济南岩溶大泉作为北方岩溶大泉的典型代表,前人对济南岩溶大泉含水介质空隙结构的研究较少,而岩溶含水介质的空隙结构的复杂性,对研究地下水系统有着至关重要的作用。本文以济南泉域的排泄区为研究对象,在分析研究区区域地质、水文地质条件的基础上,采用地下水动态监测、水文地质钻探、示踪试验、压汞实验、数字岩心三维重构、渗流模拟等方法,分别从研究区平面与垂向、宏观与微观等多角度对研究区岩溶含水介质空隙的分布及其结构特征进行研究。通过CT扫描及数字岩心三维重构建立了空隙网络模型,对不同空隙结构的含水介质进行室内及仿真渗流模拟,为泉水保护工作提供科学指导,具有一定的理论和实践意义。（1）综合分析研究区水文地质钻探相关资料分析表明研究区岩溶含水介质的空隙类型主要分为溶孔（孔隙）、裂隙、溶洞、岩溶管道型四大类型,对研究区100m以浅钻孔进行岩溶含水介质空隙类型统计,奥陶系冶里组及亮甲山组地层溶洞发育率为3.53%,溶孔发育率为9.60%,裂隙发育率为6.20%,但裂隙多为方解石及硬塑粘土所充填,基本不透水;寒武系凤山组地层裂隙发育率为8.48%,溶洞发育率为0.72%,未见明显溶孔发育。（2）以奥陶系冶里组、亮甲山组及马家沟组的岩心为例,通过CT扫描得到样品的二维灰度图像,将样品的空隙类型分为孔隙型、孔隙-溶洞型、裂隙型以及裂隙-溶孔型,其中奥陶系马家沟组孔隙-溶洞型样品的孔隙直径分布较为集中,0.34-2mm的孔隙占总空隙数量的88.4%,直径大于5mm的溶洞仅占总空隙数量的1.38%;奥陶系马家沟组孔隙型样品中1.24-2mm的孔隙占总空隙数量的71.82%,直径大于5mm的溶洞仅占总空隙数量的2.51%,奥陶系冶里组及亮甲山组裂隙型及裂隙-溶孔型的裂隙开度与粗糙系数较小,均为毫米级。（3）两次示踪试验均在奥陶系含水层（即奥陶系冶里组及亮甲山组地层）上展开,试验结果表明研究区内岩溶水径流通道为单一管道型与多管道型并存,泉城公园示踪试验钼离子运移速度与省中医示踪试验钼离子运移速度相差约8倍,表明研究区内奥陶系地层岩溶含水介质空隙分布的不均一性。示踪试验和水位动态相关性曲线表明奥陶系地层存在通往泉群的岩溶管道,结合岩心数据及电导率变化曲线推测奥陶系冶里组及亮甲山组地层自上而下的空隙类型主要为溶孔-溶洞型、裂隙-管道型、裂隙-溶孔型,寒武系凤山组地层空隙类型以裂隙型为主。（4）通过孔隙直径、渗透率、退汞率、毛管压力曲线分析可知研究区内地层微观死端孔隙分布较多,而有效孔隙较少。亮甲山组与马家沟二段岩石的孔径分布不一,以纳米级孔隙为主;凤山组、冶里组、马家沟一段的岩石孔喉分选性较好,孔径分布较为单一,以微米级孔隙为主,且孔隙连通性较好。（5）通过对不同空隙结构的含水介质建立空隙网络模型进行渗流模拟,结果表明当裂隙开度较小时,裂隙含水介质的渗透率与其粗糙系数成反比,而孔隙型及孔隙-溶洞型含水介质的渗透率与其孔隙度有关。（6）通过改进的达西渗透实验仿真野外试验测定不同空隙结构含水介质中岩溶水流动规律,实验结果表明裂隙介质的流速与压差之间呈现幂函数关系时拟合度最高,而孔隙介质的水力坡度与渗流速度呈二次函数关系时拟合最好,与仿真渗流模拟结果可相互印证。

