济南泉域岩溶地下水系统固有的开放性和脆弱性，在自然和人工地质营力双重作用下，表现出系统水环境的整体缓变性和局部强变性。由于岩溶环境作为一种特殊而脆弱的生态环境，在环境污染的发生、发展和治理上都有其特殊性，必须搞清楚岩溶水环境要素的演化规律。因此，分析济南地区岩溶地下水系统功能退化与相关环境问题产生的历史与发展趋势，对泉域地质环境保护具有重要意义。
一、泉水断流
济南具有数千年的泉水历史文化，独特的水文地质条件，形成了以趵突泉为首的市区四大泉群，其中市区2.6km2范围内的名泉有150多处(部分掩埋消失)，数量之多，世界闻名。20世纪50～60年代，济南市区年平均水位30m左右，市区的趵突泉、黑虎泉、五龙潭泉及珍珠泉四大泉群争相喷涌，景色壮观，西郊腊山泉、峨眉山泉也长年出流。随着城市发展对水资源需求量逐年增加，造成水位的连年下降，泉流量减少，市区泉群自1972年枯水期首次断流，自此后经常在枯水期出现断流。80年代以来，泉水断流的时间延长，泉流量急剧衰减。据长测资料，多年来，泉流量与市区水位变化基本一致，总体呈现水位下降、泉流量衰减趋势，但泉流量变化幅度大于泉水位变化幅度。济南泉区动态可分为以下4个阶段:
1.1959～1967年高水位大流量阶段
该时段内，大气降水量充沛，1961～1964年降水量均在800mm以上，最大1196mm，市区年平均水位在28.75～32.85m，泉流量一般在30万～50万m3/d。地下水开采量较少，仅4.7万～12.6万m3/d，外围地下水开采量更小。
2.1968～1975年中等水位中流量阶段
市区地下水开采量自1968年的14.87万m3/d，增至1975年的27.9万m3/d。由于市区开采和东郊高新技术开发区各自备水源地的投产，造成泉水于1972年枯水期首次断流。虽然市区年均水位维持在28.06～28.75m水平，但因开采袭夺大量泉水补给量，泉流量基本维持在14万～16万m3/d。
3.1975～1981年水位下降泉流量衰减阶段
该时段市区地下水开采量达到历史最大的31万m3/d，同时西郊腊山、峨眉山水厂相继投产，年平均水位由1975年的28.16m，降至1981年的26.78m，降速为0.197m/a。
4.1982～2002年低水位断续出流阶段
自1982年以来，东郊、市区、西郊水源地开采布局基本稳定，虽然市区开采量减少，但自来水、工业自备井的总开采量基本稳定在55万m3/d左右，加上气象因素的影响，出现多次较长时间的断流，如1982年持续断流220d;80年代后期，济南地区连续干旱，至1990年枯水期泉水位降至历史最低水平的20.8m，1989～1990年连续断流250d;1999～2002年，济南地区又遇连续干旱年份，断流时间932d，这是历史上断流时间最长的一次。总体上，自1982～2002年，泉水出流与断流交替，但断流时间多于出流时间(图11-11)。
图11-11 济南泉水断流天数统计图
从1959年至2001年，市区水位由30.4m降至25.964m，降幅4.436m，年均0.11m。
以上分析表明:泉流量衰减过程，也是济南开采地下水规模逐渐扩大的过程。由于泉水断流，不仅影响到济南的旅游业，而且影响到大明湖和小清河的水质状况。
1960年至1966年西郊水源地附近，除当地农业开采，无集中工业开采，水位稳定在30～33.9m之间，属天然状态。由于市区和西郊关系密切，因此随着市区开采量增加，以及峨眉山、大杨庄、腊山水厂的建立，至1982年西郊水位降至28.27m，自1966年至2001年降速为0.219m/a;1982年至1999年，西郊水位受开采和降水影响变动较大，但降速减缓为0.057m/a。
