长时间尺度下济南泉水动态特征与驱动因素演变分析.pdf

长时间尺度下济南泉水动态特征与驱动因素演变分析孙斌1,2,3，李常锁1,2，许庆宇1,2，高帅1,2，刘春伟1,2，邢立亭4，于令芹1（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(山东省地矿工程勘察院),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.中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛266100；4.济南大学水利与环境学院,山东济南250002）摘要：为识别 60 多年济南市区泉水动态变化规律，以长系列动态监测资料为基础，利用相关分析、偏相关分析、回归分析及水均衡分析等方法，对泉水动态变化特征及其自然人类活动等影响因素进行分析。结果表明：济南市区四大泉群动态经历了壮观喷涌、景观衰减、长期间断断流和调控复涌四个变化阶段，总体表现为驱动因素逐渐增多，泉水复涌前降水量影响逐渐减弱，开采量、城市建设及水利工程影响逐渐增强，复涌后人工调控占据主导作用。定量识别出：一阶段主控因素为降水量和开采量，平均影响量 58.17、9.58 万 m3d1，二阶段主控因素降水量、开采量和水利工程，平均影响量 52.01、42.61、5.98 万 m3d1，三阶段主控因素为开采量、降水量、水利工程和城市建设，平均影响量51.82、51.42、6.92、2.40 万 m3d1，四阶段主要受控降水量、开采量、生态补源、城市建设和水利工程，平均影响量为 55.38、25.44、10.36、8.99、6.56 万 m3d1。相关研究可为北方岩溶泉水保护提供依据。关键词：济南；四大泉群；泉水动态特征；驱动因素中图分类号：P641.5文献标识码：A文章编号:10014810（2023）05089809开放科学（资源服务）标识码（OSID）：0前言北方岩溶大泉以山东和山西1分布众多，泉水是北方众多城市的供水水源，在经济社会发展中发挥了重要作用，泉水合理开发利用与保护研究，对保障生产、生活用水和维持生态环境意义重大。山东济南泉水是我国北方地区岩溶大泉的典型2，仅在市区环护城河一带集中分布着趵突泉、黑虎泉、五龙潭和珍珠泉等四大泉群，泉眼 136 处。泉水是济南城市的灵魂，在济南城市发展进程中发挥着举足轻重的作用。在二十世纪五十年代末至六十年代初，市区四大泉群自然出流量 3035 万 m3d1，具有很高的观赏价值。然而，自 1972 年枯水期泉水开始出现季节性断流后，在 1982、1988、1989 年趵突泉竟然全年无水出流，19992002 年泉水断流时间达 926 天，成为历史上断流时间最长的一次。直到 2003 年 9 月，政府部门采取了一系列措施后，市区四大泉群才得以常年喷涌，但泉流量大不如前。关于泉水流量衰减原因，许多学者主要采用统计分析34、相关分析5、回归分析5、时序分析68等方法进行分析研究，或是通过灰色系统模型、GM（1，1）分解模型、人工神经网络模型、时间序列分析、耦合法等方法912模拟预测泉流量变化。目前，济南泉水动态研究时间跨度短1314，尤其是泉水复涌之后的人类强影响时期，且基金项目：国家自然科学基金（42272288，42202294）；山东省自然科学基金（ZR2021QD084）第一作者简介：孙斌（1982），男，高级工程师，主要从事水文地质与环境地质勘察研究。Email:。收稿日期：20230420第42卷第5期中国岩溶Vol.42No.52023年10月CARSOLOGICASINICAOct.2023孙斌，李常锁，许庆宇，等.长时间尺度下济南泉水动态特征与驱动因素演变分析J.中国岩溶，2023，42（5）：898-906,916.DOI：10.11932/karst20230503缺乏长周期不同阶段对比分析；复杂人类活动影响因素分析少，特别是针对城市建设影响5,15，多以整个建成区面积为研究对象，忽视了径流排泄区本身不具备入渗条件，导致硬化影响面积统计过大。