薄克庭，蔡有兄

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南　250014)

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長清-孝里鋪水文地質(zhì)單元巖溶地下水資源量計算及開采潛力分析

薄克庭，蔡有兄

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南250014)

在收集利用前人研究成果的基礎(chǔ)上，計算巖溶地下水補給資源量，通過調(diào)查統(tǒng)計獲得巖溶地下水開采資源量，采用水均衡法和數(shù)值法計算巖溶地下水可增采資源量，并分析增采潛力。通過水文地質(zhì)條件分析，將歸德鎮(zhèn)附近富水地段作為增采潛力開采區(qū)，最后提出巖溶地下水開發(fā)利用建議。

水文地質(zhì)單元；巖溶地下水；潛力分析；長清-孝里鋪；濟(jì)南市

引文格式：薄克庭，蔡有兄.長清-孝里鋪水文地質(zhì)單元巖溶地下水資源量計算及開采潛力分析[J].山東國土資源，2015,31(12)：37-42.BO Keting，CAI Youxiong. Calculation of Karst Groundwater Resources and Analysis on Exploitation Potentiality of Changqing-Xiaolipu Hydrogeologic Unit[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(12)：37-42.

1　研究區(qū)范圍及水文地質(zhì)條件

1.1研究區(qū)邊界條件

長清-孝里鋪水文地質(zhì)單元位于泰山隆起的西北翼[1]，跨濟(jì)南市長清區(qū)、平陰縣和德州市齊河縣，總面積約935.40km2(圖1)。西部以牛角店斷裂和黃山巖脈為界，其中牛角店斷裂為一透水?dāng)嗔眩邳S河以北構(gòu)成透水邊界，黃山巖脈在黃河以南構(gòu)成阻水邊界。東部邊界以馬山斷裂為界，斷裂兩盤地層相對錯動較大，形成了2個斷塊地質(zhì)體，即長清-孝里鋪和濟(jì)南泉域2個水文地質(zhì)單元。長清-孝里鋪水文地質(zhì)單元內(nèi)的新周莊以南至崗辛莊段，斷層E、W兩盤地層巖性及巖溶發(fā)育情況存在較大差異，此段斷層阻水。新周莊南至老屯段馬山斷層長約6.1km，斷層E盤巖性主要為奧陶紀(jì)馬家溝群北庵莊組和土峪組的灰?guī)r，泥灰?guī)r，W盤巖性為馬家溝群五陽山組的灰?guī)r，斷層兩盤都為巖溶發(fā)育的灰?guī)r，富水性較好，但根據(jù)以往群孔抽水試驗和動態(tài)觀測等資料表明，該段斷層顯示了一定程度的阻水作用①。老屯至前隆段長約2.50km，在鉆孔揭露深度內(nèi)，斷層E盤為馬家溝群五陽山組的灰?guī)r，斷層W盤為馬家溝群五陽山組、閣莊組和八陡組灰?guī)r，巖溶均發(fā)育，富水性好，反映了斷層具良好的透水性。雖然老屯以北至前隆段為透水性質(zhì)，但與整條馬山斷層的長度和主要作用相比是局部的。因此，把馬山斷層作為長清-孝里鋪水文地質(zhì)單元與東部濟(jì)南泉域水文地質(zhì)單元的邊界。北部邊界以東阿斷裂為界，該斷裂自東阿縣高集鎮(zhèn)，向東北經(jīng)齊河縣趙官鎮(zhèn)、胡官屯鎮(zhèn)東部出境，斷裂總體走向NE40°，傾向NW，傾角85°,總長度達(dá)100km。該斷裂ES盤寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)與WN盤石炭紀(jì)、二疊紀(jì)直接接觸，斷裂兩側(cè)落差大于2500m，為高角度的張性阻水?dāng)嗔?。南部以地表分水嶺為界，分水嶺西起黃山巖脈，經(jīng)賢子峪，冷飯店、興隆鎮(zhèn)南，玉皇頂、木閣寨北等制高點至雙山東南研究區(qū)。另外鑒于南沙河水對巖溶水的補給，南部補給區(qū)范圍在東南部已越過馬山斷層南段，以南沙河北支與北沙河的地表分水嶺為邊界，即從崗辛起向東沿黃石崖、桃花峪分水嶺為界。調(diào)查證實，地下分水嶺可以用地表分水嶺近似代替，構(gòu)成南部地下水邊界。

