泰安上泉泉域边界特征与泉水保护

赵宏生

(山东钰镪地质资源勘查开发有限责任公司，山东 泰安 271000)

0 引言

上泉泉群是泰安市最大的岩溶泉群，泉点集中分布于上泉村内地形低洼处或沟渠内，有名字的泉点就有驴带泉、龙泉、灵应泉、郑家泉、荆枣泉等，无名的泉点随地可见，泉水常年喷涌不息。经勘查研究，对上泉泉群的形成、喷涌条件取得了较充分认识[1]。本文以地下水系统理论为指导，对上泉泉域边界、补径排条件进行了研究，以期对泉水的保护起到促进作用。

1 地质概况

上泉泉群位于泰安市西南25km处的汶口凹陷东缘，地形东高西低、北高南低。东部云亭山、南山一带丘陵区标高+105m～+143m，西部、南部山前倾斜平原区标高+91m～+100m。常年流水的南留河自泉域北部流经隐伏奥陶纪灰岩分布区。区内多年平均降水量680.50mm左右。

上泉岩溶地块为一个以古生代寒武-奥陶纪碳酸盐岩夹碎屑岩为主体的N倾单斜构造，总面积约25.22km2。寒武系出露于东部云亭山以北、南山以南丘陵区，为一套海相碳酸盐岩夹碎屑岩沉积，岩性为云斑灰岩、泥质灰岩、竹叶状灰岩、灰质白云岩夹粉砂质页岩等，地层走向总体呈近EW向、NE向，倾向NW,N，倾角20°～45°，总厚度589.2m。奥陶系出露于泉域东北部南山一带，隐伏或半裸露于泉群上游上泉至南留一带山前倾斜平原区，地层走向近EW，倾向N，倾角20°～30°,岩性为灰岩、白云岩及其过渡类岩石，地层总厚度216.5m。古近纪官庄群隐伏于泉域西部汶口凹陷盆地内，朱家沟组岩性为灰质砾岩夹砂岩、砂砾岩，钙泥质胶结，胶结致密，角度不整合于奥陶纪马家沟群灰岩之上，地层厚度10m；大汶口组岩性为泥岩、钙质页岩。第四系广泛隐伏于泉域西部山前倾斜平原及汶口凹陷盆地内，岩性为砂质黏土、黏土质砂(图1)[2]。

1—第四纪临沂组；2—古近纪大汶口组；3—古近纪朱家沟组；4—奥陶纪五阳山组；5—奥陶纪土峪组；6—奥陶纪北庵庄组；7—奥陶纪东黄山组；8—寒武纪三山子组；9—寒武纪炒米店组；10—寒武纪崮山组；11—寒武纪张夏组；12—寒武纪馒头组；13—新太古代卧牛石单元；14—实测、推测地层界线；15—平行不整合界线；16—推测角度不整合界线；17—断层及产状；18—水文孔及编号；19—2017年丰水期等水位线；20—岩溶地下水流向；21—上升泉图1 泰安上泉泉域水文地质略图

2 泉域边界特征

上泉泉群在构造与地貌位置上属单斜构造的边缘，泉水沿断层上升成泉，呈面状或带状成群喷涌，泉域边界清晰，研究泉域边界范围和边界条件，对开发利用上泉泉域岩溶地下水和保护泉水景观具有重要意义。

2.1 东部边界

泉域东部以南留断裂为界。该断裂总体走向320°，倾向SW，倾角80°左右，断裂带宽20～30m，沿断裂带可见断层角砾岩、碎裂岩，力学性质显示为张扭。断裂东盘出露新太古代卧牛石单元片麻状中粗粒含角闪黑云英云闪长岩，西盘为古生代寒武-奥陶纪碳酸盐岩夹碎屑岩，断层落差大于1700m。断裂两盘分属块状岩类基岩裂隙水和岩溶地下水两个不同的地下水系统，南留断裂为泉域的东部边界。

2.2 东南部边界

泉域东南部以F18断裂为界。断裂走向38°，倾向NW，倾角75°左右，为一高角度正断层。南东盘出露新太古代卧牛石单元片麻状中粗粒含角闪黑云英云闪长岩，北西盘出露古生代寒武纪馒头组紫红色粉砂质页岩夹薄层灰质白云岩。F18断裂为泉域的东南部露头边界。

2.3 南部边界

F3断裂为泉域的南部边界。断裂走向305°，倾向SW，倾角80°左右，垂直断距630m，东南部被F18，F16错断，断裂性质为先张后扭。断裂北盘隐伏寒武系碳酸盐岩夹碎屑岩透水、弱透水地层，南盘隐伏古近纪官庄群大汶口组泥岩、页岩夹砂岩等阻水地层。该断裂为泉域的南部阻水边界。

