趙宏生

(山東鈺鏹地質(zhì)資源勘查開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，山東 泰安 271000)

0 引言

上泉泉群是泰安市最大的巖溶泉群，泉點(diǎn)集中分布于上泉村內(nèi)地形低洼處或溝渠內(nèi)，有名字的泉點(diǎn)就有驢帶泉、龍泉、靈應(yīng)泉、鄭家泉、荊棗泉等，無(wú)名的泉點(diǎn)隨地可見(jiàn)，泉水常年噴涌不息。經(jīng)勘查研究，對(duì)上泉泉群的形成、噴涌條件取得了較充分認(rèn)識(shí)[1]。本文以地下水系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，對(duì)上泉泉域邊界、補(bǔ)徑排條件進(jìn)行了研究，以期對(duì)泉水的保護(hù)起到促進(jìn)作用。

1 地質(zhì)概況

上泉泉群位于泰安市西南25km處的汶口凹陷東緣，地形東高西低、北高南低。東部云亭山、南山一帶丘陵區(qū)標(biāo)高+105m～+143m，西部、南部山前傾斜平原區(qū)標(biāo)高+91m～+100m。常年流水的南留河自泉域北部流經(jīng)隱伏奧陶紀(jì)灰?guī)r分布區(qū)。區(qū)內(nèi)多年平均降水量680.50mm左右。

上泉巖溶地塊為一個(gè)以古生代寒武-奧陶紀(jì)碳酸鹽巖夾碎屑巖為主體的N傾單斜構(gòu)造，總面積約25.22km2。寒武系出露于東部云亭山以北、南山以南丘陵區(qū)，為一套海相碳酸鹽巖夾碎屑巖沉積，巖性為云斑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖夾粉砂質(zhì)頁(yè)巖等，地層走向總體呈近EW向、NE向，傾向NW,N，傾角20°～45°，總厚度589.2m。奧陶系出露于泉域東北部南山一帶，隱伏或半裸露于泉群上游上泉至南留一帶山前傾斜平原區(qū)，地層走向近EW，傾向N，傾角20°～30°,巖性為灰?guī)r、白云巖及其過(guò)渡類(lèi)巖石，地層總厚度216.5m。古近紀(jì)官莊群隱伏于泉域西部汶口凹陷盆地內(nèi)，朱家溝組巖性為灰質(zhì)礫巖夾砂巖、砂礫巖，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)致密，角度不整合于奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r之上，地層厚度10m；大汶口組巖性為泥巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖。第四系廣泛隱伏于泉域西部山前傾斜平原及汶口凹陷盆地內(nèi)，巖性為砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)砂(圖1)[2]。

1—第四紀(jì)臨沂組；2—古近紀(jì)大汶口組；3—古近紀(jì)朱家溝組；4—奧陶紀(jì)五陽(yáng)山組；5—奧陶紀(jì)土峪組；6—奧陶紀(jì)北庵莊組；7—奧陶紀(jì)東黃山組；8—寒武紀(jì)三山子組；9—寒武紀(jì)炒米店組；10—寒武紀(jì)崮山組；11—寒武紀(jì)張夏組；12—寒武紀(jì)饅頭組；13—新太古代臥牛石單元；14—實(shí)測(cè)、推測(cè)地層界線；15—平行不整合界線；16—推測(cè)角度不整合界線；17—斷層及產(chǎn)狀；18—水文孔及編號(hào)；19—2017年豐水期等水位線；20—巖溶地下水流向；21—上升泉圖1 泰安上泉泉域水文地質(zhì)略圖

2 泉域邊界特征

上泉泉群在構(gòu)造與地貌位置上屬單斜構(gòu)造的邊緣，泉水沿?cái)鄬由仙扇?，呈面狀或帶狀成群噴涌，泉域邊界清晰，研究泉域邊界范圍和邊界條件，對(duì)開(kāi)發(fā)利用上泉泉域巖溶地下水和保護(hù)泉水景觀具有重要意義。

