山东省济南市区泉水与西郊岩溶水水力联系的研究

于令芹 马河宽 齐欢 刘传娥

摘要：为进一步查明济南市区泉水与西郊岩溶地下水的水力联系，从地层结构、水动力场角度，通过抽水试验、示踪试验、制作Piper三线图等方法，进行了系统分析。研究表明，西郊刘长山—郎茂山—万灵山一带地下水流场不存在异常，两侧等水位线连续平缓，水位大致相同；刘长山北侧槐苑广场—九中—十四中一带在埋深350m左右揭露连续的岩溶含水地层，市区和西郊通过隐伏于岩浆岩体的三山子组地层岩溶发育段存在水力聯系。市区泉水与西郊岩溶地下水水化学类型一致，二者具有相同的演化环境，水力联系密切。

关键词：岩溶含水层；抽水试验；地下水；济南市；山东省

中图分类号：P641.11

文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.07.001

引文格式：于令芹，马河宽，齐欢，等.山东省济南市区泉水与西郊岩溶水水力联系的研究［J］.山东国土资源，2023，39（7）：1-6. YU Lingqin， MA Hekuan， QI Huan， et al. Study on Hydraulic Connection Between the Springs in Ji'nan City and the Karst Water in Western Suburbs in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（7）：1-6.

0 引言

济南是著名的“泉城”，清冽甘甜的泉水使济南成为具有历史悠久、文化底蕴深厚的名城之一。历史上市民长期以优质的地下水为生活饮用水源，但从20世纪70年代初开始，地下水被过度开采，加之城市建成区不断扩张而导致的入渗减少，造成泉域地下水位下降［1-3］。近年来，济南市采取了封井节流、人工补源等［4-6］措施取得一定成效，但如何处理好泉水持续喷涌和让市民喝上优质地下水之间的矛盾仍然是济南市政府和广大市民普遍关心的重要问题。

国内学者针对济南泉水的形成机理［7-9］、水化学特征［10-13］、泉域的边界［14-16］进行了大量研究，但是市区泉水与西郊岩溶地下水的水力联系一直存在争议。一些学者认为市区与西部水力联系密切：董咏梅等［17］对2003年6月济西抽水试验进行分析，证明济南市区与济西地下水之间存在密切的水力联系；侯新文等［18］采用回归分析法研究泉水位与水源地开采量的关系，证明济南市区与西郊水力关系密切；张郑贤等［19］利用灰色关联的数学方法，从水位波动关联角度研究济南泉水与济西地下水的联系，论证两者地下水位关联性极强；齐欢等［20］通过经验正交函数分析法分析了趵突泉泉域地下水位动态的变化特征，证明泉域岩溶含水层整体连通性较好，区内没有明显的地下阻水边界。还有学者认为市区与西部水力联系相关性不大。邹连文等［21-22］通过济南泉群涌水量与区域降水的回归分析，论证济南泉水与东南部岩溶漏水山区的降水关联密切，济西地区为独立于济南泉域之外的地下水系统［2］。

本文从当前济南保泉供水迫切需要解决的问题出发，从地层结构、水动力场角度，采用停抽水试验、示踪试验、水化学分析等水文地质技术方法进一步分析论证西郊岩溶地下水与市区泉水之间的水力联系，为优化济南市地下水利用布局，实现科学保泉供水提供依据。

1 研究区概况

研究区范围为趵突泉泉域，东部边界为东坞断裂，西部边界为马山断裂，北部边界为奥陶系灰岩顶板400m埋深线，南部边界为地表分水岭［6］，总面积1658.9km2（图1）。

1—断裂；2—岩体界线；3—地表分水岭；4—钻孔编号及剖面线；5—水质取样点；6—第四系；7—奥陶系；8—寒武系；9—岩浆岩图1 研究区地质构造简图

研究区南依泰山，北临黄河，地形南高北低，南部为绵延起伏的山区，北部为平原。研究区属华北地层大区、鲁西地层分区，泉域内地层分布有基底岩系和盖层，属二元结构。泉域内地质构造发育，主要分布有NNW向的千佛山断裂、马山断裂、东坞断裂、文化桥断裂，近SN向的炒米店断裂。

