济南四大泉群补给来源差异性研究

济南泉水是中国北方岩溶泉水的典型代表。20世纪70年代以来,快速的城市化进程及过量开采造成济南泉水断流,尽管近几年采取补源措施,但效果并不理想,其根本原因是人工补源地点的选择缺乏科学依据。为确定济南泉域不同含水层对泉水的补给比例,根据泉水水位与水温监测、水化学指标测试、泉水电导率频率分析等方法,结合泉群出露区地质结构条件,研究泉水补给来源的差异性,确定济南泉域不同含水层对泉水的补给比例,为高效、精准补源及阐明泉水水化学成分形成与演化提供科学依据。研究表明:(1)岩溶含水层对趵突泉和黑虎泉的补给比例存在差异,其中张夏组含水层对趵突泉和黑虎泉的补给比例分别为31%～54%、24%～31%,奥陶系灰岩—寒武系凤山组灰岩含水层对趵突泉和黑虎泉的补给比例分别为45%～68%、68%～75%;(2)珍珠泉和潭西泉补给来源类同,潭西泉、珍珠泉张夏组含水层补给比例分别为60%～70%、60%,奥陶系灰岩—寒武系凤山组灰岩含水层补给比例分别为15%～17%、22%～25%,人工补源水补给比例分别为8%～21%、13%,孔隙水、裂隙水补给比例分别为6%、5%～6%;(3)泉水水温特征表明补给珍珠泉、潭西泉的地下水以深循环为主,并且受孔隙水、裂隙水补给,补源水对珍珠泉、潭西泉影响明显;(4)泉水位动态表明枯、丰水期黑虎泉与趵突泉的补给来源与方向存在一定差异,且黑虎泉地区奥陶系—寒武系凤山组灰岩岩溶发育更强烈。从宏观上,泉水补给来源于广泛分布的寒武—奥陶系灰岩区。微观上,不同岩溶含水层对四大泉群的补给强度存在明显差异,奥陶系含水层是泉水重要的补给来源,济南保泉人工回灌补源地点应选在奥陶系灰岩地区。     

济南泉域岩溶水数值预报与供水保泉对策

基于保持泉水长期连续壮观喷涌和泉域岩溶生态地质环境良性循环发展等约束条件,根据济南泉域岩溶地下水系统特征,采用MODFLOW模拟裂隙岩溶介质地下水运动规律,进行了回灌补源条件下的地下水、地表水联合调蓄模拟,结果表明趵突泉枯水期水位控制在27.6m以上,四大泉群能够保证长年喷涌,同时在西郊增大开采量,提出济南泉域允许开采量不超过39万m^3/d是泉域生态地质环境功能修复的前提。提出了回灌补源、水质供水、控制城市向直接补给区扩展和优化水资源配置等泉水保护建议。     

济南四大泉群泉水补给来源混合比探讨

济南泉水众多闻名于世,人类活动造成泉水断流。为恢复名泉,多年来一直实施地下水自备井限采、集中开采的水源地禁采、回灌补源等措施,但保泉效果并不明显。根据泉水位观测、示踪试验、水质指标测试、岩溶发育程度分析、数理统计等方法,研究泉水补给来源的混合比例。研究结果表明：泉水位及泉水电导率动态变化特征揭示泉水补给来源存在季节性差异,丰水期泉水以东南方向管道流补给为主,枯水期泉水以西南方向裂隙流补给为主;岩溶水系统排泄区的水位动态与泉水位具有明显的相关性,奥陶系灰岩补给区地下水位与泉水位的相关性高于张夏组岩溶水水位与泉水位的相关性,枯水期在张夏组灰岩含水层进行回灌补源并不能遏制泉水位下降的势态;根据42组水质资料计算,泉水的Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、总硬度等常规离子组分含量介于寒武系张夏组岩溶水和奥陶系岩溶水之间,四大泉群流量中,来自于张夏组含水层的补给比例占11%~32%,凤山组-奥陶系含水层的补给比例占24%~60%,历阳湖占5%~10%,兴济河占0~6%,玉符河占1%~8%,市区回灌对五龙潭的流量有重要影响。可见,北方岩溶发育极其不均,泉水动态变化反映出北方岩溶的管道流与裂隙流并存,济南保泉回灌补源地点宜选择在奥陶系灰岩分布区。     

