娘子关泉流量下降原因分析及对策研究

2012-09-05窦艳芳

地下水 2012年3期

关键词：泉域补给量娘子

窦艳芳

(山西省阳泉市水资源管理委员会办公室，山西阳泉 045000)

娘子关泉流量下降原因分析及对策研究

窦艳芳

(山西省阳泉市水资源管理委员会办公室，山西阳泉 045000)

娘子关泉域是我国北方最大的岩溶泉之一。多年来，娘子关泉作为阳泉市唯一可靠供水水源，为当地国民经济和社会发展发挥了重要的作用。通过对娘子关泉域水资源系统补、径、排关系和娘子关泉水流量下降原因进行综合分析，从水质、水量两方面提出了减缓资源量衰减的预防措施和水资源保护措施，为娘子关泉域决策管理提供科学依据。

流量;下降;保护;对策

水是人类维持生命和经济发展不可缺少的宝贵资源，水资源的开发利用为人类社会进步、国民经济发展提供了必要的基本物质保障。随着社会经济的快速发展、人口增长、城镇化步伐加快及人民生活水平提高，对水的需求量不断增加，水资源匮乏、水资源供需矛盾、水污染严重和生态环境日益恶化，所构成的水危机已成为实施可持续发展战略的制约因素。

娘子关泉域位于山西省东部，太行山中段西侧，地跨阳泉市的城区、郊区、平定县、盂县，晋中市榆次区、寿阳县、昔阳县、和顺县、左权县、太原市的迎泽区等行政区，总面积为7 217 km2，其中裸露岩溶区面积为 2 282 km2，占31.6%，隐伏岩溶区面积为4 935 km2，占68.4%。多年平均流量达10.68 m3/s。作为我国北方最大的岩溶泉之一，多年来为当地国民经济发展和经济建设发挥了重要作用。

1 自然概况

娘子关泉出露于阳泉市娘子关附近桃河与温河的汇集地段，属于海河流域滹沱河水系。泉群由坡底泉、程家泉、城西泉、五龙泉、石板磨泉、滚泉、河北村泉、桥墩泉、禁区泉、水帘洞泉、苇泽关泉等11个泉组组成(表1)，分布在程家到苇泽关之间约7 km长的河漫滩及阶地上，出露标高为360～392 m。

表1 娘子关泉群主要泉组一览表

娘子关泉域属暖温带大陆性季风气候，一年中四季分明，常年受西北环流带影响，一般每年11月至翌年5月受西伯利亚寒流影响，西北风盛行，干旱少雨(雪)，蒸发强烈，“十年九旱”;6－9月，受太平洋暖湿气流控制，多东南风，降水集中，多呈阵雨间或暴雨发生，并时有冰雹及伴有短时大风。泉域多年平均水面蒸发量1 202 mm(2601型蒸发器值)，多年平均气温10.9℃。泉域多年(1956－2003)平均降水量523 mm。娘子关泉域内除潇河属黄河流域汾河水系外，其余河流均属海河流域子牙河水系。其中较大支流有乌河、龙华河、温河、桃河、绵河(温河、桃河汇流后称绵河)、松溪河、清漳河东源、清漳河西源、洪水河等。潇河的主要支流有白马河、涧河等。

2 水资源系统综述

娘子关泉域水资源系统是一个庞大的以岩溶地下水为主体，包括地表水和中浅层地下水在内的系统。从下垫面的性质来看，可以截然分为东西两部分，西部为上游区，大面积分布二叠系及三叠系碎屑岩，基岩裂隙水较多，地表水系发育，多建有小型水库，河谷宽阔，并有10～20 m厚的砂砾石层，形成河床孔隙水含水层。在靠近阳盂、阳左公路一线出露石炭系地层，其中的石灰岩夹层形成层间岩溶裂隙含水层。在阳盂、阳左公路以东为大面积分布的奥陶系可溶岩，东部的地表水进入本区后多入渗地下，地表多为干谷，地下则形成强大的岩溶含水层。

根据目前圈定的系统范围，虽然包括了潇河上游白马河流域的一部分，但该流域基本处于碳酸盐岩埋藏区，大气降水及地表径流对岩溶地下水没有补给，有补给的是温河、桃河、松溪河及清漳河流域的降水、地表水及浅层地下水。