20世纪60年代，东郊高新技术开发区水位在31～32m，1964年平均水位31.92m，属天然状态。60年代中期以后，随着电厂、铁厂、炼油厂相继建立，开采量增大，至70年代水位降到24～25m，降速0.5～0.6m/a，2002年枯水期，部分地段低水位达到0.964m。
多年来，泉流量与市区水位变化基本一致，总体呈现水位下降、泉流量衰减趋势(图11-12)。自1982年至今，泉水出流与断流交替，但断流时间多于出流时间，枯水期市区水位低于泉水出流标高27m，至80年代中期初步形成市区、西郊和东郊开采漏斗区，以地下水位标高27m为基础，计算市区漏斗面积在40km2左右(表11-1)。
图11-12 济南泉水位与流量对比曲线图
表11-1 四大泉群附近漏斗变化统计表
二、岩溶水水化学环境演化
根据近年来泉域水质监测资料，区内***检出76种有机污染物。其中，60%以上检出酞酸酯类和杂环芳烃等。东郊水厂、卧虎山水库、孟家庄地下水、西郊水厂、锦绣川水库、西营地下水污染较重，合计检出59种有机污染物。水质测试结果表明，济南岩溶地下水系统水环境发生了较大改变，应给予足够重视。
1.泉域岩溶水水质变化过程
近年来，随着人类活动的加剧和开采量增加，本区岩溶水水质有逐渐恶化的趋势，特别是20世纪80年代以来，岩溶水化学组分含量快速增加。以下以西郊、市区、东郊为例，分析对比泉域Cl－、SO2－4、NO－3离子与总硬度、矿化度多年来的变化趋势。
从峨眉山水厂历年来常规组分分析，自1959年到2004年各组分含量均有不同程度升高，特别从20世纪80年代后期开始，各组分含量增加迅速，并在1996年达到峰值。2004年，岩溶地下水的矿化度是1959年的1.53倍，总硬度是1.22倍，Cl－是2.37倍、SO2－4是25.34倍。各项组分主要来源于人为污染，主要为汽总分厂、生建摩托厂、山东水泥厂、长城炼油厂等企业的三废排放。由于西郊水源地附近岩溶地下水主要接受玉符河流域降水和河水入渗补给，玉符河冲洪积扇地表渗漏强烈，随着西郊的大面积规划建设，该区域水质恶化趋势仍会继续。
1958年以来，市区附近地下水化学组分也呈上升趋势(图11-13)，Cl－、SO2－4、NO－3上升趋势较明显，2004年矿化度是1958年的1.321倍。
图11-13 市区地下水矿化度变化趋势图
虽然各组分含量增加，但Cl－、SO2－4、NO－3三项指标均未超过《国家饮用水水质标准》，其中，总硬度、矿化度的增幅较小。
东郊地区水质变化趋势与市区、西郊基本一致。2004年，地下水矿化度是1958年的2.09倍，但氯离子、硫酸盐、矿化度、总硬度的增幅比市区、西郊大，说明东郊高新技术开发区三废排放对岩溶地下水影响大于市区和西郊。
综上，泉域岩溶地下水SO2－4、Cl－、NO－3、硬度、矿化度升高是生活污水、工业废水及农业生产等人为因素***同造成的，其影响程度东郊最大，市区和西郊次之。
2.岩溶水污染现状
Ⅰ常规离子污染:研究区常规离子污染主要有总硬度、溶解性总固体、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐等，呈点状分布，其中硝酸盐、SO2－4超标率为1.6%，溶解性总固体超标率为3.2%，NO－2超标率4.8%，总硬度超标率达12.9%。地下水硬度、矿化度、SO2－4最大超标倍数分别为3.0倍、2.5倍和4.8倍，说明岩溶地下水已遭受到工业污染。如邵而庄附近硬度、NO－3均超标，说明这一地段地下水已受到工业污染及生活垃圾污染;北汝、埠东NO－2含量较高，污染物超标倍数分别为2.2倍、1.5倍，但NH+4的含量低，说明这2个地段生活垃圾污染较重，而且微生物活动强烈，水质不稳定;经十东路、政法学院、井家沟一带硬度均超标。
