念，该次根据前人成果依据渗漏沟谷所处小流域将北沙河、玉符河及其以东直接补给区重新划分为24个强渗漏小流域。这些小流域内的河道、干谷是决定渗漏的关键部位。然而，随着城市发展众多河道、干谷遭到破坏、填埋、改道、变窄、防渗等(表1、图4)，致使小流域渗漏功能遭受不同程度破坏，影响地表水入渗补给量。根据其破坏程度大小大致可以划分为3类：

(1)渗漏功能基本消失

自20世纪80年代至21世纪初，城市扩张迅速，致使腊山-文庄、双龙-九曲、东西八里洼、太平庄、羊头峪及石河岭6个河谷强渗漏小流域被城市侵占，总面积约48.33km2。其关键河道、干谷已经被地面硬化、衬砌防渗，原本应渗入地下的地表水基本转化为地面径流，沿行洪河道北向流走，无法补给泉水，小流域内渗漏功能基本消失。

表1 城市扩展对直接补给区强渗漏小流域影响统计

(2)渗漏功能部分消失

21世纪以来，城市建设始终未能停止向南部泉水直接补给区扩张，尤其是近十几年来，城市侵占南部直接补给区现象日趋严重。北沙河、分水岭-北康而庄、兴隆-土屋、小岭、浆水泉、中井-下井、孟家-龙洞、大涧沟和南北胡-刘志远9个河谷强渗漏小流域正逐步被城市侵占，其关键渗漏河道、干谷被占比例普遍超过40%。其中分水岭-北康而庄及南北胡-刘志远强渗漏小流域内河道、干谷被占比例更是超过70%；小岭强渗漏小流域虽然被占比例仅26.05%，但其关键渗漏河谷面积仅1.19km2，且流域内地表水汇集后大部分向兴隆-土屋小流域内径流并下渗，而兴隆-土屋强渗漏小流域内关键渗漏河道、干谷被占比例已经达到44.12%。北沙河强渗漏小流域内前大彦至魏庄河段已开发成园博园景区，河道被完全防渗处理，其关键渗漏河道5.57km2被占2.57km2，达到45.24%，且园博园景区南北两侧城区开发已有9.12km2。9大河谷强渗漏小流域内43.25km2的关键渗漏河道、干谷被占面积总计22.85km2，被占比例达到52.83%，并仍在继续开发中。而且，几条河道上修建的水库原本在雨季蓄水后可渗入补给岩溶水，现皆采取防渗措施，水库水无法入渗，大多蒸发，如兴隆、浆水泉、孟家水库等。小流域内地表水渗漏补给量大幅削减，小流域渗漏功能已部分消失，并有加速发展趋势。

(3)渗漏功能近似完好

在南部低山丘陵的河谷强渗漏小流域还未受到城市集中开发影响，主要以村落低密度零散开发为主，破坏程度相对较小，基本保持了原有渗漏功能。主要分布在玉符河、泉泸-钱家庄、矿村、店子-二仙、邵而-展村、车脚山-太平庄、涝坡-郑家窝坡、河东-河西和侯家庄-义和庄9个强渗漏小流域。其关键渗漏河道、沟谷72.72km2，被侵占总面积14.2km2，各小流域被侵占比例均低于30%。玉符河强渗漏小流域关键渗漏河道虽然被城市侵占面积仅3.26%，但由于卧虎山、锦锈川等水库截流，河道径流减少，挖砂后出现采补不平衡，使河床下切，坑洼不平，河道表层2m内粗砂已挖尽，仅剩大量卵砾石。河道沟谷宽度变窄，渗透性降低，涵养水源能力减弱，大大降低了地表水入渗补给量。

总之，直接补给区是趵突泉泉域重要的岩溶地下水补给场所，此区域岩溶地层裸露、岩溶裂隙发育，分布众多河流及沟谷(岩溶干谷)，为大气降水入渗和地表水渗漏转化地下水提供了有利条件。据资料统计，截至2015年，城市发展空间因向东南、南、西南三面扩展，造成泉域地下水直接补给区面积减少约29%。其中，强渗漏小流域内的河流、沟谷侵占破坏总面积约85.38km2。地面固化、沟谷侵占等使降水入渗量大大减少，直接影响泉水补给量。粗略计算多年平均降水量648mm，奥陶纪灰岩平均降水入渗系数0.42，降水入渗量减少9.7万m3/d。

除此之外，干谷、河道破坏还有另外2方面影响，一是在短时强降雨条件下，增加了地表径流量，减少入渗量，对城区造成洪涝威胁；二是当来自南部间接补给区地表水流经直接补给区的沟谷时，同样也无法入渗补给岩溶水，进而转化为地表径流白白流走。因此，直接补给区破坏对泉水补给量削减影响远远超过估算的9.7万m3/d。

1—强渗漏小流域;2—河道、沟谷;3—已丧失渗漏功能;4—部分丧失渗漏功能;5—泉域范围图4 趵突泉泉域直接补给区内强渗漏小流域渗漏功能破坏示意图

4 结论与建议

济南城市扩展经历了由缓慢增长、快速增长、爆发式增长3个阶段，趵突泉泉域直接补给区面积削减也随之相应变化。直接补给区面积逐渐萎缩，城市表流、洪涝增多。直接补给区是泉水的重要补给地带，从流域角度重新划定了24个强渗漏小流域。截至2015年，济南城区不断南扩，累计侵占直接补给区130km2，导致24个强渗漏小流域内的85.38km2主渗漏沟谷受到破坏，入渗功能受到不同程度影响，其中6个渗漏功能基本消失，9个渗漏功能部分消失，仅9个渗漏功能近似完好。直接补给区面积减少，导致泉水入渗补给量削减约9.7万m3/d。

随着城市发展速度加快，为避免泉水直接补给区进一步遭到破坏，建议着重加强对现存18个强渗漏小流域的地质环境保护与修复，统筹小流域内山、水、林、土、草生态系统的保护，加强小流域内山坡-山脚-山谷局部水循环的整体保护与修复。针对已经完全丧失功能的6个强渗漏小流域，在有条件的情况下，考虑对八里洼东西沟、羊头峪大沟、浆水泉大沟、窑头大沟、孟家大沟、汉峪大沟原渗漏段进行修复，并增加地表水滞留促渗工程，逐步恢复其入渗功能。