娘子关泉域水资源系统是由多种类型的水资源和多个系统组合而成的。地表水包括了北部的温河、中部的桃河、南川河和昔阳县的松溪河以及南部的漳河。从地下水来看，除了大面积奥陶系岩溶含水层外，还有西部各河谷冲洪积层孔隙含水层及石炭系层间岩溶裂隙含水层。上述地表水和地下水之间均有不同形式的补排关系，因而形成统一的水资源系统，其特点如下:

(1)系统水资源总输入是区内大气降水:在西部，大气降水除蒸发外，很大部分转化成地表水，一部分转化成浅层地下水，包括河床冲洪积层潜水、石炭系层间岩溶裂隙水、基岩裂隙水等。在东部，除蒸发和形成少量地表径流外，基本上都渗入地下转化成深层岩溶水。

(2)地表水与各种类型地下水之间，存在着不同形式的水量转换。以桃河为例，地表河水分别穿过河谷松散层孔隙含水层分布区和碳酸盐岩分布区产生渗漏补给这两种地下水，下游到达娘子关排泄区，岩溶地下水排出地表转化成为地表水，与地表洪水一起流出系统。桃河河水在泉域内的径流过程中分别同雨水、碎屑岩裂隙地下水、层间岩溶裂隙地下水、河谷松散层孔隙地下水、深层岩溶地下水发生水量转化，起到了串连各种水资源的作用。

(3)奥陶系含水层是本区最大的岩溶水盆地，它将本区大量的降水、地表水、浅层地下水转化成深层岩溶水，经过储存、运移、调节，把季节性很强的降水变为动态稳定的岩溶泉水。

此外，天然条件下，各河谷松散层孔隙地下水在向下游潜流进入灰岩区后，产生对岩溶地下水的补给。上述各要素对地下水滞留、储存均起到一定作用。

3 泉流量变化趋势

自上世纪60年代以来，娘子关泉水流量动态虽然受降水量波动的影响，呈现出一定的起伏，但总体上一直处于趋势性下降状态(图1)，流量衰减的线性斜率为 0.163 2。到2009年末，泉水流量已由1959年的13.1 m3/s衰减到了6.89 m3/s，这一问题一直受到各方的重视，不少专家都提出过不同的看法，其原因不外乎是天然降水量减少、岩溶地下水开采量增加、泉域内采煤对下垫面破坏减少了碎屑岩区地表产流量而导致对岩溶地下水的渗漏补给量减少等天然、人为和水环境因素，但这些分析多数仅停留于定性分析层面，到底哪些是引起泉水流量衰减的主要因素，哪些是次要因素，到目前为止还没有比较满意的答案。根据现有的监测资料，结合工作实际，对引起泉水流量衰减的原因作如下分析。

图1 1956－2000年泉水流量变化

4 泉流量衰减原因

以1956～1979和1980～2000两个系列进行对比的方法分别对各种引起泉水流量衰减的因素进行分析。由娘子关泉水流量观测资料可知，前后两期的平均流量分别是12.61 m3/s和 8.54 m3/s，总计减少 4.07 m3/s。

4.1 降水入渗补给量的减少变化

4.1.1 降水量减少

娘子关泉域内最早进行观测的雨量站是平定站，始于1927年。从平定站观测看出，自有观测记录以来，泉域内降水量整体上呈现了减少趋势，特别是进入上世纪60年代后，减少的趋势更加明显。

1956～1979年泉域年均降水量为535.81 mm，1980～2000 年则为 489.60 mm，共减少了 46.2 mm，减少了 8.6%。按照前面计算的降水入渗系数，计算得两期的降水入渗补给量减少 0.84 m3/s。

4.1.2 陆面蒸发量增加

工业革命以来，全球气温总体呈上升趋势，特别是进入上世纪90年代后气温升高的趋势更加明显。气温升高导致在同等降水量下，陆面蒸发量必然增加。其结果将减少雨水的地表产流量和对岩溶地下水的入渗补给量。具体地对岩溶地下水的影响主要表现在降水入渗系数的减小。

以阳泉气象站为例，前后两个系列的平均气温分别为10.82℃和11.28℃，采用泉域1956～2000年的平均降水量517.62 mm，根据陶凯经验公式计算，后期的陆面蒸发量比前期增加了5.14 mm，由于气温升高而减少的量为0.137 6×108m3/a(合 0.436 m3/s)。

以上两项合计，则由于气候因素变化，使得泉域岩溶地下水的入渗补给量的总减少量为1.276 m3/s。

4.2 河流渗漏量的减少变化

由前所述，对娘子关泉域内岩溶地下水有渗漏补给的河流主要有6条，其河水主要来源于流域上游的碎屑岩地区，因此，地表产流量的变化直接影响到河流渗漏量的大小。1956～1979年和1980～2000年前后两期的实测年平均径流量从 0.311×108m3/a减少到 0.256×108m3/a。

