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本文目录一览:
- 1、长清大桥西边的水库钓鱼有人管吗?
- 2、济南城市“多参数”综合分析与评价
- 3、济南泉域岩溶地下水环境演化及保泉对策研究
- 4、济南泉域岩溶地下水环境演化
- 5、济南泉域地质环境保护对策
- 6、岳庄水库库容量
长清大桥西边的水库钓鱼有人管吗?
有人管啊!上次把中我的干子都收了!想升友钓找我吧!明里村做38路…最吵磨槐好骑二游正轮过去。池钓很实惠的。在玉清镇沙池附近。不知道可以搜地图。姓梁的…
济南城市“多参数”综合分析与评价
于世林 胡克桢 彭玉明
(山东省地矿袜山工程勘察院,济南250014)
作者简介:于世林(1964—),主要从事水文地质、工程地质工作。
摘要:随着济南市社会经济的快速发展,产生了一系列地质问题。 如泉水断流、地下水污染、地质灾害及工程地质问题等。本文通过对济南地区进行水文地质、工程地质、环境地质、地热地质条件等综合研究,阐明了济南地区工程地质条件、不良地质问题及地质灾害的分布,论证了济南地区不同地段的工程建设适宜性;对地下水污染现状、地下水质量、泉水断流原因进行了分析评价,提出了地下水保护及保泉措施;对济南北部地热田范围和地热资源开发远景进行了分析,对地热资源开发规划提出了可行性规划;对济南轨道交通地下段建设与泉水保护进行了分析论证;对城市扩建、小流域治理、水环境保护、地质地貌景观保护、回灌补源与控制开采水资源调蓄条件和补源工程可行性进行了分析论证。
关键词:济南;多参数;地质环境;分析;评价
济南地区地质条件十分复杂,随着济南市社会经济的快速发展,受人为活动和气象因素的影响,产生了一系列环境地质问题。如水资源的“供”“需”矛盾突出,地质灾害和不良工程地质问题对济南新城的规划建设造成潜在隐患,“泉源上奋,水涌若轮”的趵突泉出现断流,“泉城”已名不符实。通过对济南市城区进行基础地质、水文地质、工程地质、环境、地热地质条件等综合研究,掌握各种地质要素,分析、研究其对城哗好陆市发展所产生的影响。
1 城市发展空间的地质环境安全性分析
1.1 工程建设层的地质环境条件分析
济南地区属鲁中南低山丘陵工程地质区和鲁西北黄泛平原工程地质区,平面分布具有明显的东西向带状分布特征。南部为平阴-济南碳酸盐岩稳定亚区,广泛分布中寒武统至中奥陶统坚硬—较坚硬中厚层状灰岩,地表岩溶较发育,岩石力学强度高,但地形起伏大,工程地质条件较好;中部主要分布山前冲洪积地层,岩性为黄土、粉质粘土、粘土及碎石土、卵砾石等,工程地质条件较好,主要存在黄土湿陷等不良工程地质问题;工作乱顷区北部为黄泛平原,广泛分布黄河冲积物,岩性以粉土、粉质粘土及粉细砂等,上部地层松散、欠固结,物理力学性质差,承载力低,主要存在的不良工程地质现象为:软土及砂土液化。
1.2 不良工程地质问题及地质灾害分布
1.2.1 不良工程地质问题
工作区主要存在的不良工程地质问题为:①湿陷性黄土,广泛分布于南部山前地带及山间谷地,厚度一般小于5m,湿陷等级为Ⅰ级轻微非自重黄土湿陷场地;②软土,主要分布在黄河两岸附近及小清河附近,另外在大明湖附近也有分布,厚度一般小于2m;③液化土,黄河以北广泛分布新近堆积的饱和砂土及饱和粉土,存在砂土液化的可能性,地基的液化等级一般为轻微至中等。
1.2.2 地质灾害种类与分布
济南地区地质灾害种类较多,尤以突发性地质灾害居首位,重点为崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝等地质灾害。崩塌、滑坡、泥石流主要集中在南部山区及山前地带,多为人类工程活动引起。地面塌陷、地裂缝主要分布在济南东部地区,其他地区零星分布,多为人类开采煤矿、铁矿等采矿活动及大量开采地下水形成的。
1.3 工程建设适宜性评价
济南地区地层分布总体上呈东西向带状分布,其工程建设适宜性具明显呈带状现象。根据工程建设地基处理的难易程度和工程建设的经济性,从工程地质条件分析可划分为适宜区、较适宜区、适宜性差区和不适宜区四类。
1.3.1 适宜区
适宜区主要分布在工作区的中部,呈东西向带状展布,为山前冲洪积平原或山间坡洪积形成的稳定工程地质环境区。该区域适宜建设多层建筑及高层建筑,多层建筑可采用天然地基浅基础,一般小高层建筑可采用天然地基筏板基础,高层建筑可采用深基坑开挖,筏板基础或箱式基础。
1.3.2 较适宜区
较适宜区分为三个区段,南部主要分布于山间沟谷地段,适宜建设多层建筑及高层建筑,但应考虑对地质地貌景观的影响;中部位于山前冲洪积平原与黄河冲积平原接触地带,适宜建设多层建筑,可采用天然地基片筏基础,高层建筑可采用桩基础;北部位于黄河以北地区,适宜建设多层建筑,可采用天然地基片筏基础或复合地基,不宜建设高层建筑。
1.3.3 适宜性差区
适宜性差区分两个片区,南部片区位于低山丘陵区,地形坡度大于30 °;北部片区位于黄河两岸软土分布区,该区多层建筑可采用桩基础,不适宜建设高层建筑。
1.3.4 不适宜建设区
不适宜建设区零星分布,南部位于地质灾害高易发区,特别是滑坡、泥石流对人民生命财产危害大的地区;其他地区为采空塌陷区,对建筑物的破坏性强。
2 水环境质量评价
2.1 地下水污染现状
2.1.1 济南地区地下水水质的变化
近年来,随着人类活动的加剧和开采量增加,济南地区岩溶水水质有逐渐恶化的趋势,特别是20世纪80年代以来,岩溶水化学组分含量快速增加。西郊峨眉山水厂2004年岩溶地下水的矿化度是1959年的1.53倍,总硬度是1.22倍,
是25.34倍,炼油厂一带地下水质较差,检出油类污染,部分机井水的硬度、矿化度等指标超过生活饮用水标准;市区2004年矿化度是1958年的1.321 倍,总硬度是1.114 倍,Cl-是4.43倍、
是11.84倍;东郊地区2004年地下水的矿化度是1958年的2.09倍,总硬度是1.46倍,
是7.75倍。
2.1.2 岩溶水污染现状
岩溶水污染主要为常规离子污染(包括总硬度、溶解性总固体、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐等)。济南地区硝酸盐、
超标率为1.6%,溶解性总固体超标率为3.2%,
超标率4.8%,总硬度超标率达12.9%。硬度、矿化度、
最大超标倍数为3.0倍、2.5倍、4.8倍,说明地下水已遭受到工业污染。五毒元素(酚、氰、As、Cr6+、Hg)污染较轻,仅为工矿企业所在地呈点状污染。重金属离子(Cu、Pb、Zn)污染天然水中含量较低。油类污染主要分布在东、西郊炼油厂附近。
2.2 地下水质量评价