济南泉域边界条件、水循环特征及水环境问题

济南泉域是市区泉水的汇流及蓄水范围,在其北部城区中心地带出露趵突泉、黑虎泉、五龙潭和珍珠泉四大泉群。为更好地保护和利用济南泉域内岩溶地下水,文章对济南泉域的边界条件、岩溶主径流通道、地下水循环特征及水质变化几个敏感问题进行探讨。利用泉群流量相关分析、流场特征分析、回灌补源分析及自备井调查等手段,重新界定了济南泉域的东边界,将其北部透水段向东扩展至原边界以东约4 km。通过对钻孔岩溶分层统计及缓冲区分析,在山前地带沿党家庄－十六里河－千佛山断裂泉城公园方向地下埋深100~150 m发现一条补给四大泉群的岩溶地下水集中径流带。研究发现,五龙潭和珍珠泉以深循环为主,补给主要来自岩溶地下水,而趵突泉和黑虎泉同时受深循环和浅循环影响较大,趵突泉主要补给来自西部和南部岩溶地下水和地表水,除此以外黑虎泉在东南方向上还有一定量的岩溶地下水补给。目前岩溶水水质变差,南部岩溶裸露区,尤其水库河道周边地带,生态环境亟待治理。      

大气降水与济南泉水动态变化的定量关系研究

济南保泉历经40多年历史,历年枯水期泉水一直受到断流威胁。针对济南泉水动态变化现状,采用相关分析法,研究不同时间尺度下大气降水与泉水动态的关系。研究表明:济南泉域岩溶地下水的主要的补给来源是大气降水,泉水位高低主要受降雨大小的影响;大气降水对泉水位的影响具有滞后性特点;不同时间尺度下累计降水量回归分析得出兴隆雨量站、燕子山雨量站对泉水位影响滞后时间较短;在现状开采条件下,当旬降雨量累计值大于17.58 mm时对泉水位回升有积极的影响。综合济南泉域岩溶水流向、各雨量站距泉的距离、降雨对泉水位影响的滞后时间、各雨量站降水大小与泉水位变幅的关系程度等方面,得出兴隆雨量站所在区域降雨对泉水位的影响较大,是适宜的保泉补源地,能达到科学补源保泉的目的。     

济南岩溶泉域泉群区水化学与环境同位素研究

本文通过对济南岩溶泉域排泄区地下水样品的分析,采用主要离子(Cl、NO_3、Mg、Ca、HCO_3、SO_4)、微量元素(Br、Ba、Sr)、氢氧同位素(~2H和~(18)O)、硫同位素(~(34)S)等示踪因子的综合研究方法,结合岩溶泉域实际水文地质条件,揭示了济南泉水的水文地球化学特征、枯丰期水化学动态和环境同位素特征,确定了泉水在枯、丰水期不同的补给来源及补给途径。研究显示,泉群区出流的泉水可以分为三组,黑虎泉出流的路径是经奥陶系灰岩直接出流,趵突泉是经奥陶系灰岩与第四系沉积层出流地表,而五龙潭泉、珍珠泉和53号井则是在灰岩和侵入岩体的接触地带及第四系沉积层较薄弱处涌出地表;在丰水期地下水是混合补给,包括来自奥陶系岩溶水直接补给和硅酸盐岩裂隙水的间接补给,而在枯水期地下水主要由奥陶系岩溶水直接补给;泉群区地下水中的S主要来源于燃煤,而且有不断增加的趋势。     

济南四大泉群水化学特征及其成因分析

为明晰济南四大泉群水化学动态变化特征及成因,利用离子比例系数、PHREEQC模拟以及氢氧同位素反演等方法分析各泉群水化学成分特征及其形成过程。研究表明：（1）四大泉群阳离子Ca2+为优势离子,阴离子HCO3-为优势离子;（2）潭西泉和珍珠泉水化学类型稳定,而趵突泉和黑虎泉由HCO3—Ca型变为HCO3·SO4—Ca型;（3）四大泉群受地表水、寒武系凤山组-奥陶系岩溶水以及寒武系张夏组岩溶水混合补给,其中趵突泉、黑虎泉接受寒武系凤山组-奥陶系岩溶水补给占比略大,而潭西泉、珍珠泉接受寒武系张夏组岩溶水补给占比略大;黑虎泉滞留时间最短,循环交替强烈;（4）水岩相互作用强弱程度导致泉群水化学成分差异,溶解沉淀作用强度整体大于阳离子交换作用。趵突泉阳离子交换作用强度最弱,黑虎泉伴随有去白云化作用,潭西泉和珍珠泉水化学作用及强度类似,进一步印证潭西泉和珍珠泉有相同的补给来源及运移机制。该研究成果对水资源合理利用和岩溶大泉的保护具有重要意义。     

