0 引言

济南素有“泉城”之称，济南泉水是我国北方典型岩溶景观之一，泉水保护至关重要^[1-2]。随着城市化进程的发展，济南市道路交通拥堵日益严重。为缓解道路交通压力，迫切需要建设城市轨道交通，因济南岩溶地质结构的复杂性和泉水保护的重要性，使得协调处理好济南地铁建设与泉水的关系成为轨道交通建设最需攻克的难题^[3]。

国内外在地下工程与地下水协调关系的研究方面取得了一定成果：J. Gisbert等^[4]研究了西班牙阿卜达拉杰山脉一条高速铁路隧道建设对该地区岩溶含水层系统和泉水喷涌的影响，通过钻探和试验证明隧道工程施工期间会造成区域泉水断流的风险，隧道建成2~3 a后泉水可恢复初始状态；Li H等^[5]以日本松本市隧道工程为研究对象，分析了泉水、井水和隧道渗漏水的水化学成分，表明隧道施工会降低地下水位，减少泉流量；陈爱侠等^[6]以西安市轨道交通2号线为例研究了地铁建设对地下水环境的影响，利用MODFLOW建立了数值模型定量分析工程运营期对地下水流场的影响，结果表明运营期潜水位变幅在0.04~1.75 m之间；庞炜等^[7]利用MODFLOW建立了济南泉域地下水流数值模型，预测了地铁施工阶段地下水水位动态和四大名泉流量变化，提出了避免同时进行多条轨道建设的建议；郭红梅^[8]建立了济南泉域地下水数值模型，预测了地铁隧道在不同布设位置和不同埋深情况下的地下水流场，定性分析了不同工况对泉水喷涌情况的影响，结果表明在历山路和泉城路修建地铁对泉流量的影响较大，且影响程度与隧道埋深成正比。

白泉泉群是济南十大泉群之一，但轨道交通施工建设对白泉泉群影响的定量研究还未见报道。为了科学合理地保护白泉泉群，探究城市地铁施工对白泉泉群的影响，准确评估地铁车站因施工降水引起的泉群流量变化，本文依据白泉泉域地质、水文地质条件建立泉域的水文地质概念模型，结合多年地下水位动态观测资料，利用FEFLOW软件对数值模型进行校正与验证。结合济南市轨道交通建设规划，以规划M1号地铁线位于白泉泉域的济南东站、梁王站、梁王东站为研究对象，结合研究区水文地质条件假定泉域内岩溶强径流带存在的情况，在地铁施工降水或施工降水+人工回灌2种工况下，分析地铁施工对白泉泉群流量的影响，为济南市保泉供水提供科学依据。

1 研究区概况

白泉泉域位于山东省济南市东部，地处中纬度内陆地带，属于暖温带大陆性季风气候，地势南高北低，南部以中低山区和丘陵为主，北部为山前冲洪积平原。多年平均降水量671.2 mm，降水时空分布不均匀，6—9月份降水集中，空间上由东南部山区向西北递减。

白泉泉群位于泉域内历城区王舍人镇以北，主要包括白泉、冷泉等15处名泉。其范围西至东坞断裂，东到济钢新村至梁王庄一线，北至冷水沟村、白泉、梁王庄一带，南至王舍人镇，面积约25 km^{2 [10]}。白泉泉域地处泰山凸起的西北缘，总体是一个以古生代地层为主的北倾单斜构造，地层主要由新生界第四系和古生界寒武系、奥陶系组成。泉域南部山区寒武纪、奥陶纪碳酸盐岩地层裸露，裂隙、岩溶发育，大气降水和地表水在此入渗补给岩溶水，岩溶水顺岩层倾向由南向北径流至纸房村附近，受到西侧断裂、岩浆岩岩体和北部石炭纪—二叠纪砂页岩的阻挡，“雍水”形成承压自流区，在南、北高水头差的作用下，岩溶水在地形低洼处穿过第四系松散层上升形成泉，白泉泉群由此产生^[10-11]。

规划地铁M1号线泉域内的起点为徐家庄站，东至梁王东站，长约9.8 km，设置地下车站7座(图 1)。济南东站—梁王东站段基本与济青高速铁路方向一致，北距白泉泉群仅200 m左右。地铁施工主要采用明挖和盾构的方式，地铁车站、换乘站采用明挖施工的方式，需要进行基坑施工降水，轨道主要以盾构施工方式为主。