根据综合评价地下水质量可分为:①水质良好区。从南郊低山丘陵灰岩裸露区到北部隐伏区广泛分布,地下水类型以HCO3-Ca型为主,硬度一般小于400mg/L,矿化度一般小于500mg/L,各项水理指标符合饮用水水质标准,水质良好,适于作为生活或工业供水水源。②水质较好区。分布于水质较差区的外围,与较好区相连。地下水各项组分中均未超过地下水质量Ⅲ类标准,可以作为集中供水水源。③水质较差区。主要分布于后魏华村、后龙窝村、政法学院等地,另外东、西郊呈点状分布于埠东、武警医院、邵而、北汝等地,地下水中部分项目超过饮用水水质标准,适宜农田灌溉和工业用水,用作饮用水水源需加处理。④水质极差区。仅分布在井家沟村一带,综合评价为Ⅴ级水分布区,地下水主要受工业及农业严重污染,不益饮用。
2.3 泉水断流原因分析
随着城市发展对水资源需求量逐年增加,造成水位的连年下降,泉水断流,不仅影响到济南市的旅游业,而且影响到大明湖、小清河的水质状况,泉水断流原因如下:①人工开采是泉水断流的主因。20世纪60年代末期以来,岩溶地下水开采量逐年增加,大量开采地下水造成泉水断流已是不争的事实。50~60年代地下水开采量仅为(4.7~12.6)×104m3/d,外围地下水开采量较小;随着城市发展对水资源需求量逐年增加,水位连年下降,泉流量减少,市区泉群自1972年枯水期泉水首次断流,90年代以来东郊、西郊、市区水厂和工业自备井的总开采量基本稳定在55×104m3/d左右。②城市扩展,直接补给区面积减少,城区南扩造成泉域补给量减少。③来源于间接补给区的补给量减小,南部山区修建水库地表水补给量减少。④气候变化,降水量减少。⑤滥采、滥挖对地质环境的影响。
3 地热资源开发远景规划
工作区北部地热田盖层为新生界第四系和新近系、古生界二叠系和石炭系;热储为奥陶系中、下统灰岩;正常的大地热流是其主要热源,地热田边界及内部深大断裂是地热水与深部热源沟通的通道,热储顶板埋深由南向北从200m至齐广断裂南侧增至近3000m。
3.1 经济型地热资源开采区
该区热储埋深小于2000m,便于开采,经济效益好。该区以500m埋深差为界进一步划分为四个亚区:Ⅰ亚区,位于地热田南部灰岩条带和东部桃园-董家一带,热储顶板埋深小于500m,适宜成井深度小于700m,推测热储温度25~40℃;Ⅱ亚区,位于灰岩条带外围齐河石门张-旧齐河-北郊林场-靳家-鸭旺口呈近东西向带状展布,热储顶板埋深500~1000m,适宜成井深度700~1200m,推测热储温度40~50℃;Ⅲ亚区,位于八里庄-焦斌-表白寺-孙耿-清宁-遥墙机场以北地区呈弧形带状分布,热储顶板埋深1000~1500m,适宜成井深度1200~1700m,推测热储温度50~65℃;Ⅳ亚区,位于表白寺-孙耿-回河一带,热储顶板埋深1500~2000m,适宜成井深度1700~2200m,推测热储温度65~80℃。
3.2 次经济型地热资源开采区
该区位于齐广断裂南侧,热储埋深2000~3000m,开采技术条件较困难,经济条件不合理,由于热储层埋深较大,热储温度较高,推测热储温度 80~90℃,成井深度2200~3200m。
4 城市发展空间的地质环境保护分析
4.1 轨道交通地下段建设与泉水保护
4.1.1 工程条件分析
济南市轨道交通一号线一期工程地下段,拟东起解放桥,西至魏家庄,位于繁华的泉城中心,地下段长约3000m,轻轨地下段埋深16m,隧道建筑高度6.4m。其中共青团路-青龙桥地下段,长约1700m,两侧分布四大泉群。
轻轨地下段第四系厚度10.7~21.52m,岩性主要为杂填土、粉质粘土混碎石及残积土,其下为闪长岩体,层底埋深43.56~82.49m,再向下为奥陶纪—寒武纪灰岩。
依据地下水赋存介质的不同,沿线主要可划分为松散岩类孔隙水:单井涌水量小于500m3/d;侵入岩风化裂隙水:与上部松散岩类孔隙水关系密切,单井出水量小于100m3/d及裂隙岩溶水三个含水岩组:单井涌水量可达5000~10000m3/d,地下水位与降水量关系密切。
在闪长岩较厚的地区为闪长岩隔水层,浅层孔隙-裂隙水与深层裂隙岩溶水之间水力联系微弱,但在局部地段,如五龙潭、珍珠泉等地段,受构造、裂隙等因素的影响,深层岩溶水可贯通闪长岩与孔隙-裂隙水发生一定水力联系,泉水的形成与地形、地层、地质构造和水文地质条件密切相关。
4.1.2 泉水与孔隙-裂隙水关系分析
①岩溶水与孔隙水补给来源不同,径流与排泄方式不一致;②泉区附近岩溶水与孔隙水位不一致;③浅层孔隙裂隙水与深层岩溶水富水性差异较大:市区解放桥至普利门一线,岩溶水单井涌水量在5000m3/d以上,珍珠泉、五龙潭以北至大明湖一带,单井涌水量在1000~5000m3/d之间,而沿线浅层孔隙-裂隙水单井涌水量一般小于500m3/d,而且降深大;④水化学特征的不同,岩溶水水质良好,符合饮用水水质标准,孔隙-裂隙水由于人为污染,水化学类型复杂多变,矿化度较高。
4.1.3 地下段工程建设的建议
岩溶泉水与第四系孔隙-裂隙水补、径、排条件不一,含水介质、富水性、水质、水位存在差异,泉水的主要补给来源是广大的南部山区,如此大的泉流量不可能来源于第四系含水层,由此可见,济南泉水的形成是极其复杂的,推测泉水出露与局部构造有关。
在明湖路一带,灰岩(大理岩)埋藏深度大,因此,在不考虑客流量的情况下,轨道工程地下段适宜选在明湖路。
4.2 地质环境保护分析
4.2.1 城区扩展与泉水保护的关系分析
4.2.1.1 城区扩展演变对补给量的影响
济南城市扩展方向主要向东、东南、南、西南方向发展。城镇化南扩速度最快时间段在20世纪80年代以来,主要扩展至南部奥陶纪灰岩区,该区奥陶纪灰岩地表岩溶相对发育,直接补给区渗漏补给面积正在逐渐减少。由于城市建设地面固化,地表径流量随年代的增加而增加,市区60年代径流系数0.5,至90年代增加到0.9,径流量增加,减少了地下入渗补给,大部分降水大量流失。城区扩展、地面硬化是造成泉水补给量减少的因素之一。
4.2.1.2 东拓、西进对地下水补给量影响预测
东部产业带下游是白泉-武家水源地,东距黄土崖水源地地不足3 km;因此,东部产业带大面积规划建设,必然直接影响白泉-武家水源地、黄土崖水源地的允许开采量,预测东部产业带建设造成后年减少地下水补给量4.09×104m3/d。
(1)西部新城
二环西路-玉符河一带位于山前倾斜平原的前缘地带,该区开发建设应在火成岩与灰岩接触带以北为宜,即段店-西红庙-大杨庄-担山屯-小金庄以北;党家庄地带:位于直接补给区上游,应控制发展,并对已有排污点进行有效治理;大涧沟-南康庄一线位于直接补给区,与市区地下水关系密切,污水下渗将对岩溶水质量产生影响,故该区作为规划区不合适。
(2)长清高校区
下游桥子李、冷庄水源地距规划用地不足5 km;接受大气降水的直接补给向下游径流,构成济西桥子李水源地、冷庄水源地、大杨庄水源地、峨眉山水源地的重要补给源。因此,规划建设对地下水补给量将产生较大影响,预计年减少入渗补给量6.394×107m3。
(3)长清片区