2.1 東部邊界

泉域東部以南留斷裂為界。該斷裂總體走向320°，傾向SW，傾角80°左右，斷裂帶寬20～30m，沿?cái)嗔褞Э梢?jiàn)斷層角礫巖、碎裂巖，力學(xué)性質(zhì)顯示為張扭。斷裂東盤(pán)出露新太古代臥牛石單元片麻狀中粗粒含角閃黑云英云閃長(zhǎng)巖，西盤(pán)為古生代寒武-奧陶紀(jì)碳酸鹽巖夾碎屑巖，斷層落差大于1700m。斷裂兩盤(pán)分屬塊狀巖類(lèi)基巖裂隙水和巖溶地下水兩個(gè)不同的地下水系統(tǒng)，南留斷裂為泉域的東部邊界。

2.2 東南部邊界

泉域東南部以F18斷裂為界。斷裂走向38°，傾向NW，傾角75°左右，為一高角度正斷層。南東盤(pán)出露新太古代臥牛石單元片麻狀中粗粒含角閃黑云英云閃長(zhǎng)巖，北西盤(pán)出露古生代寒武紀(jì)饅頭組紫紅色粉砂質(zhì)頁(yè)巖夾薄層灰質(zhì)白云巖。F18斷裂為泉域的東南部露頭邊界。

2.3 南部邊界

F3斷裂為泉域的南部邊界。斷裂走向305°，傾向SW，傾角80°左右，垂直斷距630m，東南部被F18，F(xiàn)16錯(cuò)斷，斷裂性質(zhì)為先張后扭。斷裂北盤(pán)隱伏寒武系碳酸鹽巖夾碎屑巖透水、弱透水地層，南盤(pán)隱伏古近紀(jì)官莊群大汶口組泥巖、頁(yè)巖夾砂巖等阻水地層。該斷裂為泉域的南部阻水邊界。

2.4 西部邊界

南段以F6斷裂為界。斷裂走向27°，傾向NW，傾角70°左右，具左行扭動(dòng)特征。斷裂東盤(pán)主要為寒武-奧陶系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，西盤(pán)為古近紀(jì)官莊群朱家溝組灰質(zhì)礫巖夾砂巖和大汶口組泥巖、頁(yè)巖夾砂巖等阻水地層。該斷裂此段具阻水性質(zhì)。

北段以?shī)W陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r與古近紀(jì)朱家溝組不整合接觸界線為界。界線東側(cè)為奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r、白云巖透水地層，西側(cè)為鈣泥質(zhì)膠結(jié)致密的朱家溝組灰質(zhì)礫巖、頁(yè)巖夾砂巖阻水地層。

2.5 底界

對(duì)泉域底界未作詳細(xì)研究，泉域內(nèi)古生代寒武-奧陶紀(jì)碳酸鹽巖夾碎屑巖覆于基底新太古界侵入巖之上，目前地質(zhì)孔、水文孔均未揭穿該套碳酸鹽巖夾碎屑巖沉積地層，理論上泉域底界以侵入巖上界較為合理。據(jù)施工于上泉泉群附近該泉域內(nèi)最深的水文孔ZK1揭露，孔深300m處仍可見(jiàn)灰?guī)r溶孔、溶洞，節(jié)理裂隙呈張開(kāi)狀、無(wú)充填。推測(cè)向深部隨著地層埋深的增大，巖溶發(fā)育程度將會(huì)呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢(shì)[3]。

3 巖溶地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

3.1 地下水補(bǔ)給來(lái)源分析

上泉泉域巖溶地下水補(bǔ)給來(lái)源除大氣降水入滲補(bǔ)給外，還接受流經(jīng)其北部隱伏奧陶紀(jì)灰?guī)r分布區(qū)南留河的滲漏補(bǔ)給和勝利水庫(kù)季節(jié)性放水農(nóng)灌回滲水補(bǔ)給，其動(dòng)態(tài)變化受這些影響因素的影響和控制(圖2)。

