济南泉域地下水资源开发保泉技术研究.pdf

水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.S2韩琳,许兴鹏,赵振华,等.济南泉域地下水资源开发保泉技术研究J.水利水电技术(中英文),2023,54(S2):105-109.HAN Lin,XU Xingpeng,ZHAO Zhenghua,et al.Research on spring protection technology for groundwater resources development in Jinan Spring RegionJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(S2):105-109.济南泉域地下水资源开发保泉技术研究韩 琳1,许兴鹏2,赵振华1,孙雅飞1,刘淑芬3,刘建友4(1.山东省地质矿产勘查开发局八一水文地质工程地质大队,山东 济南 250013;2.湖北大学,湖北 武汉 430061;3.南昌交通学院,江西 南昌 330100;4.中铁工程设计咨询集团有限公司 北京 100055)收稿日期:2023-07-01 作者简介:韩 琳(1981),男,高级工程师,学士,主要从事水工环地质研究。E-mail:59257595 通信作者:许兴鹏(1999),男,硕士研究生,主要从事人文地理方面研究。E-mail:1812201009 孙雅飞(1982),女,高级工程师,学士,主要从事水文地质勘查、山体治理等相关工作。E-mail:931746661 摘 要:济南市的水资源紧缺,主要地下水资源量受大气降水控制,随着工业经济的发展及人们生活水平的提高,地下水的开发利用量增大,同时由于不合理的水资源开发及城市工业生活污水的排放,导致了济南泉域地下水水位下降,泉水断流的现象频发,产生了一系列的水环境地质问题。通过对济南泉域地下水的现有的开发利用方案进行分析计算,发现现状条件下仅靠每年的降水量优化计算后的开采方案达不到保泉供水的目标,因此结合目前济南市海绵城市建设,提出了新的优化补源开采方案。结果显示:相较于仅靠大气降水补给的现状方案,通过回灌补源,在满足红色预警水位的条件下,泉域地下水在丰、平、枯、特枯四个典型水文年中均具有了一定的开采潜力。这表明人工调蓄补源是维持泉水常年喷涌的有利手段,为济南泉域地下水开发利用提供了新的思路及科学依据。关键词:水资源;开采量;补源DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.S2.019中图分类号:P641.25文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)S2-0105-05Research on spring protection technology for groundwater resources development in Jinan Spring RegionHAN Lin1,XU Xingpeng2,ZHAO Zhenghua1,SUN Yafei1,LIU Shufen3,LIU Jianyou4(1.Shandong Provincial Bureau of Geology&Mineral Exploration and Development 801 Hydrogeology and Engineering Geology Brigade,Jinan 250013,Shandong,China;2.Hubei University,Wuhan 430061,Hubei,China;3.Nanchang Communications University,Nanchang 330100,Jiangxi,China;4.China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)Abstract:The water resources in Jinan City are scarce,and the main groundwater resources are controlled by atmospheric pre-cipitation.With the development of industrial economy and the improvement of peoples living standards,the development and u-tilization of groundwater have increased.At the same time,due to unreasonable water