1—斷層及推測斷層界線；2—透水?dāng)鄬樱?—弱透水?dāng)鄬樱?—阻水?dāng)鄬樱?—巖脈；6—地下(地表)分水嶺 圖1　長清-孝里鋪水文地質(zhì)邊界圖

1.2研究區(qū)水文地質(zhì)條件

1.2.1含水巖組劃分及其特征

根據(jù)含水層巖性組合特征及地下水的賦存條件、富水程度，將研究區(qū)含水巖組可劃分為松散巖類孔隙水含水巖組、碎屑巖類裂隙水含水巖組、碳酸鹽巖裂隙-巖溶含水巖組、碎屑巖夾碳酸鹽巖溶-裂隙含水巖組和塊狀巖類含水巖組。由于研究區(qū)地下水主要賦存在碳酸鹽巖裂隙-巖溶含水巖組中，因此該文只對碳酸鹽巖裂隙-巖溶含水巖組進(jìn)行說明。根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件該含水巖組分為三山子組-馬家溝群含水亞組和寒武紀(jì)張夏組含水亞組。

三山子組-馬家溝群含水亞組含水層巖性為厚層純灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、白云巖和泥質(zhì)灰?guī)r。巖溶裂隙發(fā)育，導(dǎo)水性強，有利于地下水的補給、徑流和富集，在重力作用下，形成一個具有統(tǒng)一水面的含水體。在低山丘陵區(qū)灰?guī)r直接裸露地表，巖溶裂隙發(fā)育，有利于大氣降水的滲入補給，為巖溶地下水的補給徑流區(qū)，單井出水量一般小于100m3/d。在地形、構(gòu)造及地表水補給有利處，單井出水量可大于500m3/d，地下水位埋深50～100m，甚者大于100m，水位年變幅20～50m。丘陵及部分島狀山分布區(qū)，含水層主要為奧陶紀(jì)灰?guī)r，富水性中等，單井出水量100～1000m3/d，局部地段由于構(gòu)造控制，單井出水量可大于1000m3/d。山前傾斜平原以及單斜構(gòu)造前緣，含水層巖溶裂隙發(fā)育，地下水儲存于裂隙溶洞中，一般單井出水量可達(dá)1000～5000m3/d，局部地區(qū)大于10000m3/d[2]，水位埋深小于10m，局部地區(qū)自流，水位年變幅3～4m。

寒武紀(jì)張夏組含水亞組主要分布在研究區(qū)南部山區(qū)和北部平原區(qū)，南部山區(qū)絕大部分裸露地表，北部均埋藏于奧陶紀(jì)地層或寒武紀(jì)地層之下，巖性以鮞狀灰?guī)r為主，其次為白云質(zhì)條帶細(xì)晶灰?guī)r。該含水層上、下由具有相對隔水作用的崮山組和饅頭組的頁巖構(gòu)成頂、底板，含水層巖性可溶性強，尤其是在巖層的頂部和底部，巖溶發(fā)育較強。該含水巖組裸露區(qū)單井出水量一般小于500m3/d，隱伏區(qū)單井出水量500～1000m3/d，局部地段大于1500m3/d*山東省地礦工程勘察院、濟(jì)南市水利局、濟(jì)南大學(xué)，濟(jì)南市地下水資源調(diào)查評價，2008年。。