孔隙、裂隙、管道、溶洞等空隙结构构成了地下含水系统,地下水在含水介质中的运动具有多样性,岩溶发育的不均一性与高度的离散化程度使得地下水渗流更为复杂,地下水渗流主要体现在渗透性,因此,研究含水介质空隙结构对于渗透性的影响可以更好地研究岩溶地区地下水运动。本文将济南岩溶含水介质做为主要研究对象,在阅读国内外文献资料,获取研究区地质及水文地质条件的基础上,采用野外地质调查、CT扫描、数字岩心三维重建、渗流模拟、压汞实验、模糊分析法等方法,分析研究区内岩溶发育结构特征,处理CT扫描图片进行空隙结构提取、网格剖分后,进行不同空隙类型不同压力差情况下的渗流模拟,与室内渗透试验、压汞实验所得数据相结合,对岩溶水介质的水力参数和渗透性进行研究,并综合考虑岩溶含水介质静态因素和动态因素,运用模糊评价法确定岩溶水系统径流区优势渗流通道,为泉水保护工作提供理论与实践指导。本文通过上述分析研究,主要得结论如下:（1）研究区岩溶发育主要以孔隙、裂隙、溶洞、管道为主,岩溶发育具有垂向和水平分带特征的特点。垂向上地表岩溶发育程度较差,60m以浅主要为奥陶系冶里组、亮甲山组地层,岩溶发育率在10.92-16.15%之间,60-160m主要为寒武系凤山组地层,岩溶发育率在17.31-17.46%之间。从水平分带特点上看,地表到40m范围奥陶系岩溶发育主要分布在四大泉群排泄区附近,以经十路一带为主。（2）二维面孔隙率略小于三维孔隙率,两种孔隙率误差小于1.03%,奥陶系马家沟组一和二段、亮甲山组、冶里组地层孔隙率约为6.45%,寒武系凤山组地层孔隙率约为0.88%。孔隙结构中0.2-2mm的孔隙占总孔隙数量的91.2%,直径大于10mm的孔隙仅占总孔隙数量的0.2%。（3）通过对研究区裂隙结构的裂隙倾角、曲折度、开度、粗糙度等水力参数统计分析。奥陶系冶里组、亮甲山组,裂隙发育率为6.2%,裂隙开度在0.22-2.13cm之间,面裂隙率多小于5%,约为0.33-4.01%,集中分布于1-3%,裂隙走向与研究区内地下水的流向大致相同,裂隙粗糙度较小,约为0.16mm。（4）随着渗流模拟压力差增大流体的压力场和流速场范围逐步扩大,沿着流体渗透方向,总体上呈现流速和压力减小的趋势,变化的具体波动受内部岩溶发育结构影响。以奥陶系马家沟组、冶里组和亮甲山组灰岩为例,孔隙结构中孔隙率对渗透性有一定影响,与孔隙率相比孔喉半径和孔隙连通情况对渗透效果影响更大;当裂缝畅通且流体流动方向与裂缝面延伸方向一致时,统一压力差下,随裂隙倾角和走向的变化,系统渗透率基本不变,裂隙开度、粗糙度和长度是影响渗透率主要因素。（5）通过室内高压渗流实验,建立孔隙结构、裂隙结构的流量、流速与时间、水力坡度的渗流模型,在单一压力下,流量均呈现从大到小衰减趋势,孔隙结构内流量变化波动性较大,在多组压力渗透过程中裂隙流和孔隙流符合非线性流动规律,流速与水力坡度关系曲线呈现幂函数增长。（6）运用模糊评价方法对岩溶含水系统渗透性进行定量判断,综合考虑岩溶含水系统静态因素与动态因素各指标,将含水介质分为岩溶裂隙不发育、正常渗流通道和存在优势渗流通道。计算得出排泄区存在较好渗流条件具有优势渗流通道。采用模糊评价方法确定岩溶水系统径流区优势渗流通道,与示踪试验结果吻合具有实际意义。

济南市区内分布着久负盛名的趵突泉、黑虎泉、珍珠泉、五龙潭四大泉群。随着经济、社会发展,导致泉流量减少、水质恶化等一系列水环境问题。本文主要以济南四大泉群为研究对象,进行泉水采集与水化学测试、泉水动态监测、水文地质钻探、水化学示踪和室内溶蚀实验,从四大泉群的水化学成分、水温以及电导率等数据入手,采用室内实验结果与水文地球化学模拟计算相结合方法分析四大泉群水化学差异性形成特征,提出针对四大泉群泉水水质保护的措施,具有重要的实践价值和理论意义。通过分析研究,得出结论:（1）四大泉群泉水中阳离子以Ca2+为主,阴离子以HCO3-为主。