郭英姿 刘 振 张鲁宁

(济南市水利工程服务中心, 山东 济南 250000)

济南素以“泉城”闻名,地下水系分布复杂,泉系密集。近年来,因城市快速发展,水污染、过量开采水资源等问题突显,济南市降水量虽有增加,但地下水水位却持续降低,自然补源无法保障泉系持续喷涌。因趵突泉泉系位于城市区域,泉水化学成分、物理性质和生物学特性深受人类活动影响[1-2]。借助天然河道与人工工程措施,采取人工回灌补源,对地表水和地下水进行调控,从而保障地下水水资源充沛,确保泉系持续喷涌,成为保泉护泉的重要方法。国内有众多学者针对不同地质、补给目的层情况,对地表水入渗、管井回灌等多种地下水补源方式进行了研究。研究表明,人工回灌补源能够有效保持地下水水位,但地下水水质易受到回灌补源水质影响且是一项长期工程[3-7]。本文通过研究玉符河强渗漏带回灌补源对趵突泉地下水位的影响,以期为地表水入渗补源的推广应用提供依据,促进泉系保护。

1 基本情况

山东省济南市境内泉水众多,故别称泉城,其中趵突泉为“七十二明泉”之冠。宏观上,济南地下水系由降水及地表水渗漏补给,其中趵突泉泉群补水主要来自正南、西南方向岩溶水[8-9]。20世纪80年代,因过度开采水资源,济南地下水水位下降严重,趵突泉出现季节性停喷。20世纪90年代,因地下水位过低,趵突泉出现倒流情况,严重污染深层泉脉。为提升地下水水位,保障趵突泉持续喷涌,济南市政府采取划定泉水保护范围、严禁地下水违规开采、改善地下水勘测技术、科学评估人工补给等多种方式方法,通过节水、保泉综合措施叠加,确保地下水水位平稳,保障趵突泉持续喷涌。

玉符河为黄河支流,发源于泰山北麓,承接卧虎山水库来水向西北入黄河。玉符河流域多年平均降水量670.0mm,降水时空分布不均,降水集中在6—9月,降水量由东南往西北递减。玉符河流域地层主要为古生界寒武系下中上统、奥陶系下统及第四系地层,自寨而头至104国道段长约11.3km河道为强渗漏带,强渗漏带区域河底砾卵石层覆盖,两侧基岩出露,地层主要为寒武纪中上统,奥陶纪下统及第四系地层,通过玉符河强渗漏带将地表水转换为岩溶水,补给岩溶含水层,抬升济西水位,对保障趵突泉泉系持续喷涌有着重要作用[10-11]。

卧虎山水库放水工程为玉符河三个地下水回灌工程之一[12],本文通过分析2022年6—8月卧虎山水库向玉符河泄流量对趵突泉地下水位的影响,为合理提高玉符河强渗漏带保泉补源效益提供参考。

2 数据来源与分析

2.1 数据来源

趵突泉地下水位来源于济南市城乡水务局官方网站每日早7时趵突泉地下水位统计数据,卧虎山水库泄流量来源于济南市防汛抗旱指挥部办公室于济南市城乡水务局官方网站公示的水库河道水情表。

卧虎山水库日累计泄流量(Dn)=卧虎山水库泄流量×86400

(1)

卧虎山水库累计泄流量=D1+D2+…+Dn

(2)

式中:卧虎山水库泄流量为卧虎山水库瞬时泄流量,m3/s;n为卧虎山水库开始泄流起至泄流量降至0期间的自然日天数,d。

2.2 卧虎山水库累计泄流量对趵突泉地下水位的影响

齐欢[13]对玉符河流域降水量、孔隙水位、岩溶水位进行的数据采集及分析表明,玉符河流域降水量对地下水水位有一定影响,岩溶水位对降水量的时滞为73.22～117.99d,孔隙水位对降水量的时滞为75.00～127.52d。因济南降水量集中于6—9月,数据采集期内玉符河流域降水对地下水影响有限,本文不考虑玉符河流域降水对地下水水位的影响。

根据卧虎山水库向玉符河河道泄流时间,以卧虎山水库开始泄流起至泄流量降至0为时间节点,将数据分析时段分为6月3日—7月1日、7月13日—8月2日、8月3日—9月7日三个时段。将6月3日—7月1日期间卧虎山水库累计泄流量与趵突泉地下水位关系绘制于图1(a)。贾思达[14]研究表明,地表水与地下水可相互补给,卧虎山水库泄流前期,受蒸发及沿途土壤入渗影响,卧虎山水库来水抵达玉符河强渗漏带的水量较少,地下水补源功能受限,趵突泉地下水位持续降低,随着卧虎山水库累计泄流量增加,玉符河强渗漏带积存的来水回灌地下水源,趵突泉地下水位缓慢增长,该泄流时段内,卧虎山水库累计泄流量与趵突泉地下水位成二元一次多项式关系。将7月13日—8月2日期间卧虎山水库累计泄流量与趵突泉地下水位关系绘制于图1(b),受短时强降水影响,卧虎山水库泄流量暴增至70m3/s,趵突泉地下水位随卧虎山水库累计泄流量增加而增加,两者成线性增长关系。将8月3日—9月7日期间卧虎山水库累计泄流量与趵突泉地下水位关系绘制于图1(c),趵突泉地下水位持续增加至29.81m时水位增长速度逐渐降低并出现小幅回落,卧虎山累计泄流量与趵突泉地下水位成线性增长关系,但拟合优度偏低。

图1 卧虎山水库累计泄流量与趵突泉地下水位关系

2.3 卧虎山水库泄流对趵突泉地下水位影响的时滞性

从卧虎山水库出库水流流至玉符河渗漏带、地表水通过渗漏转化为地下水、地下水补源至趵突泉泉系皆需要一定时间。李锦超[15]通过计算推理和实验验证证明,地表水对地下水的补给作用可分多个阶段,各个阶段中时长和时序受地下水埋深和地表水流速影响。本文将6—8月期间卧虎山水库泄流量与趵突泉地下水位情况绘制于图2,以深入了解卧虎山水库向玉符河泄流流量对趵突泉地下水位影响的时滞性。6月3日卧虎山水库以0.3m3/s流速开始向玉符河泄流,6月23日趵突泉地下水位出现拐点,间隔20d。6月9日卧虎山水库泄流量由0.3m3/s调整为4.93m3/s,7月7日趵突泉地下水位从7月6日的28.45m跳涨至28.57m,间隔28d。7月17日受短时强降水影响,卧虎山水库泄流量增加至70m3/s,8月10日趵突泉地下水位由8月9日的29.38m跳涨至29.54m并持续升高,间隔28d。

图2 2022年6—8月卧虎山水库泄流量及趵突泉地下水位

3 结 语

卧虎山水库泄流可通过玉符河渗漏带向地下水补源以达到保障趵突泉喷涌作用。泄流初期,卧虎山水库累计泄流量与趵突泉地下水位成二元一次多项式关系;泄流中期,随着卧虎山水库累计泄流量持续增加,卧虎山水库累计泄流量与趵突泉地下水位成线性增长关系;泄流末期,当趵突泉地下水位到达一定高度时增速减缓,趵突泉地下水位与卧虎山水库累计泄流量之间线性拟合优度降低。卧虎山水库泄流与趵突泉地下水位增长之间存在时滞性,间隔为20～28d。因本次数据采集于丰水期,拟于枯水期采集数据,减弱趵突泉地下水位受趵突泉区域降水影响,进一步开展研究。