Ⅱ五毒元素(酚、氰、As、Cr6+、Hg)污染:地下水中“五毒”元素含量增高表明地下水已受到工业污染。据枯水期系列水质分析资料表明，泉域内“五毒”元素污染较轻，仅为点状污染，而未见酚、CN、As超标地段，但CN的检出率达7.14%，在井家沟、吉而屯及孟家庄均有点状分布，浓度分别为0.02mg/L、0.012mg/L、0.02mg/L、0.006mg/L，但均未超过Ⅲ类水质标准。
Ⅲ重金属离子污染:Cu、Pb、Zn在天然水中含量较低，1999年在杜庙检出，含量为0.016mg/L，1997年曾在石河岭检出，含量为0.022mg/L，均未超标。
Pb是积累性毒物，是水体污染的重要标志之一，1999年在西郊大杨庄、南部山区兴隆和华能水厂及W19孔有检出，1997年曾在徐家庄检出，但均未超标，Pb、Cu检出率为3.6%，Pb分别在鸡山、岔河检出，含量为0.01mg/L、0.04mg/L。Cu分别在岔河、经十路检出，含量为0.92mg/L、0.011mg/L，均未超标。Zn是人体必需的元素之一，检出率为25%，最高含量在武家村，含量为0.42mg/L。Cd、Mo尚未检出。
Ⅳ油类污染:东、西郊炼油厂附近存在油类污染历史已久，根据检测结果，东郊炼油厂某供水井油含量0.22mg/L，西郊一机井油含量0.09mg/L。
三、岩溶水环境质量评价
1.评价标准
地下水质量评价以《地下水质量标准》(GB/T14848—93)为标准进行单项组分和综合评价(表11-2，表11-3)。
表11-2 地下水质量评分表
表11-3 地下水质量评价标准
2.评价项目
根据饮用水水质标准，选取NH+4、Cl－、SO2－4、F－、NO－2、NO－3、总硬度、矿化度、pH值、As、Hg、Cu、Cr6+、Pb、Zn、酚、CN－、Cd、Mo***计19项组分参与评价(表11-4)。
3.评价方法
为能够准确反映现状地下水质量情况，以调查所得资料为基础，进行综合评价，当某一组分小于仪器最低检出值时，按仪器的最低检出值进行评价。
地下水质量综合评价，采用加附注的评分，按公式计算F值。
计算公式:
山东省地质环境问题研究
式中: 为各单项组分评分值Fi的平均值;Fmax为Fi中的最大值;F为综合评价分数值。
计算结果见表11－4。
4.地下水质量评价结果
区内岩溶水仅在西郊井家沟1个取样点水质极差，8个取样点水质较差，其余43个检测点水质均为良好。根据综合评价将水质分级划分为:良好区、较好区、较差区、极差区，研究区内无水质优良区(图11-14)。
(1)水质良好区(Ⅱ)
研究区内大部分地段属水质良好区，从南郊低山丘陵灰岩裸露区到北部隐伏区广泛分布，济南地区地下水大多属于此类。该区地下水类型以HCO3-Ca型为主，局部为HCO3-Ca·Mg型，各项水理指标符合饮用水水质标准，水质良好，适于作为生活或工业供水水源。
(2)水质较好区(Ⅲ)
分布于水质较差区的外围，与较好区相连。该区内地下水各项组分中均未超过地下水质量Ⅲ类标准，可以作为集中供水水源。
(3)水质较差区(Ⅳ)
主要分布在研究区中部，后魏华(段54)、后龙窝(+3)、政法学院(政1)等，研究区东、西部仅点状分布于埠东、武警医院、邵而、北汝，地下水中部分项目超过饮用水水质标准，适宜农田灌溉和工业用水，用作饮用水水源需加处理。
(4)水质极差区(Ⅴ)
表11-4 地下水化学组分质量表
图11-14 岩溶地下水质量分区图
本区仅分布在井家沟一带，综合评价为Ⅴ级水分布区，地下水主要受工业及农业严重污染，不宜饮用。地下水中SO2－4、总硬度、矿化度严重超标。
四、影响岩溶水环境的主要因素
1.城镇建成区扩大对岩溶水补给的影响