根据地表来水量及计算的各河流渗漏系数，计算得娘子关泉域内1958～1979年和1980～2000年两期的河流平均渗漏量分别是 2.45 m3/s和 1.61 m3/s，两项相差 0.84 m3/s。

4.3 开采量的增加

泉域内岩溶地下水的开采对娘子关泉水流量的衰减影响是直接的，虽然由于地下水系统的调节作用存在影响的滞后性，但从超过地下水循环周期的系列来分析，开采量与泉水流量的减少量之间可以认为是1比1的关系。

根据阳泉市水资办和山西省泉域管理处的统计资料，前后两个系列的平均开采量为0.071 8 m3/s和0.532 m3/s，因此，由于泉域内岩溶地下水的开采所引起的两个系列泉水流量减少量为0.46 m3/s。

4.4 外围潜流补给量的减少变化

由娘子关泉域边界条件可知，在泉域西侧从北砖井起至马庄～伞儿树～牛驼西，存在长20 km的弱潜流边界。太原枣沟和寿阳平头直线距离26.8 km，1985年两地的岩溶地下水位分别是814.13 m和787.67 m，由此算得天然状态下的水力坡度为0.000 987。由娘子关泉域管理处提供的资料知，在边界附近的太原观家峪、太原马庄和榆次北砖井三个岩溶地下水钻孔平均渗透系数为14.93 m/d，边界处的岩溶含水层深埋于200～600 m之下，取含水层厚度300 m，根据达西流公式，由以上数据估算得潜流补给量为88 444 m3/d(1.02 m3/s)。上世纪80年代后期，由于太原东山、榆次等地岩溶地下水的大量开采，造成了区域地下水位下降，1994年岩溶地下水位观测资料表明，位于边界东侧娘子关泉域内的观家峪岩溶地下水位(800.27 m)已高于西侧枣沟岩溶地下水位(795.40 m)，说明90年代后期已不再有潜流补给娘子关泉域。

4.5 其它补给量变化

泉域内其它类型地下水在天然条件下，通过一些途径补给岩溶地下水，例如各河流上游地区松散层孔隙地下水，在天然条件下这部分水沿河谷含水层向下游潜流，当流出下伏煤系隔水层分布区进入碳酸盐岩区后，便向下渗入补给岩溶地下水。人工对这些河谷松散层孔隙地下水的大量开采，使得向下游的潜流量减少，从而导致了岩溶地下水补给量的减少，最终引起泉水流量的减少。以桃河河谷含水层为例，计算的最大潜流量可达180×104m3/a，而目前的潜流量几乎为零。由前面的资源计算结构可知，1956～1979年和1980～2000年前后泉域岩溶地下水的其它补给量的减少量为0.06 m3/s。

此外，矿山开采，土地的利用，交通、住宅、厂矿的用地，改变了地表水的产流条件和碎屑岩区地下水循环条件，同时也改变了河水对岩溶地下水的渗漏补给条件，使得部分岩溶地下水入渗补给区变为零入渗区，从而导致了降水入渗补给量减少。

综上所述，引起娘子关泉水流量衰减的因素是多方面的，包括自然因素、人为因素和水环境因素的改变，对娘子关泉水在1956～1979年和1980～2000年两个系列中减少的4.07 m3/s流量，通过初步量化计算，有约3.5 m3/s的流量是基本可以确定的，其余减少流量，有待进一步的深入研究工作。

5 对策

娘子关泉域水资源系统是一个由多种水资源类型要素构成的巨型复杂水资源系统，任何一种水资源要素的质量变化都可能引起其它水资源的质量变化，特别是对泉域内的最终排泄要素岩溶地下水的影响往往是直接的。而娘子关泉作为阳泉市的“母亲泉”，如何采取措施，遏制泉流量衰减，避免断流悲剧发生，实现水资源的可持续利用是当务之急。

5.1 建设节水型社会

节约用水是缓解水资源供需矛盾，实现水资源可持续利用，促进经济社会可持续发展的战略措施。强化计划用水、节约用水管理，由水行政主管部门统一下达用水指标，鼓励各行业积极采用先进节水技术设备，降低耗水量，提高复用率。同时要有计划地调整产业结构，大力推行高产出，低水耗的产业，加快节水型工业、节水型农业和节水型城市建设的步伐。