济南市南部山区的地质水文特征及水资源开发利用问题研究
赵延铸  张文江 等
 
一、区域地质及水文特征
 
（一）地层分布与地质构造
    济南山区的岩石地层分布由南往北为：1.太古代变质岩系。2.古生代沉积岩系。包括：寒武系、奥陶系、石炭系、二迭系。
    中生代造山运动（燕山运动），使古老变质岩隆起，使水平成层的沉积岩倾斜，并出现许多断层，形成现在的地质构造格局。主要断层呈现西北—东南方向。例如文祖断层、刘志远断层（东梧断层）、千佛山断层、马山断层等（详见泉域示意图）。
    造山运动引发岩浆活动，主要有中生代（燕山期）岩浆侵入，形成闪长岩或辉长岩岩体。闪长岩常见沿中奥陶系泥灰岩夹层侵入，局部铁矿富集，如张马屯、郭店、邢村等铁矿。辉长岩见于鹊山、华山、驴山以及章丘的东岭山，其石材称“济南青”。此外，太古代晚期的岩浆活动侵入古老变质岩中，形成钾长石花岗岩，见于柳埠镇桃科等地，其石材称“柳埠红”。
 
（二）地层岩性与降雨产流
    1、变质岩系。南部山区的变质岩大部由花岗岩受地壳变动挤压变质而成，以花岗片麻岩为主要岩石种类。其力学性质属刚性岩石，深部异常完整。仅表层风化壳接受降雨入渗形成“风化裂隙水”。因重力作用风化裂隙水沿未风化面向沟底运动，其中一部分转化为明流，一部分仍为潜流，合称“基流”。雨洪过后河道基流仍常年不断，此种现象在长清北大沙河尤为典型。
    变质岩地区地面径流系数0.23～0.27，降雨入渗系数0.1左右,即降雨量35%产生地表水和地下水,其余65%陆面蒸发或植物根系吸收通过叶面蒸腾。变质岩地区宜修水库而不宜钻深井，流域内宜在沟谷低处截潜流或凿人工大口井。垛庄水库、钓鱼台、武庄、石店、窝铺等水库均建在变质岩上。
    2、寒武系。寒武系紫色页岩或黄色泥质灰岩，其力学性质属柔性岩石，为不透水层。但其中有少量石灰岩夹层，裂隙岩溶比较发育。石灰岩夹层位于山腰，沿倾斜方向往往形成下降泉；位于沟底具承压性质，往往形成上升泉。寒武系页岩中宜修中型以上水库，如卧虎山、锦绣川、崮头等水库均建在此种页岩上。小型水库很快被风化碎屑淤平，无使用价值。
    寒武系张夏组灰岩（鱼子青石）和凤山组灰岩（屋檐青石）力学性质属刚性岩石，完整致密。仅断层破碎带岩溶发育，可钻深井，单井涌水量20～30立方米/时。沟谷处宜凿人工大口井，如长清的皇姑井、南黄崖大井建于张夏灰岩；章丘的北横河大口井建于凤山组灰岩。
    寒武系下部馒头组第二层，属泥质灰岩，距古老变质岩仅1～2米，岩溶十分发育，山区普遍开采此层，单井涌水量50立方米/时左右。沟谷处能钻出自流井或季节性自流井。
    鉴于寒武系各岩组属柔性岩石或刚性岩石而无一脆性岩石，透水性差，降雨产生地面径流较大而入渗较少，径流系数0.2以上，入渗系数0.15左右，即35%形成地表水和地下水。入渗水沿风化裂隙或石灰岩夹层于沟底复出，“两山补给河道”，入渗水终成基流。玉符河中上游寒武系地层，河道基流长年不断便是一例。
    3、奥陶系。奥陶系下部白云质灰岩属刚性岩石，亦属典型的可溶性碳酸盐。裂隙大而稀疏。沿断层破碎带或可溶性极强的层位岩溶发育，有的形成洞穴。如章丘的白云洞、历城的仙人堂洞等。但该层大多致密完整，狼猫山水库及蟠龙、孟家、浆水泉、兴隆及长清的小屯水库均在此层修建。该白云质灰岩厚度仅80米，露头宽度不大，水库回水至凤山组灰岩即漏水，加之坝下及两侧不同程度存在裂隙岩溶，多数漏水严重。
    中奥陶系厚层石灰岩夹泥灰岩三层，总厚720米，简称“奥灰”。奥灰如无断层切割，其露头及隐伏部分宽度达7公里，广泛分布山区和山前地带。奥灰属典型脆性岩石和可溶性碳酸盐，裂隙岩溶十分发育，是济南各大泉群的直接补给区，它不但接受大气降水的垂直入渗，也还接受上游变质岩、寒武系地区下泄洪水和基流的河道渗漏补给。奥灰地区全部为季节河道，雨洪期“河道补给两山”，雨洪后无基流复出。入渗量全部由泉口排泄，泉水的实质就是基流。
    奥灰地区不宜修水库，而宜钻深井。无断层破碎带的单斜岩层也可以钻井。在奥灰分布的上游区，单井涌水量10立方米/时左右，中游区50立方米/时左右。排泄区500立方米/时左右。
    奥灰地区降雨地表产流小而入渗量大。次降雨50毫米以内河道无径流。多年平均径流系数0.1,入渗系数0.5左右,即多均降雨量的60%形成地表水和地下水。

