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济南四大泉群附近补给路径及补给比例研究
李常锁, 高帅, 殷延伟, 逄伟, 孙斌, 柳浩然, 陈奂良, 刚什婷, 邢立亭, 耿付强
, doi: 10.11932/karst20230501
摘要:
济南地区岩溶大泉是集供水、旅游、生态等功能于一体的重要自然资源,但随着经济社会的快速发展,人类活动影响不断增强,各岩溶大泉受到水质劣化、流量衰减的威胁。为了明确济南四大泉群附近主要补给路径,更加科学合理的保护泉水资源,文章采用流速流向定量分析、地下水流场分析、水化学同位素分析、聚类分析、三端元混合比计算等研究方法,分析了济南四大泉群主要补给路径,定量计算了各泉群补给路径贡献比例。研究表明,四大泉群的主要补给路径可划分为西部、南部、东南部补给路径,每个泉群受到不同补给路径的混合补给作用,其中趵突泉、黑虎泉、五龙潭、珍珠泉泉群的主要补给来源分别为南部补给路径(流量占比40.21%)、东南部补给路径(流量占比47.42%)、西部补给路径(流量占比47.13%)、南部补给路径(流量占比51.04%),研究工作可为我国北方岩溶大泉成因机制和生态保护提供参考。
山东省肥城断块岩溶水系统地下水水化学特征及演化分析
张文强, 滕跃, 唐飞, 王金晓, 许庆宇, 张海林
, doi: 10.11932/karst20230515
摘要:
地下水是肥城地区最主要的供水水源,近年来受到工农业开采、煤矿闭坑矿井水减排等人类活动影响,该区域地下水动力场及化学场发生变化,现状条件地下水环境质量状况有待查明。本研究在水文地质调查和样品采集分析基础上,综合运用数理统计方法、水化学方法(piper三线图、Gibbs模型、矿物饱和指数、离子比例分析)等,探讨了肥城断块地下水水化学特征及演化规律。结果表明:(1)研究区地下水均呈弱碱性,$ {\mathrm{C}\mathrm{a}}^{2+} $、$ {\mathrm{M}\mathrm{g}}^{2+} $、$ {{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}}^{-} $和$ {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-} $为主要离子,主要来源于方解石、白云石及石膏溶解;矿物饱和指数表明方解石和白云石绝大多数处于饱和状态,石膏和岩盐矿物呈溶解未饱和状态。(2)区内岩溶水化学类型主要为$ {\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}-\mathrm{C}\mathrm{a}\left(\mathrm{M}\mathrm{g}\right) $型,其次为$ {\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}·{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}-\mathrm{C}\mathrm{a} $型和$ {\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}·\mathrm{C}\mathrm{l}-\mathrm{C}\mathrm{a} $型。孔隙水主要为$ {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}·{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}-\mathrm{C}\mathrm{a} $型、局部出现$ {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}{·\mathrm{N}\mathrm{O}}_{3}-\mathrm{C}\mathrm{a} $型。河流水化学类型相对复杂,包括$ {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}·{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}-\mathrm{C}\mathrm{a}·\mathrm{N}\mathrm{a} $型、$ \mathrm{C}\mathrm{l}·{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}-\mathrm{C}\mathrm{a}·\mathrm{N}\mathrm{a} $型等。(3)区内地下水中$ {\mathrm{C}\mathrm{l}}^{-} $、$ {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-} $和$ {\mathrm{N}\mathrm{O}}_{3}^{-} $含量相比1999年、2013年显著升高。裂隙水及岩溶水水质整体较好,局部呈点状变差,孔隙水及河水水质普遍较差,影响区域地下水水质的主要因素有化肥施用、禽畜养殖、生活污水下渗以及煤矿排水等。
