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发布时间：2021-04-09 16:29所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要：济南的泉水既形成了独特的自然景观，又是当地社会经济发展的重要水源。开展地下水均衡的计算与分析，对掌握当地地下水均衡状态及动态特征，从而合理开发利用及保护地下水资源具有重要意义。以趵突泉泉域为例，采用水量均衡法和数值法两种方法，对两种
摘要：济南的泉水既形成了独特的自然景观，又是当地社会经济发展的重要水源。开展地下水均衡的计算与分析，对掌握当地地下水均衡状态及动态特征，从而合理开发利用及保护地下水资源具有重要意义。以趵突泉泉域为例，采用水量均衡法和数值法两种方法，对两种典型边界条件下的水均衡进行计算，结果表明：在对断裂-分水岭边界确定的趵突泉泉域进行数值模拟时，需要充分考虑地表水与地下水之间密切的水力联系以及两者之间的转化关系，对降水入渗补给量进行合理折算，提高水均衡计算的准确性。水量均衡法结果表明断裂边界泉域与断裂-分水岭边界泉域的均衡差分别为3626.0万m3/a和3061.4万m3/a;而利用数值法，均衡差分别为4467.1万m3/a和3699.6万m3/a。本研究结果为趵突泉泉域水资源评价工作提供了科学依据。
关键词：岩溶泉域;边界条件;水均衡;数值法
岩溶区地下水资源的合理开发、利用、管理和保护，已成为摆在人们面前的一个时代问题[1-2]。对岩溶区地下水均衡情况的准确认识，能为科学评价地下水资源提供技术保证。水量均衡法和数值法是当前应用最为广泛的两种地下水均衡研究方法[3-4]。岩溶区水均衡情况的研究需要确定岩溶水系统的边界位置及水文地质性质，岩溶区岩性和构造的高度复杂性[5]使其成为当前研究的热点与难点。
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学者们运用系统理论、水动力学、水化学、地球物理勘探等方法对岩溶区地下水系统的边界展开研究[6-11]。济南是著名的“泉城”，但由于城市的快速发展[12]及地下水开采量的增加，历史上泉水经常发生断流。近些年，济南开展的保泉工作取得一定成效[13]，使趵突泉于2003年9月6日复流至今，但每年的5、6月份，泉水依旧存在着断流的风险[14]。目前关于趵突泉泉域的东、西边界存在两种不同的观点，泉域边界位置和性质不清，泉水保护工作很难具有针对性[15]。因此，本文对两种边界条件下泉域的水均衡展开研究，为趵突泉泉域地下水资源的准确评价、合理利用与科学保护提供理论基础。
1趵突泉泉域边界争议
趵突泉泉域东西边界的确定一直是学界研究的重点问题。部分学者[16-17]认为马山断裂将趵突泉泉域和长孝岩溶水系统切割为两个相对独立的水文地质单元，东坞断裂将趵突泉泉域和白泉泉域切割为两个相对独立的水文地质单元。为了便于描述，后文将此边界确定的泉域范围称为断裂边界泉域。
近年来有学者[18-20]对断裂边界提出质疑，认为断裂边界是基于早期的勘探资料确定的，但大量、长期持续开采改变了地下水流场，仍将整个马山断裂、东坞断裂作为边界不太合理。孙斌等从岩溶水系统的概念出发对济南地区岩溶地下水系统进行划分，依据相邻泉域间的水力联系，认为泉域的西部边界为：在岗辛以南为地表分水岭，岗辛以北为马山断裂。东部边界为：石岭以南为地表分水岭，石岭以北至徐家庄为东坞断裂。提出趵突泉泉域东、西边界均为断裂-分水岭。后文称此边界确定的泉域范围为断裂-分水岭边界泉域。
2断裂边界性质