（三）断层控制岩溶水流向
    变质岩地区属“闭合流域”，即流域内的地表水与地下水流向完全一致，都从一个沟口流出。寒武系地区基本上也属于“闭合流域”，因为寒武系无脆性裂隙发育的透水岩层，降水入渗石灰岩夹层后，沿沟谷溢出而变成基流。
奥灰山区的地表流域属“非闭合流域”，即地表水与地下水的流向不一致。地表水受分水岭的限制，而地下水可以透过分水岭跨流域运行。岩溶地下水的流域，有泉口排泄的称“泉域”。无泉排泄顶托补给了第四系砂砾石层潜水的如“长清一孝里水源地”，其补给区形同泉域。
    济南地区的岩溶水自东向西划分为明水泉泉域、白泉泉域、趵突泉泉域和长孝水源地四个单元。各泉域几乎囊括了山区全部地下水。各泉域在排泄区分别以禹王山断层（淄博）、文祖断层、东梧断层、马山断层为界。马山断层以西为“长孝水源地”（详见泉域示意图）。各泉域在中上游的分界线，属变质岩、寒武系闭合流域的，以分水岭为界。断层两侧都是奥灰的，要用统一观测岩溶水区域水位的方法，编制等水位线图加以确认。当然，找出的地下水分水岭与地质构造、岩层含水性、岩浆侵入等因素也不无关系。
    为弄清各泉域的边界，济南市水利局根据农业区划水资源调查任务，组织章丘、历城、长清水利局及乡镇水利站等近千名职工于1982年3月1日举行了全市地下水位统一观测活动。市区由山东省地矿局八O一地质队观测，资料与水利部门交换使用。这次观测共完成石灰岩深井261眼（八O一队62眼），浅层井246眼。在同一天，还测量了黄河各险工段11处、小清河各桥闸10处、其他河道11处、水库2处的地表水位。
    通过资料分析，在泉域框架上与地质部门认识一致，但在某些部位不同。例如我们在变质岩、寒武系及下奥陶白云质灰岩地区以“闭合流域”分水岭为界；其他如计算方法、计算参数不同，因而在泉域面积和水资源量存在差别。
 
二、水资源量及其分布
 
    （一）济南市山区水资源量
    济南市山区水资源计算面积3300平方公里。其中变质岩面积711平方公里，占22%；寒武系面积1587平方公里，占48%；奥陶系面积1002平方公里，占30%。
    变质岩、寒武系山区多年平均径流量30189万立方米，基流量20144万立方米，合计50333万立方米。近年来平均利用量4781万立方米，占多均蓄水量的20%（见附表），大体相当保证率75%蓄水量的可利用量。
    变质岩、寒武系山区地下水多年平均可利用量13977万立方米，奥陶系岩溶水多均可利用量45581万立方米，合计59558万立方米。
 