1—降水量；2—泉群水位；3—補(bǔ)給區(qū)觀測(cè)點(diǎn)水位；4—泉群噴涌標(biāo)高圖2 2017年上泉泉群巖溶水水位動(dòng)態(tài)曲線圖

3.1.1 大氣降水入滲補(bǔ)給

大氣降水入滲對(duì)泉域巖溶地下水的補(bǔ)給作用明顯，水位的升降、泉群流量的大小與降水時(shí)間、多少密切相關(guān)。1—6月份區(qū)內(nèi)降水稀少，地下水位呈波動(dòng)下降狀態(tài)，一般至6月底出現(xiàn)全年最低水位；7月份以后隨雨季到來(lái)降水增多，地下水位迅速上升，至8月上中旬達(dá)到峰值，泉群水位也上升到標(biāo)高+91.80m噴涌條件而噴涌，一般可持續(xù)噴涌至10月下旬左右，以后水位又隨降水減少呈現(xiàn)波動(dòng)下降狀態(tài)。表明大氣降水對(duì)巖溶地下水位影響顯著，具有降深入滲補(bǔ)給快、間接補(bǔ)、連續(xù)排的特征[5]。

據(jù)動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料，2017年7月15日至19日降水量分別為12.5mm，8.8mm，6.2mm，7mm，62.9mm后，至19日上泉泉群的驢帶泉、龍泉、靈應(yīng)泉、鄭家泉、荊棗泉等五大泉點(diǎn)幾乎同時(shí)噴涌，流量逐漸增大；7月27日至8月1日新一輪降水分別為41.9mm，70mm，4.2mm，10.7mm，2.5mm，4.4mm后，泉群最高水位出現(xiàn)在8月1日，流量也達(dá)到峰值9218.88m3/d，以后泉群流量逐漸減少并持續(xù)噴涌至10月30日，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)104d，泉域內(nèi)其他巖溶地下水位觀測(cè)點(diǎn)水位上升時(shí)間與降水時(shí)間也高度吻合。表明大氣降水入滲是巖溶地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，地下水位對(duì)大氣降水響應(yīng)滯后時(shí)間短，同時(shí)說(shuō)明泉域內(nèi)巖溶含水層裂隙巖溶發(fā)育、連通性好、補(bǔ)給能力強(qiáng)。經(jīng)水均衡計(jì)算，泉域多年平均獲得大氣降水天然補(bǔ)給資源量約190萬(wàn)m3/a，約占巖溶地下水系統(tǒng)補(bǔ)給資源量的37.9%。

3.1.2 灌溉回滲水補(bǔ)給

泉域外東側(cè)的勝利水庫(kù)一般于每年的3月5—20日當(dāng)?shù)匦←湻登嗥凇?月30日—5月10日小麥拔節(jié)期放水灌溉，9月30日—10月15日、11月15日—12月5日進(jìn)行下一年度的小麥播種、播后冬灌放水，放水主干渠自泉域東北部流經(jīng)并向西沿途延伸出許多支渠和毛渠，沿途通過(guò)隱伏奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r分布區(qū)，灰?guī)r埋藏淺，灌渠沿途滲漏和農(nóng)田灌溉回滲水大量補(bǔ)給巖溶地下水，放水后地下水位普遍上升，停放后水位隨即緩慢下降，放水和停放的當(dāng)日水位升降即有反映。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)表明，上泉泉群除雨季噴涌外還有四次噴涌時(shí)間段，與勝利水庫(kù)放水農(nóng)灌時(shí)間完全吻合，說(shuō)明灌溉回滲水是巖溶地下水的又一重要補(bǔ)給來(lái)源。根據(jù)灌溉區(qū)面積、灌溉方式、灌溉定額、回滲系數(shù)估算，泉域多年平均獲得灌溉回滲補(bǔ)給資源量約52萬(wàn)m3/a，約占巖溶地下水系統(tǒng)補(bǔ)給資源量的10.4%[6]。