2 研究方法

本文综合利用钻探、水位动态分析、停抽水试验、示踪试验、Piper三线图等方法对市区泉水与济南西郊岩溶地下水的水力联系进行分析。其中，根据钻孔揭露的地层岩性确定市区与西郊之间地层的岩溶发育情况和含水地层的连续性；通过等水位线和水位动态曲线判断济南西郊和市区泉水在水动力场上的关联性；根据抽水试验、示踪试验结果论证西郊与市区存在水力联系；通过Piper三线图的结果，分析济南市区泉水和西郊岩溶地下水的水化学类型。

3 结果与分析

3.1 地层结构

本次在济南西郊刘长山—郎茂山—万灵山一带布设3眼钻孔。市区与西郊之间仅存在千佛山断裂一条大型区域性断裂（图2），断裂两侧地层虽存在一定错动，但两侧的三山子组地层有一定联系。千佛山断裂以西的炒米店组至马家沟群各组地层空间分布连续稳定，济南西郊—市区一带岩溶地下水均赋存于该大型含水岩组内。刘长山北侧槐苑广场—九中—十四中一带没有明显的阻水构造，埋深350m左右揭露连续的岩溶含水地层，市区泉水和西郊岩溶水通过隐伏于刘长山北侧侵入岩体的三山子组地层存在水力联系。

3.2 水动力场

刘长山—郎茂山—万灵山一带位于千佛山断裂西盘的低丘、残山区，两侧的中奥陶系石灰岩含水层在时代、岩性、产状、空间展布上整体一致。虽然刘长山、郎茂山、万灵山3个相对孤立的低丘呈SN向分布，形成局部的地表分水岭，但灰岩地区地下水通过裂隙岩溶保持联通。等水位线图（图3）表明，刘长山—郎茂山—万灵山一带两侧没有水位突变，等水位线连续平缓、水位大致相同，地下水流场在该地区并不存在异常，济南西郊岩溶地下水和市区泉水在水动力场上具有联系。

槐苑广场、九中、十四中和趵突泉的水位动态曲线表明（图4），市区与西郊的水位变化规律基本一致，呈现出“同升同降”的趋势，槐苑广场—九中—十四中—市区一带地下水连通性较好，总体趋势西郊地下水位高于市区泉水位。

3.3 停抽水试验

对九中、十四中、槐苑广场3个钻孔进行抽水试验。九中钻孔抽水量为102m3/h（2448m3/d），水位降深25.5m；抽水量为60m3/h（1440m3/d），水位降深6.32m。十四中钻孔抽水量为90m3/h（2160m3/d），水位降深28.2m；抽水量为84m3/h（2016m3/d），水位降深25m；抽水量为70m3/h（1680m3/d），水位降深21.9m。槐苑广场钻孔在埋深418m时出现明显漏水情况，当抽水量为260m3/h（6240m3/d），水位仅降深4.0m。表明槐苑广场—九中—十四中一带地层整体富水性较好。

对九中钻孔进行抽水试验，观测孔位于刘长山—郎茂山—万灵山一带西侧的K05钻孔（图3）。抽水试验S-t曲线（图5）显示抽水开始后1.5h，K05观测孔水位开始有下降的趋势；抽水开始后1.5～11h，观测孔水位下降速率较快；抽水开始后11～27h，观测孔水位下降速率变缓至稳定，稳定后的水位降深为0.7m。抽水停止后2h观测孔水位开始有上升的趋势，上升速率逐渐由快变缓，停抽后30h，观测孔水位基本恢复至初始水位。根据主孔抽水时观测孔水位的反应时间、反应速率等，说明刘长山—郎茂山—万灵山一带两侧存在水力联系。

3.4 示踪试验

为查明济南巖体与灰岩接触带地下水连通情况，2021年2月21日于九中进行钼酸铵示踪试验。试验前对投源井和观测井的水位进行观测，并采取各自水样进行化验。其中九中钻孔作为投源井，共投放示踪剂50kg，十四中钻孔作为观测井，水样送往中国冶金地质总局山东局测试中心进行测试。

示踪试验前测得九中钻孔地下水位28.76m，十四中钻孔地下水位27.51m，九中地下水位高于十四中。十四中钻孔Mo离子背景值为0.21μg/L，3月10日测到Mo离子浓度呈现上升趋势，3月15日Mo离子浓度达到监测峰值0.5μg/L，约为背景值的2.5倍，然后呈现下降趋势，并逐渐趋向于稳定。该示踪试验证明九中—十四中一带地下水通过辉长岩裂隙存在水力联系（图6）。