    （二）各区县山区水资源量
    1、长清

    山丘区面积900平方公里，变质岩、寒武系分布735平方公里，占81%；奥陶系分布165平方公里，占19%。长清山区水资源分南、北大沙河流域两片，南大沙河片还包括清水沟地区。两片南以分水岭为界，北以马山断层为界。
    （1）东片北大沙河上游变质岩面积256平方公里，寒武系160平方公里，合计416平方公里。多年平均径流量6113万立方米，基流量3314万立方米，合计9427万立方米。扣除多均拦蓄量985万立方米，河道提水量256万立方米，地下水计划开采是4000万立方米，向下游奥灰地区弃水4186万立方米。
    奥灰面积110平方公里，多均降雨入渗量3465万立方米，接受上游河道弃水渗漏量1381万立方米，上游水库漏水（并入基流）500万立方米，合计5346万立方米，此为长清县城以东岩溶水总量。此水主要向济南西郊补给，平衡计算为3560万立方米（见后页“市区西片”），余1786万立方米。此余量应为长清以东平安、石马、冷庄一带的岩溶水可利用量。目前该地区岩溶水开采量已达1200万立方米左右，余586万立方米。
    （2）西片南大沙河小屯以上流域262平方公里及清水沟地区57平方公里,属变质岩、寒武系地层。多均径流量4428万立方米，基流量2815万立方米，合计7243万立方米。扣除多均拦蓄量1386万立方米、河道提水量200万立方米、地下水计划开采量2637万立方米，向下游奥灰地区（长孝水源地）弃水3020万立方米。
    奥灰地区面积55平方公里，多均降雨入渗量1732万立方米，接受上游河道弃水渗漏量997万立方米、水库渗漏量665万立方米，合计3394万立方米，此为“长孝水源地”岩溶水全部来水量。当地计划开采量3348万立方米，已开采1000万立方米左右。
 
    2、历城

    山区面积1191平方公里，变质岩及寒武系地层分布959平方公里，占80%；奥灰面积232平方公里，占20%。历城山区分东、西两片。东片包括港沟、孙村、玉龙、郭店、王舍人一带，属“白泉泉域”。西片包括玉符河中上游地区，属“趵突泉泉域”。
    （1）变质岩、寒武系地区包括西片玉符河津浦铁路大桥以上流域和东片狼猫山水库、蟠龙水库流域。多年平均径流量13954万立方米，基流量9122万立方米，合计23076万立方米。扣除多均拦蓄量12674万立方米，河道提水307万立方米。西片向市区西郊弃水6600万立方米。东片水库拦截多均无弃水。
    （2）奥灰面积主要分布东片港沟、孙村、郭店、王舍人一带，多均降雨入渗量7772万立方米，接受上游水库渗漏665万立方米，章丘西南山区岩溶水侧向补给1200万立方米，市区羊头峪、洪家楼以东岩溶水侧向补给500万立方米（见“市区东片”），合计10137万立方米。此为上游地下水按计划开采后济南东郊全部岩溶水量。目前济南东郊工业自备水源及市自来水公司白泉水厂、中李家及裴家营水厂水源井开采此水。
    “水长期供求计划”实现后，“白泉泉域”的地下水开采格局分以下三块：①章丘西南山区采水3292万立方米/年；②历城东片济王公路以南人畜及工业采水300万立方米/年；③东郊新、老工业区采水10137万立方米/年。以上合计13729万立方米，符合“白泉泉域”水资源量1.38亿立方米数额。
    3、市区