长清规划区位于济南泉域西部,长清东北方向桥子李、老张庄地段,地下水资源丰富,单井涌水量104m3/d左右,具备集中开采的潜力,开采量应控制在10×104m3/d以下,长清以东-东南不宜进行大规模开发建设,应以生态保护为主导发展方向。南部低山丘陵区灰岩大面积裸露,是济南泉域岩溶水的直接补给区,严禁污水直接排放,同时应尽量减少一级保护区内的城市规划占地,重点保护西起平安店至潘村,沿玉符河河谷至丰齐,从大杨庄-刘长山-英雄山-羊头峪-郭店一线以南的直接补给区,以免造成泉群的补给量减小。
4.2.1.3 南控红线的位置确定
综合分析以往资料,为避免开发建设影响泉水补给,促进济南市的可持续发展,“南控”应保护平安店-潘村-玉符河河谷-丰齐-大杨庄-刘长山-英雄山-羊头峪-牛旺一线以南的直接补给区。
4.2.2 地质环境保护措施
4.2.2.1 小流域治理措施
将“在开发中保护”原则落实到实处:采取有效措施防止沟谷淤积、占用,修建拦水坝,停止审批南部山区的开发建设项目。实施生物工程,增加植树造林面积,保护自然植被。
4.2.2.2 水环境保护措施
济南泉域南部低山丘陵区灰岩大面积裸露,是岩溶水的直接补给区,局部沟谷地段被冲洪积层覆盖,但厚度较小,地表岩溶发育,污染物在该地段极易下渗污染地下水,属一级保护区,应严禁污水直接排放,尽量减少一级保护区内的城市规划占地。
4.2.2.3 地质地貌景观保护分析
济南地区广泛分布碳酸盐岩地层,主要矿产有石灰岩、白云岩和铁矿、花岗岩等。铁矿开采点主要位于市区周围;石灰石、白云岩矿开采主要分布在广大低山丘陵区,主要呈条带状分布近山前地带。现存采石点或停采点均对地貌、植被等造成不同程度破坏,影响城市形象。主要表现为:①破坏植被,加剧水土流失,影响岩溶水的补给条件;②破坏地貌景观,遗留陡壁、危崖、渣石,易诱发崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害;③对水质产生影响。
4.2.2.4 回灌补源工程可行性分析
(1)回灌补源条件分析
存在储存空间:济南泉域地下岩溶发育,总排泄量较大,而地下水位年变幅较小,具有调蓄的地下水空间;具有渗漏条件:直接补给区内河流、沟谷渗漏条件良好,为补源提供有利场所;充足的水源:济南地区有得天独厚的优越条件,既有本地地表水资源,又有黄河客水资源,南水北调实施后,还有长江客水。济南泉域南部山区修建众多水库,共拦蓄量约1.8×108m3,可见在间接补给区有大量地表水资源可用于回渗补源;有利的地质条件:根据2002年3月12日卧虎山水库放水回灌试验,证明玉符河流域对泉水有补给作用。
(2)补源量分析
玉符河补源量分析:间接补给区张夏灰岩单位长度河道渗漏量(1.36~1.543)×104m3/(d·km),潘村以南玉符河灰岩段长度按10.5km计算,水库放水回灌补源量可设计在14×104m3/d以下。
北沙河补源量分析:前大彦东大桥以南位于泉域的间接补给区,魏庄以南位于直接补给区,前大彦桥—魏庄西河段长4.5km,计算单位渗漏量1.4225m3/(d·km)。魏庄南灰岩段长度6.76km,北沙河补源量设计为9.6165×104m3/d。
(3)水质论证
黄河源水含沙量大,不适于直接回灌,但沉淀后玉清湖和鹊山水库水以及南部卧虎山水库(锦绣川水库)水,物理指标满足回灌用水要求。硬度为182.26~286.4mg/L,pH值在7.4~8.2之间,矿化度低于
含量不超过饮用水水质标准,Mn离子含量小于 0.1mg/L,H2SiO2含量低于 20mg/L,溶解铁含量小于 0.5mg/L,Na+小于50mmol/L,作为回灌用水基本满足要求。水库水五毒元素及重金属均未超标,亦满足补源用水要求。
(4)补源地段选择
①浆水泉-中井调蓄补源区:有孟家-石河岭、中井-下井、浆水泉-经十东路冲沟三条,汇水面积31.7km2。本区回灌对北部高新技术开发区的岩溶水有重要补给作用,减少东郊对泉水补给量的袭夺,改善附近已恶化的生态环境,对于恢复泉水和减缓东郊高新技术开发区的地下水降落漏斗的不断扩展都具有重要意义。②兴隆-分水岭补源区:有兴隆、小岭子、扳倒井、蝎子山、花山峪、柏石峪六条沟谷,位于四大泉群上游,距离泉群近,本区与四大泉群有直接联系。因此,该区补源对泉水有直接补给作用。③邵而-腊山补源区:分布于腊山河,本区补源有利于减少西郊自背井开采对泉水补给量的袭夺。④玉符河寨而头-罗而补源区:本区是地表水补给岩溶水的典型代表地段,有利于减少西郊水厂对泉水补给量的袭夺。主要补源河流为玉符河,其上游建有卧虎山水库、锦绣川水库。⑤北沙河崮山拦河坝-琵琶山补源区:利用岳庄水库定期放水补源,对改善拟开采水源地的地质环境具有重要意义。北沙河调蓄区主要位于崮山拦河坝与琵琶山之间,该区段内地表水渗漏严重,河道内建有东风水库,为补源提供了有利条件。⑥白泉泉域彩石-港沟补源区:随着东部产业带的规划建设,白泉泉域内城市建成区面积逐年增大,企业、人口增多,影响下游水源地的补给,彩石-港沟补源位于水源地上游,对改善白泉地区地质环境具有重要意义。补源区分布巨野河、港沟河、章锦河等河流。
(5)回灌补源工程措施
①线状补给:治理现有河谷,使地表水沿沟谷自然入渗。②水库、塘坝入渗:水库、塘坝蓄积一定水量,既增加一定入渗压力,又延长入渗时间,而且入渗量较大,已修建水库可对库区进行清淤后应用。对于蓄水有利地段可修筑拦水坝,增加地表水入渗量。③井点灌注法:布设大口径渗水井,利用自由水头或用水泵直接灌注至岩溶含水层。建议锦绣川水库放水补源市区南部,卧虎山水库沿玉符河放水补源西郊和市区西南部,岳庄水库沿北沙河放水用于西郊新开辟水源地,浆水泉水库用于东郊开发区补源,郎猫山水库用于白泉泉域补源,在连续干旱年份可引黄补源。
4.2.2.5 岩溶地下水可持续利用与保泉分析
为保持济南泉域岩溶地下水资源可持续利用与保护泉水,必须合理开发利用水资源,实施分质供水、充分利用客水资源,实施南部山区回灌补源和生态环境保护。
(1)合理开采地下水作为生活和高精尖工业用水
济南泉域在枯水期保泉水位不低于27.5m条件下,南部山区补源量25×104m3/d,济南泉域岩溶水可开采量33.5×104m3/d,泉水回用5×104m3/d。济南泉域东白泉泉域总资源量39.523×104m3/d,除农业开采、煤矿排水外,白泉、武家、黄土崖水源地供水量28.29×104m3/d。泉域西长-孝水源地丰水期部分钻孔自流,水位变幅2~4m,当地工农业开采量较小,水源地仍处天然状态,建议增采8×104m3/d。合计69.79×104m3/d优质地下水资源可用于生活和高精尖工业用水,若生活用水按120升/(天·人)计算,优质岩溶地下水资源可满足580万人生活用水。