基于水化学同位素技术的地热储层成因模式对比分析——以鲁西北埕宁隆起区为例
崔锐, 王学鹏, 冯波, 刘曦遥, 冯守涛, 刘帅
, doi: 10.11932/karst20230513
摘要:
埕宁隆起区是我国重要的地热资源富集地区之一,阐明该区地热田的成因模式对于地热资源的可持续开发利用具有重要意义。采用水化学同位素手段,对埕宁隆起区馆陶组砂岩热储和寒武-奥陶系岩溶热储成因进行对比分析。研究成果表明:该区砂岩热储地热水是地质历史时期的大气降水入渗补给的产物,为侧向径流补给水,而岩溶热储地热水不是直接来源于大气降水的就近入渗补给,而是经过较长距离的径流过程,具有明显的氢氧漂移现象。两套热储地热水补给高程、热储温度及热水循环深度分别为459 m和557 m、66 ℃和72 ℃、1 420 m和1 795 m。此外,研究成果还揭示埕宁隆起区地热水补给区位于泰山地区,其地热系统热源为地壳深部及少部分上地幔传导热流。
章丘百脉泉群核心出露区水文地质特征及敏感保护区划分
刘玉想, 卢茜茜, 刘媛媛, 王少娟, 丁冠涛, 韩昱
, doi: 10.11932/karst20230511
摘要:
为了查清章丘百脉泉出露区浅部微观地质条件及其与泉水的关系,通过物探、钻探、水位观测等多种手段,查明断裂构造发育特征,刻画泉水出露区浅部地层结构,分析出露区泉水喷涌主要影响因素,划分敏感保护区范围。结果表明:出露区断裂构造极为发育,共发育5条断层、1个破碎带,为岩溶水上涌提供了通道;卵砾石层在断裂两侧普遍发育,呈现中间厚向两侧变薄并逐渐尖灭的特征,卵砾石层为泉水上涌后提供了赋存空间,在埋藏较浅处涌出成泉。出露区影响泉水喷涌的主要因素为断裂构造的控制作用和卵砾石层的连通、透水作用。综合断裂构造和卵砾石层的发育厚度划分了敏感区和较敏感区,面积分别为0.78 km2和0.67 km2。研究成果将为类似成因的泉水出露区保护工作提供参考借鉴。
基于小波变换方法的济南市区泉水影响因素研究
刘春伟, 齐欢, 林广奇, 柳浩然, 逄伟, 于令芹, 马河宽
, doi: 10.11932/karst20230510
摘要:
济南市区泉水的喷涌主要受大气降水和地下水开采等因素的影响,为查明降水量和地下水开采对济南市区泉水的影响,选取10年济南市区、济南西郊和济南东郊的水源地开采量数据,以及同期市区泉水位动态观测数据和降水量数据,采用交叉小波变换、小波相干谱和多元小波相干谱的方法进行分析。结果表明:①市区泉水位与降水量、地下水开采量均存在约1年的频域周期。市区泉水位滞后于降水量133.22天,市区泉水位与济南西郊开采量和济南东郊开采量的响应时滞分别为125.43天和83.85天,济南市区泉水与济南西郊地下水、济南东郊地下水存在水力联系。②济南市区泉水位与降水量的平均小波相干值(AWC)为0.58,市区泉水位与济南西郊开采、市区开采和济南东郊开采的AWC分别为0.47、0.40和0.32,PASC分别为13.90%、16.81%和10.09%。在研究期开采条件下,降水量和岩溶地下水开采量对市区泉水位的影响明显,市区开采对市区泉水位的影响最大,济南东郊开采对市区泉水位的影响最小。③在两种影响因素的作用下,降水量和济南西郊开采量、降水量和市区开采量两种组合可以作为市区泉水位变化的最大影响因素;在三种影响因素的作用下,降水量和济南西郊开采量、市区开采量组合可以作为市区泉水位变化的最大影响因素。
胶东半岛岩溶发育程度分区研究——以烟台市中桥地区为例
杨宁, 史猛, 殷焘, 于林弘, 王元峰, 张杰, 冯培培
, doi: 10.11932/karst20230508
摘要:
中桥位于胶东半岛东部,地处臧家庄盆地内,是胶东地区典型灰岩分布区,区内岩溶较发育并发生多次岩溶塌陷地质灾害。为查明中桥岩溶发育分布特征、发育程度及规律,为下一步中桥岩溶塌陷地质灾害治理提供依据,通过中桥地区岩溶地质调查、地球物理勘探、地质钻探、抽水试验及综合研究等工作,查明该地区可溶岩地层主要为蓬莱群香夼组两段灰岩,其类型按照埋藏类型分为裸露型、覆盖型和埋藏型,岩溶发育形态以开放式溶隙、溶洞为主,少部分地区发育溶孔;岩溶发育程度与岩溶地层纯度、岩溶裂隙含水岩组富水性强弱、地球物理勘探结果异常点分布以及溶隙率与溶洞率的高低呈正相关;采用层次分析法将将研究区岩溶程度划分为岩溶发育区、较发育区、中等发育区、弱发育区和不发育区五个等级,为下一步中桥地区岩溶塌陷地质灾害预防与治理提供了地质依据。