1.2.2巖溶地下水的補徑排條件

三山子組-馬家溝群巖溶地下水的運動與魯中山地其他地區(qū)相似，受地形、地質(zhì)、構(gòu)造等因素制約較為復(fù)雜。該含水巖組的主要補給來源為大氣降水入滲補給，其次為地表水滲漏補給、第四系孔隙水補給、側(cè)向徑流補給等。排泄方式主要包括人工開采和向第四系排泄等。巖溶水的運動方向和地形及巖層的傾斜方向大體一致，在接受補給后由南向北運動。巖溶地下水在運動過程中水力坡度隨地形坡度由陡漸緩，當(dāng)?shù)叵滤\動至山區(qū)與平原交接帶，在北部由于受下伏石炭紀(jì)、二疊紀(jì)地層的阻擋，巖溶水向北運動受阻，產(chǎn)生“壅水”現(xiàn)象，在這些地段往往形成巖溶水的強富水區(qū)[3]。

寒武紀(jì)張夏組含水亞組裸露區(qū)多見溶槽、溶溝、溶芽，有利于大氣降水的入滲補給，因此，大氣降水是張夏灰?guī)r的主要的補給來源之一。張夏灰?guī)r在接受大氣降水的補給后，沿地層傾向向北部徑流，在徑流的過程中，受斷裂及構(gòu)造影響，使之通過構(gòu)造裂隙與上覆的奧灰?guī)r溶水溝通，向奧灰?guī)r溶水排泄，另一部分繼續(xù)向北進(jìn)入更深的循環(huán)。

2　地下水資源量計算

2.1水均衡計算

2.1.1計算參數(shù)的確定

降水量采用長清區(qū)1953—2013年多年平均降水量0.6342m。降水入滲系數(shù)α取0.28。經(jīng)計算，直接補給區(qū)面積144.66km2，張夏組灰?guī)r區(qū)面積30.96km2。考慮到該區(qū)農(nóng)灌區(qū)多位于山間河谷或山間盆地地帶，地勢低洼平緩，便于入滲，故農(nóng)灌回滲系數(shù)β值取0.30。

2.1.2補給量(Q補)及排泄量(Q排)計算

根據(jù)水均衡法計算，長清-孝里鋪水文地質(zhì)單元巖溶地下水多年平均條件下總補給量為6061.19萬m3/a(16.61萬m3/d)，總排泄量為5015.59萬m3/a (13.74萬m3/d)，總補給量大于總排泄量(表1)，為正均衡。

表1　巖溶水補、排項均衡計算

2.1.3可增采資源量計算(Q可采)

研究區(qū)地下水補給來源廣泛持久，補給條件優(yōu)越，排泄區(qū)地下巖溶發(fā)育，富水性好，西北部又有煤系地層阻擋，各項補給量完全可以轉(zhuǎn)化為可開采量。因此，排泄量中除工農(nóng)業(yè)開采量1627.90萬m3/a(4.46萬m3/d)以外，尚有4434.75萬m3/a(12.15萬m3/d)通過洼地補給第四系或轉(zhuǎn)化為地表水和徑流排泄。因此，增大人工開采襲奪通過洼地和徑流排泄量是可行的，所以，在現(xiàn)狀開采的基礎(chǔ)上，該單元可增采4434.75萬m3/a(12.15萬m3/d)巖溶地下水資源是有保障的。

2.2數(shù)值法計算

根據(jù)長清-孝里鋪水文地質(zhì)單元條件，采用數(shù)值法預(yù)測分析實施開采方案對該區(qū)地下水動態(tài)及均衡的影響。通過分析資料結(jié)合前人研究成果，建立研究區(qū)的概念模型及結(jié)構(gòu)模型，利用Visual MODFLOW軟件對模型進(jìn)行數(shù)值計算，并根據(jù)觀測資料對模型進(jìn)行識別與驗證，最后借助識別驗證好的數(shù)值模擬模型對開采方案進(jìn)行模擬計算，預(yù)測分析其對地下水的影響*山東省地礦工程勘察院，濟(jì)南地區(qū)優(yōu)質(zhì)地下水供水水文地質(zhì)調(diào)查，2015年。。

2.2.1開采方案模擬

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查成果，確定開采目的層位為巖溶含水層，在研究區(qū)內(nèi)富水地段確定了2種開采方案，分別為：