关停市区外围工业自备井以减少外围开采袭夺泉水补给量,农业灌溉在节水的前提下,主要利用地表水,限制利用岩溶地下水。“北跨”规划区是地热资源开发潜力区,地下热水补给条件差,应该限制开采量,供水水源可利用鹊山水库黄河水。
(2)充分利用客水资源作为工业用水水源
对于水质要求不高的工业用水,应以地表水资源为主,玉清湖、鹊山水库供水量80×104m3/d,中水利用23×104m3/d,防空干道水4.0×104m3/d。地表水、地下水合计可供水量177.79×104m3/d,不足水量可由引黄、引长江水补充。南水北调实施后,白泉-武家水源地岩溶地下水可全部用于生活饮用水供水,关停东郊济南钢铁厂、黄台电厂、化肥厂、重型机械厂等用水大户开采地下水,以黄河水、长江水作为供水水源,据规划东湖水库设计库容5700×104m3,日供水40×104m3/d。
(3)南部山区综合治理与回灌
卧虎山、锦绣川、岳庄地表水库作为生态用水,南部山区河流沟谷清淤、修建拦水坝,综合治理后在兴隆-十六里河、玉府河、北沙河放水补源;东郊地区目前缺少补给水源,未来可用于东湖水库水在龙洞以东一带补源,如果高新技术开发区及其以南范围内补源对于恢复泉水是非常有益的。
5 结语
从济南城市建设有关的地质环境条件出发,从多方面进行了论述,旨在为济南城市建设提出参考建议。但是,与城市建设相关的许多问题仍然需要进行进一步的探索,希望有关部门、行业携手共同为济南市的城市建设提出宝贵意见。
济南泉域岩溶地下水环境演化及保泉对策研究
邢立亭1 徐军祥2 张伟3
(1.济南大学,济南250002;2.山东省地矿局,济南250013;3.山蔽竖东省地矿工程勘察院,济南250014)
作者简介:邢立亭(1966—),男,研究员,主要从事水文地质、环境地质勘查研究工作。
摘要:本文根据野外实际调查成果,深入探讨自然与人为因素对济南泉域岩溶地下水环境的影响,提出了优化开采布局、回灌补源等水环境保护对策。
关键词:济南泉域;水环境;演化;保护
济南泉域是我国北方岩溶水系统典型代表,地质条件极其复杂,受自然因素和人类活动强烈影响,近几十年来,泉域的生态地质环境变化显著,研究该区地下水环境演化特征,对于泉域地下水资源可持续利用和保泉具有重要意义。
1 泉域水文地质特征
1.1 泉域边界
济南泉域位于泰山穹隆的北翼,总体上是以古生代地层为主体的向北倾斜的单斜构造。出露地层为太古宇泰山岩群,古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和新生界第四系,泉域北部分布有中基性侵入岩体。区内断裂构造发育,主要有千佛山断裂、马山断裂、东坞断裂、炒米店断裂等。
泉域东边界为东坞断裂,西边界为马山断裂(长清西关以北为透水段),南边界为地表分水岭,北边界以济南岩浆岩体和石炭系、二叠系煤系地层为界,面积为1486km2。
1.2 岩溶地下水水动力条件
济南南部山区广泛分布寒武—奥陶系石灰岩,地表、地下岩溶十分发育,地表溶洞、溶沟、溶槽和密布于石灰岩表面的溶蚀裂隙为地下水接受大气降水直接入渗补给、地表水的渗漏补给创造了极为有利的条件。根据钻孔资料和示踪试验,碳酸盐岩溶洞、溶孔、溶隙、溶蚀管道十分发育,为岩溶地下水的储存、运移提供了巨大的空间。因此,济南岩溶地下水补给条件良好、储存空间巨大。
根据地下水动态观测,岩溶水水位、泉水流量与降水密切相关,大气降水直接入渗补给是岩溶水系统的主要补给来源,其次为地表水渗漏补给,主要渗漏河流有玉符河和北沙河。
岩溶水总体流向由南向北径流,受北部燕山期岩浆岩及石炭系、二叠系地层阻挡,在其接触地带形成岩溶水富集区,单井涌水量一般大于5000m3/d,天然条件下岩溶水以泉水排泄为主,目前,人工开采是泉域岩溶水系统的最主要排泄方式。
2 岩溶地下水资源开发利用现状
奥陶系裂隙岩溶含水层作为济南工农业用漏肆水和城市生活用水的主要取水目的层,有着悠久的历史。市区早在1936年建成趵突泉水厂并正式供水,供水量1.28×104m3/d,到1956年增至3.6×104m3/d,随着经济发展和人口增加,用水量不断增大,至20世纪80年代中期相继建立市区、西郊和东郊水源地。市区有解放桥、普利门、饮虎池和百货大楼水厂,西郊有腊山、峨眉山和大杨庄水厂,东郊有华能路和东源水厂,南部有羊头峪和文化路水厂。
1990~2002年,泉域内自来水公司多年平均开采量为35.52×104m3/d,其中峨眉山、大杨庄、腊山西郊三水厂平均开采量为21.91×104m3/d,市区各水厂为11.41×104m3/d,华能路、东源水厂和羊头峪为2.2×104m3/d。此外,白泉泉域宿家张马、裴家营、中李水厂开采约14×104m3/d。随着鹊山水库、玉清湖水库的投产,自来水公司对地下水的开采量自2001年9月以来逐步减产,关停了市区各水厂。
工业自备井主要分布在市区外围,其数量庞大,而且较为分散。1990~2002年,工业自备井多年平均开采量为13.15×104m3/d。
3 水文地质条件演变与地下水环境负效应
自然因素和人类活动加剧了济南地区生态地质环境的演变,引起诸多生态环境地质问题。
3.1 人类活动引起的水文地质条件的变化
3.1.1 人工开采改变地下水流场,袭夺泉流量
20世纪60年代初期,济南市区地下水开采量小于10×104m3/d,80年代以来,市区、西郊、东郊集中开采量达到(50~55)×104m3/d。大量开采岩溶水,改变了地下水天然流场,大量开采地下水特别是在市区直接抽取岩溶地下水是影响泉水出流的主要原因之一。2001年9月,市区水厂宏搜大相继关闭,但工业自备井大量开采,在七贤庄和经济学院一带两大降落漏斗仍然袭夺泉水的补给量(图1)。
3.1.2 间接补给区补给量减小
济南泉域间接补给区面积为990km2,主要分布在广大南部山区,包括马山、万德、高而、张夏、崮山、仲宫、柳埠、西营等乡镇。地层为寒武系中下统灰岩、碎屑岩和泰山群变质岩,由于入渗条件差,河流、沟谷纵横,地表径流发育,地下水大多就地补给,汇于沟谷,短途运移、排泄,因此,大部分河流发源于此。上游地表溪流20世纪70年代以前,汇集到玉符河、北大沙河后,向下游径流,分别在朱家庄-潘村、崮山拦河坝-琵琶山段渗漏补给泉域地下水。间接补给区汇集地表径流和地下溢出量,通过河道进入直接补给区。如1963年卧虎山水库,通过溢洪道向玉符河放水1.0186×108m3进入黄河,一部分入渗补给地下水。卧虎山水库修建以前,玉符河基本常年有流,据1962年观测,玉符河下游周王庄河段4月13日河水位为29.4m。
图1 市区附近岩溶水等水位线
1—断层;2—火成岩界线;3—等水位线(m);4—地下水流向
20世纪60~70年代在北沙河、锦银川、玉带河、锦绣川等河道修建众多水库,拦截上游地表径流,特别是80年代后期,随着卧虎山、锦绣川水库向市区供水后,源自间接补给区的地表水补给逐渐减小。如从1999年至2003年6月,卧虎山水库上游554km2汇水面积,除回灌试验放水外,未向玉符河放水。自卧虎山、锦绣川水库向市区供水后,两水库向党家庄、兴隆、分水岭一带直接补给区放水灌溉量逐渐减少。