为了更全面揭露济南市区四大泉群泉水动态演化规律，识别出影响泉水喷涌的主控因素演变，更好地指导济南区域岩溶地下水资源开发利用和环境保护，特对近 60 多年来泉水动态特征及成因进行研究。1地质背景济南地处中纬度内陆地带，属暖温带大陆性气候，春季干燥少雨，夏季炎热多雨，历年平均气温 14.2，最高气温达 42.7（1942 年 7 月 6 日），最低气温达19.7（1953 年 1 月 17 日）。近 60 多年气象资料显示，最大年降水量 1194.50mm（1964 年），最小年降水量 340mm（1989 年），多年平均降水量为 646.55mm，在 69 月集中降水，12 月至翌年 3 月较小。济南地处鲁中山地的北缘，南依泰山，北临黄河，地形南高北低，变化显著。南部为绵延起伏的山区，泰山山脉走向近东西，山势陡峻，深沟峡谷，绝对标高 500600m；北部为山前倾斜平原，绝对标高一般 2550m。受自然地理条件的控制，区内发育自南而北流向的大小河流，玉符河、北沙河汇入黄河，腊山河、兴济河、玉清河、大辛河等属于小清河的支流或源头。市区四大泉群所处区域属趵突泉泉域，地层由老到新依次出露有太古界泰山岩群、古生界寒武系、奥陶系、新生界第四系（图 1），燕山期侵入的辉长岩补源点四大泉群水系断裂第四系奥陶系寒武系泰山岩群0510 km图1趵突泉泉域地质背景图Fig.1HydrogeologicalbackgroundofBaotuSpringarea第42卷第5期孙斌等：长时间尺度下济南泉水动态特征与驱动因素演变分析899体在北部隐伏第四系之下。由南向北大致划分为泉水间接补给区、直接补给区和汇集排泄区三个功能区。间接补给区主要接受寒武系岩溶水和泰山岩群变质岩裂隙水补给，直接补给区主要接受奥陶系岩溶水补给，汇集排泄区地下水受北部燕山期火成岩体阻挡而富集，而后在市区有利位置出露形成四大泉群。2资料与方法自 1959 年来的泉水流量、水位数据主要依据山东省地矿局八一队在济南积累的长系列实测资料。降水量数据为年降水总量，主要收集济南市水文局和济南市水资源公报公开资料。开采量主要包括集中供水水源地、自备井及农灌开采总量，主要依托山东省地矿局八一队在济南长期勘查统计资料及济南市泉水保护办公室公开数据。直接补给区内城市建设面积数据主要依据不同时期遥感影像资料解译得到。生态补源数据主要收集济南城乡水务局部分公开数据及媒体报道资料，经系统整理、对比分析及插值计算，汇总形成补源量统计数据。相关性分析16主要采用 IBMSPSS22 的 pearson相关分析、偏相关分析模块进行计算。动态曲线图主要利用 grapher10.0 软件绘制，平面图主要利用Gis 软件绘制。水均衡分析通过公式 Q均=Q 补Q排=（QP+QBQCQR）（QD+QS）计算，其中，QP为降水入渗补给量，QB为生态补源量，QC为城市建设削减补给量，QR为水利工程拦蓄补给量，QD为人工开采量，QS为泉水流量。3结果与讨论3.1泉水流量和水位动态特征对 19592020 年泉水动态数据统计分析，得到了不同时期泉水流量、水位等特征统计表（表 1）。市区四大泉群流量初期基本稳定在 30 万m3d1以上，最高可达 50.18 万m3d1（1962 年）；中期持续大幅下降，并呈现频繁断流、甚至长时间断流；后期泉水得以复涌，流量相对稳定，但总体仍呈缓慢下降趋势，年均流量由 25.60 万m3d1减少至 13.78 万m3d1。泉水年平均水位总体由 30.48m 先经历大幅下降，达到历史最低水位 20.08m5，在 2003 年以后有所恢复，平均水位 28.24m，但无法恢复至 1960 年水平。泉水流量与水位具有极其相似的变化规律。表 1济南趵突泉泉域典型时期泉流量及泉水位统计表Table1StatisticsofspringdischargeandspringwaterlevelinthetypicalperiodofBaotuSpringareainJinan年代年均泉流量/104m3d1年均泉水位/m最大值最小值平均值Cv最大值最小值平均值Cv1960s50.1826.1336.660.2421.8628.7530.480.041970s20.139.4214.200.2128.6727.2527.900.021980s9.290.043.790.8027.4324.2626.250.041990s15.7106.560.9427.8024.2126.480.042000s25.60.1513.680.6728.7125.127.60.052010s18.7113.7815.620.1028.6727.8328.240.01注：变异系数（Cv）为无量纲。