方案一：開采井位于曹樓井組，設(shè)計單井涌水量為13333.33m3/d，共布設(shè)6個抽水井，開采量總計8萬m3/d。

方案二：位置與方案一相同。設(shè)計單井涌水量為12500m3/d，共布設(shè)8個抽水井，開采量總計10萬m3/d。

2.2.2開采方案對地下水位的影響

運行方案一后，地下水位產(chǎn)生明顯變化，在布井地段出現(xiàn)了一個明顯的地下水降落漏斗，最大降深約9.02m，位于曹樓附近，年降幅0.902m；馬山斷裂長清北排泄區(qū)水位降深約1.49m，年降幅0.149m。曹樓水源地巖溶水的開采對整體流場影響不大，雖然馬山斷裂長清北觀測孔水位下降，但依然能趨于穩(wěn)定狀態(tài)，水位維持在29m附近，對濟(jì)南泉域補給量并未大幅襲奪。

運行方案二后，地下水位降落漏斗進(jìn)一步擴(kuò)大，曹樓最大降深為12.25m，年降幅達(dá)1.225m，馬山斷裂長清北排泄區(qū)水位降深約1.50m，年降幅為0.150m。由于開采量的加大，抽水后得不到有效補給，降落漏斗增大，水位降深加大。曹樓水源地開采量的加大，對長清北排泄區(qū)影響較小。

2.2.3數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬，增加的開采方案不僅激發(fā)了地下水補給量的增加，同時也使排泄量減少，地下水均衡狀態(tài)均呈正均衡，但有減小趨勢，均衡差分別為0.1939萬m3/d，0.1419萬m3/d(表2)。

表2　增加開采條件下地下水均衡一覽(萬m3/d)

通過數(shù)值法對巖溶水開采方案模擬分析表明，實施開采方案后，地下水水位變化明顯，在開采井附近產(chǎn)生地下水降落漏斗，對水文地質(zhì)單元的地下水位也有一定影響?？菟盗心甑姆桨敢?、方案二開采方案改變地下水均衡狀態(tài)。自然情況下，馬山斷裂為巖溶水的排泄邊界，而實施開采方案后，激化增加補給量，襲奪部分邊界排泄量，但激化與襲奪總量是有限度的，各方案計算說明連續(xù)枯水系列年條件下，尤其是考慮到趙官煤礦開采等因素，長清地區(qū)開采量不宜超過14萬m3/d(含分散開采)。若考慮東邊界以東外圍水源地，應(yīng)建立長孝-濟(jì)南數(shù)值模型，統(tǒng)一進(jìn)行地下水資源評價。

3　開采潛力分析

3.1水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)良好

圖2　長清-孝里鋪水文地質(zhì)單元水文地質(zhì)條件圖

研究區(qū)內(nèi)馬山斷裂和孝里鋪斷裂所夾的三角地帶為區(qū)內(nèi)主要富水地段(圖2)。孝里鋪斷裂西側(cè)有煤系地層，厚度約200多米，構(gòu)成其相對阻水邊界，東部馬山斷裂有一段為弱透水性質(zhì)，奧陶紀(jì)灰?guī)r裂隙、巖溶發(fā)育，含水層厚度大，有良好的地下水通道和儲水空間?；?guī)r之上覆有厚度30～200余米的第四紀(jì)地層，紅色粘土層構(gòu)成了巖溶水的隔水頂板，廣大的南部山區(qū)為巖溶水的補給區(qū)，所以，構(gòu)成為一個具有相對獨立補給、徑流和排泄條件的單斜構(gòu)造水文地質(zhì)單元。

3.2補給條件好

該三角地帶地處巖溶水的匯流區(qū)，中部有黃河水滲漏補給；南部接受大氣降水入滲徑流補給；局部地區(qū)巖溶水可得到第四紀(jì)含水層的下滲補給，主要在山前平原近山的第四系較薄處，如在前平、小屯、莊樓、前劉官莊一帶，第四紀(jì)地層厚度5～20m，底部粘土層也薄，平水期和枯水期，第四紀(jì)孔隙水水位高于下伏巖溶水水位，這時第四紀(jì)孔隙水就垂直下滲補給下部巖溶水；西部平陰水文地質(zhì)單元的巖溶水通過牛角店斷裂徑流補給。因此，該水文地質(zhì)單元巖溶水補給條件較好。

