于令芹 1,2
，林广奇 1,2
，刘媛媛 3
，齐 欢 1,2
，孟庆斋 1,2
，马河宽 1,2
，江露露 1,2
，刘春伟
1,2
（1. 山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队, 山东 济南 250014；2. 山东省地下水环境保护
与修复工程技术研究中心, 山东 济南 250014；3. 山东理工职业学院, 山东 济宁 272067）
摘 要：为查明济南市区泉水与西郊、东郊岩溶水的水力联系，从地层结构、水动力场角度，结合抽水试验、示踪试验和水化学分析等方法研究泉水与岩溶水之间的关系。结果表明，济南市区和西郊之间的刘长山—郎茂山—万灵山一带存在地下水径流通道。刘长山北侧槐苑广场—九中—十四中一带，在埋深350 m 处揭露连续的岩溶含水地层，并存在垂向径流通道，市区泉水和西郊岩溶水通过刘长山北侧侵入岩体接触带以下的三山子组含水层连通。市区与东郊之间的燕翅山—七里河一带受舌状侵入岩体的影响，两侧地下水流场存在差异，但山东大学洪楼校区以北埋深485 m 处揭露连续的岩溶含水地层，市区泉水和东郊岩溶水可通过侵入岩体接触带以下的三山子组含水层连通。水化学分析结果表明市区泉水与西郊、东郊岩溶水水化学类型一致，具有相同的演化环境。关键词：济南市区泉水；岩溶水；岩体接触带；径流通道；水力联系；地下水流场；演化环境中图分类号：P641.5; 文献标识码：A 文章编号: 1001 − 4810 （ 2023 ） 05 − 0917 − 14
开放科学 （ 资源服务 ） 标识码 （ OSID ）
：
0 引 言
济南是著名的“泉城”，历史上市民长期以地下水为饮用水源，但从20世纪70年代初开始，随着经济和社会发展，城市扩张加速，地下水被过度开采，地表水入渗量减少，造成泉域区域地下水位下降，市区泉水由高水头持续喷涌转变成低水头衰减枯竭[1−3]
。
自2003年以来，济南市采取了封井节流、采外补内、
人工补源
[4−6]
等调控措施，泉水复涌并持续喷涌，但
保泉问题尚未得到根本解决。
前人针对济南泉水的形成机理及影响因素[7−9]
、水化学特征
[10−13]
、泉域的边界
[14−16]
进行了大量研究，但市区泉水与西郊、东郊
[17]
岩溶水的水力联系一直
存在争议。一些学者认为市区与西郊水力联系密切，
董咏梅等[18]
2003年6月对济西进行抽水试验分析，证明济南市区与济西地下水之间存在密切的水力联系；侯新文等[19]
采用回归分析法研究泉水位与水源
地开采量的关系，证明济南市区与西郊水力联系密
切；张郑贤
[20]
等利用灰关联的数学方法，从水位波
动关联度角度研究市区泉水与济西地下水的联系，论证两者地下水位关联性极强；齐欢等
[21]
通过经验
正交函数分析法分析了趵突泉泉域地下水位动态的变化特征，证明泉域岩溶含水层整体连通性较好，泉域内没有明显的地下阻水边界。还有学者认为市区与西郊水力联系相关性不大，邹连文等
[22−23]
通过市
区泉涌水量与区域降水的回归分析，得出市区泉水与东南部岩溶漏水山区的降水关联密切，认为济西地区为独立于泉域之外的地下水系统。
基金项目：国家自然科学基金项目(41772257)
第一作者简介：于令芹（1984－），女，硕士，高级工程师，主要从事水工环地质及泉水保护方面的研究工作。E-mail ：****************。通信作者：林广奇（1982－），男，高级工程师，主要从事水工环地质及泉水保护方面的研究工作。E-mail ：****************。收稿日期：2023 − 04 − 20
第 42 卷 第 5 期 中 国 岩 溶
Vol. 42 No. 52023 年 10 月
CARSOLOGICA SINICA
Oct. 2023
于令芹，林广奇，刘媛媛，等. 济南市区泉水与东、西郊岩溶水水力联系研究[J ]. 中国岩溶，2023，42（5）：917-930, 955.DOI ：10.11932/karst20230505
由于济南地区岩溶发育的复杂性，目前仍有许多问题未得到解决，市区泉水与西郊、东郊岩溶水之间的运动规律、优势径流通道仍在探究之中，对泉水保护和地下水资源合理开发利用造成较大的影响。本文从当前济南保泉供水迫切需要出发，采用水文地质技术方法，从地层结构、水动力场、抽水试验、示踪试验、水化学分析等角度进一步分析论证市区泉水与西郊、东郊岩溶水之间的水力联系，为优化济南市地下水利用布局，实现科学保泉供水提供依据。
1 研究区概况
