济南岩溶水系统数值模拟与保泉供水开采方案

秦品瑞

(山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014)

济南的保泉工作始于20世纪80年代初[1-2]，为使趵突泉恢复“泉源上奋，水涌若轮”的本来面貌，济南一直进行着泉水保卫战,并提出了“开源”“节流”“回灌补源”和“南部山区环境综合治理”等一系列保泉供水的措施。尽管如此，依然难解泉水断流的威胁，虽然目前泉群已连续出流13年，但仍未从根本上解决既保持泉水连续喷涌，又保证老百姓喝到优质地下水的问题，济南人守着优质的地下泉水却喝黄河水，“泉城”已名不符实，城市形象受到损害[3]。

随着“保泉”与“供水”课题研究的深入，人们对济南泉群发生、发展过程的地下水演变规律有了更深刻的了解[4]。笔者从济南岩溶含水系统方面入手，根据水文地质条件，建立济南岩溶含水系统地下水数值模拟模型，并在此基础上，结合济南市地下水开采现状及城市供水规划(拟在长清归德镇曹楼、郭庄建立济西二期水源地，计划向市区供水10万m3/d；在齐河县赵官屯煤矿，结合煤矿排水疏压，计划向市区供水10万m3/d)，利用数值模型对上述供水规划进行预测预报，并计算不同降水组合下其他各岩溶地下水水源地的最优开采量，以期为实现“保泉供水”向政府提供决策依据。

1 济南岩溶水系统地下水数值模拟

济南地区在总体上是一个古生界地层为主体的北倾单斜构造，区内断裂较发育。就区域水文地质条件而言，济南地区寒武、奥陶系地层受到一系列北北西或北西向断层切割，石灰岩在空间位置上被分割成许多断块[5]。这些断裂往往又构成这些断块的相对隔水边界，如东坞断裂构成济南泉域的东边界，它又是白泉泉域的西边界，马山断裂构成长清—孝里铺断块的东边界，又是济南泉域的西边界。每一断块就其水文地质意义都是一个相对独立的水文地质单元——地下水系统或泉域。它们都有相似的补给、径流、排泄条件，具有分散补给(汇水)、山前集中排泄的水文地质特征，存在一个或几个排泄区(富水区)。但这几个断块在构造、地层岩性及含水岩组等方面都具有一致性，其作为边界的断裂只是起到一个相对阻水的作用，仍然存在透水或弱透水段，有水量交换。因此，为了更好地认识济南泉域的水文地质特征及其与相邻的水文地质单元的关系，优化地下水开采布局，本文将这几个断块(东阿岩溶水系统、长孝岩溶水系统、济南泉域、白泉泉域)作为一个整体(济南岩溶水系统)进行建模研究[6-10](图1)。

1.1 边界条件

东部边界：以文祖断裂为界，概化为隔水边界；西部边界：以平阴—东平地下(地表)分水岭为界，概化为隔水边界；南部边界：以平阴—东平的地下(地表)分水岭、孝直断裂以及寒武系中统张夏组底界面为界，概化为隔水边界；北部边界：在济南泉域西侧以一系列近东西向断裂为界，济南泉域以火成岩体为界，济南泉域东侧以奥陶系灰岩顶板埋深600 m线为界，该边界大部分概化为隔水边界，仅将济南泉域西北角概化为流量边界。

内部边界：港沟断裂大部分为透水，仅在莲花山至港沟西山段隔水；孙村断裂具透水性；曹范断裂除南端地层隔水外，大部分透水；沙湾断层隔水；千佛山断裂在南郊宾馆以南隔水，以北具有透水性；东坞断裂在徐家庄以南隔水，以北具有透水性；马山断裂在新周庄村以南隔水，以北具有透水性；文化桥断裂、石马断裂、炒米店断裂、平安店断裂具有透水性；孝里铺断裂在前隆至大房庄、孝里铺至兴隆镇村段隔水，孝里铺至大房庄段具有透水性。

1.2 含水层结构概化

从水文地质特征出发，模拟区概化为3层结构，第一层为第四系孔隙含水层，当潜水处理；第二层为第四系黏土层及石炭二叠系弱透水层，只考虑垂向一维流；第三层为具有承压性质的岩溶含水层。本次将寒武-奥陶系九龙群和马家沟群地层整体概化为一个含水层。第一层与第三层可通过中间的弱透水层发生水力联系，各个地段的联系程度不同，模型中通过调整弱透水层垂向渗透系数来实现对越流程度的控制[11-13]。根据勘探资料溶蚀裂隙发育特征和抽水试验资料，济南岩溶水系统碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组地下水流具有统一的水面，水流符合达西流，可以近似地运用多孔介质渗流理论模型来描述[14-18]。综上所述，可将裂隙岩溶含水系统概化为非均质的各向异性的承压三维非稳定流。