2 模型构建与求解 2.1 概念模型

根据研究区地质、水文地质条件确定地下水流场模拟范围，同时考虑地下水流系统的完整性和独立性。研究区西边界为东坞断裂，东坞断裂徐家庄以北段具有弱透水性，白泉泉域内地下水通过东坞断裂向西侧的济南泉域排泄，徐家庄以南相对隔水；东边界文祖断裂相对隔水；北部奥陶纪灰岩埋藏在石炭系、二叠系以下，以顶板埋深400 m为界；南部以地表分水岭为界^[12]。研究区面积约为797.58 km²(图 2)。

根据研究区地质钻孔等资料进行地层统计分类，将地层结构概化为3层。上层为孔隙含水层，主要含水介质是第四系全新统、上更新统，岩性主要为中粗砂、砂砾石层，含水介质概化为非均质各向同性。含水层孔隙水的主要补给来源为降水入渗补给、河流渗漏补给和岩溶水的越流补给。孔隙水主要以人工开采及侧向径流的形式排泄。中层为弱透水层，其分布范围与孔隙含水层大体一致，主要介质为孔隙含水层底板以下粉细砂及黏土层，渗透性较弱，该弱透水层为上层孔隙含水层与岩溶含水层之间的越流层。下层为无压—承压岩溶含水层，含水介质为寒武系—奥陶系九龙群和奥陶系，最大岩溶发育深度为400 m。岩溶水主要在南部山区灰岩裸露地区接受降水和地表水入渗补给，沿裂隙、岩溶通道垂直下渗，并沿岩层倾向向北径流，主要流向为NNW，逐渐由南部潜水向北径流成为承压水，沿奥陶系灰岩与石炭系接触带向白泉泉群方向汇流，主要排泄方式为泉排泄、人工开采和越流补给第四系孔隙水(图 3)。

2.2 数值模型

选择201210—201409两个完整水文年为模拟期。其中201210—201309为校正期，201310—201409为验证期。以月为应力期，初始时间步长为1 d。

白泉泉域数值模型源汇项主要包括大气降水入渗补给、河道渗漏补给、农业灌溉回归补给、水源地集中开采、自备井开采和白泉泉群排泄等。

大气降水是白泉泉域最主要的地下水补给来源^[13]，降水入渗补给系数的确定参考研究区水文地质调查报告及土地利用情况。泉域第四系降水入渗系数为0.39，奥陶系灰岩降水入渗系数为0.45，寒武系炒米店组、崮山组和张夏组降水入渗系数依次为0.30、0.31和0.33，新太古界降水入渗系数为0.02，城市范围多为不透水地面，因此设置城区范围的降水入渗补给系数为0。

泉域内主要河流有西巴漏河、巨野河、港沟河。据济南地区供水水文地质调查报告显示，西巴漏河渗漏量为281.83×10⁴ m³/a，巨野河和港沟河均为季节性河流，除汛期以外基本处于干涸状态，巨野河渗漏量为32.07×10⁴ m³/a，港沟河为22.29×10⁴ m³/a。

农业主要开采地下水以漫灌形式进行灌溉，白泉泉域农业灌溉开采地下水量约为918.69×10⁴ m³/a，结合以往勘察资料和研究成果的经验值，农业灌溉回归系数(β)取值为0.3。

白泉泉域模拟期内主要有白泉、黄土崖、武家、宿张马等4处水源地，开采量分别为1.10×10⁴、8.00×10⁴、0.90×10⁴和1.14×10⁴ m³/d。

泉域内自备井主要包括工业自备井和农村生活用水自备井，开采量分别为8.32×10⁴和1.20×10⁴ m³/d。

泉排泄是济南地区岩溶水最主要排泄方式之一，白泉泉群平均降水年份排泄量为1.57×10⁴ m³/d。泉群排泄在模型中设置为定水头边界，水头值为各泉点处的泉口标高。模型计算时，当泉水位高于泉口标高时，以泉涌的形式排泄地下水，模型计算泉排泄量；当泉水位低于泉口标高时，无泉水排泄，泉水断流。

2.3 模型的校正与验证

白泉泉域岩溶裂隙发育，含水介质具有高度的非均质性和各向异性，水流特征复杂。以研究区钻孔抽水试验数据和水文地质勘察报告等为依据，结合野外观测数据等资料，对数值模型中的渗透系数、给水度(承压含水层为贮水率)等水文地质参数进行调整与赋值。