3.1.3 河水滲漏補(bǔ)給

南留河是泰安市境內(nèi)最大河流大汶河的上游支流，自南留村向西南流經(jīng)上泉泉域北部隱伏奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r分布區(qū)。該河上游匯集大氣降水形成的地表徑流和勝利水庫(kù)壩下養(yǎng)魚(yú)池水滲漏，在南留村以上常年流水，過(guò)南留村后向西開(kāi)始逐漸滲漏，至上泉泉群一帶河床變干涸，僅在雨季降水量較大時(shí)下游河段有河水徑流，表明南留河水滲漏補(bǔ)給巖溶地下水。經(jīng)測(cè)流計(jì)算，泉域多年平均獲得南留河滲漏補(bǔ)給資源量約259萬(wàn)m3/a，約占巖溶地下水系統(tǒng)補(bǔ)給資源量的51.7%[7]。

3.1.4 巖溶地下水補(bǔ)給來(lái)源同位素研究

利用大氣降水、河水、巖溶水氘(2H)、氧(18O)穩(wěn)定同位素分析結(jié)果，繪制成δD-δ18O關(guān)系曲線圖(圖3)。從圖3可看出，河水、水文孔、泉群氘(2H)、氧(18O)穩(wěn)定同位素測(cè)試結(jié)果接近一致，點(diǎn)位集中，且靠近中國(guó)東部地區(qū)降水曲線附近，表明河水、巖溶水的補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，同時(shí)巖溶水與河水點(diǎn)位靠近，佐證了巖溶水補(bǔ)給來(lái)源除大氣降水外，河水滲漏、水庫(kù)放水灌溉回滲水也是其重要補(bǔ)給來(lái)源[8]。

根據(jù)地下水是否受到核爆試驗(yàn)產(chǎn)生的核爆氚(3H)標(biāo)記，核爆試驗(yàn)前(1953年)天然狀態(tài)下大氣降水氚濃度為10TU，根據(jù)法國(guó)J.ch.馮特經(jīng)驗(yàn)估算法，0～5TU為40年前的“古水”占優(yōu)，5～40TU為新近入滲水與40年前“古水”的混合水為主。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，大氣降水氚值為6.6±1.2TU、河水氚值為6.4±1.2TU、泉群氚值為6.1±0.7TU、水文孔巖溶水氚值為6.3±1.0TU，其氚值結(jié)果接近，表明河水、巖溶水補(bǔ)給來(lái)源均來(lái)自大氣降水，且泉域巖溶水為新近入滲水與40年前“古水”的混合水，與巖溶水的埋藏、補(bǔ)給、徑流條件相符。

1—雨水；2—地表水；3—水文孔巖溶水；4—泉群水圖3 各類(lèi)型水體δD(氘)-δ18O(氧)關(guān)系圖

3.2 巖溶地下水徑流

從巖溶地下水等水位線圖看出，東部云亭山、南山丘陵一帶寒武-奧陶紀(jì)碳酸鹽巖夾碎屑巖裸露地表，是地下水的間接補(bǔ)給區(qū)，大氣降水入滲補(bǔ)給地下水，然后順地勢(shì)向西部下游徑流運(yùn)移；南留、上泉一帶奧陶紀(jì)灰?guī)r淺覆蓋或半裸露，大氣降水入滲直接補(bǔ)給地下水，是巖溶水的直接補(bǔ)給區(qū)，同時(shí)南留河水滲漏補(bǔ)給巖溶水，其水力坡度較大。地下水在向下游徑流運(yùn)移中，至上泉泉群一帶因巖溶含水層被F6斷裂切穿使之與西側(cè)的古近紀(jì)官莊群大汶口組泥巖、頁(yè)巖夾砂巖等非含水地層接觸，非含水地層阻擋了地下水流，使地下水在非含水層的上游富集并產(chǎn)生壅水現(xiàn)象使水位抬高，使得受阻的地下水在上泉附近地形低洼處溢出地表形成上升泉，其成因類(lèi)型屬侵蝕-斷層泉。地下水在上泉附近溢出地表后，繼續(xù)向泉域南部徑流，至后周家院、扈家石墻一帶巖溶地下水水位高于上部第四系孔隙水水位，逐漸向上頂托越流補(bǔ)給第四系孔隙含水層，屬非全排型巖溶泉群，即巖溶地下水除泉水排泄外,還以潛流形式排泄于第四系孔隙含水層，泉群流量不代表泉域內(nèi)巖溶地下水系統(tǒng)的天然資源。