研究区范围为趵突泉泉域，东边界为东坞断裂，西边界为马山断裂，北边界为奥陶灰岩顶板400 m 埋深线，南边界为地表分水岭[14]，总面积1 658.9 km2（图1）。市区泉水是指趵突泉、黑虎泉、五龙潭、珍珠泉等四大泉，西郊是指段店以西至马山断裂之间的地区，主要包括西郊三处水源地（腊山、峨眉山、大杨庄）、济西三处水源地（古城、冷庄、桥子李）以及长清水源地，东郊是指在二环东路以东至东坞断裂的地区，以往将东坞断裂两侧的水源地统称为东郊水源地[17]。
2 研究方法
本文综合利用地层结构、水动力场、抽水试验、示踪试验和水化学等方法对济南市区泉水与西郊、东郊岩溶水的水力联系进行分析。其中，根据地层结构确定市区与西郊、东郊之间地层的岩溶发育情况和含水岩组的连续性；通过等水位线和水位动态
0510 km
第四系奥陶系寒武系岩浆岩地表分水岭
断裂剖面线
J40HY
水源地施工钻孔水质取样点
图 1 研究区地质构造图
Fig. 1 Geological structure of the study area
918中国岩溶2023 年
曲线分析济南西郊、东郊和市区泉水在水动力场上的关联性；根据抽水试验和示踪试验结果论证西郊、东郊与市区泉水之间的水力联系；通过Piper 三线图结合相关性分析，分析市区泉水和西郊、东郊岩溶水水化学类型、演化环境及相关性。
3 西郊地下水与市区泉水水力联系
3.1 地层结构
从含水层的接触关系与地层时代，可以分析岩溶含水层的连续性。济南市区、西郊与其之间的刘长山一带，东西向上受岩体侵入，在岩体接触带前缘岩溶水径流受阻[19]
。为进一步查明刘长山一带地层结构及富水性，在岩体接触带北侧布设3眼钻孔，其中九中（JZ ）、十四中（SSZ ）钻孔位于刘长山−郎茂山−万灵山一带东侧，槐苑广场（HY ）钻孔位于西侧。各孔揭露地层及含水层时代如表1：
剖面图（图2）显示济南市区与西郊之间仅存在一条区域性断裂−千佛山断裂，该断裂对趵突泉泉
域水文地质条件和市区泉水形成有重要作用。据岩溶地下水水流场和示踪试验资料，千佛山断裂在天井峪以北至市区段为透水断层[7]
，断裂两侧的地层存在一定错动，但岩溶含水层组连续存在，断裂导水性明显。
炒米店断裂介于千佛山断裂与马山断裂之间，该断裂两侧地层岩性皆为寒武−奥陶纪灰岩，具良好的透水性和导水性。可见，千佛山断裂以西炒米店组至马家沟地层连续分布，说明济南市区至西郊为一个大型统一的岩溶含水岩组。
刘长山北侧岩体接触带附近槐苑广场−九中−十四中一带不存在明显阻水构造，在埋深约350 m 岩体以下发育连续的岩溶含水层组，西侧的炒米店断裂具有良好的导水性，因此市区泉水和西郊岩溶水可通过岩体接触带以下的三山子组含水层发生水力联系。
3.2 抽水试验
通过抽水试验可以查明含水层的富水性和水力
表 1 西部钻孔揭露地层资料统计表
Table 1 Statistics of stratigraphic information of western boreholes
钻孔第四系/m 辉长岩/m 东黄山组/m
三山子组/m
孔深/m 含水层时代JZ 0~27.027.0~218.0——218.0K 1v J yc SSZ 0~36.036.0~357.0357.0~360.0—360.0O 2d HY 0~29.429.4~350.0350.0~397.5
397.5~456.0
456.0Є4O 1s K05
0~24.0
24.0~251.0
—
—
251.0
K 1v J yc 标高/m
标高/m 10063
78°
101°
125°
85°
50°
32.27−100−200−300−400−500−600−700−800−900−1 000
0100−100−200−300−400−500−600−700−800−900−1 000
0J4032.40
HY 37.40JZ 43.58SSZ 52.55
J104294
52.31
大杨庄34.280
1 2 km
第四系
三山子组炒米店组崮山组阁庄组
五阳山组
土峪组
张夏组馒头组岩浆岩
孔深黄山在哪个省哪个市区
钻孔编号地面标高HY 37.40456.0
北庵庄组
东黄山组
八陡组
图 2 西郊—市区地质剖面图
Fig. 2 Geological profile from western to urban areas
第 42 卷 第 5 期于令芹等：济南市区泉水与东、西郊岩溶水水力联系研究
919
联系，据JZ、SSZ、HY三眼钻孔不同降深的非稳定流抽水试验资料显示（见表2），JZ钻孔抽水量分别为102 m3·h−1、60 m3·h−1，降深分别为25.5 m、6.3 m；SSZ钻孔抽水量分别为90 m3·h−1、84 m3·h−1、70 m3·h−1，降深分别为28.2 m、25.0 m、21.9 m；HY钻孔抽水量为260 m3·h−1，降深仅4.0 m。可见刘长山北侧岩体接触带附近地下水富水性较强，可推断3眼钻孔圈定地段为地下水径流通道。