岩溶强径流带是北方岩溶地区独特的水文地质现象，它是一种以溶隙为主，与溶孔和溶洞交织组成的网格状强岩溶含水带。强径流带的地面排泄出口多为泉群，岩溶泉群往往是泉域内发育强径流带的典型标志。受到白泉泉域勘探资料的局限性，研究区还没有开展岩溶强径流带的水文地质勘察工作，其位置分布及性质尚不明确，因此，通过建立数值模型来模拟地下水动力过程，已然成为帮助水文地质工作者认识和理解岩溶地区水文地质条件和地下水运动规律的重要研究手段^[14-17]。根据白泉泉域地层倾向、岩溶发育状况、地下水补径排条件以及地下水动态变化特征等，现假定彩石镇—北官庄村—白泉泉群一线为泉域内发育的一条通向泉群排泄出口的强径流带，参考研究区水文地质调查成果和我国北方岩溶强径流带相关研究成果，考虑岩溶含水介质的各向异性，设定其水平向的渗透系数K_x、K_y及垂向的渗透系数K_z分别为60、20和5 m/d。白泉泉域数值模型岩溶含水层水文地质参数分区及取值见图 4和表 1。

以201210地下水流场作为模型的初始流场进行模型计算，选取研究区5个典型岩溶水位观测井进行水位动态拟合，其中观测井S-49和S-53位于白泉泉群附近(图 2)，通过修正优化水文地质参数和源汇项的取值，拟合地下水流场和观测井水位动态过程，使得计算水位值与实测水位值的绝对误差在0.5 m以内，以取得最佳的水位动态拟合结果。施工车站位于白泉泉群排泄区附近，位于排泄区白泉泉群附近的两个观测井S-49、S-53的地下水位计算值与实测值拟合结果见图 5。

由图 4可知，数值模型计算的校正期末地下水流场与实测流场趋势基本吻合，图 5显示了典型岩溶观测井水位变化规律基本一致，水位计算值与实测值绝对误差基本满足在±0.5 m以内的要求。表明数值模型符合研究区实际水文地质条件，可用于预测地铁施工条件下的白泉泉群流量变化。

经计算，模型校正期与验证期的水均衡均处于正均衡状态。校正期地下水总补给量和排泄量分别为16 145.02×10⁴和8 663.38×10⁴ m³/a，均衡差为7 481.64×10⁴ m³/a；验证期地下水总补给量和排泄量分别为8 770.25×10⁴和8 051.17×10⁴ m³/a，均衡差为719.08×10⁴ m³/a。由图 5可知，均衡期内泉域地下水水位呈现“降低—升高—降低—升高”的周期性变化趋势，每年6—9月份地下水水位迅速抬升。分析可知, 由于降水入渗补给是泉域地下水补给的最主要来源，且泉域内降水时间分布不均，主要集中于每年6—9月，其他月份降水量很少，且泉域内在泉群附近常年开采地下水；因此，虽然均衡期泉域地下水为正均衡状态，但每年除汛期外，泉域地下水补给量小于排泄量，地下水水位呈下降趋势，仅在每年6—9月地下水获得降水入渗的集中补给，使得地下水水位迅速抬升。由于观测井S-49和S-53位于泉群附近(图 2)，且观测井附近为地下水集中开采区，因此其水位动态过程在模拟期内表现为略有下降的趋势。

利用水均衡法计算的各均衡要素结果与数值模型计算结果的相对误差绝对值小于10%，符合模型计算误差允许范围，表明该数值模型具有较高的精度。

3 地铁施工对白泉泉群流量的影响分析

以地铁M1号线济南东站、梁王站和梁王东站位研究对象，进行地铁施工阶段白泉泉群流量的预测。3个车站基本设计参数见表 2，其中济南东站为换乘车站，梁王东站、梁王站为普通车站。3个车站位于白泉泉群出露区附近，该区域上层孔隙水含水层厚度约为40~70 m，含水层底板最大埋深约74 m，3个车站施工基坑均位于上层孔隙含水层。

基于验证后的数值模型，以验证期末201409的地下水流场作为初始流场，大气降水入渗补给采用验证期201310—201409的降水量。假定白泉泉域岩溶强径流带存在的情况下，建立地铁M1号线车站在仅施工降水或施工降水+人工回灌2种条件下的白泉泉群流量预测模型，通过对比分析地铁施工对泉群流量的影响。

