“灰岩天窗”对济南泉水水化学组分的影响

武羽晓,邢立亭，袁春鸿,吕晶

(1.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；2.山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250014；3.济南大学水利与环境学院，山东 济南 250002)

1 地质背景

因为济南城市中心具有岩溶大泉而闻名。为保护好泉水这一地质遗产，学者对泉水特征的研究从未止步(邢立亭等，2006；邢立亭，2007；徐军祥等，2008)。泉群地层基底为太古界泰山群，上覆古生界寒武系凤山组，奥陶系冶里-亮甲山组、马家沟组，受燕山晚期岩浆活动影响，普遍分布有侵入岩，隐伏于第四系之下。研究区岩溶水含水岩组为寒武—奥陶系灰岩，文化路以北，历山路以西，明湖路以南为隐伏寒武—奥陶系灰岩主力含水区域，单井涌水量>5 000(m3/d)。研究表明，趵突泉泉群区、黑虎泉泉群区和泺文路南口3处岩浆岩被剥蚀缺失(房佩贤等,1984)，面积约0.6 km2，形成了“灰岩天窗”。其中，趵突泉附近0～8.85 m砾岩，8.85～36.80 m大理岩(连通形溶洞发育)，36.80～77.92 m白云质灰岩(54.00～54.90 m、58.50～59.80 m为溶洞，60.50～77.50 m岩溶极发育)，77.92～148.08 m石灰岩；黑虎泉附近0～15.52 m砾岩，15.52～99.25 m白云质灰岩(16.40～17.40 m为溶洞，25.50～30.00 m岩溶极发育，63.20～64.80 m、66.45～69.39 m为溶洞)；泺文路南口0～19.00 m砾岩，19.00～30.90 m泥质灰岩，裂隙极发育，30.90～66.00 m白云质灰岩(30.90～33.50 m、37.10～37.60 m、45.00～46.00 m、62.50～66.00 m为溶洞)。“灰岩天窗”是孔隙水与岩溶水水力联系点，枯水期孔隙水补给岩溶水易造成泉水污染(房佩贤等,1984)。笔者以南起马鞍山路，北至明湖路，西起大纬二路，东到山大路范围作为研究范围的核心区，重点研究了核心区地下水水化学组分特征，研究区水样点分布及核心区岩溶水水文地质现状见图1。

1.核心区岩溶水涌水量>5 000(m3/d)区；2.核心区岩溶水涌水量1 000～5 000(m3/d)区；3.核心区岩溶水涌水量100～1 000(m3/d)区；4.灰岩天窗；5.断裂；6.岩溶水流向；7.岩溶水水样点及编号；8.孔隙水水样点及编号；9.裂隙水水样点及编号；10.区域岩溶水水样点及编号

2 研究方法

2.1 数据来源

本次研究采用了济南市轨道交通建设对泉水影响的研究资料(韩连山等，2010)，采用了“济南趵突泉泉域地下水长期动态观测资料”，采用了济南四大泉群泉水补给来源混合比研究资料(邢立亭等，2018)。

2.2 水化学组分研究

笔者重点研究了岩溶水，采用多元数理统计法对岩溶水水质主成分进行了分析(秦兵等,2012)；运用该方法对大同盆地高F地下水水化学特征及其成因进行分析统计；运用水化学场与水动力场理论对泉水补给区、径流区和排泄区岩溶水水化学组分特征进行了分析。

3 研究结果、讨论

3.1 水化学组分

研究区地下水水样区位特点及水化学组分特征(表1)。

表1 地下水水化学组分表(mg/L)

3.1.1 孔隙水水化学组分

运用济南轨道交通建设对泉水影响的研究资料，依次对孔隙水、裂隙水和岩溶水水化学特征进行分析。

图2 孔隙水水化学组分特征图

(2)孔隙水水化学组分多年变化趋势。以回民中学(2003)-圣凯财富广场(2005)-齐鲁医院(2006)-万达广场(2009)-趵突泉门对门(2010)一带的孔隙水为例(图3)。

从图3看出，2003～2010年孔隙水水化学组分总体呈现出随时间缓慢增大的趋势，圣凯财富广场表现为一个高值区。

图3 2003～2010年孔隙水水化学组分变化趋势图

3.1.2 裂隙水水化学组分

图4 裂隙水水化学组分特征图

3.1.3 岩溶水水化学组分

表2 岩溶水化学组分区间值表(mg/L)

(2)岩溶水水化学组分多年变化趋势。以趵突泉泉水为例，泉水多年水化学组分变化趋势(图5)。

图5 泉水多年水化学组分变化趋势图

3.2 泉水水化学组分形成作用

泉域范围地下水径流、储蓄持续发生于岩溶空间，逐渐转化为岩溶水。文化路以北地下岩溶特别发育，溶洞直径介于0.01～3 m，而且溶洞之间连通性极好，成为巨型网络状蓄水空间，受北部岩浆岩阻挡，在南部水头压力作用下喷涌成泉，形成为岩溶大泉。