3.1.3 城市扩展减少岩溶水入渗补给面积
城镇建设使城市建成区面积增加,从而导致岩溶水直接补给区面积逐渐减少。根据多时相动态遥感解译,1954年济南城区面积仅28.8km2,处在直接补给区面积不足2km2,随着城市规模的不断扩大,城区逐渐向东、东南、南部及西南方向的直接补给区扩展,近年比20世纪50年代扩展了175.6km2。20世纪80年代以来城镇化南扩速率加快,直接补给区建成区面积逐年加大(图2),从而减少了地下水补给量。如太平庄、羊头峪、八里洼、六里山、金鸡岭、马山坡、兴隆等南部山区开发后,地面固化,大气降水直接进入防洪沟。而防洪沟淤积严重,地形坡降大,不能形成有效入渗,诸多地段成为永久性不渗漏区。2000年直接补给区范围内建成区面积比1954年增加51.3km2,按多年平均降水量648mm计算,由于城区扩展影响而减少的地下水补给量为3.8×104m3/d。
3.1.4 滥采、滥挖对生态环境的影响
据不完全统计,济南南部山区共有大小不等采石点200多个,采石、挖土造成地貌景观、植被破坏,导致水土大量流失。据调查,大量采石点是在20世纪80年代以后兴建的,由于灰岩山区土壤稀薄,树木植被稀少,山石开采进一步减少直接补给区的植被覆盖率。直接补给区因采石、烧砖造成严重水土流失,调蓄水量减小,地下水补给量亦随之减小。
图2 城区扩展演变图
1—1954年城区范围;2—1970年城区扩展范围;3—1981年城区扩展范围;4—2000年城区扩展范围
3.2 地下水环境负效应
3.2.1 地下水水位下降,泉水断流
20世纪60年代初期,地下水开采量较小,地下水平均水位在31.54~30.72m,泉流量为(35.52~33.58)×104m3/d;70年代中期,地下水位下降到28.15m,泉流量减少到15.22×104m3/d左右;70年代末至80年代初,地下水位平均由28.15m下降到26.68m,泉流量减少到10.48×104m3/d左右;进入90年代,泉水断流时间加长,1999~2001年泉水连续断流达932d(图3)。
3.2.2 地下水超采降落漏斗形成
长期集中开采地下水,在东郊工业区、七贤庄和经济学院一带形成多个降落漏斗,袭夺泉水补给量。
3.2.3 大明湖、小清河污染
由于地下水位下降,泉水断流,大明湖、小清河水得不到充足补充,出现严重富营养化。
3.2.4 地下水质量下降
20世纪50年代济南地区社会经济尚不发达,工业“三废”排放量少,岩溶地下水开采量小,处于天然流场。以 50年代水质资料作为地下水环境污染起始值,研究济南地区地下水污染演化:1958年以来,随着人类活动加剧和开采量增加,市区、东郊和西郊岩溶水水质有逐渐恶化的趋势,矿化度、总硬度、氯离子、硫酸盐、硝酸盐等常规组分含量呈上升趋势(图4),尤其
含量上升明显,特别是80年代以来升速加快,2002年市区地下水中
含量是1958年的5.83倍,峨眉山水厂
含量是1958年的47倍。由于大量开采地下水,造成区域水位下降,氧化还原环境改变。整个泉域,从补给区、径流区至排泄区,岩溶地下水常规组分含量普遍升高。工业废水排放造成岩溶地下水呈点状污染,局部地段污染严重,如井家沟一机井,
含量为1313.74mg/L,矿化度为2544.52mg/L,综合评价为水质极差区(Ⅴ级)。
图3 1959~2002年泉流量、地下水位、开采量与降水量关系图
1—年降水量;2—市区年均水位;3—年均泉流量;4—市区及外围开采量
图4 1958~2002年市区地下水硬度、矿化度变化曲线图
1—硬度;2—矿化度
4 济西水源地地下水开采潜力分析
已开辟的济南西郊桥子李、冷庄、古城水源地在北沙河流域、玉符河流域,在丰水年份的丰水期,部分地段钻孔自流,本区岩溶地下水开采具有开采潜力,如2004年9月在古城水源地开采的情况下,钻孔仍然自流。
根据计算,北沙河流域多年平均降水条件下的降水补给量为9.2×104m3/d,由于上游水库截流,在平均降水量年份仅有少部分地表水补给,因此,桥子李和冷庄水源地的开采量不宜大于10×104m3/d,峨眉山、腊山、大杨庄水厂和古城水源地距离泉群较近,对泉水影响大,应关闭腊山水厂,并控制开采量不大于6.0×104m3/d。
5 水环境保护和保泉对策建议
5.1 调整开采布局,实施分质供水
通过数值模拟优化计算(农业开采没有计算在内),枯水期保持泉水位在28.5 m以上,泉域岩溶水允许开采量为18.8×104m3/d,济西水源地开采量为10×104m3/d,西郊水厂开采量为5.8×104m3/d,东郊工业自备井控制在3.0×104m3/d;白泉泉域可供水量为28.29×104m3/d,长-孝水源地建议开采8.0×104m3/d;泉水先观后用5.0×104m3/d,合计60.09×104m3/d。这些优质地下水资源可用于生活和高精尖工业用水。按照人均用水量150L/d计算,可满足400万人生活用水。一般工业用水改用地表水(长江水和黄河水),充分发挥玉清湖、鹊山水库作用,彻底关停工业自备井。农业灌溉在节水的前提下,改用地表水,限制利用岩溶地下水。
5.2 回灌补源
由于卧虎山、锦绣川、岳庄等水库拦蓄大量地表径流,减少泉域地下水的补给量,改变了自然生态系统,直接影响着泉水的出流,因此,卧虎山、锦绣川水库应停止向市区供水,整修已有输水干渠向兴隆、石青崖、玉符河等直接补给区回灌补源。岳庄水库用于北沙河补源,降低“西进”对西郊地下水环境的影响;随着东部产业带和东部新城的规划建设,未来可考虑引水进行东郊补源,目前尚缺补源水源。
5.3 逐步关停工业自备井
减少东西郊工业自备井开采,逐步消除经济学院、井架沟、高新技术开发区一带的降落漏斗对泉水补给量的袭夺。
5.4 控制城区向直接补给区内扩展
为避免城市开发建设影响泉水补给,因此,济南城市建设“南控”边界应在平安店—潘村—玉符河河谷—丰齐—大杨庄—刘长山—英雄山—羊头峪—牛旺一线。在该线以南的岩溶地下水直接补给区,禁止进行规划建设。
5.5 逐步进行小流域治理,加强植树造林,调整南部山区农业生产结构
泉域南部直接补给区应禁止毁林占地建设别墅区、居住区、工业园,以及陡坡开荒、开山采石等。逐步调整南部山区产业结构,实施退耕还林,禁止放牧,停止开山采石,大力发展林果业,实施生物工程,增加植树造林面积,对马啼峪、龙洞峪、大涧沟、石青崖、柏石峪、小岭子、板倒井、下井沟、腊山等沟谷进行治理,禁止倾倒垃圾和占用,起到涵养水源的作用。
总之,恢复泉水长年喷涌是一复杂的系统工程,不可能通过一项措施在短期内得以实现,需统一认识,近期措施与远期目标相结合,分步实施。
主要参考文献
徐军祥,康凤新.2001.山东省地下水资源可持续开发利用研究.北京:海洋出版社.