PHREEQC在济南泉水来源判别中的应用与效果

为验证济南泉域的泉水来源,选取趵突泉周围13个取样点岩溶水中的微量元素Ba和Sr,运用PHREEQC软件对这两种元素进行不同比例的混合。结果表明,济南南部山区、东郊、西郊等处的岩溶水都对趵突泉泉水有不同程度的贡献,并首次试算出各个方向来水比例。这从水化学的角度说明,趵突泉水的来源是多源的。     

基于时间序列分析法的岩溶泉水位预测

济南城区岩溶泉是当地主要的供水水源,查明泉水动态规律并科学合理的预测泉水位对于泉域岩溶水资源的开发利用和保护具有重要意义。本文首先应用时间序列分析法将趵突泉和黑虎泉自2012年5月2日至2018年10月31日的逐日水位数据分解为趋势项、周期项和随机项,分析其水位动态变化规律并建立水位预测模型,结果显示泉水位动态在该阶段无显著趋势性;但受降水的影响,泉水位动态变化呈现两个主要的周期,多年性变化（3.2年）和季节性变化;同时由于受到各种无规律干扰因素的影响,泉水位动态呈现随机波动的随机项。其次,利用2018年11月1日至2020年8月24日的逐日泉水位数据验证上述水位预测模型的预测精度,结果表明该模型运行合理,预测效果较好,具有一定的实用价值。最后利用该模型预测了2020年8月25日至2022年10月31日泉水位动态变化,为当地岩溶水资源开发和管理提供了依据。      

济南十大泉群特征、形成模式及水循环差异性浅析

为了全面系统地认识济南十大泉群,文章采用对比分析法揭示十大泉群分布、流量、景观及水质特征,通过水文地质结构精细刻画与泉水排泄条件分析,进一步明确十大泉群成因差异性,归纳泉水形成模式,揭示十大泉群水循环的差异性。结果表明:十大泉群基本特征可大致分为两类,即排泄区6个泉群均为上升泉、南部补给区4个泉群均为下降泉;十大泉群形成模式可划分为五类,即构造凸起—灰岩“天窗”成泉、构造凸起—裂隙连通成泉、浅埋多层砂层与高渗透黏土导通成泉、断裂切割成泉和侵蚀溢流成泉模式;宏观上济南十大泉群水循环受北倾单斜构造控制,其输入条件、输导系统和输出方式差异较小;微观上6个承压型泉群泉水输出方式差异性明显,其灰岩覆盖层类型、厚度、渗透性及灰岩顶板埋深差别较大,导致泉水出流形态、流量及水质不同,形成各自独特的景观。岩溶泉水微观成因的详细研究可为济南十大泉群分类保护提供重要地质依据。      

Hydrodynamic characteristics of a typical karst spring system based on time series analysis in northern China

In order to study the hydrodynamic characteristics of the karst aquifers in northern China, time series analyses (correlation and spectral analysis in addition with hydrograph recession analysis) are applied on Baotu Spring and Heihu Spring in Jinan karst spring system, a typical karst spring system in northern China. Results show that the auto-correlation coefficient of spring water level reaches the value of 0.2 after 123 days and 117 days for Baotu Spring and Heihu Spring, respectively. The regulation time obtained from the simple spectral density function in the same period is 187 days and 175 days for Baotu Spring and Heihu Spring. The auto-correlation coefficient of spring water level reaches the value of 0.2 in 34–82 days, and regulation time ranges among 40–59 days for every single hydrological year. The delay time between precipitation and spring water level obtained from cross correlation function is around 56 days for the period of 2012–2019, and varies among 30–79 days for every single hydrological year. In addition, the spectral bands in cross amplitude functions and gain functions are small with 0.02, and the values in the coherence functions are small. All these behaviors illustrate that Jinan karst spring system has a strong memory effect, large storage capacity, noticeable regulation effect, and time series analysis is a useful tool for studying the hydrodynamic characteristics of karst spring system in northern China.© 2021 China Geology Editorial Office.     