1.3 地下水补排项

地下水补给项主要包括大气降水入渗、灌溉回渗和河渠入渗[19-24]。其中大气降水入渗补给是区内主要补给来源，由入渗补给系数确定[25]，根据入渗补给区岩性不同，选择了不同入渗系数，研究区多年平均入渗补给量约为126×104m3/d；区内多年平均灌溉回渗量为4.2×104m3/d；河渠入渗主要包括黄河入渗，以及玉符河、北沙河、南沙河、巴漏河等入渗，除黄河外，其他河流均属季节性河流。据统计，不考虑人工补源，多年平均入渗量为5.95×104m3/d。

地下水排泄项主要包括水源地开采、自备井及矿坑排水、农业开采、泉排泄和边界排泄等。其中水源地开采研究区在2007年的排水大约为59.7×104m3/d，自备井及矿坑排水大约为22.5×104m3/d，农业开采排水大约为28.1×104m3/d，泉排泄13.1×104m3/d，边界排泄约为5.3×104m3/d。

1.4 模型验证

计算区的总面积划分为254行、170列，共43 180个单元格，每个单元格面积为500 m×500 m，活动单元格12 520个。本次利用济南市2005—2007年地下水动态资料对模拟模型进行识别和检验，不仅较准确地完成了水文地质参数的调整，还使模型能够较准确地反映济南岩溶水系统地下水动态规律，并利用2013年9月—2014年10月的地下水动态资料对模型进行检验(图2)，结果表明所建立的数学模型与实际的水文地质条件相符，模型可用来预报地下水动态[26]。

2 结果与分析

2.1 计算方案的确定

将识别与验证模型稍加调整即得预报模型[27]。根据济南岩溶水系统水文地质条件，预报时在原有水源地基础上，结合济南市地下水开采现状(表1)及城市供水规划，维持除济南泉域岩溶水水源地外现有水源地实际开采量，新增济西二期水源地10万m3/d及赵官屯10万m3/d规划开采量，采用不同的降水组合，并以2007年10月1日水位标高为模型预报初始水位，给定地下水开采约束条件，计算开采量，以此确定济南泉域岩溶水水源地在不同降水情况下的允许开采量，预测各开采状态下地下水位动态变化过程，满足约束条件时说明方案可行，否则需重新调整方案(图3)。

(a) 趵突泉观测孔

(b) 普利门水厂

(c) 长清区老屯村

(d) 机床二厂

(e) 长清区归德镇抓庄楼

(f) 历城区郭店镇

本次预报按不同降水量组合共设计了3种方案：方案1为连续5年平水年；方案2为四枯一丰(选取济南地区1999—2003年降水资料)；方案3为济南地区1982—1991年10年降水组合，各组合具体降水量见表2。农业开采量根据水利统计年鉴资料对照不同降水量进行取值[28]，生活用水量则取常量，自备井及矿坑排水在本次预报过程中维持现有开采量不变。

注：1—透水断层；2—弱透水断层；3—阻水断层；4—阻水岩脉；5—地表分水岭；6—零流量边界；7—补给边界；8—排泄边界；9—河流渗漏段；10—开采水源地，编号/开采量(万m3/d)；11—济南市区供水水源地，编号/开采量(万m3/d)；12—停采水源地；13—泉群；14—岩溶水观测点；15—孔隙水观测点。图3 济南岩溶水系统预报各水源地开采分布

表1 济南岩溶水系统岩溶地下水2007年开采现状 104m3/d

表2 预测各降水组合降水量 mm

注：济南市多年平均年降水量为642 mm；①～⑤代表年份，对于方案1，①～⑤代表连续5年平水年；对于方案2，①～⑤分别代表1999—2003年5年；对于方案3，则代表1982—1991年2个5年。

2.2 约束条件

①为保持趵突泉等四大泉群持续喷涌，保泉水位取趵突泉最低景观喷涌水位27.5 m，即枯水期趵突泉水位不低于27.5 m。②为保证济南岩溶水系统裂隙岩溶水资源的可持续开发,总开采量不能超过允许开采量。③开采状态下，各地段地下水位不应出现持续下降趋势。