Note:variationcoefficient(Cv)isdimensionless.根据济南市人民政府印发的济南市保持泉水喷涌应急预案，将趵突泉泉水水位设置了黄色、橙色和红色三个预警水位线，分别为 28.15m、28.00m和 27.60m。结合预警水位线和水位动态特征，将多年泉水水位动态变化划分为四个阶段（图 2），1968年以前为大于 28.5m 的壮观喷涌阶段，19681980年为橙色警戒线左右震荡阶段，19812002 年为低于红色警戒线的普遍断流阶段，2003 年以后为略高于黄色警戒线的复流阶段。3.2驱动因素与泉水动态的关系3.2.1降水量和开采量降水入渗补给量（QP，m3）可由年降水量（P，mm）、降水入渗补给系数（）以及补给区面积（A，km2）计算900中国岩溶2023年得出，其公式为：Qp=PA103(1)其中降水入渗系数、补给区面积与城市化建设有关，相关参数可从前人研究中收集15。为了研究泉流量与降水量或开采量的线性相关性，先通过泉流量与降水量相关分析得出（表 2），泉流量随降水量呈现周期性变化特征。总体看泉流量与降水量呈弱正相关关系，且阶段一相关系数最大，阶段四、阶段三次之，阶段二最小。阶段一相关系数 0.857，表明降水量是影响泉流量的主导因素，后期降水量影响减弱。再通过泉流量与开采量相关分析得出，泉流量与开采量总体上呈强负相关关系，阶段一、阶段二为中等负相关，且开采量影响程度逐渐增强，即开采量越大对泉水流量影响越大。偏相关分析，可以将引起共线性的变量剔除出来，作为控制变量，分析存在共线性变量间的相关关系。因此，基于泉流量与降水量、开采量的共线性关系，分别将开采量、降水量作为控制变量，对泉流量与降水量、泉流量与开采量进行偏相关分析。结果表明（表 3），降水量的影响在阶段二得到显著提升，偏相关系数 0.679，降水量影响程度随时间发展而逐渐减弱。开采量的影响在阶段二也得到较大提升，偏相关系数0.746，阶段一、阶段二偏相关系数表明开采量越大对泉流量影响越大，阶段三、四相关性不明显。3.2.2城市建设nian 济南城市建设与泉水补给量减少关系密切，尤其是在泉水的直接补给区。由于路面硬化，改变了下垫面条件，导致降水无法入渗。根据 1958 年、1970 年、1980 年、2000 年、2010 年、2015 年不同时期遥感资料解译，趵突泉泉域泉水直接补给区被侵占 面 积（3）别 为 1.99、5.72、10.35、53.27、113.45、表 2泉流量与降水量、开采量相关分析统计表Table2Statisticsofcorrelationcoefficientbetweenspringdischargeandtheindexessuchasprecipitationandexploitation阶段一阶段二阶段三阶段四全阶段相关系数（降水量）0.857*0.3440.560*0.585*0.428*相关系数（开采量）0.5070.5230.3890.4180.766*注：*表示在0.05水平上显著相关；*表示在0.01水平上显著相关。Note:*indicatesasignificantcorrelationatthelevelof0.05;*indicatesasignificantcorrelationatthelevelof0.01.