3.1 工程手段及施工参数

1) 施工降水

地铁站均采用明挖施工方式，需要在施工基坑内进行施工降水，疏干水井设置在上层孔隙含水层内，埋深大于车站基坑底板埋深。按照每个车站单独施工和3个车站同时施工4种情景，施工期间将各车站水位降至底板以下，施工时长为180 d，计算白泉泉群的流量和施工降水时的抽排水量，分析因施工降水引起的泉群流量变化。数值模型中将各车站基坑的节点设置为定水头边界，水位值为车站底板高程值，模拟车站施工降水至底板以下的情景。

2) 施工降水+人工回灌

在上述施工降水的基础上，参考已建成地铁线路实施的人工回灌方案，在车站施工基坑护坡连续墙外侧设置4口回灌井，将上述施工降水时的抽排水量平均分配给4口回灌井，经过沉沙过滤后，人工回灌至基坑底板以下孔隙含水层中，数值模型中回灌井设置为注水井。对比未施工、仅施工降水、施工降水+人工回灌时的泉群流量，综合分析地铁施工对白泉泉群流量的影响。车站基坑施工降水—监测—回灌工程平面布置略图见图 6。

3.2 结果分析

经计算，假定白泉泉域岩溶强径流带存在的情况下，不同施工条件下泉群流量预测结果见表 3。

由表 3可知：1)未进行地铁施工时白泉泉群流量为1.241×10⁴ m³/d; 在地铁M1号线车站施工降水条件下，白泉泉群流量均有不同程度的衰减, 3个站同时施工的泉流量为1.173×10⁴ m³/d，较未施工时泉流量衰减0.068×10⁴ m³/d，在4种情况下对泉流量影响最大；3个站分别施工降水时，济南东站的施工对泉流量影响较大，泉流量为1.198×10⁴ m³/d，较未施工时泉流量减少了0.043×10⁴ m³/d，梁王站和梁王东站对泉流量影响较小。2)在地铁车站基坑施工降水的同时设置回灌井进行人工回灌，4种情况下白泉泉群流量均比仅施工降水时泉流量大，表明人工回灌补源后泉流量的衰减得到有效缓解。

将地铁M1号线3个车站在不同施工条件下的泉流量衰减程度进行对比，结果见图 7。

由图 7可得：3站同时施工时，进行人工回灌措施缓解泉流量衰减的效果最为显著，较仅施工降水时泉流量增加了4.27%；梁王站和梁王东站在仅施工降水条件下对白泉泉群流量的影响相近，分别为2.26%和2.58%，两站在采用施工降水+人工回灌的施工方式引起的泉流量衰减程度也很小，分别为0.32%和0.08%，接近泉群在未进行地铁施工时的流量。仅施工降水条件下，白泉泉群流量衰减幅度为2.26%~5.48%，施工降水+人工回灌条件下，泉群流量衰减幅度为0.08%~1.21%，这表明施工降水+人工回灌能够有效缓解泉流量衰减。总体而言，即使在无人工回灌措施的条件下，仅施工降水时各地铁站施工对白泉泉群流量的影响程度同样不大(衰减程度小于10%)；原因在于岩溶强径流带的存在，使得岩溶地下水形成了优势径流，有利于白泉泉群的补给，能够在一定程度上缓解因地铁施工时由施工降水引起的泉流量衰减。

4 结论与建议

1) 地铁M1号线济南东站，车站规模大且距离白泉泉群较近，施工降水对白泉群泉流量的影响最大，梁王站、梁王东站底板高程较高，施工降水对泉流量影响较小。3个站同时施工会引起局部地区地下水水位下降，加剧泉流量的衰减。建议在地铁建设时采取逐个车站分批次施工的方式。在施工降水同时进行人工回灌补源能够有效缓解泉流量的衰减，保障泉水正常喷涌。

2) 岩溶强径流带的存在使得岩溶地下水形成优势径流区，有利于岩溶地下水径流，促进白泉泉群的补给，在一定程度上缓解因地铁施工阶段基坑降水引起的泉流量衰减。

3) 本文通过建立地铁施工条件下的白泉泉群流量预测模型，可以在一定程度上揭示城市地铁建设对岩溶泉水的影响程度，同时反映出岩溶地区强径流带的重要作用。但碍于资料限制，对于白泉泉域实际岩溶强径流带分布及性质的调查与分析还有待开展更深入的水文地质勘察工作。