    山丘面积103平方公里，分东、西两片。
    （1）东片包括羊头峪以东至草山岭一带，面积39平方公里，属“白泉泉域”。孟家水库、浆水泉水库以上为寒武系地层，以下为奥灰分布区。水库多均拦蓄量268万立方米，库区吃水20万立方米/年。岩溶水500万立方米，已计入东郊岩溶水总量。
    （2）西片奥灰地区64平方公里，包括千佛山、十六里河、七贤、段店以西地区，属“趵突泉泉域”。多均降雨入渗量2040万立方米，接受玉符河河道弃水渗漏量2200万立方米，水库渗漏量（并入基流）1326万立方米，接受长清东部岩溶水侧向补给量3560万立方米（见长清“东片”），合计9126万立方米，此为济南市区及西郊岩溶水资源量。市自来水公司普利门水厂、饮虎池水厂、解放桥水厂以及西郊腊山、大杨庄、峨眉山水厂均采此水。
    “水长期供求计划”实现后，“趵突泉泉域”的地下水开采格局分以下四块：①玉符河流域2908万立方米；②长清北大沙河中上游4000万立方米；③北大沙河中下游奥灰岩溶水1786万立方米；④济南西郊9126万立方米。以上合计17820万立方米，基本符合“趵突泉泉域”水资源量1.8亿立米数额。
    4.平阴

山区面积515平方公里，其中寒武系地层351平方公里，占68%。奥陶系地层164平方公里，占32%，主要分布在长城岭以南孝直、孔村山区，县城东北仅出露20平方公里。
    （1）寒武系山区多年平均径流量4423万立方米，基流量3317万立方米，合计7740万立方米，扣除多均拦蓄量2320万立方米，地下水计划开采量4142万立方米，向下游奥灰或平原区弃水1278万立方米。
    （2）山北20平方公里奥灰地区，多均降雨入渗量640万立方米，上游河道弃水渗漏量442万立方米，水库漏水补给量1160万立方米，合计2242万立方米。此为山北奥灰岩溶水资源量。
山南孔村、孝直奥灰地区，多均降雨入渗量4608万立方米。此为山南岩溶水可利用量。石横电厂在此建有水源井。
    “水长期供求计划”实现后，“长孝水源地”补给区地下水的开采格局分以下四块：①长清南大沙河中上游及清水沟地区2637万立方米；②长孝水源地岩溶水3397万立方米；③平阴“平阿山区”4142万立方米；④平阴东北奥灰岩溶水2242万立方米。以上合计12418万立方米。
    5．章丘

    山区面积591平方公里（不含煤田丘陵），其中变质岩及寒武系面积230平方公里，占39%，奥陶系面积361平方公里，占61%。
    （1）西南山区属“白泉泉域”，面积257平方公里。其中：变质岩面积56平方公里，多均径流年产933万立方米，基流量406万立方米，属典型的“闭合流域”。垛庄水库位于瓶颈处，连同上游百丈崖、跃进水库兴利库容1477万立方米，多年平均无弃水。
    寒武系面积90平方公里，多均径流量1260万立方米，向下游奥灰区弃水2005万立方米。
    奥灰面积111平方公里。多均降雨入渗量3885万立方米，上游河道弃水渗漏补给662万立方米，合计4547万立方米，侧向补给历城1200万立方米，当地余量3347万立方米。煤矿生产井排水吸引800多万立方米，当地实际可利用量2547万立方米。
    （2）东南山区面积250平方公里，属“明水泉泉域”，多均降雨入渗量8265万立方米，淄博方面侧向补给2222万立方米，合计10487万立方米。扣除煤矿生产井排水2000万立方米，计划开采量3684万立方米，余4803万立方米由明水泉泉口排泄。
    “水长期供求计划”实施后，明水泉泉域的水资源分以下四块：①淄博方面采水及矿坑排水1400万立方米；②章丘矿坑排水2000万立方米；③章丘城市及南部农村采水量3684万立方米；④明水泉群自喷量4803万立方米。以上合计11887万立方米，基本符合明水泉域1.2亿立方米水资源的数额。