表 3泉流量与降水量、开采量偏相关分析统计表Table3Statisticsofpartialcorrelationcoefficientbetweenspringdischargeandtheindexessuchasprecipitationandexploitation阶段一阶段二阶段三阶段四全阶段偏相关系数（降水量）0.8440.6790.6090.4870.529偏相关系数（开采量）0.4450.7460.4710.2190.797泉水位泉流量黄色警戒线橙色警戒线红色警戒线02040602426283032196019802000泉水位/mabcd2020 年/a泉流量/104 m3d1图2泉流量、泉水位动态曲线图（19592020）Fig.2Dynamiccurveofspringdischargeandspringwaterlevel(1959-2020)第42卷第5期孙斌等：长时间尺度下济南泉水动态特征与驱动因素演变分析901130.00km2（图 3）。利用城建时序数据分析得出回归模型 y=1E-64e0.0756x，进一步揭示出 2010 年以前城建面积随时间呈指数增长，四阶段的平均增长速率分别为 0.28、0.48、2.36、4.83km2a1。说明 1980 年以后增速较快，影响逐渐明显，2000 年以后更加显著；但是，2010 年以后增速略有减缓，说明城市南扩受到一定限制。19601970198019902000201020200102030405060050100150泉流量城建面积拟合曲线年/aR2=0.995 5直接补给区内城建面积/km2泉流量/my=1E64e0.075 6x图3泉流量与直接补给区内城市建设面积年际变化图Fig.3Interannualvariationofspringflowandurbanconstructionareainthedirectrechargearea3.2.3生态补源生态补源始于 2001 年卧虎山水库放水试验，取得良好效果17，随后开始大力实施生态补源保泉措施。生态补源地点最初主要位于玉符河渗漏段，后来随着地表水转地下水工程、五库联通工程建设，逐步增加了历阳湖、玉绣河、兴济河、大辛河和水井等补源点，水源由地表水单一水源转变为大明湖弃水、黄河水、长江水、地表水等多水源联合调蓄补源。根据生态补源量统计数据（表 4），水库放水生态补源主要发生在 11 月至次年 6 月，为了便于与其他影响因素对比分析，统一将年补源总量折算为日补源量。总体表明，生态补源量呈逐年增加趋势，补源量由 2万 m3d1左右，逐步增加至 1520 万 m3d1，多年平均补源量为 10.36 万 m3d1。表 4年生态补源总量统计表/万 m3Table4Statisticsoftotalamountofannualecologicalsupplementarysources(tenthousandm3)年份2001200220032004200520062007200820092010补源量800900800190019007501067181118002056年份2011201220132014201520162017201820192020补源量18481969410459865976699263256513669565953.3驱动因素演变分析为量化对比分析各阶段主控因素构成及其对济南泉水的影响，统一计算不同阶段的各因素折算影响量（图 4）。根据多年自然平均岩溶水补给量 53.3万m3d118，对应年均降水量 679.25mm，可计算降水影响量的折算系数为 0.0785，以四个阶段年平均降水量折算出补给影响量分别为 58.17、52.01、51.42、55.38 万m3d1。水利工程如水库、拦水坝、分洪滞洪工程等通过改变径流的时空分配过程影响区域的水循环，从而导致河川径流量的减少，相应的河道渗漏补给地下水的量也会降低，卧虎山水库等水利工程拦蓄影响量，与降水量、调蓄有关联，根据以往研究19统计。阶段一：19591967 年，降水量处于一个较高的水平，多年平均降水量达到了 741.60mm，为近一百年以来最高，尤其是 19621964 年，降水量达到900mm 甚至接近 1200mm，对地下水的补给作用巨大。1936 年济南趵突泉水厂投入使用，至 20 世纪902中国岩溶2023年60 年代市区相继建立了五大牧场、普利门、饮虎池、解放桥、泉城路水厂和东郊的冷水沟水厂，但该时期地下水开采量相对较小，年平均为 9.58 万m3d1。城市建设此时期影响较小，仅 0.26 万m3d1，可以忽略。