3.3具有較強的調(diào)蓄能力

研究區(qū)富水地段奧陶紀(jì)馬家溝群地層分布齊全，含水層厚度較大，總厚度約800～1000m，具有較大的儲水空間和較強的調(diào)蓄能力。根據(jù)長孝勘探資料，長清區(qū)顧小莊—曹樓村—墳臺村—長清西關(guān)一線富水性極強，單井涌水量大于10000m3/d。曹樓村CK1號井主要含水層為馬家溝群北庵莊組灰?guī)r，而曹樓村西CX38號井、墳臺村CK2號井、長清西關(guān)CX39號井主要含水層為馬家溝群五陽山組灰?guī)r，而以上地段單井涌水量均大于10000m3/d，證實了研究區(qū)富水地段含水層厚度較大，具有較大的儲水空間和較強的調(diào)蓄能力。還有以往由于受技術(shù)手段、勘探深度的限制，研究區(qū)內(nèi)鉆孔深度一般為350m左右，存在下伏巖溶水含水層勘探不明的問題。根據(jù)曹樓附近CC6號鉆孔分層抽水資料，在流量相差無幾的情況下，在未揭露三山子組含水層時降深為5.61m，而在僅僅揭露三山子組上部含水層后降深減少至1.74m。這充分說明研究區(qū)內(nèi)三山子組含水層富水性較好，具有進(jìn)一步勘察開發(fā)利用的潛力。

3.4地下水動態(tài)分析

根據(jù)長清區(qū)歸德鎮(zhèn)曹樓村CK1號和城關(guān)鎮(zhèn)西關(guān)村CX15號鉆孔地下水水位的多年(2007—2013年)動態(tài)變化曲線可以看出(圖3)，研究區(qū)巖溶水動態(tài)具有顯著的平盤上升、平盤下降、緩降陡升的特點，遇到枯水年巖溶水水位持續(xù)緩慢下降，遇到豐水年，巖溶水在強降水的影響下，水位快速回升并得到完全恢復(fù)。2006年研究區(qū)降水量僅為475.3mm，為枯水年，該年降水量比多年平均降水量702.19mm(1953—2013年)少226.89mm，有效降水量太少，對巖溶地下水的入滲補給明顯不足，導(dǎo)致水位持續(xù)下降，于2007年6月出現(xiàn)最低水位。2007年降水量717.6mm，地下水位于7月份逐漸上升，一直到12月才開始下降。2008年、2009年降水量基本相當(dāng)，區(qū)域地下水水位較為穩(wěn)定。2010年降水量838.3mm，為豐水年，但7月份之前，降水量極少，對巖溶水入滲補給不足，導(dǎo)致2010年枯水期水位為多年枯水期最低水位。7月中旬以后降雨異常集中，地下水位急劇上升， 到9月普降大雨后，出現(xiàn)多年豐水期最高水位。受2010年豐年的影響，2011年枯水期巖溶地下水水位仍然較高，為多年枯水期水位最高的一年。2011年、2012年降水量分別為556.9mm，610.2mm，較2010年偏少，豐水期地下水位上升幅度較小，水位一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。2013年降水量為791.1mm，地下水位在7—8月回升，豐水期水位較前兩年高，9月中旬水位下降，進(jìn)入消耗階段。

圖3　研究區(qū)巖溶水水位多年動態(tài)曲線圖

研究區(qū)巖溶水在遇到2010年豐水年后，水位大幅升高，1個豐水年完全補償了所消耗的儲存量。根據(jù)多年水位動態(tài)觀測資料，CK1，CX15自2007年1月至2013年12月，水位分別上升了0.19m和0.64m，反映研究區(qū)巖溶水具有較好的調(diào)蓄功能和極強的補給能力，具有一定的開采潛力[4]。

4　結(jié)論與建議

4.1結(jié)論

綜合考慮研究區(qū)水均衡法和數(shù)值法計算結(jié)果，確定研究區(qū)可增加開采資源量10萬m3/d。目前開采條件下，巖溶地下水具有較大的增采潛力。