3.5 水化学分析

Piper三线图结合地质水文地质条件，可以分析地下水化学成分的演变规律。图7、图8为2022年济南市区、西郊岩溶地下水枯水期和丰水期的水化学Piper三线图，全部岩溶水落点区域碱土金属离子大于碱金属离子，弱酸根大于强酸根，碳酸盐硬度大于50%，表明地下水化学特征为碱土金属离子和弱酸根为主，市区趵突泉、黑虎泉等泉水与西郊岩溶水落在相同区域。

图7 市区和西郊水化学类型三线图（2022年枯水期）

位于济南西郊的HY钻孔含水层为三山子组地层，地下水化学类型为HCO3-Ca型，与市区泉水主要含水层和水化学类型相同。JZ钻孔和SSZ钻孔地下水主要来自辉长岩裂隙导通的岩溶水，以及辉长岩裂隙中的水，地下水化学类型为HCO3-Ca·Mg型。其他西郊岩溶地下水（图1）含水层为马家沟群地层，与三山子组含水层上下连通，水化学类型为HCO3-Ca型。济南市区泉水和西郊岩溶地下水在水化学类型上具有一致性，表明市区和西郊地下水具有相同的演化环境。

4 结论

（1）从地层结构角度，刘长山北侧槐苑广场—九中—十四中一带没有明显的阻水构造，埋深350m左右揭露连续的岩溶含水地层，市区泉水和西郊岩溶地下水通过隐伏于刘长山北侧侵入岩体的三山子组地层岩溶发育段存在水力联系。

（2）等水位线图表明刘长山—郎茂山—万灵山一带两侧没有水位的突变，等水位线连续平缓、水位大致相同，西郊岩溶地下水与市区泉水水位动态变化规律基本一致，地下水流场在该地区并不存在异常，西郊岩溶地下水和市区泉水在水动力场上具有联系。

（3）抽水试验说明槐苑广场—九中—十四中一带地层整体富水性较好，刘长山—郎茂山—万灵山一带两侧存在水力联系。九中示踪试验证明九中—十四中一带地下水通过辉长岩裂隙存在水力联系。市区泉水和西郊岩溶地下水在水化学类型上具有一致性，表明二者具有相同的演化环境。

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Study on Hydraulic Connection Between the Springs in Ji'nan City and the Karst Water in Western Suburbs in Shandong Province

YU Lingqin1，2，MA Hekuan1，2，QI Huan1，2，LIU Chuan'e1，2

（1. No.801 Hydro-engineering Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， Shandong Ji'nan 250014， China； 2. Shandong Underground Water Environmental Protection and Remediation Engineering Technology Research Center， Shandong Ji'nan 250014， China）

Abstract：In order to further identify hydraulic connection between Ji'nan springs and karst groundwater in western suburbs，  from the perspective of stratigraphic structure and hydrodynamic field through pumping tests， tracer tests， and Piper trilinear diagrams making， hydraulic connection between the two has been analyzed in this paper. It is showed that there is no abnormality in the groundwater flow field in Liuchangshan—Langmaoshan—Wanling Mountain in western suburbs， and the water level is about the same on both sides with a continuous and gentle isohyaline line. A continuous karst aquifer has been revealed in Huaiyuan Square—No.9 Middle School—No.14 Middle School on the north side of Liuchangshan at a depth of about 350m. There is a hydraulic connection between the urban area and the western suburbs through karst development section of Sanshanzi formation， which is hidden in magmatic rock body. The spring in the urban area and the karst in the western suburbs are of the same hydrochemical type. They two have the same evolutionary environment and close hydraulic connection.

Key words： Karst aquifer; pumping test; underground water; Ji'nan city; Shandong province

收稿日期：2023-01-18；

修訂日期：2023-02-06；

编辑：曹丽丽

基金项目：国家自然科学基金项目（41472216），国家自然科学基金项目（41772257）

作者简介：于令芹（1984—），女，山东烟台人，高级工程师，主要从事水文地质环境地质工作；E-mail：154175416@qq.com

通讯作者：齐欢（1986—），男，河北邢台人，高级工程师，主要从事水文地质环境地质工作；E-mail：943314446@qq.com