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, 李常锁, 许庆宇, 高帅, 刘春伟, 邢立亭, 于令芹
, doi: 10.11932/karst20230503
摘要:
为识别60多年济南市区泉水动态变化规律,本文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m3·d−1,二阶段主控因素降水量、开采量和水利工程,平均影响量52.01、−42.64、−5.98万m3·d−1,三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m3·d−1,四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m3·d−1。相关研究可为北方岩溶泉水保护提供依据。
玉符河外源回灌对岩溶地下水影响研究
丁冠涛, 李常锁, 魏善明, 王少娟, 李岩, 卢茜茜, 孙斌, 柳浩然
, doi: 10.11932/karst20230504
摘要:
为缓解济南市的泉水保护与城市供水矛盾,玉符河先后实施了多期地表水回灌补源地下水工程,对维持泉水持续喷涌下城市正常取用地下水起到了重要作用。外源水水质与当地岩溶水差异明显,长期回灌将对岩溶水产生一定影响。针对这一问题,以2021~2022年玉符河的回灌补源为例,利用同位素试验和水化学综合分析等多种手段相结合的方式,研究玉符河流域岩溶水受外源水补给的影响,分析影响区内地下水水化学特征及其组分的变化趋势。结果表明:玉符河回灌对岩溶水有一定的补给作用,根据其补给的程度将研究区分成三个区带,在河岸东侧Ⅰ区范围内河流入渗补给占50%以上,是主要的影响区;城区泉群位于Ⅲ区内,水质受玉符河补源影响有限,但水位会有一定的抬升。自玉符河至Ⅲ区,水化学类型由SO4·Cl-Na·Mg型逐渐向HCO3-Ca·Mg型过渡,由于兴济河的调水补源,泉群地下水类型又转变为HCO3·SO4-Ca·Mg型。影响区内岩溶水各离子含量变化主要是河水与岩溶水的物理混合引起,同时伴随着水岩平衡的改变。补源经过一个水文年后,各离子逐步接近原来含量水平。研究成果为科学实施玉符河回灌补源提供了依据,对促进保泉与供水的有机统一具有一定意义。
不同地质背景下北方岩溶作用强度研究
刘文, 徐聪聪, 于令芹, 李海翔, 卢茜茜, 朱钦锋, 柳浩然
, doi: 10.11932/karst20230502
摘要:
岩溶作用过程可形成碳汇是不争的事实,为进一步探索不同地质背景对岩溶作用的影响机制,选取典型北方岩溶泉域−济南趵突泉泉域补给区为研究区,采用标准溶蚀试片法进行野外现场试验。结果表明,下伏岩性为花岗岩、碳酸盐岩、黄土、页岩的各试点平均溶蚀速率分别为:3.49、0.26、0.11、0.09 mg·cm−2·a−1;碳酸盐岩、黄土、页岩分布区溶蚀速率大气 > 地表 > 壤中,且壤中部分呈随深度增加而降低的趋势,而在花岗岩分布区则呈完全相反。分析发现,土壤水与溶蚀速率相关性远高于CO2,是北方岩溶区岩溶作用进行的限制因子。本研究结果有助于认识半湿润气候条件下岩溶碳汇机制,为北方其他岩溶区乃至整个同类型岩溶区相关研究的开展积累了经验。
基于机器学习的西南岩溶泉流量模拟研究
马从文, 张志才, 陈喜, 程勤波, 彭韬, 张林
, doi: 10.11932/karst2023y013
摘要:
岩溶泉对西南喀斯特地区生态系统稳定和经济社会发展具有重要意义。受喀斯特地区独特水文地质结构与多重水流过程控制,岩溶泉流量具有复杂的动态变化特征,机器学习模型为其模拟和预测提供了有效手段。然而,岩溶泉域降雨-泉流量过程及其时空变异特征对机器学习模型结构与模拟精度的影响仍不明晰。本文选取西南典型岩溶泉,基于长短期记忆网络(LSTM)建立岩溶泉流量模拟模型,利用泉域实测逐小时降雨与泉流量序列进行模型训练与验证。在此基础上,分析了不同降雨-泉流量过程对岩溶泉流量模拟精度的影响,以及喀斯特水文地质结构对降雨-泉流量响应滞时的控制作用。研究结果显示,山坡岩溶泉与流域出口岩溶泉训练期纳什效率系数(NSE)分别为0.942与0.951,验证期分别为0.831与0.834。对于山坡岩溶泉与流域出口岩溶泉,利用全年实测序列训练的模型预测雨季泉流量存在较大偏差,NSE分别为0.793与0.798,而利用雨季实测序列训练的模型预测雨季泉流量,精度显著提升,NSE分别为0.956与0.962,且此差异在暴雨频繁的5、6、7月尤为显著。受浅薄土壤与表层岩溶带分布影响,山坡岩溶泉LSTM模型时序步长显著小于流域出口岩溶泉。