济南泉域岩溶地下水环境演化
济南泉域岩溶地下水系统固有的开放性和脆弱性,在自然和人工地质营力双重作用下,表现出系统水环境的整体缓变性和局部强变性。由于岩溶环境作为一种特殊而脆弱的生态环境,在环境污染的发生、发展和治理上都有其特殊性,必须搞清楚岩溶水环境要素的演化规律。因此,分析济南地区岩溶地下水系统功能退化与相关环境问题产生的历史与发展趋势,对泉域地质环境保护具有重要意义。
一、泉水断流
济南具有数千年的泉水历史文化,独特的水文地质条件,形成了以趵突泉为首的市区四大泉群,其中市区2.6km2范围内的名泉有150多处(部分掩埋消失),数量之多,世界闻名。20世纪50~60年代,济南市区年裤判晌平均水位30m左右,市区的趵突泉、黑虎泉、五龙潭泉及珍珠泉四大泉群争相喷涌,景色壮观,西郊腊山泉、峨眉山泉也长年出流。随着城市发展对水资源需求量逐年增加,造成水位的连年下降,泉流量减少,市区泉群自1972年枯水期首次断流,自此后经常在枯水期出现断流。80年代以来,泉水断流的时间延长,泉流量急剧衰减。据长测资料,多年来,泉流量与市区水位变化基本一致,总体呈现水位下降、泉流量衰减趋势,但泉流量变化幅度大于泉水位变化幅度。济南泉区动态可分为以下4个阶段:
1.1959~1967年高水位大流量阶段
该时段内,大气降水量充沛,1961~1964年降水量均在800mm以上,最大1196mm,市区年平均水位在28.75~32.85m,泉流量一般在30万~50万m3/d。地下水开采量较少,仅4.7万~12.6万m3/d,外围地下水开采量更小。
2.1968~1975年中等水位中流量阶段
市区地下水开采量自1968年的14.87万m3/d,增至1975年的27.9万m3/d。由于市区开采和东郊高新技术开发区各自备水源地的投产,造成泉水于1972年枯水期首次断流。虽然市区年均水位维持在28.06~28.75m水平,但因开采袭夺大量泉水补给量,泉流量基本维持在14万~16万m3/d。
3.1975~1981年水位下降泉流量衰减阶段
该时段市区地下水开采量达到历史最大的31万m3/d,同时西郊腊山、峨眉山水厂相继投产,年平均水位由1975年的28.16m,降至1981年的26.78m,降速为0.197m/a。
4.1982~2002年低水位断续出流阶段
自1982年以来,东郊、市区、西郊水源地开采布局基本稳定,虽然市区开采量减少,但自来水、工业自备井的总开采量基本稳定在55万m3/d左右,加上气象因素的影响,出现多次较长时间的断流,如1982年持续断流220d;80年代后期,济南地区连续干旱,至1990年枯水期泉水位降至历史最低水平的20.8m,1989~1990年连续断流250d;1999~2002年,济南地区又遇连续干旱年份,断流时间932d,这是历史上断流时间最长的一次。总体上,自1982~2002年,泉水出流与断流交替,但断流时间多于出流时间(图11-11)。
图11-11 济南泉水断流天数统计图
从1959年至2001年,市区水位由30.4m降至25.964m,降幅4.436m,年均0.11m。
以上分析表明:泉流量衰减过程,也是济南开采地下水规模逐渐扩大的过程。由于泉水断流,不仅影响到济南的旅游业,而且影响到大明湖和小清河的水质状况。
1960年至1966年西郊水源地附近,除当地农业开采,无集中工业开采,水位稳定在30~33.9m之间,属天然状态。由于市区和西郊关系密切,因此随着市区开采量增加,以及峨眉山、大杨庄、腊山水厂的建立,至1982年西郊水位降至28.27m,自1966年至2001年降速为0.219m/a;1982年至1999年,西郊水位受开采和降水影响变动较大,但降速减缓为0.057m/a。
20世胡锋纪60年代,东郊高新技术开发区水位在31~32m,1964年平均水位31.92m,属天然状态。60年代中期以后,随着电厂、铁厂、炼油厂相继建立,开采量增大,至70年代水位降到24~25m,降速0.5~0.6m/a,2002年枯水期,部分地段低水位达到0.964m。
多年来冲迟,泉流量与市区水位变化基本一致,总体呈现水位下降、泉流量衰减趋势(图11-12)。自1982年至今,泉水出流与断流交替,但断流时间多于出流时间,枯水期市区水位低于泉水出流标高27m,至80年代中期初步形成市区、西郊和东郊开采漏斗区,以地下水位标高27m为基础,计算市区漏斗面积在40km2左右(表11-1)。
图11-12 济南泉水位与流量对比曲线图
表11-1 四大泉群附近漏斗变化统计表
二、岩溶水水化学环境演化
根据近年来泉域水质监测资料,区内共检出76种有机污染物。其中,60%以上检出酞酸酯类和杂环芳烃等。东郊水厂、卧虎山水库、孟家庄地下水、西郊水厂、锦绣川水库、西营地下水污染较重,合计检出59种有机污染物。水质测试结果表明,济南岩溶地下水系统水环境发生了较大改变,应给予足够重视。
1.泉域岩溶水水质变化过程
近年来,随着人类活动的加剧和开采量增加,本区岩溶水水质有逐渐恶化的趋势,特别是20世纪80年代以来,岩溶水化学组分含量快速增加。以下以西郊、市区、东郊为例,分析对比泉域Cl-、SO2-4、NO-3离子与总硬度、矿化度多年来的变化趋势。
从峨眉山水厂历年来常规组分分析,自1959年到2004年各组分含量均有不同程度升高,特别从20世纪80年代后期开始,各组分含量增加迅速,并在1996年达到峰值。2004年,岩溶地下水的矿化度是1959年的1.53倍,总硬度是1.22倍,Cl-是2.37倍、SO2-4是25.34倍。各项组分主要来源于人为污染,主要为汽总分厂、生建摩托厂、山东水泥厂、长城炼油厂等企业的三废排放。由于西郊水源地附近岩溶地下水主要接受玉符河流域降水和河水入渗补给,玉符河冲洪积扇地表渗漏强烈,随着西郊的大面积规划建设,该区域水质恶化趋势仍会继续。
1958年以来,市区附近地下水化学组分也呈上升趋势(图11-13),Cl-、SO2-4、NO-3上升趋势较明显,2004年矿化度是1958年的1.321倍。
图11-13 市区地下水矿化度变化趋势图
虽然各组分含量增加,但Cl-、SO2-4、NO-3三项指标均未超过《国家饮用水水质标准》,其中,总硬度、矿化度的增幅较小。
东郊地区水质变化趋势与市区、西郊基本一致。2004年,地下水矿化度是1958年的2.09倍,但氯离子、硫酸盐、矿化度、总硬度的增幅比市区、西郊大,说明东郊高新技术开发区三废排放对岩溶地下水影响大于市区和西郊。
综上,泉域岩溶地下水SO2-4、Cl-、NO-3、硬度、矿化度升高是生活污水、工业废水及农业生产等人为因素共同造成的,其影响程度东郊最大,市区和西郊次之。
2.岩溶水污染现状
Ⅰ常规离子污染:研究区常规离子污染主要有总硬度、溶解性总固体、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐等,呈点状分布,其中硝酸盐、SO2-4超标率为1.6%,溶解性总固体超标率为3.2%,NO-2超标率4.8%,总硬度超标率达12.9%。地下水硬度、矿化度、SO2-4最大超标倍数分别为3.0倍、2.5倍和4.8倍,说明岩溶地下水已遭受到工业污染。如邵而庄附近硬度、NO-3均超标,说明这一地段地下水已受到工业污染及生活垃圾污染;北汝、埠东NO-2含量较高,污染物超标倍数分别为2.2倍、1.5倍,但NH+4的含量低,说明这2个地段生活垃圾污染较重,而且微生物活动强烈,水质不稳定;经十东路、政法学院、井家沟一带硬度均超标。
Ⅱ五毒元素(酚、氰、As、Cr6+、Hg)污染:地下水中“五毒”元素含量增高表明地下水已受到工业污染。据枯水期系列水质分析资料表明,泉域内“五毒”元素污染较轻,仅为点状污染,而未见酚、CN、As超标地段,但CN的检出率达7.14%,在井家沟、吉而屯及孟家庄均有点状分布,浓度分别为0.02mg/L、0.012mg/L、0.02mg/L、0.006mg/L,但均未超过Ⅲ类水质标准。