3.3 巖溶地下水排泄

3.3.1 泉群排泄

泉點(diǎn)集中分布于上泉村及其附近，泉群位于村中一北東向的溝谷東側(cè)，溝底零星出露古近紀(jì)官莊群朱家溝組灰質(zhì)礫巖并與奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r接觸，二者接觸界線明顯，接觸部位即為F6斷裂通過(guò)位置，灰質(zhì)礫巖膠結(jié)致密。斷裂東盤(pán)地表零星出露奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r，巖溶形態(tài)呈溶芽、溶溝、溶槽、臥牛石狀(圖4)[9]。2015年以前泉群常年噴涌，此后因泉群上游工業(yè)用水開(kāi)采量的增加，僅在每年的雨季、勝利水庫(kù)季節(jié)性放水農(nóng)灌期間呈間歇性噴涌，泉群排泄是巖溶地下水的排泄途徑之一。經(jīng)測(cè)流計(jì)算，泉群多年平均排泄量約34萬(wàn)m3/a，約占巖溶地下水系統(tǒng)補(bǔ)給資源量的6.8%。

1—砂質(zhì)黏土；2—泥巖；3—砂巖；4—灰?guī)r；5—斷層；6—巖溶水位；7—泉群；8—泉群噴涌標(biāo)高圖4 上泉泉群出露水文地質(zhì)條件示意圖

3.3.2 開(kāi)采排泄

上泉泉域內(nèi)開(kāi)采排泄包括生活、農(nóng)灌和工業(yè)用水開(kāi)采[10]。

泉域內(nèi)開(kāi)采巖溶水用于生活用水的村莊僅有南留村、上泉村，其他村莊均接入自來(lái)水管網(wǎng)，其開(kāi)采特點(diǎn)是開(kāi)采量小，對(duì)泉域巖溶地下水位的影響較小。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，泉域生活用水開(kāi)采量約18萬(wàn)m3/a，約占巖溶地下水系統(tǒng)補(bǔ)給資源量的3.6%。

農(nóng)灌開(kāi)采是非勝利水庫(kù)放水灌溉區(qū)或遠(yuǎn)離灌渠區(qū)，當(dāng)?shù)匾话阌诿磕甑?月5—20日小麥返青期、4月30日—5月10日小麥拔節(jié)期開(kāi)采巖溶地下水井灌，域內(nèi)農(nóng)灌機(jī)井30余眼，開(kāi)采時(shí)間集中、開(kāi)采量大、連續(xù)開(kāi)采，短期內(nèi)可造成泉域內(nèi)巖溶地下水位的大幅快速下降。農(nóng)灌季節(jié)過(guò)后停采并隨著雨季到來(lái)，大氣降水再次補(bǔ)給巖溶水，水位又出現(xiàn)迅速回升。農(nóng)灌開(kāi)采是巖溶地下水的排泄方式之一，根據(jù)泉域內(nèi)井灌面積、灌溉方式、灌溉定額估算，扣除灌溉回滲量?jī)糸_(kāi)采巖溶水約68萬(wàn)m3/a，約占巖溶地下水系統(tǒng)補(bǔ)給資源量的13.6%。

泉域內(nèi)工業(yè)用水開(kāi)采有山東泰山玻纖有限公司、山東泰山巖棉有限公司、山東泰安紙面石膏板有限公司等三家單位自備井，年開(kāi)采總量約136萬(wàn)m3/a，約占巖溶地下水系統(tǒng)補(bǔ)給資源量的27.1%。其開(kāi)采特點(diǎn)是連續(xù)開(kāi)采、長(zhǎng)期消耗地下水資源，使地下水位處于長(zhǎng)期緩慢下降態(tài)勢(shì)。工業(yè)開(kāi)采是泉域巖溶地下水的重要排泄方式。