2.3 预报结果及分析

将上述3个降水组合的数据输入模型进行预报，济南泉域岩溶水水源地开采方案见表3，各方案下济南岩溶水系统地下水量均衡关系见表4。

表3 济南泉域岩溶水水源地计算开采方案 104m3/d

表4 各开采方案下济南岩溶水系统地下水量均衡关系 104m3/d

方案1在连续5年平水年降水情况下，济南泉域岩溶水水源地具体开采方案见表3，典型岩溶地下水观测孔预报水位见图4～5。

图4 方案1中趵突泉1号观测孔预报曲线

图5 方案1中西郊J22观测孔预报曲线

从预测的结果可以看出：在预测的连续5个平水年内，趵突泉枯水期地下水水位均高于临界水位27.5 m，四大泉群能够实现长年喷涌。从图4、图5可以看出，两个观测孔水位均没有持续下降，而是随降水周期作周期性波动。相应的，从地下水量均衡关系(表4)可以看出，该方案在连续5年平水年内地下水量正均衡。以上预测结果说明，拟定的济南泉域内各岩溶水水源地开采方案是合理的。该降水组合下可向济南市区供水31万m3/d(济西二期水源地10万m3/d、赵官屯10万m3/d、泉域内各岩溶水水源地11万m3/d)，每人每天生活用水(根据2007年济南市统计资料，指城市居民家庭每一用水人口平均每天日常生活使用的自来水[29]，下同)按80L计算，可以同时满足387.5万人生活用水。

方案2在四枯一丰降水量情况下，济南岩溶水系统具体开采方案见表3，典型岩溶地下水观测孔预报水位见图6～7。

图6 方案2中趵突泉1号观测孔预报曲线

图7 方案2中西郊J22观测孔预报曲线

从预测结果可以看出：在预测的四枯一丰5个水文年内，预测趵突泉最低水位27.52 m，高于临界水位27.5 m，四大泉群能够实现长年喷涌。从图6、图7可以看出，虽然受连续枯水年降水量偏少的影响，两个观测孔前4年水位持续下降，但受第5年丰水年降水量较大(985.6 mm)的影响，水位迅速升高，且均都能够回复到初始水位。相应的，从地下水量均衡关系表(表4)可以看出，该方案在四枯一丰5个水文年内地下水量均衡。以上预测结果说明，拟定的济南泉域内岩溶水水源地开采方案是合理的。该方案可以向济南市区供水29.0万m3/d(济西二期10万m3/d、赵官屯10万m3/d、泉域内各岩溶水水源地9.0万m3/d)，每人每天生活用水按80 L 水计算，可以同时满足362.5万人生活用水。

方案3在采用1982—1991年10年降水资料情况下，济南岩溶水系统具体开采方案见表3，典型岩溶地下水观测孔预报水位见图8～9。

图8 趵突泉1号观测孔预报曲线

图9 西郊J22观测孔预报曲线

从预测结果可以看出：在预测的连续10个水文年里，趵突泉枯水期地下水水位均高于临界水位27.5 m，四大泉群能够实现长年喷涌。从图8、图9可以看出，两个观测孔水位均没有持续下降，受特枯年份的影响，在第五年和第八年枯水期地下水位最低，但随着丰水年的到来，受大气降水补给，地下水位迅速升高至前期初始水位之上。总的来说，地下水位随降水周期作周期性波动。相应的，从地下水均衡关系(表4)可以看出，该方案在连续10个水文年内地下水量均衡。以上预测结果说明，拟定的济南泉域内各岩溶水水源地开采方案是合理的。该方案可以向济南市区供水33.5万m3/d(济西二期10万m3/d、赵官屯10万m3/d、泉域内各岩溶水水源地13.5万m3/d)，每人每天生活用水按80 L水计算，可以同时满足418.8万人生活用水。

3 结 论

“保泉”和“供水”是济南泉域岩溶地下水系统互为制约的两个目标函数，优化开采方案，探求保泉之路，需建立在保证济南市人民生活需水的基础上。通过3个方案的预报及分析，可以发现本次预报的3个降水组合下的济南泉域岩溶水开采方案均能够满足既保持泉水持续喷涌(趵突泉水位高于27.5 m)，又保证老百姓喝到优质地下水(泉域人口按 300万，每人每天生活用水80L，共需24万m3/d)这一目标，而本次设计的3个降水组合除第3个降水组合的平均降水量为济南市多年平均降水量外，其余两个降水组合的平均降水量均小于济南市多年平均降水量642 mm，且考虑了连续枯水年的特殊情况，说明济南市政府规划的济西二期水源地10万m3/d 及赵官屯煤矿10万m3/d的开采量是合理的，对于实现“保泉供水”有显著作用。

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