2.4 西部边界

南段以F6断裂为界。断裂走向27°，倾向NW，倾角70°左右，具左行扭动特征。断裂东盘主要为寒武-奥陶系灰岩、白云质灰岩，西盘为古近纪官庄群朱家沟组灰质砾岩夹砂岩和大汶口组泥岩、页岩夹砂岩等阻水地层。该断裂此段具阻水性质。

北段以奥陶纪马家沟群灰岩与古近纪朱家沟组不整合接触界线为界。界线东侧为奥陶纪马家沟群灰岩、白云岩透水地层，西侧为钙泥质胶结致密的朱家沟组灰质砾岩、页岩夹砂岩阻水地层。

2.5 底界

对泉域底界未作详细研究，泉域内古生代寒武-奥陶纪碳酸盐岩夹碎屑岩覆于基底新太古界侵入岩之上，目前地质孔、水文孔均未揭穿该套碳酸盐岩夹碎屑岩沉积地层，理论上泉域底界以侵入岩上界较为合理。据施工于上泉泉群附近该泉域内最深的水文孔ZK1揭露，孔深300m处仍可见灰岩溶孔、溶洞，节理裂隙呈张开状、无充填。推测向深部随着地层埋深的增大，岩溶发育程度将会呈现逐渐减弱的趋势[3]。

3 岩溶地下水补给、径流、排泄条件

3.1 地下水补给来源分析

上泉泉域岩溶地下水补给来源除大气降水入渗补给外，还接受流经其北部隐伏奥陶纪灰岩分布区南留河的渗漏补给和胜利水库季节性放水农灌回渗水补给，其动态变化受这些影响因素的影响和控制(图2)。

1—降水量；2—泉群水位；3—补给区观测点水位；4—泉群喷涌标高图2 2017年上泉泉群岩溶水水位动态曲线图

3.1.1 大气降水入渗补给

大气降水入渗对泉域岩溶地下水的补给作用明显，水位的升降、泉群流量的大小与降水时间、多少密切相关。1—6月份区内降水稀少，地下水位呈波动下降状态，一般至6月底出现全年最低水位；7月份以后随雨季到来降水增多，地下水位迅速上升，至8月上中旬达到峰值，泉群水位也上升到标高+91.80m喷涌条件而喷涌，一般可持续喷涌至10月下旬左右，以后水位又随降水减少呈现波动下降状态。表明大气降水对岩溶地下水位影响显著，具有降深入渗补给快、间接补、连续排的特征[5]。

据动态观测资料，2017年7月15日至19日降水量分别为12.5mm，8.8mm，6.2mm，7mm，62.9mm后，至19日上泉泉群的驴带泉、龙泉、灵应泉、郑家泉、荆枣泉等五大泉点几乎同时喷涌，流量逐渐增大；7月27日至8月1日新一轮降水分别为41.9mm，70mm，4.2mm，10.7mm，2.5mm，4.4mm后，泉群最高水位出现在8月1日，流量也达到峰值9218.88m3/d，以后泉群流量逐渐减少并持续喷涌至10月30日，时间长达104d，泉域内其他岩溶地下水位观测点水位上升时间与降水时间也高度吻合。表明大气降水入渗是岩溶地下水的主要补给来源，地下水位对大气降水响应滞后时间短，同时说明泉域内岩溶含水层裂隙岩溶发育、连通性好、补给能力强。经水均衡计算，泉域多年平均获得大气降水天然补给资源量约190万m3/a，约占岩溶地下水系统补给资源量的37.9%。

3.1.2 灌溉回渗水补给

泉域外东侧的胜利水库一般于每年的3月5—20日当地小麦返青期、4月30日—5月10日小麦拔节期放水灌溉，9月30日—10月15日、11月15日—12月5日进行下一年度的小麦播种、播后冬灌放水，放水主干渠自泉域东北部流经并向西沿途延伸出许多支渠和毛渠，沿途通过隐伏奥陶纪马家沟群灰岩分布区，灰岩埋藏浅，灌渠沿途渗漏和农田灌溉回渗水大量补给岩溶地下水，放水后地下水位普遍上升，停放后水位随即缓慢下降，放水和停放的当日水位升降即有反映。动态监测表明，上泉泉群除雨季喷涌外还有四次喷涌时间段，与胜利水库放水农灌时间完全吻合，说明灌溉回渗水是岩溶地下水的又一重要补给来源。根据灌溉区面积、灌溉方式、灌溉定额、回渗系数估算，泉域多年平均获得灌溉回渗补给资源量约52万m3/a，约占岩溶地下水系统补给资源量的10.4%[6]。