三、  关于山区水资源开发利用的意见
 
    （一）因地制宜建设水保工程
    1、植树造林工程。造林的用途之一是涵养水源。目前济南山区林地有124万亩，多属幼林，占山区面积的25%。经测算，当林地覆盖面积占到50%，当地产水系数由0.35提高到0.37时,可增加水量2200万立方米/年。另有资料佐证：每亩森林可增加水源10立方米/年，济南山区林木覆盖率50%即250万亩，年增水量2500万立方米，与上述分析基本相符。
    2、拦水补源工程。山区冲沟上游宜建谷坊，缓坡宜建梯田地堰。它可使降水产生的地表坡水减少，使入渗量增加。入渗量固然可以转化为河道基流，但推迟了排泄时间使沟溪河道细水长流，给人们以更多的利用机会。
最有效的补源工程应建在奥陶系石灰岩中，在不妨碍行洪的前提下，专门修建一批“滚水坝”，迫使上游弃水下渗，可直接补充各大泉群水量。根据测算，山区变质岩、寒武系地区向奥灰多均弃水量1.6亿立方米，河道渗漏量由原计算50%提高到60%，即可补充岩溶水1600万立方米/年。与植林250万亩增加的水量合计3500~4000万立方米/年，效益十分可观。
    （二）统筹兼顾建设供水工程
    山区地表水拦蓄越多，地下水开采量越大，济南各大泉群的出流量越要减少。卧虎山、锦绣川两座水库汛末最大蓄水量7000万立方米，如果没有这两座水库拦蓄，趵突泉等市内泉群的涌水量将增加3000~4000万立方米/年，平均日涌水量增加10万立方米，而现在这两座水库向济南市区日供水5万立方米，但它的防洪作用又是无可替代的，防洪功能不可偏废。
    国家“水法”规定：“开发利用水资源，应当首先满足城乡居民用水，统筹兼顾农业、工业用水……”建国以来山区水利工程一直是为了解决人畜用水和发展农业灌溉而兴建。现在，山区经济要发展，必须要有新的思路，原有工程和新建工程都必须要向社会化供水转轨。
    卧虎山水库和锦秀川水库作为市区的水源地，不论多余的水仍要用于农业，但一定要按照城市供水水源的标准加以管理和保护。不靠近地表水源的村镇发展工业、商业、旅游业看来一定要开采地下水。因此今后打深井取地下水仍然是山区水利建设的主攻方向之一。随着人民生活提高，用水量也要增大，原有人畜吃水的深井孔径小，水量少已不适应需要，面临着更新换代。
    山区的水保工程和供水工程建设难度高，投入大，必须加强领导。要在科技、设备、资金和施工人员素质上狠下功夫。资金方面，除了上级和地方财政投入外，城市和工业收取的水资源费要拿到山区水利、水保建设上来，扎扎实实干上三至五年，山区面貌定会改观。
 
本文主要编写及参与人员：
赵延铸  张文江  叶兴文  郑富和  谷 贺  阎殿元  周 强
（本文刊载于济南市水土保持委员会、济南市政协经济科技委员会编《济南山区治理与发展》）；（1996年参加济南水利学会年会交流）

 

主要参考文献 
1、《济南地区水文地质条件及保泉供水建议》山东省地质局第一水文地质队 1981.9
2、《济南泉群成因及保泉措施》山东地理学会 黄春海 1982.6
3、《济南水文地质条件分析及保泉供水建议》山东省地质局第一水文地质队 1982.11
4、《济南市水资源调查与初步分析》山东水利学会 赵延铸 1984.12
5、《济南市长孝水源地水文地质条件及开采意见》 济南市长孝水源地开发研讨会 奚德荫 1989.8
6、《济南市西郊地下水的优化开发利用》济南市长孝水源地开发研讨会 徐霞琴 1989.8
7、《济南保泉供水建议》济南市长孝水源地开发研讨会 王文景 1989.8
8、《济南市保泉供水水文地质勘察研究成果及地下水资源合理开发利用的意见》济南市水资源综合开发战略研讨会 德荫 990
9、《济南市的城市供水和保泉问题》 南市水资源综合开发战略研讨会 高殿琪 990
10、《济南市水资源及其供需分析》济南市水资源综合开发战略研讨会 赵延铸 990
11、《济南市水利统计资料(1982~1990)》济南市水利局
12、《章丘、历城、郊区、长清、平阴农业区划水资源调查评价报告》 1981~1983
13、《章丘、历城、市区、长清、平阴水长期供求计划报告》1993