resource development and the discharge of urban industrial and domestic sewage,the groundwater level in Jinan Spring Region has decreased,and the phenomenon of spring water interruption has occurred frequently,resulting in a series of water environmental geological problems.Through the analysis and calculation of the existing development and utilization scheme of groundwater in Jinan spring area,it is found that under the current conditions,the mining scheme only based on the optimized calculation of annual precipitation can not reach the goal of 501韩 琳,等/济南泉域地下水资源开发保泉技术研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期water conservation and water supply.Therefore,combined with the current construction of Sponge city in Jinan,a new optimized development scheme is proposed.The result show that compared to the current plan of relying solely on atmospheric precipitation for replenishment,under the conditions of recharge and source replenishment,the four typical hydrological years of high,flat,dry,and extremely dry have certain mining potential under the conditions of meeting the red warning water level for spring protec-tion.This indicates that in both rainy and dry years,to maintain continuous spring water gushing,artificial storage and replenish-ment is an effective measure,providing new ideas and scientific basis for the development and utilization of groundwater in Jinan spring area.Keywords:water resources;mining output;supplementing sources0 引 言0 引 言 济南市是一个资源型缺水城市1,主要依靠地下水供给。济南泉域地下水属于深层岩溶地下水,是城市的主要供水水源。据统计,19932002 年济南平均年供水量为 5.67 亿 m32,其中地下水占比54.7%,供水量可达 3.1 亿 m3。济南市区四大泉群自 2003 年以来,由于市政府及相关部门的努力,采取置采、补源、增雨、节水等一系列措施后,泉群持续喷涌至今已有 16 年,成绩昭然。但是也应该清醒地看到因补给条件的变化,岩溶水资源量在逐渐减少,泉水水质与 20 世纪五六十年代比较,已发生了较明显的变化,而且每年的枯水期泉水水位降幅较大,趵突泉水位多次接近停喷标高,红色预警频报3。由此说明,保泉任务是一个复杂的系统工程,任重道远,尚有许多问题亟待解决。从泉水出流的主要因素分析,除大气降水变化等自然因素以外,其余皆为人为因素所致。为了使泉水保持长年出流和水质良好,本文根据济南市水资源开发利用现状,对济南泉域水资源开发利用方案进行了预测分析及优化改进,并对济南市水资源的开发利用提出了相关建议。1 水资源开发变量特征1 水资源开发变量特征 开采资源量是指不会诱发各种地质环境问题的前提条件下,某地区内可供长期、稳定开采的地下水资源量。