3.1.3 河水渗漏补给

南留河是泰安市境内最大河流大汶河的上游支流，自南留村向西南流经上泉泉域北部隐伏奥陶纪马家沟群灰岩分布区。该河上游汇集大气降水形成的地表径流和胜利水库坝下养鱼池水渗漏，在南留村以上常年流水，过南留村后向西开始逐渐渗漏，至上泉泉群一带河床变干涸，仅在雨季降水量较大时下游河段有河水径流，表明南留河水渗漏补给岩溶地下水。经测流计算，泉域多年平均获得南留河渗漏补给资源量约259万m3/a，约占岩溶地下水系统补给资源量的51.7%[7]。

3.1.4 岩溶地下水补给来源同位素研究

利用大气降水、河水、岩溶水氘(2H)、氧(18O)稳定同位素分析结果，绘制成δD-δ18O关系曲线图(图3)。从图3可看出，河水、水文孔、泉群氘(2H)、氧(18O)稳定同位素测试结果接近一致，点位集中，且靠近中国东部地区降水曲线附近，表明河水、岩溶水的补给来源为大气降水，同时岩溶水与河水点位靠近，佐证了岩溶水补给来源除大气降水外，河水渗漏、水库放水灌溉回渗水也是其重要补给来源[8]。

根据地下水是否受到核爆试验产生的核爆氚(3H)标记，核爆试验前(1953年)天然状态下大气降水氚浓度为10TU，根据法国J.ch.冯特经验估算法，0～5TU为40年前的“古水”占优，5～40TU为新近入渗水与40年前“古水”的混合水为主。根据测试结果，大气降水氚值为6.6±1.2TU、河水氚值为6.4±1.2TU、泉群氚值为6.1±0.7TU、水文孔岩溶水氚值为6.3±1.0TU，其氚值结果接近，表明河水、岩溶水补给来源均来自大气降水，且泉域岩溶水为新近入渗水与40年前“古水”的混合水，与岩溶水的埋藏、补给、径流条件相符。

1—雨水；2—地表水；3—水文孔岩溶水；4—泉群水图3 各类型水体δD(氘)-δ18O(氧)关系图

3.2 岩溶地下水径流

从岩溶地下水等水位线图看出，东部云亭山、南山丘陵一带寒武-奥陶纪碳酸盐岩夹碎屑岩裸露地表，是地下水的间接补给区，大气降水入渗补给地下水，然后顺地势向西部下游径流运移；南留、上泉一带奥陶纪灰岩浅覆盖或半裸露，大气降水入渗直接补给地下水，是岩溶水的直接补给区，同时南留河水渗漏补给岩溶水，其水力坡度较大。地下水在向下游径流运移中，至上泉泉群一带因岩溶含水层被F6断裂切穿使之与西侧的古近纪官庄群大汶口组泥岩、页岩夹砂岩等非含水地层接触，非含水地层阻挡了地下水流，使地下水在非含水层的上游富集并产生壅水现象使水位抬高，使得受阻的地下水在上泉附近地形低洼处溢出地表形成上升泉，其成因类型属侵蚀-断层泉。地下水在上泉附近溢出地表后，继续向泉域南部径流，至后周家院、扈家石墙一带岩溶地下水水位高于上部第四系孔隙水水位，逐渐向上顶托越流补给第四系孔隙含水层，属非全排型岩溶泉群，即岩溶地下水除泉水排泄外,还以潜流形式排泄于第四系孔隙含水层，泉群流量不代表泉域内岩溶地下水系统的天然资源。

3.3 岩溶地下水排泄

3.3.1 泉群排泄

泉点集中分布于上泉村及其附近，泉群位于村中一北东向的沟谷东侧，沟底零星出露古近纪官庄群朱家沟组灰质砾岩并与奥陶纪马家沟群灰岩接触，二者接触界线明显，接触部位即为F6断裂通过位置，灰质砾岩胶结致密。断裂东盘地表零星出露奥陶纪马家沟群灰岩，岩溶形态呈溶芽、溶沟、溶槽、卧牛石状(图4)[9]。2015年以前泉群常年喷涌，此后因泉群上游工业用水开采量的增加，仅在每年的雨季、胜利水库季节性放水农灌期间呈间歇性喷涌，泉群排泄是岩溶地下水的排泄途径之一。经测流计算，泉群多年平均排泄量约34万m3/a，约占岩溶地下水系统补给资源量的6.8%。