城镇化建设对泉水影响表现为城市面积逐渐增加，相应泉域岩溶水直接补给区面积减少。1954年济南城区面积仅28.89km2，位于直接补给区面积仅1.985km2。随着经济社会发展，城市规模逐渐增大，城市扩展方向主要向泉域东、东南、南部、西南方向发展。1960年前后，城区比1954年扩展9.10km2，80年代扩展15.905km2，至21世纪初比50年代扩展52.155km2(图11-15)。城镇化南扩速度最快时间段在80年代以来，由于城市化面积增加，地面固化，降水不能入渗地下而进入下水道和防洪沟，而防洪沟淤积严重，地形坡降大，不能形成有效入渗，降水白白流失。
图11-15 城区扩展演变图
现状年与60年代相比，在平均降水年份，由于城区扩展影响而减少的补给量为38488.44m3/d，相当于38万人每天的用水量;与70年代相比，入渗补给量减少35627.02m3/d;与80年代相比，入渗补给量减少32191.33m3/d。而其他三期相互比较，入渗补给量变化不大。各时期与现状年相比，入渗补给量减少较多，即80年代至今，城区扩展速度较快，地面硬化影响大气降水入渗补给，使泉域岩溶水补给量逐渐减少。
另外修筑公路等工程建设也占用大量土地，路面固化使岩溶水补给减少。近40年来，济南城市道路面积有较大增长，特别是80年代以来，道路建设速度加快，进入90年代，济南市道路建设进入急速增长期，道路面积迅速增加，2000年道路面积是1970年的9倍(表11-5)。
表11-5 济南市道路面积
由于城市建设地面固化，泉域地表径流量逐年增加。60年代径流系数0.5，至90年代增加到0.9。径流量增加，减少了地下入渗补给，大部分降水流失(表11-6)。
表11-6 20世纪不同年代径流量
2.山石开采对岩溶地表环境的影响
济南地区广泛分布碳酸岩盐地层，分布矿产有石灰岩、白云岩和铁矿、花岗岩及硬质粘土等。多年来，这些矿产资源的无序开发，不仅仅造成资源浪费，更重要的是破坏了泉域地表环境，对泉水补给带来不利影响。
(1)破坏植被，加剧水土流失
森林植被被称为“绿色水库”，据山东滕州羊庄均衡场有关试验资料表明，森林植被覆盖率平均增加1%，年降水量增加3mm。同时林地又是天然地下水库，林地植被可吸纳降水涵养水源，防止水土流失。但山石开采、挖土等人为活动，必然破坏地表植被，加之泉域南部山区许多中小型开采点属于个体经营，业主缺乏环境意识，开山采石造成大面积植被破坏，许多需要几年甚至几十年长成的水土保持植被破坏，开采后形成的废弃地寸草不生。有关资料表明，济南泉域南部山区植被覆盖率比新中国成立前有大幅度提高，但主要集中在南部低山区，而山前残丘石灰岩开采区，一般为荒山疏村和杂草丛覆盖，森林覆盖率在较低水平的基础上加上人为开采山石破坏，使树林、杂草丛面积进一步减少，加剧了水土流失，影响降水对泉域岩溶水的补给。
(2)破坏自然地貌景观，遗留陡壁、危崖、乱石，易诱发崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害
石灰岩是数亿年前的海底沉积物，地球内外营力的复杂作用，形成了现今特有的石灰岩地貌景观。石灰岩开采区，可谓满目疮痍，原有地貌景观荡然无存。特别是大量个体采石厂，开采过程中，不注意矿体的休止角问题，形成了许多陡壁、危崖。经过矿业秩序的治理整顿，许多采石厂关闭，这些陡壁、危崖、乱石遗留现场是崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的诱发因素。石灰石开采形成大量渣土，在暴雨的条件下易形成渣石流，如浆水泉水库南采石点，形成大量渣石流，正在逐步进入水库，又如仲宫镇东郭村南，因修路开山，产生滑坡、危及公路安全。
(3)粉尘污染
石灰岩矿山的开采造成粉尘污染主要包括空气污染、地表环境污染和对地下水水质产生影响。石灰岩矿山开采一般采取就地加工，形成了大量的石灰岩粉末，特别是石料(石子)加工厂，多未采取降尘措施，生产过程中，粉尘绵延弥漫，若遇大风，粉尘绵延数百米，造成局部空气质量下降。石灰岩粉尘随风飘移，使附近的山坡、草地、居民住宅、农田作物、树木枝叶等都覆盖了一层灰白色的粉末，不仅有碍观瞻，而且影响了附近居民的正常生活和植物的正常生长。