趵突泉泉域岩溶水典型污染组分变化特征及污染途径

济南趵突泉水闻名天下,自20世纪50年代以来岩溶地下水水质发生较大变化。利用收集与实测的近60年的水化学数据,选取矿化度、NO3-、SO42-、Cl-典型水化学指标,结合水文地质条件及人类活动影响,对山前三个典型富水地段岩溶地下水化学变化特征进行研究,并揭示泉域西部、中部、东部三个富水地段岩溶水水质污染途径。结果表明,1986年以前,三富水地段水质变化特征相似,均呈小幅增长趋势,而1986年以后差异显著。其中,西部富水地段除90年代以外,岩溶水中典型污染组分含量总体涨幅较小,地下水主要污染途径为点源—表流阶段入渗型;中部富水地段岩溶水中典型污染组分呈稳步增长趋势,地下水主要污染途径为面源—降雨间歇入渗型;东部富水地段岩溶水中常规离子组分涨幅最大,地下水主要污染途径为点源—开采越流入渗型。研究结果对泉域三个富水地段岩溶地下水保护具有重要指导意义。      

济南岩溶含水介质孔隙结构特征

以济南泉域为例,基于2004-2019年济南岩溶泉域大气降水资料、地下水水位动态监测资料和岩芯的压汞实验结果,采用分形理论中孔隙分形维数法和数理统计的方法,探究含水岩层孔隙结构对泉水位动态的影响。结果表明:（1）炒米店组和三山子组2号样的孔隙发育均匀,孔喉分布集中,岩层储水性能好、储水空间较大;马家沟组北庵庄段的孔隙发育均匀,孔喉分布集中,岩层储水性能差,储水空间小;三山子组1号样和马家沟组东黄山段的孔隙发育不均匀,孔喉分布分散,岩石内部储水空间大;（2）岩层渗透率主要受孔喉分布的影响,济南泉域碳酸盐岩含水层的孔隙储水空间大、储水性能好,济南泉域独特的孔隙结构在维持趵突泉水位动态稳定中起到重要作用。      

基于水化学、同位素特征的济南岩溶地下水补给来源研究

文章利用水化学、2H、18O同位素、87Sr/86Sr比值、13C和14C同位素对济南岩溶地下水补给来源、地热水补给来源进行研究。结果表明,岩溶冷水水化学类型以HCO3-Ca、HCO3·SO4-Ca型为主、地热水以SO4-Ca型为主。在旱季,间接补给区对泉群地下水补给比率在66.00%~73.58%之间,直接补给区仅占到26.42%~34.00%,旱季泉水的主要来源为间接补给区岩溶地下水。地热水受到了更新世以来的降水补给,是不同时期降水补给所形成的混合地下水,接受补给区域应为高程较高的张夏或者炒米店-三山子组地层,补给高程在350~550 m之间。      

济南明水泉域岩溶地下水数值模拟及泉水水位动态预测

应用地下水模拟软件GMS建立山东济南明水泉域的三维地下水流数值模拟模型,对泉域内岩溶地下水进行数值模拟和水平衡分析,评价了泉域岩溶地下水资源总量和在保持泉水常年喷涌条件下的岩溶地下水可采资源量。在此基础上,应用时间序列分析法对泉水水位动态进行了预测。结果表明:明水泉域多年（2003-2014年）地下水补给量为1.23×108 m3·a-1,排泄量为1.36×108 m3·a-1,均衡差为-1.30×108 m3·a-1;模型预测未来20年泉水最低水位为55.65 m,最高水位为68.72 m,平均泉流量为34.6×104 m3·d-1。      

辛安泉系统岩溶地下水降水补给滞后分析研究

辛安泉域是山西第二大岩溶泉,是长治市生活主要供水水源,根据其地质和含水岩性特征,从其补径排规律上,分析了泉域接受降水补给的年内和年际特点.并建立其裸露区降水补给模型.得出降雨补给泉水滞后6a以上,最长可达10a,降水丰枯与泉水的不一致变化趋势.近年降水减少是泉水流量下降的主要原因,应合理开采,以保泉水常流不竭.