趵突泉泉域内开采岩溶水资源存在的主要问题是在保持泉水能常年持续喷涌前提下计算岩溶水可采资源量和多水源地的最优开采量达到保泉供水的目的。根据济南泉水研究4,本次保泉供水地下水资源开发利用方案的目的是在保持泉水持续喷涌的前提下,最大限度地开采地下水资源量,以满足居民生活用水的需求。保泉最低水位分别控制在红色预警水位 27.6 m 和橙色预警水位 28.0 m。除了仅靠大气降水补给的现状方案外,根据济南地下水现状特点又设计了地表水优化补源方案。1.1 水文年的划分 对 1959 年至 2015 年间济南市降水情况进行统计,根据降水保证率共分成丰水年(P=25%)、平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)和特枯年(P=95%)4 种水文年份,各年份对应降水量如表 1 所列。表 1 典型水文年降水量一览项 目丰水年P=25%平水年P=50%偏枯年P=75%特枯年P=95%降水量/mm764.4622.8522.8398.91.2 开采期和开采时段划分 在现状方案和 3 个优化补源方案的基础上,结合丰、平、枯、特枯四个典型水文年共设计出 48 种水资源优化开采方案(见表 2)。表 2 不同水文年地下水资源优化开采方案方 案水位/m 丰水年(1)平水年(2)枯水年(3)特枯水年(4)现状开发利用方案保泉水位 27.6PA1PA2PA3PA4保泉水位 28.0PB1PB2PB3PB4地表水优化补源开发利用方案一保泉水位 27.6PC1PC2PC3PC4保泉水位 28.0PD1PD2PD3PD4地表水优化补源开发利用方案二保泉水位 27.6PE1PE2PE3PE4保泉水位 28.0PF1PF2PF3PF4地表水优化补源开发利用方案三保泉水位 27.6PG1PG2PG3PG4保泉水位 28.0PH1PH2PH3PH4601韩 琳,等/济南泉域地下水资源开发保泉技术研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期 趵突泉泉域内降水时间上分布不均,汛期降水占据全年降水的主导地位。由于泉域地下水主要依赖大气降水补给,地下水水位也呈现汛期升高,10月达到峰值,枯水期下降,在 6 月水位最低的态势。由此把各水文年按照 10 月、2 月、6 月的界限划分为 3 个管理时段,后文将分别对各方案三个管理时段(10 月次年 1 月、25 月、69 月)下的情况展开分析。1.3 开发利用区划分与决策变量和约束值的确定 (1)开采利用区的划分。根据泉域地下水资源开发利用现状、工业布局,将趵突泉泉域划分为 8 个开发利用区(见图 1)。(2)决策变量的确定。根据地下水的实际开采现状,对已建水源不再做大的布局上的调整,只进行开采量的调整和优化。图 1 趵突泉泉域岩溶水开采分区济南泉域内农业全年开采的岩溶地下水折合为810 万 m3/d,自备井开采的岩溶水量 15 万 m3/d(包含张马屯铁矿排水 4 万 m3/d、黄台电厂自备井4 万 m3/d、长清水源地 4 万 m3/d、泉域内齐河水源地 4 万 m3/d 等),共计约 24 万 m3/d。因开采分布较分散,故不作为决策变量,而作为开采常量来处理。第四系冲洪积扇孔隙水,主要用于农业灌溉,开采点分散。因此,其开采量也不作为决策变量,在开发利用方案中,只对孔隙水水位施加约束,以保证农业供水。2 地下水资源开发利用现状2 地下水资源开发利用现状2.1 趵突泉水位 27.6 m 条件下典型年份趵突泉泉域地下水资源优化开采方案 在趵突泉水位取 27.6 m 的条件下,对各典型年份各开采亚区开采量进行优化计算,模型运转后,得到各典型年份各亚区优化开采量如表 3 所列。表 3 可以看出,在农业和自备井共开采 24 万m3/d 情况下的现状开采方案,趵突泉最低水位取27.6 m 时,除特枯年以外,其他年份都有最优解,但即使在丰水年(降水量 764.6 mm),仅有少数水源地可向市区供水,供水量平均也只有 10.8 万 m3/d,按每人每天生活用水 100 升计算,仅可满足 108 万人生活用水,平水年平均开采量为 4.6 万 m3/d,枯水年平均开采量为 3.46 万 m3/d,特枯年份无最优解。2.2 趵突泉水位 28.0 m 条件下典型年份趵突泉泉域地下水资源优化开采方案 在趵突泉水位取 28.0 m 的条件下,对各典型年份各开采亚区开采量进行优化计算,模型运转后,得到各典型年份各亚区优化开采量如表 4 所列。表 4 可以看出,在农业和自备井共开采 24 万m3/d 情况下的现状开采方案,趵突泉最低水位取28.0 m 时,除丰水年有最优解平均开采量为 5.25 万m3/d 以外,其他年份都没有最优解,即在各水源地均不开采的情况下模型仍无法满足各约束条件。