(1)马山断裂①地层岩性马山断裂两侧地层有明显错动，岩性有较大差异，水理性质也有较大差别。根据断裂两侧岩性可以将断裂分为四段。其中，岗辛以南段泰山群变质岩在风化层下坚硬密实不透水，故该段为地层阻水。岗辛-孙庄段东侧地层地下岩溶不发育，透水性差，富水性弱，特别是崮山组、炒米店组下部地层，为相对隔水地层，断层西侧岩溶发育、透水性好，故此段东侧的地层阻水。孙庄-老屯段断层两侧，岩性相同，富水性均较好，但两侧岩溶含水层发育的不均一，主要岩溶含水段标高不同，东侧较西侧高，断层东侧的地层对西侧的岩溶水含水层起相对阻水作用，故此段具弱透水性。老屯-前隆段两侧岩溶均发育，富水性好，此段透水。
②流场对比由马山断裂两侧1985年10月及2011年12月的水位图可以发现，在长清以北地区，马山断裂两侧等水位线连续，东西两侧水力联系密切。长清以南地区，马山断裂两侧等水位线断开，西侧等水位线稀疏，东侧等水位线密集，说明此段马山断裂两侧水力联系变弱，断裂相对阻水。根据流场图可以得知，马山断裂为一相对阻水的断层，仅在断裂北段透水性良好。
(2)东坞断裂
①地层岩性根据钻孔资料。黄寨以南段两盘地层倾向相背，由于地处山区，地下水径流方向为北西，区域地下水流线基本平行断裂线，不会有穿越断裂的径流，形成地层阻水。黄寨-刘志远段此段顶部地层隔水;由于是晚期压性断层，断裂带内存在寒武系崮山组、炒米店组地层，受挤压后形成断层泥等物质起阻水作用。因此，该段断层阻水。刘志远-徐家庄段断裂两侧岩溶发育不均一，导致此段断层阻水。从徐家庄至大水坡村由于有岩浆岩穿插，奥陶系地层被分割为互不连续的两部分，断裂东侧中奥陶系灰岩地下水与西侧深部的下奥陶系灰岩局部有一定的水力联系，此段具有弱透水性。
②流场对比1963年泉域内地下水开发程度较低，人为影响较小，且是丰水年份，该年的地下水动态能真实反映趵突泉泉域岩溶水的补给条件，1963年11月东坞断裂两侧水位不一致。20世纪60年代以后随着东坞断裂附近地下水的大量开采，地下水流场发生变化，断裂西侧漏斗区水位标高15m左右，断裂东侧漏斗区水位标高17m左右，在徐家庄济南铁厂一段，断裂西盘为济南铁厂和炼油厂的供水水源地，西盘的地下水降落漏斗透过断裂影响东盘，两盘间存在一定的水头差，断裂东侧水位高于西侧，证明该段透水。从整体分析，东坞断裂的阻水性较为明显，仅徐家庄-大水坡段具弱透水性。
3基于数值模拟的边界水量交换研究
正确分析分水岭与断裂包围的区域“三水”(大气降水、地表水、地下水)转化情况，可以提高两种方法水均衡计算的准确性，因此以马山断裂与南大沙河分水岭包围区域为例对该区域的三水转化情况展开研究。大气降水进入断裂-分水岭区域后，一部分转化为地表径流(SR,SurfaceRunoff)穿过马山断裂，一部分入渗补给地下水。南大沙河流域的大气降水转化的地表径流、孔隙水(PSSR,PorousSubSurfaceRunoff)将穿过马山断裂流出趵突泉泉域。
只有由南大沙河谷区孔隙水下渗补给的裂隙岩溶水(KSSR,KarsticSubSurfaceRunoff)才能在寒武系单斜地层控制下，流入该泉域。泉域东侧的东坞断裂与锦绣川分水岭所构成的区域也存在类似的水量转化过程。将上述区域地质构造简化并通过FEFLOW建立如下的数值模型，两峰形成分水岭，山谷对应南大沙河，侧面对应马山断裂。根据趵突泉泉域内钻孔资料，进行含水层概化以及参数设置。模型中从上到下依次为土壤层(I)、孔隙含水层(II)及岩溶含水层(III)，水平渗透系数Kh(m/d)分别设置为5、15、10，垂直渗透系数Kv(m/d)分别设置为1、2、0.5。
依据研究区的地质构造和水文过程设置唯一补给源即降水;由于河谷内覆盖的第四系与邻域存在水量交换，所以在河谷地带和孔隙含水层设有渗流边界;模拟分水岭范围内降水转化为地表径流、孔隙水、岩溶水的过程。模型四周及底部基本为隔水边界，在土壤层的河谷地带两侧、孔隙层及岩溶底部下游位置采用一类水头边界中的SeepageFace设置出流边界以计算出流量，唯一补给来源为山谷降水，采用In/outflowontop/bottom模块进行赋值。此模型可以研究不同降水强度下区域内的降水转化为地表径流、孔隙地下水径流与岩溶地下水径流的规律。