1—砂质黏土；2—泥岩；3—砂岩；4—灰岩；5—断层；6—岩溶水位；7—泉群；8—泉群喷涌标高图4 上泉泉群出露水文地质条件示意图

3.3.2 开采排泄

上泉泉域内开采排泄包括生活、农灌和工业用水开采[10]。

泉域内开采岩溶水用于生活用水的村庄仅有南留村、上泉村，其他村庄均接入自来水管网，其开采特点是开采量小，对泉域岩溶地下水位的影响较小。经统计，泉域生活用水开采量约18万m3/a，约占岩溶地下水系统补给资源量的3.6%。

农灌开采是非胜利水库放水灌溉区或远离灌渠区，当地一般于每年的3月5—20日小麦返青期、4月30日—5月10日小麦拔节期开采岩溶地下水井灌，域内农灌机井30余眼，开采时间集中、开采量大、连续开采，短期内可造成泉域内岩溶地下水位的大幅快速下降。农灌季节过后停采并随着雨季到来，大气降水再次补给岩溶水，水位又出现迅速回升。农灌开采是岩溶地下水的排泄方式之一，根据泉域内井灌面积、灌溉方式、灌溉定额估算，扣除灌溉回渗量净开采岩溶水约68万m3/a，约占岩溶地下水系统补给资源量的13.6%。

泉域内工业用水开采有山东泰山玻纤有限公司、山东泰山岩棉有限公司、山东泰安纸面石膏板有限公司等三家单位自备井，年开采总量约136万m3/a，约占岩溶地下水系统补给资源量的27.1%。其开采特点是连续开采、长期消耗地下水资源，使地下水位处于长期缓慢下降态势。工业开采是泉域岩溶地下水的重要排泄方式。

3.3.3 径流排泄

从岩溶地下水等水位线图看出，岩溶地下水自东而西径流至泉域西部上泉泉群喷出地表后，继续向泉域南部径流运动，水位逐渐高于上部第四系孔隙水水位，从而向上顶托补给第四系孔隙水发生越流排泄。经水均衡计算，多年平均越流排泄量约245万m3/a，约占岩溶地下水系统补给资源量的48.9%[9]。

3.3.4 蒸发排泄

蒸发是各类地下水排泄的消耗项之一，除受气象因素影响外，还与地形地貌、地层岩性、植被覆盖、地下水位埋深等因素有关，一般当地下水位埋深大于3m时蒸发作用可忽略不计。据动态观测资料，泉域内岩溶地下水位埋深小于3m的范围，仅局部出现在上泉泉群一带，分布范围小，泉域内岩溶水蒸发排泄量轻微[11]。

4 泉水保护

经计算，上泉泉域多年平均获得的补给资源量约501万m3/a，现状排泄资源量约256万m3/a，剩余径流排泄资源量约245万m3/a，总补给资源量大于泉群、开采排泄资源量，表现为正均衡。计算地下水开采程度指数β为0.88，介于0.7<β≤1.0之间，根据《DZ/T0282—2015水文地质调查规范(1∶50000)》评价，现状岩溶地下水开采程度高，从保护泉群景观角度考虑，上泉泉群上游应禁止增采岩溶地下水，否则会出现泉水停涌，2015年以后泉群呈间歇性喷涌即是其外观表现。考虑经济发展用水需求，可在上泉泉群下游隐伏寒武纪炒米店组灰岩、张夏组灰岩分布区适当布井，夺取部分径流排泄资源量，对泉群喷涌不会产生太大的影响。同时，考虑岩溶发育的不均匀性，应采用物探方法寻找断裂构造有利部位确定井位，以保障井孔的出水量[12-15]。

5 结语

上泉泉群是泰山市最大的岩溶泉群，也是泰安市重要的泉水景观资源。经勘查研究，泉域边界清晰，由断裂构造、地层岩性控制，地下水补给来源有大气降水入渗、南留河渗漏补给、泉域外胜利水库放水灌溉回渗水补给，与地下水补给来源同位素研究结果吻合。经计算岩溶地下水现状开采程度高，为保护上泉泉群景观资源，本着“先看后用”的原则，应禁止在泉群上游增采岩溶地下水。考虑经济发展用水需求，可考虑在泉群下游隐伏寒武纪炒米店组灰岩、张夏组灰岩分布区适当布井，夺取部分径流排泄资源量，对泉群喷涌不会产生太大的影响。