3.3.3 徑流排泄

從巖溶地下水等水位線圖看出，巖溶地下水自東而西徑流至泉域西部上泉泉群噴出地表后，繼續(xù)向泉域南部徑流運(yùn)動(dòng)，水位逐漸高于上部第四系孔隙水水位，從而向上頂托補(bǔ)給第四系孔隙水發(fā)生越流排泄。經(jīng)水均衡計(jì)算，多年平均越流排泄量約245萬(wàn)m3/a，約占巖溶地下水系統(tǒng)補(bǔ)給資源量的48.9%[9]。

3.3.4 蒸發(fā)排泄

蒸發(fā)是各類(lèi)地下水排泄的消耗項(xiàng)之一，除受氣象因素影響外，還與地形地貌、地層巖性、植被覆蓋、地下水位埋深等因素有關(guān)，一般當(dāng)?shù)叵滤宦裆畲笥?m時(shí)蒸發(fā)作用可忽略不計(jì)。據(jù)動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料，泉域內(nèi)巖溶地下水位埋深小于3m的范圍，僅局部出現(xiàn)在上泉泉群一帶，分布范圍小，泉域內(nèi)巖溶水蒸發(fā)排泄量輕微[11]。

4 泉水保護(hù)

經(jīng)計(jì)算，上泉泉域多年平均獲得的補(bǔ)給資源量約501萬(wàn)m3/a，現(xiàn)狀排泄資源量約256萬(wàn)m3/a，剩余徑流排泄資源量約245萬(wàn)m3/a，總補(bǔ)給資源量大于泉群、開(kāi)采排泄資源量，表現(xiàn)為正均衡。計(jì)算地下水開(kāi)采程度指數(shù)β為0.88，介于0.7<β≤1.0之間，根據(jù)《DZ/T0282—2015水文地質(zhì)調(diào)查規(guī)范(1∶50000)》評(píng)價(jià)，現(xiàn)狀巖溶地下水開(kāi)采程度高，從保護(hù)泉群景觀角度考慮，上泉泉群上游應(yīng)禁止增采巖溶地下水，否則會(huì)出現(xiàn)泉水停涌，2015年以后泉群呈間歇性噴涌即是其外觀表現(xiàn)。考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水需求，可在上泉泉群下游隱伏寒武紀(jì)炒米店組灰?guī)r、張夏組灰?guī)r分布區(qū)適當(dāng)布井，奪取部分徑流排泄資源量，對(duì)泉群噴涌不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。同時(shí)，考慮巖溶發(fā)育的不均勻性，應(yīng)采用物探方法尋找斷裂構(gòu)造有利部位確定井位，以保障井孔的出水量[12-15]。

5 結(jié)語(yǔ)

上泉泉群是泰山市最大的巖溶泉群，也是泰安市重要的泉水景觀資源。經(jīng)勘查研究，泉域邊界清晰，由斷裂構(gòu)造、地層巖性控制，地下水補(bǔ)給來(lái)源有大氣降水入滲、南留河滲漏補(bǔ)給、泉域外勝利水庫(kù)放水灌溉回滲水補(bǔ)給，與地下水補(bǔ)給來(lái)源同位素研究結(jié)果吻合。經(jīng)計(jì)算巖溶地下水現(xiàn)狀開(kāi)采程度高，為保護(hù)上泉泉群景觀資源，本著“先看后用”的原則，應(yīng)禁止在泉群上游增采巖溶地下水。考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水需求，可考慮在泉群下游隱伏寒武紀(jì)炒米店組灰?guī)r、張夏組灰?guī)r分布區(qū)適當(dāng)布井，奪取部分徑流排泄資源量，對(duì)泉群噴涌不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。