表 2 西部钻孔抽水量及降深结果一览表Table 2 Results of water pumping and depth reduction of
boreholes in western areas
钻孔抽水量/m3·h−1水位降深/m
JZ 10225.5 60 6.3
SSZ 9028.2 8425.0 7021.9
HY260 4.0
3眼钻孔JZ、SSZ、HY由南向北展布，据揭露地层资料，该地段侵入岩体厚度约350 m。JZ钻孔深218 m，未揭穿侵入岩体，191~206 m、215~218 m处裂隙发育，含水层岩性为辉长岩，单井出水量达2 448 m3·d−1，富水性较强，推断该地段侵入岩体垂向裂隙较为发育，连续性好，存在垂向上径流通道。另外，此处岩体厚度约350 m，可见垂向裂隙发育段达上百米。
SSZ钻孔在岩体中钻进时出水量小，357 m揭穿岩体时，涌水量突然增大，360 m终孔，仅揭露东黄山组地层3 m，单井出水量达2 160 m3·d−1，地下水类型主要为碳酸盐岩裂隙岩溶水。推断岩体与可岩溶岩接触段为含水层顶板，岩溶较发育，可为地下水径流提供运移通道。
HY钻孔深456 m，350 m揭穿侵入岩体，397.5 m 揭露三山子组，钻进至418 m时出现初见水位，岩心显示418.0~428.8 m、435.5~456.0 m处岩溶发育，线岩溶率10%以上，岩溶形态以溶隙、溶孔为主，局部蜂窝状溶孔发育，含水层组为三山子组，单井出水量6 240 m3·d−1，富水性极强，推断该地段为岩溶地下水优势径流通道。
另外，JZ钻孔抽水试验时，利用其西南侧500 m 处，位于刘长山−郎茂山−万灵山一带西侧的K05钻孔作为水位观测井，该钻孔深251 m，含水层岩性为辉长岩，单井出水量达515 m3·d−1。抽水试验S−t 曲线（图3）表明抽水孔水位下降迅速，稳定时间短，呈现“快升快降”的特点。观测井在1.5 h后水位开始下降，抽水停止2 h后水位恢复，观测井恢复水位反应迅速，说明JZ、K05钻孔一带岩体中层状裂隙发育均匀，水平径流通畅。
结合3眼钻孔钻进出水、漏水情况以及抽水试验资料，说明槐苑广场−九中−十四中一带由南向北含水层顶板埋深逐渐加深；岩体中水平裂隙、垂向裂隙均发育，裂隙水可接受下伏岩溶水岩组顶托补给，整体富水性较好，地下水径流通畅。
3.3 水动力场
从地貌条件分析，刘长山、郎茂山、万灵山三个低丘呈相对孤立南北向分布，形成局部地表分水岭，但两侧灰岩地区地下水通过岩溶裂隙保持联通。等水位线图（图4）表明刘长山−郎茂山−万灵山一带两侧地下水水位没有出现突变，等水位线连续平缓、水位大致相同，地下水流场不存在异常。市区泉水
S
S51015202530354045505560657075
t/时
S−t曲线
K05 钻孔 S−t曲线
JZ 钻孔 S−t曲线
图 3 JZ和K05钻孔抽水试验S−t曲线
Fig. 3 S−t curve of pumping test in JZ and K05 boreholes
920中国岩溶2023 年
和西郊岩溶水在水动力场上具有联系。
JZ 、SSZ 、HY 钻孔和趵突泉水位动态曲线（图5）表明，市区与西郊岩溶水水位变化规律基本一致，呈
现出“同升同降”的趋势，市区至西郊一带岩溶水连通性较好，总体趋势西郊岩溶水水位高于市区泉水水位。
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2021/6/12021/6/112021/6/212021/7/12021/7/112021/7/212021/7/312021/8/102021/8/202021/8/302021/9/92021/9/192021/9/29
28
29
30水位/m
31
32
趵突泉
SSZ JZ HY
图 5 西郊−市区一带水位动态曲线
Fig. 5 Dynamic curve of water level from western to urban areas
3.4 示踪试验
为查明济南岩体与灰岩接触带地下水连通情况，
于2021年2月21日开展示踪试验。其中JZ 钻孔作为投源井，投放示踪剂钼酸铵50 kg ，SSZ 钻孔作为
00.5 1 km
监测井及水位50.06
K05
30
卫 1
抽水观测孔岩体接触带刘长山-郎茂山-方民山 带
2021 年枯水期等水位线
图 4 西郊—市区岩溶等水位线
Fig. 4 Contours of kast water from western to urban areas
第 42 卷 第 5 期
于令芹等：济南市区泉水与东、西郊岩溶水水力联系研究
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