趵突泉水位处于有观测记录以来的较高水平，平均水位约 30.48m。水均衡结果 Q均为 11.67 万m3d1，为正均衡。因此，该阶段大气降水为主控因素，开采量次之，总补给量远大于排泄量，泉水流量历史最高。阶段二：19681980 年，多年平均降水量为663.30mm，较上一时期有所下降。随着供水需求的加大，20 世纪 70 年代至 80 年代初期，市区增建了八里洼水厂，东郊开建了工业北路水厂，西郊开建了腊山、峨嵋山、大杨庄水厂，开采量在这一时期表现为陡增的变化特征，由 23.41m3d1增至 56.93 万m3d1，年平均开采量 42.61 万m3d1，与一阶段相比开采量影响显著增强20。城市建设发展较慢，对泉水直接补给区破坏较小，影响量约 0.57 万m3d1。水利工程开始截留下游径流，影响入渗补给量，平均影响量5.98 万m3d1。该时期趵突泉水位从 28.21m（1968年）降低至 27.4m（1980 年），总体呈缓慢下降趋势。水均衡结果 Q均为-11.35 万m3d1，为负均衡。因此，该阶段降水量、开采量为主控因素，水利工程次之，总排泄量大于总补给量，地下水资源衰减严重，由于前期储存量大，泉水并未形成严重断流。阶 段 三：19812003 年，多 年 平 均 降 水 量627.42mm，降水量的多年震荡变化显著，尤其是在19811993 阶段为降水偏少时期，1989 年降水量仅340mm 左右，1990 年降水量达到 1047mm，而在19941996 年，降水量显著增大，同时趵突泉水位震荡变化明显，水位变化区间为 20.0827.8m。这一时期市区及东、西郊各大水厂格局已经基本形成，用水量持续保持较高水平，年均开采量一般维持在 50 万m3d1以上，90 年代达到 60 万m3d1左右，开采量变化不大，导致相关性分析结果不符合实际。该时期济南城市建设进入快速增长阶段，主要向南部四大泉群正南的羊头峪、八里洼、千佛山一带奥陶纪灰岩区扩展，影响泉水补给量约 2.4 万m3d1。水利工程平均影响量 6.92 万m3d1。水均衡结果 Q均为14.41 万m3d1，为负均衡。因此，该阶段开采量、降水量为主控因素，水利工程次之，城市建设最小，此阶段开采量影响超过降水量，外加降雨偏少，泉水资源长期处于严重亏损状态，断流频发。阶段四：20042020 年，多年平均降水量为705.75mm，趵突泉流量和水位较前两个阶段有较大恢复，平均开采量降至 25.44 万m3d1，这是保障泉水复流的重要因素之一。21 世纪以来直接补给区城区建设又进入爆发式增长阶段，东郊高新技术产业开发区、大小汉峪、孟家、中井、荆山、浆水泉、太平庄、兴隆土屋、金鸡岭、十六里河、九曲、七贤镇、南北康而、腊山、党家庄及长清大学城等一带，已基本被规划和建设为各类开发区，年均减少入渗量 8.99 万58.179.580.2652.0142.610.575.9851.4251.822.46.9255.38 25.448.996.5610.360102030405060降水量开采量城市建设水利工程生态补源阶段一阶段二阶段三阶段四折算影响量/104 m3d1图4四阶段各因素折算影响量对比图Fig.4Comparisonofconversioninfluencequantitiesofvariousfactorsinthefourstages第42卷第5期孙斌等：长时间尺度下济南泉水动态特征与驱动因素演变分析903m3d1。水利工程在 21 世纪初又进行了扩库增容，卧虎山水库总库容达到 1.17 亿 m3，锦绣川水库总库容达到 4150 万m3，大大加强了上游地表水拦蓄能力，年均截留补给量 6.56 万m3d1；但与此同时借助于卧虎山水库、锦绣川水库、兴隆水库、浆水泉水库、孟家水库等五库连通工程，在有利位置进行多水源生态补源，这在很大程度上弥补了原水库截留的补给量，人为地改变了自然界中“三水”转化的水循环，增加了泉水有效补给，生态补源量达到年均 10.36 万m3d1。水均衡结果 Q均为 7.69 万m3d1，为正均衡。