3.2.1 岩溶水水质主成分分析

表3 变量相关性分级表

通过SPSS软件对以上10个变量的统计分析，自动生成了变量指标相关性矩阵表(表4)、因子特征值与方差百分比表(表5)和方差旋转后因子得分矩阵表(表6)。

表4 变量指标相关性矩阵表

表5 因子特征值与方差百分比表

表6 方差旋转后因子得分矩阵表

(2)岩溶水总硬度及矿化度特征。岩溶水总硬度与矿化度均较低，总硬度一般为300～400 mg/L，矿化度一般为500～600 mg/L，具体各研究点岩溶水总硬度与矿化度特征分析见图6。

图6 岩溶水总硬度与矿化度特征分析图

图6显示泺文路、黑虎泉、圣凯财富广场总硬度和矿化度明显偏高，此3水样点正好位于泺文路南口及黑虎泉泉群2处“灰岩天窗”，孔隙水与岩溶水发生水力联系，持续改变岩溶水水化学组分。

图7 灰岩天窗内孔隙水与岩溶水水化学组分对比图

3.2.2 相邻含水层水质对岩溶水的影响

3.2.3 水动力场对岩溶水质的影响

为验证其他位置岩溶水、孔隙水和裂隙水水力关联性，在审计厅、省府前街、县西巷、大明湖西南门、大明湖南门、青龙桥和解放桥进行了对照性抽水试验。现场试验显示，对孔隙水或裂隙抽水时，周围岩溶水的水位变化甚微，证明了以上区位岩溶水与孔隙水、裂隙水水力联系不明显。以下分析了孔隙水与岩溶水水化学组分受流场的影响。

(1)孔隙水水化学组分受流场的影响。沿径流方向各点位孔隙水有关离子含量变化情况(表7)。

表7 孔隙水部分离子含量变化表(mg/L)

(2)岩溶水水化学组分受流场的影响。对岩溶水流场特征进行研究，总体特征表现为岩溶径流条件非常好(邢立亭等，2017)。沿径流方向各点位岩溶水有关离子含量变化情况(表8)。

表8 岩溶水部分离子含量变化表(mg/L)

3.3 区域岩溶水水化学组分特点

3.3.1 补给区、径流区岩溶水与天窗岩溶水水化学组分对比

从补给区→径流区→排泄区，岩溶水水化学组分差异性对比情况见图8。

图8 区域岩溶水与天窗岩溶水水化学组分对比图

对Na+含量分析，补给区、径流区平均值为15.47 mg/L；天窗区一般都大于30.00 mg/L。Na+与Ca2+曲线走势十分相似，Na+高值区Ca2+也高。Na+高值区往往人类活动激烈区，Na+经雨水进入孔隙水，补给岩溶水，与碳酸盐矿物发生离子交换，使岩溶水中Ca2+增加，导致矿化度升高。

3.3.2 主径流带岩溶水与天窗岩溶水水化学组分对比

泉域地下水长期动态监测显示，植物园点位S12位于趵突泉主径流带东侧，饮虎池点位Y9位于主径流带末端，为“灰岩天窗”边缘。主径流带岩溶水与天窗岩溶水水化学组分对比(图9)。

图9 主径流带岩溶水与天窗岩溶水水化学组分对比图

地质资料显示，西郊丰齐村一带第四系砾岩直接与灰岩接触，形成了“西郊天窗”。丰齐村一带“西郊天窗”与泉水出露区“灰岩天窗”岩溶水水质对比见表9。

从表9可以看出，“西郊天窗”岩溶水矿化度低，不同于“灰岩天窗”岩溶水水质，因为“西郊天窗”地下有100 m左右第四系覆盖，上下有多层黏性土夹于中间，孔隙水在补给过程中受到层中黏性土的阻挡，各组分含量普遍较低，所以深部岩溶水水质较好，而“灰岩天窗”第四系一般10 m左右，孔隙水入渗快，无阻挡，因此两者不同。

表9 西郊天窗与灰岩天窗水质对比表

4 结论

(1)泉群出露区及附近分布有3处“灰岩天窗”，面积约0.6 km2，是孔隙水与岩溶水水力联系点，顶板岩性为第四系砾岩，大气降水携带溶解物极易入渗进入孔隙水。

(2)“灰岩天窗”地下具独特的水文地质结构，地上是旅游活动中心—泉城广场一带，人类活动异常激烈，天窗及其附近的孔隙水易遭受污染。

(3)第四系砾岩下覆灰岩岩溶非常发育，连通性好，枯水期污染的孔隙水入渗补给岩溶水，补给快，易入渗，“灰岩天窗”是影响泉水水化学组分因素之一。