对上述的计算结果分析可知,现状条件下仅靠每年的降水量优化计算后的开采方案达不到保泉供水的目标。在控制最低趵突泉水位 27.6 m 时,在满足高新管理区开采3 万 m3/d 的情况下,济西水源地可以部分开采。这是考虑到这些水源地距离趵突泉水较远,少量开采对泉水的影响相对较小。为了尽可能不影响泉群,优先按照“桥子李水源地冷 庄 水 源 地古 城 水 源地”的顺序开采济西水源地,有效制止了西北部岩溶水的外泄,从而提高地下水可采资源量。但在特枯年,在上述约束条件下,即使所有水源地都不开采,也无法保证趵突泉水位保持在27.6 m 红色预警水位之上。因此,要从要根本上解决保泉与供701韩 琳,等/济南泉域地下水资源开发保泉技术研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期 表 3 各开发利用亚区各典型水文年份岩溶水优化开采量(现状方案,27.6 m)现状开采方案保泉水位27.6m典型水文年降水量/mmPA1丰水年 764.4PA2平水年 622.8PA3枯水年 522.8PA4特枯年 389.9时 段10 月次年 1 月25 月69 月10 月次年 1 月25 月69 月10 月次年 1 月25 月69 月10 月次年 1 月25 月69 月优化开采量/万 m3d-1桥子李冷 庄古 城峨眉山大杨庄腊 山市 区东 源合 计8.02.400000313.46.02.400000311.44.80.00000037.83.00.00000036.01.80.00000034.80.00.00000033.01.40.00000034.40.00.00000033.00.00.00000033.0无最优解表 4 各开发利用亚区各典型水文年份岩溶水优化开采量(现状方案,28.0 m)现状开采方案保泉水位28.0 m典型水文年降水量/mmPB1丰水年 764.4PB2平水年 622.8PB3枯水年 522.8PB4特枯年 389.9时 段10 月次年 1 月25 月69 月10 月次年 1 月25 月69 月10 月次年 1 月25 月69 月10 月次年 1 月25 月69 月优化开采量/万 m3d-1桥子李冷 庄古 城峨眉山大杨庄腊 山市 区东 源合 计2.0000000035.000.0000000033.004.7500000037.75无最优解无最优解无最优解水之间的矛盾,应结合目前济南市海绵城市建设5,考虑人工调蓄补源情况下的各岩溶水水源地最优开采方案。3 优化补源开发利用技术3 优化补源开发利用技术3.1 优化补源方案 结合济南市正在进行的海绵城市建设,本次选择在北沙河、玉符河、兴济河、历阳湖等地进行回灌补源。考虑到南水北调后济南市拥有较足的客水水源,为更好地与济南市实际情况相结合,本次共设计了 3种补源方案。补源方案一,全年回灌补源。补源量分别为:北沙河 10 万 m3/d,玉符河 20 万 m3/d,兴济河 3 万m3/d,历阳湖 1 万 m3/d。补源方案二,回灌补源期为每年 16 个月。补源量分别为:北沙河10 万 m3/d,玉符河20 万 m3/d,兴济河 3 万 m3/d,历阳湖 1 万 m3/d。补源方案三,全年回灌补源。补源量分别为:北沙河 5 万 m3/d,玉符河 10 万 m3/d,兴济河 3 万 m3/d,历阳湖 1 万 m3/d。3.2 泉域地下水资源补源条件下优化开采方案 (1)趵突泉最低水位 27.6 m、农业和自备井开采量24 万 m3/d 时,不同补源方案典型年份趵突泉泉域地下水资源量优化开采方案。将上述 3 个方案补源数据输入模型进行优优计算,趵突泉泉域岩溶水水源地开采方案如下。第一方案:丰水年各水源地平均可开采量为34.03 万 m3/d;平水年各水源地平均可采资源量为29.93 万 m3/d;枯水年各水源地平均可开采量为25.26 万 m3/d;特枯年份各水源地平均可开采量为13.13 万 m3/d。第二方案:丰水年各水源地平均可开采量为25.26 万 m3/d;平水年各水源地平均可采资源量为18.13 万 m3/d;枯水年各水源地平均可开采量为11.66 万 m3/d;特枯年份各水源地无最优解。第三方案:丰水年各水源地平均可开采量为27.1 万 m3/d;平水年各水源地平均可采资源量为22.0 万 m3/d;枯水年各水源地平均可开采量为17.0 万 m3/d;特枯年份各水源地平均可采量为 6.46801韩 琳,等/济南泉域地下水资源开发保泉技术研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期万 m3/d。(2)趵突泉最低水位 28.0 m、农业和自备井开采量24 万 m3/d 时,不同补源方案典型年份趵突泉泉域地下水资源量优化开采方案。