济南四大泉群水化学特征表明,趵突泉、黑虎泉水化学类型主要为HCO3·SO4-Ca型,五龙潭和珍珠泉水化学类型为HCO3-Ca型。（2）四大泉群泉水的电导率动态特征总体上呈现的大小趋势为:黑虎泉＞趵突泉＞五龙潭＞珍珠泉,说明五龙潭泉群及珍珠泉的补给路径相对黑虎泉和趵突泉较远。根据电导率的空间分布特征可知,四大泉群电导率总体上是从南到北逐渐减小的。（3）四大泉群泉水的水温常年较稳定,五龙潭、珍珠泉、黑虎泉、趵突泉的平均水温分别为17.85℃、17.8℃、17.32℃、17.44℃,其中五龙潭的泉水水温最高,珍珠泉次之,其次是趵突泉和黑虎泉,泉水温度的差异说明四大泉群的补给来源水循环深度存在差异。（4）泉域的地层岩性、含水介质结构、溶蚀作用以及径流通道的差异性影响泉水的水化学组分形成。四大泉群的含水介质主要是岩溶管道,汇水面积较大,地下水中离子来源于较远处的外源水,且岩溶泉是一个开系统,与大气圈接触比较紧密,水循环迅速,水量和水质更新速度较快,所以,四大泉群泉水中的Cl-、SO42-和NO3-浓度较小。（5）通过不同岩性的溶蚀实验结果可知,相对于单一岩性,垂向混合岩层对水质的影响较大,实际野外地层条件水流交替的溶解作用是一个复杂的岩溶化过程。结合四大泉群常规离子含量数据可知,黑虎泉和趵突泉的Ca2+、Mg2+和HCO3-含量较高,说明趵突泉和黑虎泉的溶解作用相对五龙潭和珍珠泉较强。（6）通过建立不同水源的混合模型,说明近年来四大泉群补给水源中地表渗漏补给泉水占比越来越高,其中兴济河、历阳湖和玉符河补源水对黑虎泉的影响较大;兴济河补源水对黑虎泉、五龙潭和珍珠泉的补源效果较好;玉符河补源水对四大泉群均有补源效果,且补源影响从大到小依次为:趵突泉＞黑虎泉＞珍珠泉＞五龙潭。（7）水文地球化学反向模拟计算表明,研究区水化学特征虽然整体上受方解石、白云石、岩盐和石膏的溶解沉淀作用和阳离子交替吸附作用影响,地下水水中Ca2+含量主要是由于方解石和文石的溶解所产生,石膏和硬石膏的溶解相对较少。

济南因泉水众多而被称为“泉城”,最著名当属“趵突泉泉群、黑虎泉泉群、五龙潭泉群、珍珠泉泉群”。目前对于四大泉群补给来源及其方向尚不明确,一定程度地造成回灌补源的盲目性,给保泉造成一定麻烦。因此本次研究以济南四大泉群及其补给区为主要研究对象,在详细研究区域地质、水文地质及吸收以往研究基础上,通过地下水水位水质长期监测,泉水水位水质长期监测,野外取样,室内分析,示踪试验等手段,从水动力场及水化学场研究四大泉群补给混合模式,为回灌补源提供依据。主要研究结论如下:（1）地下水流场表明泉水主要来自东南、西南、正南方向岩溶水补给,趵突泉主要来自正南、西南方向岩溶水补给,以裂隙、孔隙水补给为主;黑虎泉主要来自正南、东南方向岩溶水补给,以管道流补给为主。（2）济南泉域地下水水化学特征表明:直接补给区奥陶纪含水层地下水各化学组分含量最高,间接补给区寒武纪含水层地下水各化学组分含量最低,排泄区位于两者中间。（3）趵突泉、黑虎泉电导率受季节性影响大,奥陶纪含水层地下水所占混合比较大;潭西泉、珍珠泉补给来源稳定,寒武纪张夏组含水层地下水所占混合比较大。（4）温度特征反映泉水主要受深部循环水补给,同时受少量浅部地下水补给,王府池子、珍珠泉、潭西泉相对黑虎泉、趵突泉接受深层循环水补给较大。（5）混合比计算结果显示直接补给区岩溶水对黑虎泉、趵突泉补给贡献较大,间接补给区岩溶水对潭西泉、珍珠泉、王府池子补给贡献率较大,另外回灌补源对于潭西泉、珍珠泉、王府池子影响较大,而对黑虎泉几乎没影响。（6）济南四大泉群补给模式存在差异性。黑虎泉泉群属于东南—正南奥陶补给模式;趵突泉泉群属于西南—正南奥陶补给模式;五龙潭泉群属于西南—正南张夏补给模式;珍珠泉泉群属于东南—正南张夏补给模式。