4.2建議

(1)根據(jù)研究區(qū)巖溶水水文地質(zhì)條件，進(jìn)一步優(yōu)化地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，加強工作區(qū)巖溶地下水水質(zhì)、水量、水位的長期監(jiān)測工作。特別要注意監(jiān)測水源地開采后的影響范圍和出現(xiàn)的地質(zhì)環(huán)境問題。同時也為今后開展各項水文地質(zhì)勘查、建立地下水資源信息系統(tǒng)及管理模型等工作積累必要的基礎(chǔ)資料[5]。

(2)加強地下水資源環(huán)境保護(hù)，防止水質(zhì)污染。對研究區(qū)巖溶地下水污染區(qū)，盡快采取有效的防治措施，以免污染范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，同時應(yīng)加強對地下水可能造成污染的工業(yè)三廢、生活垃圾、農(nóng)藥化肥等排放和使用量的控制，絕對禁止其污染物隨意就地排放和不達(dá)標(biāo)排放[6]。

(3)嚴(yán)格新增水井定點和成井的檢查驗收工作。新增水源井井位、井深和取水層位必須有行政主管部門統(tǒng)一確定，并制定嚴(yán)格的質(zhì)量驗收制度，以杜絕諸如盲目打井、混合串層開采等不合理現(xiàn)象的發(fā)生。

(4)農(nóng)業(yè)用水應(yīng)盡可能用地表水替代，減少巖溶水開采量。

[1]宋明春，王沛成，梁邦啟，等.山東省區(qū)域地質(zhì)[M].濟(jì)南:山東省地圖出版社，2003.

[2]徐軍祥，康鳳新，張中祥，等.山東省重大水文地質(zhì)問題—理論技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2014，198-199.

[3]邢立亭，徐軍祥，張偉.濟(jì)南泉域巖溶地下水環(huán)境演化及保泉對策研究[A]//山東省地礦局主編.山東省環(huán)境地質(zhì)文集[C].北京：地質(zhì)出版社，2007：31-37.

[4]陳洪年，張文才，戴振芬.雙村巖溶水系統(tǒng)多年開采動態(tài)分析及潛力評價[A]// 山東省地礦局主編. 山東省環(huán)境地質(zhì)文集[C].北京：地質(zhì)出版社，2007：83-86.

[5]高明志，尚宇寧，高明玲 ，等.濟(jì)南地下水環(huán)境保護(hù)研究[A]// 山東省地礦局主編.山東省環(huán)境地質(zhì)文集[C].北京：地質(zhì)出版社，2007：38-42.

[6]史啟朋，王博倫，趙慶令，等.官橋斷塊地下水資源量分析評價[J]. 山東國土資源，2013，29(9)：61-64.

Calculation of Karst Groundwater Resources and Analysis on Exploitation Potentiality of Changqing-Xiaolipu Hydrogeologic Unit

CAI Youxiong

( Shandong Geo-engineering Exploration Institute，Shandong Jinan 250014 ，China)

Based on the collection and utilization of previous study results, amount of recharge resources accounts of karst groundwater has been calculated. Through investigation and statistics, karst groundwater exploitation resources has been obtained. The recoverable resources of karst groundwater which can be increased by using water balance method and numerical method have been calculated, and the increasing production potentiality has been analyzed. According to analysis on hydrogeological condition, rich water section near Guidezhen town will be regarded as increasing production potentiality mining area. Suggestions for the exploitation and utilization of groundwater have been put forward .

Hydrogeological unit; karst groundwater; potentiality analysis; Changqing-Xiaolipu; Jinan city

2015-02-04；

2015-03-07；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

薄克庭(1975—)，男，山東鄒城人，工程師，主要從事水工環(huán)和樁基礎(chǔ)施工工作；E-mail:bocaiyu_2009@sina.com

P641.8

B

①山東省地質(zhì)礦產(chǎn)局八0一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，長清-孝里鋪水源地供水水文地質(zhì)勘探報告，1986年。