Ⅲ重金属离子污染:Cu、Pb、Zn在天然水中含量较低,1999年在杜庙检出,含量为0.016mg/L,1997年曾在石河岭检出,含量为0.022mg/L,均未超标。
Pb是积累性毒物,是水体污染的重要标志之一,1999年在西郊大杨庄、南部山区兴隆和华能水厂及W19孔有检出,1997年曾在徐家庄检出,但均未超标,Pb、Cu检出率为3.6%,Pb分别在鸡山、岔河检出,含量为0.01mg/L、0.04mg/L。Cu分别在岔河、经十路检出,含量为0.92mg/L、0.011mg/L,均未超标。Zn是人体必需的元素之一,检出率为25%,最高含量在武家村,含量为0.42mg/L。Cd、Mo尚未检出。
Ⅳ油类污染:东、西郊炼油厂附近存在油类污染历史已久,根据检测结果,东郊炼油厂某供水井油含量0.22mg/L,西郊一机井油含量0.09mg/L。
三、岩溶水环境质量评价
1.评价标准
地下水质量评价以《地下水质量标准》(GB/T14848—93)为标准进行单项组分和综合评价(表11-2,表11-3)。
表11-2 地下水质量评分表
表11-3 地下水质量评价标准
2.评价项目
根据饮用水水质标准,选取NH+4、Cl-、SO2-4、F-、NO-2、NO-3、总硬度、矿化度、pH值、As、Hg、Cu、Cr6+、Pb、Zn、酚、CN-、Cd、Mo共计19项组分参与评价(表11-4)。
3.评价方法
为能够准确反映现状地下水质量情况,以调查所得资料为基础,进行综合评价,当某一组分小于仪器最低检出值时,按仪器的最低检出值进行评价。
地下水质量综合评价,采用加附注的评分,按公式计算F值。
计算公式:
山东省地质环境问题研究
式中: 为各单项组分评分值Fi的平均值;Fmax为Fi中的最大值;F为综合评价分数值。
计算结果见表11-4。
4.地下水质量评价结果
区内岩溶水仅在西郊井家沟1个取样点水质极差,8个取样点水质较差,其余43个检测点水质均为良好。根据综合评价将水质分级划分为:良好区、较好区、较差区、极差区,研究区内无水质优良区(图11-14)。
(1)水质良好区(Ⅱ)
研究区内大部分地段属水质良好区,从南郊低山丘陵灰岩裸露区到北部隐伏区广泛分布,济南地区地下水大多属于此类。该区地下水类型以HCO3-Ca型为主,局部为HCO3-Ca·Mg型,各项水理指标符合饮用水水质标准,水质良好,适于作为生活或工业供水水源。
(2)水质较好区(Ⅲ)
分布于水质较差区的外围,与较好区相连。该区内地下水各项组分中均未超过地下水质量Ⅲ类标准,可以作为集中供水水源。
(3)水质较差区(Ⅳ)
主要分布在研究区中部,后魏华(段54)、后龙窝(+3)、政法学院(政1)等,研究区东、西部仅点状分布于埠东、武警医院、邵而、北汝,地下水中部分项目超过饮用水水质标准,适宜农田灌溉和工业用水,用作饮用水水源需加处理。
(4)水质极差区(Ⅴ)
表11-4 地下水化学组分质量表
图11-14 岩溶地下水质量分区图
本区仅分布在井家沟一带,综合评价为Ⅴ级水分布区,地下水主要受工业及农业严重污染,不宜饮用。地下水中SO2-4、总硬度、矿化度严重超标。
四、影响岩溶水环境的主要因素
1.城镇建成区扩大对岩溶水补给的影响
城镇化建设对泉水影响表现为城市面积逐渐增加,相应泉域岩溶水直接补给区面积减少。1954年济南城区面积仅28.89km2,位于直接补给区面积仅1.985km2。随着经济社会发展,城市规模逐渐增大,城市扩展方向主要向泉域东、东南、南部、西南方向发展。1960年前后,城区比1954年扩展9.10km2,80年代扩展15.905km2,至21世纪初比50年代扩展52.155km2(图11-15)。城镇化南扩速度最快时间段在80年代以来,由于城市化面积增加,地面固化,降水不能入渗地下而进入下水道和防洪沟,而防洪沟淤积严重,地形坡降大,不能形成有效入渗,降水白白流失。
图11-15 城区扩展演变图
现状年与60年代相比,在平均降水年份,由于城区扩展影响而减少的补给量为38488.44m3/d,相当于38万人每天的用水量;与70年代相比,入渗补给量减少35627.02m3/d;与80年代相比,入渗补给量减少32191.33m3/d。而其他三期相互比较,入渗补给量变化不大。各时期与现状年相比,入渗补给量减少较多,即80年代至今,城区扩展速度较快,地面硬化影响大气降水入渗补给,使泉域岩溶水补给量逐渐减少。
另外修筑公路等工程建设也占用大量土地,路面固化使岩溶水补给减少。近40年来,济南城市道路面积有较大增长,特别是80年代以来,道路建设速度加快,进入90年代,济南市道路建设进入急速增长期,道路面积迅速增加,2000年道路面积是1970年的9倍(表11-5)。
表11-5 济南市道路面积
由于城市建设地面固化,泉域地表径流量逐年增加。60年代径流系数0.5,至90年代增加到0.9。径流量增加,减少了地下入渗补给,大部分降水流失(表11-6)。
表11-6 20世纪不同年代径流量
2.山石开采对岩溶地表环境的影响
济南地区广泛分布碳酸岩盐地层,分布矿产有石灰岩、白云岩和铁矿、花岗岩及硬质粘土等。多年来,这些矿产资源的无序开发,不仅仅造成资源浪费,更重要的是破坏了泉域地表环境,对泉水补给带来不利影响。
(1)破坏植被,加剧水土流失
森林植被被称为“绿色水库”,据山东滕州羊庄均衡场有关试验资料表明,森林植被覆盖率平均增加1%,年降水量增加3mm。同时林地又是天然地下水库,林地植被可吸纳降水涵养水源,防止水土流失。但山石开采、挖土等人为活动,必然破坏地表植被,加之泉域南部山区许多中小型开采点属于个体经营,业主缺乏环境意识,开山采石造成大面积植被破坏,许多需要几年甚至几十年长成的水土保持植被破坏,开采后形成的废弃地寸草不生。有关资料表明,济南泉域南部山区植被覆盖率比新中国成立前有大幅度提高,但主要集中在南部低山区,而山前残丘石灰岩开采区,一般为荒山疏村和杂草丛覆盖,森林覆盖率在较低水平的基础上加上人为开采山石破坏,使树林、杂草丛面积进一步减少,加剧了水土流失,影响降水对泉域岩溶水的补给。
(2)破坏自然地貌景观,遗留陡壁、危崖、乱石,易诱发崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害
石灰岩是数亿年前的海底沉积物,地球内外营力的复杂作用,形成了现今特有的石灰岩地貌景观。石灰岩开采区,可谓满目疮痍,原有地貌景观荡然无存。特别是大量个体采石厂,开采过程中,不注意矿体的休止角问题,形成了许多陡壁、危崖。经过矿业秩序的治理整顿,许多采石厂关闭,这些陡壁、危崖、乱石遗留现场是崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的诱发因素。石灰石开采形成大量渣土,在暴雨的条件下易形成渣石流,如浆水泉水库南采石点,形成大量渣石流,正在逐步进入水库,又如仲宫镇东郭村南,因修路开山,产生滑坡、危及公路安全。
(3)粉尘污染
石灰岩矿山的开采造成粉尘污染主要包括空气污染、地表环境污染和对地下水水质产生影响。石灰岩矿山开采一般采取就地加工,形成了大量的石灰岩粉末,特别是石料(石子)加工厂,多未采取降尘措施,生产过程中,粉尘绵延弥漫,若遇大风,粉尘绵延数百米,造成局部空气质量下降。石灰岩粉尘随风飘移,使附近的山坡、草地、居民住宅、农田作物、树木枝叶等都覆盖了一层灰白色的粉末,不仅有碍观瞻,而且影响了附近居民的正常生活和植物的正常生长。
(4)对水质产生的影响
这些到处飘浮和散落的石灰岩粉尘,通过雨水、地表水的溶解,渗入地下,直接进入地下水中,使地下水中Ca2+浓度增加,硬度增大。有关研究表明:济南泉域内Ca2+浓度高值区与石灰岩开采区位置非常吻合。虽然目前尚未造成地下水硬度超标,但其不良影响可见一斑。
(5)采石场垃圾填埋处理