4结论
本文利用数值法探讨了断裂-分水岭边界的水量交换情况，同时应用水均衡法与数值法对不同东西边界条件下趵突泉泉域的水均衡进行了计算分析，两种方法互为验证，证明地下水均衡计算结果较为准27282930312012/10/12012/12/302013/3/302013/6/282013/9/26水位/m断裂边界计算值观测值断裂-分水岭边界计算值确。本文对深入认识趵突泉泉域水文地质条件及评价地下水资源具有一定的理论意义和实际应用价值，为济南市名泉保护、岩溶水资源的可持续利用提供参考依据。
(1)在断裂-分水岭作为趵突泉泉域边界时，需要考虑地表水与地下水之间密切的水力联系以及两者之间的转化关系。通过建立断裂-分水岭区域的数值模型，初步建立河道排泄量占比(SR/P)、孔隙水出流量占比(PSSR/P)、裂隙水出流量占比(KSSR/P)与降水量P的关系。河道排泄量占比与降水量的相关关系为SR/P=33.967lnP-14.728，裂隙水出流量占比与降水量P的相关关系为KSSR/P=-30.52lnP+59.941，孔隙水出流量占比约为50%。合理折算各部分水量，可以提高水均衡计算结果的准确性。
(2)在上述认识的前提下，对两种边界条件下的趵突泉泉域进行水均衡分析。对于同一种边界的泉域水均衡情况，两种方法计算结果接近，表明水均衡计算结果较为准确。根据水量均衡法和数值法计算结果，断裂边界泉域的补给量、排泄量以及均衡差均大于断裂-分水岭边界泉域。断裂边界泉域均衡差分别比断裂-分水岭边界泉域大564.6万m3/a和767.5万m3/a。
表明不同边界条件下泉域水均衡情况存在一定差异，但差距较小。目前对趵突泉泉域边界尚无统一认识，断裂-分水岭边界是基于近些年的野外水文地质补充勘察结果提出的，但目前对断裂-分水岭边界的研究较少，为了名泉保护与供水的双重需要，有必要对趵突泉泉域的边界展开深入研究。需要重视数据的时效性，结合钻孔资料、水位资料，利用水动力学法、水化学法等多种方法提供佐证，得到关于趵突泉泉域边界的准确答案。
参考文献(References)：
[1]BONACCIO.Groundwaterbehaviourinkarst:exampleoftheOmblaspring(Croatia)[J].JournalofHydrology,1995,165(1-4):113-134.DOI：10.1016/0022-1694(94)02577-X.
[2]徐中平,周训,崔相飞,等.岩溶区地下水数值模拟研究进展[J].中国岩溶,2018,37(4):475-483.(XUZP,ZHOUX,CUIXF,etal.AdvancesinnumericalsimulationofgroundwaterinKarstAreas[J].ChinaKarst,2018,37(4):475-483.(inChinese))DOI：CNKI:SUN:ZGYR.0.2018-04-001.
[3]束龙仓,朱元甡,孙庆义,等.地下水资源评价结果的可靠性探讨[J].水科学进展,2000,11(1):21-24.(SHULC,ZHUYS,SUNQY,etal,Discussiononthereliabilityofevaluationresultsofgroundwaterresources[J].ProgressinWaterScience,2000,11(1):21-24.(inChinese))DOI：10.14042/j.cnki.32.1309.2000.01.004.
作者：束龙仓1，张曼琦1，李虎2，倪寒茜1，武朝军2，陈媛1，王小博1，余亚飞1
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《两种典型边界条件下的趵突泉泉域水均衡分析》