济南泉域岩溶地下水的示踪研究

论文摘要

济南是著名的泉城,岩溶地下水是济南工业及生活用水的优质水源。20世纪50年代末和60年代初,泉水自然喷涌。20世纪80年代至今,地下水的长期开采导致地下水的补给、径流、排泄条件发生了改变,天然化学平衡被打破,济南名泉面临消失的危险。保泉供水是保障济南市社会经济可持续发展的首要任务。本文应用水文地质学、地下水动力学、水文地球化学和同位素水文学等多学科方法,以济南泉域平安店、西郊、市区和东郊等四个排泄区为研究区域,分别于2005年和2006年两次采集地下水化学和同位素样品,采用惰性化学成分（Cl-和NO3-）、主要离子比例（Mg2+/SO42-）和氢氧稳定同位素（2H和18O）等多种示踪方法,分别从溶质和溶剂角度,研究了济南岩溶地下水化学成分的形成、碳酸盐岩含水层的脱白云石化、氢氧稳定同位素温度效应和高程效应,分析了现状开采条件下岩溶地下水的补给变化和岩溶水系统的环境变化。济南岩溶地下水基本上处于有氧条件下,本文首先利用Cl-和NO3-（有氧条件下）保守和惰性的特征,示踪分析补给区的大气降水输入,筛选出未明显污染的西郊排泄区地下水样品。进而,利用西郊的测试数据定量研究了含水层中水-岩相互作用,得到脱白云石化过程的Mg2+/SO42-比值,对地下水样品进行水化学及污染特征示踪。最后,利用大气降水氢氧稳定同位素的高程效应和温度效应,示踪研究岩溶地下水的补给特征。三种示踪方法综合研究的结果表明:天然状态下岩溶水向上顶托补给浅层地下水或者溢出成泉;长期开采条件下,地下水原有的分层性被打破,当地降水、地表水或浅层地下水垂直向下入渗,和岩溶水混合,使之受到不同程度的污染。目前济南泉域市区和东郊开采区的岩溶水补给主要为当地降水、当地浅层地下水与岩溶水的混合,西郊和平安店开采区的大部分岩溶水仍为来自南部补给区的岩溶水,小部分受到了当地降水补给水体的混合。岩溶地区含水介质的多重性和高度复杂性,决定了岩溶水地区地下水运行规律的复杂性。多种示踪方法相互补充和印证,弥补了单一研究方法存在的不足,在岩溶水的研究方面提供了新思路和新方法。当前济南泉域开采的“岩溶水”已不是传统意义上的“纯岩溶水”的研究结论,对探讨合理的保泉供水方案具有一定的参考意义。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 选题背景与项目依托
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 项目依托
• 1.2 研究目的及研究意义
• 1.2.1 研究目的
• 1.2.2 研究意义
• 1.3 研究现状及存在问题
• 1.3.1 研究现状
• 1.3.2 存在问题
• 1.4 研究内容与研究方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 1.5 技术路线
• 2 研究区概况
• 2.1 自然地理概况
• 2.1.1 地形地貌
• 2.1.2 气象
• 2.1.3 水文
• 2.2 区域地质及水文地质条件
• 2.2.1 区域地质构造
• 2.2.2 水文地质特征
• 2.3 济南泉域岩溶水系统
• 2.3.1 碳酸盐岩层分布及其化学成分
• 2.3.2 碳酸盐岩岩溶发育特征
• 2.3.3 地下水补给径流排泄条件
• 2.3.4 岩溶水系统的储存条件
• 2.3.5 岩溶水系统的水动力特征
• 2.3.6 岩溶水系统的水化学特征
• 3 国内外相关领域的研究进展
• 3.1 示踪方法的研究进展
• -和NO₃^-'>3.1.1 惰性示踪组分Cl^-和NO₃^-
• 3.1.2 反应示踪组分
• 3.1.3 氢氧稳定同位素示踪
• 3.2 碳酸盐岩含水层的地下水化学演化
• 3.2.1 白云石化作用
• 3.2.2 脱白云石化作用
• 3.2.3 脱白云石化作用的研究
• 3.3 大气降水污染的主要化学成分
• 4 岩溶地下水化学成分的形成
• 4.1 济南泉域的流场
• 4.2 垂向渗流补给带的输入分析
• 4.2.1 水化学数据及样点分布
• -和NO₃^-浓度分析'>4.2.2 排泄区Cl^-和NO₃^-浓度分析
• 4.3 横向径流带的水-岩作用分析
• 4.3.1 化学平衡
• 4.3.2 实测数据计算
• 4.4 小结
• 5 地下水氢氧同位素解读样板
• 5.1 北部平原区大气降水的氢氧稳定同位素特征
• 5.2 南部补给区大气降水的氢氧稳定同位素特征
• 5.3 古水的氢氧稳定同位素特征
• 5.4 小结
• 6 西郊水源地和市区四大泉群的水质变化分.析
• 6.1 取样点位置及数据
• 6.2 西郊水源地的水质变化分析
• 2+/SO₄^2-离子比例分析'>6.2.1 Mg²⁺/SO₄^2-离子比例分析
• 6.2.2 氢氧稳定同位素分析
• 6.2.3 开采历史的差异分析
• 6.3 市区四大泉群的水质变化分析
• 2+/SO₄^2-离子比例分析'>6.3.1 Mg²⁺/SO₄^2-离子比例分析
• 6.3.2 氢氧稳定同位素分析
• 6.4 小结
• 7 济南岩溶地下水的补给
• 7.1 平安店岩溶地下水的补给
• 7.2 西郊岩溶地下水的补给
• 7.3 市区岩溶地下水的补给
• 7.3.1 兴隆村地段地下水的补给
• 7.3.2 后龙村地段地下水的补给
• 7.3.3 中心城区地段地下水的补给
• 7.3.4 小结
• 7.4 东郊岩溶地下水的补给
• 7.4.1 港沟镇地段地下水的补给
• 7.4.2 东郊开采区地段地下水的补给
• 7.4.3 八涧堡和其它地段地下水的补给
• 7.4.4 小结
• 7.5 讨论
• 7.5.1 岩溶水补给条件在空间上的变化
• 7.5.2 多种示踪方法相互印证
• 7.6 小结
• 8 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录