因此，该阶段同时受降水量、开采量、生态补源、城市建设和水利工程多重因素影响，显然通过大量封停自备井以及利用引黄、引江、大明湖弃水南调等工程实施生态补源，在很大程度上弥补了城市建设与水利工程截留的补给量，大大改善了泉域地下水循环，人工调控作用显著，泉水才能够实现长期复流。总之，泉水流量影响驱动因素呈现由单一向多元、由简单向复杂方向转化。阶段一地下水资源充足，且开发利用程度较低，影响因素单一，主要受降水量控制；阶段二、阶段三地下水开采监管缺失，过度利用逐步占据主导因素，导致储存资源锐减，水库拦蓄、城市扩张等人类活动进一步加剧地下水资源枯竭；阶段四地下水开采受到监管，城市扩张得到一定控制，生态补源在很大程度上修复了部分人类活动破坏的水循环，在综合人工调控作用下，水均衡实现由负转正。4结论（1）通过对近 60 多年来济南市区四大泉群流量和水位分析，揭露出泉水动态经历了 4 个转折阶段：19591967 年为大流量、高水位泉水壮观喷涌阶段，19681980 年为小流量、低水位泉水景观衰减阶段，19812002 年为极小流量、极低水位泉水长期间断断流阶段，2003 年之后为人工调控泉水复涌阶段。泉水平均流量由 36.66 万m3d1减至 14.20 万m3d1，再减至 4.69 万m3d1，后又恢复到 17.06 万m3d1；泉水平均水位由 30.48m 降至 27.91m，再降至 26.25m，后又恢复到 28.24m。（2）通过相关分析、偏相关分析和回归分析，结合水文地质条件、人类活动影响，在水均衡理论指导下，综合识别出 4 个阶段泉水流量成因及影响程度大小。19591967 年，主要受控于降水量、开采量，影响程度分别为 58.17、9.58 万m3d1；19681980年，主要受控于降水量、开采量、水利工程，影响程度分别为 52.01、42.61、5.98 万m3d1；19812002年，主要受控于开采量、降水量、水利工程、城市建设，影响程度分别为 51.82、51.42、6.92、2.40 万m3d1；2003 年之后，主要受控于降水量、开采量、生态补源、城市建设、水利工程，影响程度分别为 55.38、25.44、10.36、8.99、6.56 万m3d1。（3）从分析结果看出，总体上降水量和开采量对泉流量起控制作用，但 2003 年以后人类调控作用异常显著。当下要保持泉水持续喷涌，首先应当确保趵突泉泉域内“三水”转化能够有效进行；其次要加强动态监测和调控管理，合理地统筹地下水开采、生态补源以及水利工程等主控因素，依靠多部门联合共享机制，科学细致制定地下水优化开发方案；最后，为降低城市化对泉水的影响，要着重加强对南部泉水补给区生态环境保护与修复，提高水资源涵养能力。参考文献钱学溥.山西省岩溶泉水J.水文地质工程地质,1979（5）：47-52.QIANXuebo.KarstspringinShanxiProvinceJ.Hydrogeol-ogy&EngineeringGeology,1979（5）：47-52.1柏红.济南泉水漫谈J.山东国土资源,2009,25（10）：66-68.BAI Hong.Primary introduction to springs in Jinan CityJ.ShandongLandandResources,2009,25（10）：66-68.2张效平,宋儒.洪山泉流量动态及影响因素分析J.中国煤田地质,2002,14（3）：31-32,41.ZHANG Xiaoping,SONG Ru.Discharge dynamics of 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Engineering Research Center for Environmental Protection andRemediation on Groundwater,Jinan,Shandong 250014,China；3.College of Environmental Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao,Shandong 266100,China；4.School of Water Conservancy and E