岩溶含水介质是一种包含了孔隙、裂隙、岩溶管道、小溶洞等多种空隙结构的复杂含水层体系,区域岩溶发育程度的不同使得含水介质的空隙结构具有高度的各向异性和非均质性以及分布不均一性,严重影响了岩溶地区地下水的运动状态与规律,因此,研究含水介质空隙结构的水力性质对更好地掌握岩溶地区地下水运动提供一定的科学依据。本文以济南泉域为研究对象,集中排泄区为主要研究区域,对研究区的区域地质、水文地质条件进行分析的基础上,采用室内物理实验、仿真模拟、CT扫描和三维重建技术、地下水动态分层监测、示踪试验、水位相关性分析以及多孔介质渗流模拟和CFP双重介质耦合模拟等方法,对济南泉域含水介质空隙结构的水力性质进行了一定的研究,主要分析了裂隙结构的水力性质,确定了济南泉域集中排泄区的单一岩溶管道结构的位置,进行了双重介质耦合模型对泉水位动态的模拟,并分析研究了空隙结构水力性质对泉水的影响,为更精准地预警泉水位动态变化,及时制定保护岩溶大泉措施提供科学依据。本文通过上述分析研究,主要得出以下结论:（1）以济南泉域内的北庵庄组和三山子组灰岩为例,采用CT扫描以及三维重建技术定量地研究了本次实验岩心的空隙结构,并对试样岩心进行室内渗流实验和仿真模拟,结果表明裂隙流和孔隙流运动规律都不符合达西定律的线性规律。（2）分析了室内裂隙流实验数据与典型非线性水力性质公式之间的关系,结果发现,从误差分析角度以及实际的物理意义角度,达西-韦斯巴赫公式都比较适用于表达注重裂隙结构对岩心水流运动作用时的水力性质。同时,形成了改进后的达西-韦斯巴赫公式,使理论计算流量与实验数据的拟合精度大大提高。（3）根据研究区域的水文地质概况以及地下水流场进行了示踪试验,记录示踪试验过程中监测点的示踪剂浓度监测数据,观察位于泉位置的示踪剂浓度变化曲线图中的波峰数量可以确定研究区域中的岩溶管道数量。该方法在济南泉群排泄区应用验证表明济南泉群上游存在着单一岩溶管道。（4）将落入示踪试验范围内的观测孔水位观测数据与泉水位建立回归方程,根据回归方程求得相关性系数,并且对研究区域内的地下水监测孔进行地下水水质分层实时监测,以及结合钻孔资料中岩溶发育的位置进行综合考虑可以确定岩溶管道的平面延伸位置以及垂向分布位置。该方法在济南泉群排泄区应用验证表明,济南泉群上游S1孔标高15.93m处—S4孔标高-25.71m处—S10孔标高-37.34m处—趵突泉标高-39.84m处存在单一的岩溶管道。（5）建立济南泉域地下水水流数值模型,完成了多孔介质渗流模拟的识别与验证阶段,水位的拟合结果均达到了精度要求,且济南趵突泉的计算水位值与实测值之间的误差平方和为6.632。在多孔介质渗流模拟的基础上,通过MODFLOW-CFP程序进行了渗流—管道流的耦合模拟,其趵突泉的计算水位值与实测值误差平方和为3.065,双重介质耦合模型能够更加精准地模拟济南泉水位的动态变化过程。（6）对裂隙结构的曲折度、直径以及粗糙度对流量或泉水位的影响进行分析,研究发现泉水位模拟值的上升幅度与管道曲折度的增加幅度之间具有线性正比关系,泉水位模拟值上升幅度与直径的增加幅度成幂函数关系,管道内流量在紊流状态下随着粗糙度的增加而减小,且减小趋势服从对数函数规律。