将上述 3 个方案补源数据输入模型进行优化计算,趵突泉泉域岩溶水水源地开采方案优化结果可以看出,在趵突泉水位控制在红色警戒水位线上时,农业和自备井共开采 24 万 m3/d的情况下,补源方案一优化开采量在丰水年、平水年、枯水年和特枯年平均开采量分别可以达到 34.03万 m3/d、29.93 万 m3/d、25.26 万 m3/d、13.13 万m3/d。补源方案二优化开采量在丰水年、平水年、枯水年平均开采量分别可以达到 25.26 万 m3/d、18.13 万 m3/d、11.66 万 m3/d,特枯年无最优解。补源方案三优化开采量在丰水年、平水年、枯水年和特枯年平均开采量分别可以达到 27.10 万 m3/d、22.00 万 m3/d、17.00 万 m3/d、6.46 万 m3/d。由此说明相较于仅靠大气降水补给,回灌补源方案有效提高地下水开采量,达到保泉供水的目的。需要指出,本次计算仅考虑了玉符河、北沙河、兴济河和历阳湖四处的地表水补源,未计算大辛河、全福河以及其他水库渗漏及直接补给区内剩余的多条岩溶干谷的补源渗漏量。综上所述,趵突泉泉域岩溶地下水的可采资源量(枯水年降水量为 522.8 mm,市区趵突泉最低水位分别取不低于 27.6 m 或 28.0 m 时)具体如下。现状情况下(以降水量为主):趵突泉水位不低于 27.6 m 时,平均可采量为 3.47 万 m3/d,其中平水期、枯水期和丰水期分别可开采 4.4 万 m3/d、3.0万 m3/d、3.0 万 m3/d;趵突泉水位不低于 28.0 m 时模型无最优解,即所有水源地都不开采的情况下也无法保证趵突泉水位保持在 28.0 m 水位线之上。因此,现状年降水情况下必须严格控制地下水开采。利用地表水回灌补源方案一:全年回灌补源,补源量分别为:北沙河10 万 m3/d,玉符河20 万 m3/d,兴济河 3 万 m3/d,历阳湖 1 万 m3/d。经计算,泉水位不低于 27.6 m 时,平均可采量为 25.26 万 m3/d,其中该年的平水期、枯水期和丰水期分别可开采 31.0 万 m3/d、24.6 万 m3/d、20.2万 m3/d;趵突泉水位不低于 28.0 m 时,平均可采量为 19.86 万 m3/d,其中该年的平水期、枯水期和丰水期分别可开采 21.0 万 m3/d、17.8 万 m3/d、20.8万 m3/d。利用地表水回灌补源方案二:回灌补源期为每年16 个月,补源量分别为:北沙河 10 万 m3/d,玉符河 20 万 m3/d,兴济河 3 万 m3/d,历阳湖 1 万 m3/d。经计算,泉水位不低于 27.6 m 时,平均可采量为 11.66 万 m3/d,其中该年的平水期、枯水期和丰水期 分 别 可 开 采 10.4 万 m3/d、19.6 万 m3/d、5.0 万 m3/d;趵突泉水位不低于 28.0 m 时,平均可采量为 7.93 万 m3/d,其中该年的平水期、枯水期和丰水期分别可开采 5.8 万 m3/d、15.0 万 m3/d、3.0万 m3/d。利用地表水回灌补源方案三:全年回灌,补源量分别为:北沙河 5 万 m3/d,玉符河 10 万 m3/d,兴济河 3 万 m3/d,历阳湖 1 万 m3/d。经计算,泉水位不低于 27.6 m 时,平均可采量为 17.0 万 m3/d,其中该年的平水期、枯水期和丰水期分别可开采 20.0 万 m3/d、17.6 万 m3/d、13.4 万m3/d;趵突泉水位不低于 28.0 m 时,平均可采量为13.23 万 m3/d,其中该年的平水期、枯水期和丰水期分别可开采 15.0 万 m3/d、13.8 万 m3/d、11 万m3/d。4 结 语4 结 语 本文利用地下水管理模型求得在保泉最优水位分别取 27.6 m 和 28.0 m 时,现状方案和不同补源方案下济南各水源地岩溶地下水开采量的最优时空分布,通过分析发现,年降水现状方案并不能维持趵突泉水位在红色警戒线(27.6 m)之上,采取地表水回灌补源方案可以有效提高岩溶地下水的可采资源量,证实了人工调蓄补源是保泉供水的有利手段,为济南泉域地下水的保护及使用提供了理论依据。参考文献:1 董咏梅,郭连玲,李占华,等.济南市地下水资源环境现状分析与保护对策J.水利科技,2009(11):71-74.2 任宝祯.济南名泉说略M.济南:黄河出版社,2002.3 李望,刘济坤.济南市节水保泉实现水资源可持续利用的对策及建议J.山东环境,2002(2):40-41.4 奚德荫,孙斌,秦品瑞.济南泉水研究M.济南:济南出版社,2017.5 宋剑英,王建龙,赵梦圆,等.海绵城市建设促渗保泉方案及其效果评估:以济南市海绵城市建设试点区为例J.水利水电技术,2019,50(5):20-26.(责任编辑 王海锋)901