南部山区中心城区附近许多采石坑,被大量生活垃圾、建筑垃圾和渣土填埋,由于采石坑地势相对低洼,降水后积水淋滤生活垃圾,有害物质随之进入地下,造成岩溶水污染。
3.水利工程对岩溶水补给的影响
人类活动对沟谷河道影响主要表现在河水断流、河道占用、沟谷淤积、河道挖砂、沟谷垃圾堆积等方面,其降低了地表渗漏性能,造成泉水补给量减少。
泉域间接补给区主要分布在广大南部山区,包括马山、万德、高而、张夏、崮山、仲宫、柳埠、西营等乡镇,地层为寒武系中下统灰岩、碎屑岩和泰山群变质岩,地形起伏大,山势陡峻,深沟峡谷,剥蚀强烈,河流、沟谷纵横,地表径流发育。区内北沙河、锦银川、玉带河、锦绣川等修建有大中型水库,如卧虎山水库、锦绣川水库、八达岭水库等,由于南部广泛分布泰山群变质岩,其入渗条件相对碳酸盐地层较差,因此,大部分河流发源于此。由于该区沟谷深切,地下水大多就地补给,汇于沟谷短途运移、排泄,河流表流在70年代以前,汇集到玉符河、北大沙河,向下游径流,河水分别在朱家庄—潘村、崮山拦河坝—琵琶山段渗漏补给泉域地下水。间接补给区汇集地表径流和地下溢出量,通过河道进入直接补给区,如1963年卧虎山水库,通过溢洪道向玉符河放水约1亿m3进入黄河,一部分入渗补给地下水。据访问,卧虎山水库修建以前,玉符河基本常年有流,玉符河下游周王庄河段1962年8月19日河水位32.433m。随着卧虎山、锦绣川水库、岳庄水库大中型水库修建,拦截上游地表径流,加之气象因素的影响,70年代以来,源自间接补给区的地表水补给逐渐减小,如1988年卧虎山水库溢洪闸放水仅196万m3,仅占1963年放水量的1.9%。近20年来,玉符河道基本长年干涸,从1999年至今,卧虎山水库上游554km2汇水面积,除回灌试验放水外,未向玉符河放水。
根据有关资料,南部山区修建水库拦蓄地表水量达1.8亿m3,起着防洪和抗旱的双重作用。由于市区供水紧张,自1988年开始卧虎山水库向市区南部供水,锦绣川、卧虎山两大水库向党家庄兴隆、十六里河、分水岭一带直接补给区放水灌溉量逐渐减少,因此,泉水补给量也相应减小。
4.水土流失及其对岩溶水环境的影响
泉域岩溶水的主要补给来自直接补给区,而区内森林覆盖率相对较低,使其涵养水分的能力不高。济南泉域总面积1448km2,直接补给区内,致密覆盖区分布面积仅为34km2,占直接补给区的7%。直接补给区内植被以稀疏覆盖区为主,涵养水源能力高的致密覆盖区主要在济南市南部山区一带分布,如青龙山、英雄山、千佛山、羊头峪、龙洞庄、馍馍顶、穆阁寨、灵岩寺等地呈片状分布,在其他地段如饿狼山、铜锣山、竹竿顶、老虎窝、高而乡、仲宫镇及南部沿分水岭一带有零星分布,但面积较小。
泉域内致密覆盖区的总体分布特征为:致密区呈零星分布,面积较小,仅在局部地段面积较大,如龙洞庄、千佛山、灵岩寺一带,其他地段分布面相对较小,且其分布与地形地貌等特征密切相关,一般在山体北坡沿走向分布,覆盖区形状不规则。
在致密覆盖区内,树木分布密度较大,树龄较长,一般生长于山头或山坡上,植树后保护较好。土壤的蓄水能力强,有利于降水入渗补给地下水,能够增加岩溶地下水的补给量,使水土保持能力增强,有效预防地质灾害的发生,生态环境良好。
济南泉域地质环境保护对策
自1972年泉水首次断流以来,济南市采取了许多保泉措施,历经“采外补内”、“引黄保泉”、“关闭自备井”等重大工程,但实施效果并不明显。其主要原因是没有基于地下水系统水量、水位、水质变化机理研究,缺乏地下水系统功能恢复的工程实施,不能很好地发挥岩溶水系统功能特别是调蓄功能作用。基于对济南泉域地下水系统的研究,建议在济南泉域实施回灌补源、分质供水、开源节流、禁采限采等措施,从根本上保证泉水长期连续壮观喷涌和泉域地质环境良性循环发展。
一、实施回灌补源工程,修复地下水系统功能
本次试验表明,回灌补源是地下水补源的一项行之有效措施。计算表明,利用地表水源实施回灌补源,兴建地下水库,进行地搭历下水—地表水联合调度,能够收到扩大资源量、调节地下水位和保护生态环境的多重效果。
济南泉域岩溶地区适合回灌补源的地段有3种类型:
一是在直接补给区与间接补给区的山区沟谷,可以通过修筑沟谷拦水坝,增加汛期截留洪水对地下水的渗漏补给;
二是在玉符河、北沙河流经直接补给区与间接补给区段,通过修筑河流拦水坝、渗井,增加河水对地下水的渗漏补给;
三是利用直接补给区内的水库,在枯水期引水渗漏补源。
补源方式有沟谷、河流、直接补给区水库、塘坝自然渗漏和渗井补源。
近期由于缺少客水水源,为保证泉水常年喷涌,可实施南部山区回灌补源工程。卧虎山、锦绣川水库停止向市区供水,整修已有干渠,向兴隆—分水岭、玉符河等直接补给区放水进行回灌补源,而岳庄水库则用于向北沙河放水补源。
引江客水水源具备后,可提水将江水引人玉符河、北沙河及其他沟渠,对泉域岩溶地下水进行补源。
二、调整开采布局,实施分区域按质供水
近期,济南市先后兴建了鹊山水库和玉清湖水库引黄供水工程,以期减少泉域地下水开采量。由于黄河水含沙量太高,且水质水量保证程度不高,更不适宜作为生活饮用水。从既保泉又让居民喝上优质饮用水的角度出发,必须走分质供水的路子,即下大力气改造济南供水管网系统,使居民生活用水管网与城市、工业用水管网分体运营。把优质的岩溶地下水供给居民生大旦活饮用,把黄河水作为城市公共用水、工业生产用水。农业用水要倡导使用当地地表水、处理后的污水与黄河水,限制开采岩溶地下水。
具体可分为三步骤:首先改造集中工业区的供水系统;其次新建居民区、工业区的供水管道直接按照分质供水要求设计、建设;最后逐步改造老城区的供水系统。
基于保泉和地下水系统功能修复,在回灌补源条件下,据模拟优化计算(PMWIN5.1),不包括农业开采,正常年份控制泉水位标高在27.5m以上,泉域岩溶水允许开采量39万m3/d,其中,济西水源地开采19万m3/d,西郊水厂开采8.5万m3/d,虽然西郊有腊山、峨眉山、大杨庄、古城、桥子李和冷庄6个水厂,供水能力大于46万m3/d,但只能作为必要时应急供水。
泉域以外白泉水源地可供水量28.29万m3/d,长(清)-孝(里)水源地建议开采8万m3/d,泉域岩溶水开采量39万m3/d,合计75万m3/d,可完全满足近远期内济南城市生活饮用水和高精尖工业用水需求。
三、控制城区向直接补给区内扩展
济南城市向市区南部发展将直接影响泉水补给量和地下水环境质量,为避免开发建设对泉水的影响,保持泉域生态环境的良性循环,必须严格实施“南控”。根据水文地质和地质环境条件分析,“南控”线应为平安店—潘村—玉符河河谷—丰齐—大杨庄—刘长山—英雄山—羊头峪—牛旺一线,该线以南为泉域直接补给区,应为地下水重点保护区。
由于西部规划区地下水与市区泉水存在水力联系,“西进”宜在段店—大杨庄—大金庄—峨眉山—古城—朱庄以北规划建设。
“长清片区”位于地下水补给区上游,表层第四纪松散,洪积扇砂层分布广,渗漏强烈,从保泉角度不适于规划建设,应以涵养水源为主。
“东部新城”大部分位于济南泉域,属于济南的工业区,其北部已经存在地下水降落漏斗,地下水曾检出酚、氰化物、重金属离子,部分地段地下水存在工业污染。由于已经规划建设,后期必须进行管网配置,包括分质供水、雨污分流、收集雨水等等。
灌溉回归补给也是泉域地下水重要补给项之一。如1963年输水洞放水1.2亿m3,1988年放水3847.3万m3用于农田灌溉,对泉域岩溶水起到补给作用,但近几年来水库一直未放水进行农滚枝扰田灌溉。
岳庄水库库容量
平邑县岳庄水库面积面积21平方公里。
,河道弯曲,河床平坦,每遇洪水则泛滥成灾。为彻底根治李简,1978年10月至1979年10月,白彦公社成立了改河工程指挥部,组织5000名劳力,利用农闲季节大干,治理了金斗庄至羊角湖东北长2.55公里的河段。治理标准为20年一遇,洪峰流量366立方米/秒,河底宽45米、水深2.5米,比降灶昌五千哪辩裤分之一,河堤高4米。付出劳动工日63.35万个,完成土石砂32.4万立方米。