(4)对水质产生的影响
这些到处飘浮和散落的石灰岩粉尘，通过雨水、地表水的溶解，渗入地下，直接进入地下水中，使地下水中Ca2+浓度增加，硬度增大。有关研究表明:济南泉域内Ca2+浓度高值区与石灰岩开采区位置非常吻合。虽然目前尚未造成地下水硬度超标，但其不良影响可见一斑。
(5)采石场垃圾填埋处理
南部山区中心城区附近许多采石坑，被大量生活垃圾、建筑垃圾和渣土填埋，由于采石坑地势相对低洼，降水后积水淋滤生活垃圾，有害物质随之进入地下，造成岩溶水污染。
3.水利工程对岩溶水补给的影响
人类活动对沟谷河道影响主要表现在河水断流、河道占用、沟谷淤积、河道挖砂、沟谷垃圾堆积等方面，其降低了地表渗漏性能，造成泉水补给量减少。
泉域间接补给区主要分布在广大南部山区，包括马山、万德、高而、张夏、崮山、仲宫、柳埠、西营等乡镇，地层为寒武系中下统灰岩、碎屑岩和泰山群变质岩，地形起伏大，山势陡峻，深沟峡谷，剥蚀强烈，河流、沟谷纵横，地表径流发育。区内北沙河、锦银川、玉带河、锦绣川等修建有大中型水库，如卧虎山水库、锦绣川水库、八达岭水库等，由于南部广泛分布泰山群变质岩，其入渗条件相对碳酸盐地层较差，因此，大部分河流发源于此。由于该区沟谷深切，地下水大多就地补给，汇于沟谷短途运移、排泄，河流表流在70年代以前，汇集到玉符河、北大沙河，向下游径流，河水分别在朱家庄—潘村、崮山拦河坝—琵琶山段渗漏补给泉域地下水。间接补给区汇集地表径流和地下溢出量，通过河道进入直接补给区，如1963年卧虎山水库，通过溢洪道向玉符河放水约1亿m3进入黄河，一部分入渗补给地下水。据访问，卧虎山水库修建以前，玉符河基本常年有流，玉符河下游周王庄河段1962年8月19日河水位32.433m。随着卧虎山、锦绣川水库、岳庄水库大中型水库修建，拦截上游地表径流，加之气象因素的影响，70年代以来，源自间接补给区的地表水补给逐渐减小，如1988年卧虎山水库溢洪闸放水仅196万m3，仅占1963年放水量的1.9%。近20年来，玉符河道基本长年干涸，从1999年至今，卧虎山水库上游554km2汇水面积，除回灌试验放水外，未向玉符河放水。
根据有关资料，南部山区修建水库拦蓄地表水量达1.8亿m3，起着防洪和抗旱的双重作用。由于市区供水紧张，自1988年开始卧虎山水库向市区南部供水，锦绣川、卧虎山两大水库向党家庄兴隆、十六里河、分水岭一带直接补给区放水灌溉量逐渐减少，因此，泉水补给量也相应减小。
4.水土流失及其对岩溶水环境的影响
泉域岩溶水的主要补给来自直接补给区，而区内森林覆盖率相对较低，使其涵养水分的能力不高。济南泉域总面积1448km2，直接补给区内，致密覆盖区分布面积仅为34km2，占直接补给区的7%。直接补给区内植被以稀疏覆盖区为主，涵养水源能力高的致密覆盖区主要在济南市南部山区一带分布，如青龙山、英雄山、千佛山、羊头峪、龙洞庄、馍馍顶、穆阁寨、灵岩寺等地呈片状分布，在其他地段如饿狼山、铜锣山、竹竿顶、老虎窝、高而乡、仲宫镇及南部沿分水岭一带有零星分布，但面积较小。
泉域内致密覆盖区的总体分布特征为:致密区呈零星分布，面积较小，仅在局部地段面积较大，如龙洞庄、千佛山、灵岩寺一带，其他地段分布面相对较小，且其分布与地形地貌等特征密切相关，一般在山体北坡沿走向分布，覆盖区形状不规则。
在致密覆盖区内，树木分布密度较大，树龄较长，一般生长于山头或山坡上，植树后保护较好。土壤的蓄水能力强，有利于降水入渗补给地下水，能够增加岩溶地下水的补给量，使水土保持能力增强，有效预防地质灾害的发生，生态环境良好。