娘子关泉域岩溶水资源特征分析

冯养云

(山西省水文水资源勘测局)

1 泉域水资源简况

娘子关泉属山西省19 个岩溶大泉之一，位于平定县娘子关镇附近，出露于桃河与温河汇集地段。主要由11 个泉组组成，分布在自程家至苇泽关约7 km长的河漫滩及阶地上，出露高程360 -392 m。泉群多年(1956 -2003)平均流量10.6 m3/s，是我国北方流量最大的岩溶泉之一。1984年前，泉水流量年际不稳定系数为1.5，属稳定型泉水;后期因为泉域水环境的改变，泉水流量衰减严重，不稳定系数(1985 -2003)增加到2.77。泉水水化学类型一般为SO4·HCO3-Ca +Mg 或SO4·HCO3-Ca 型水，溶解性总固体600 -700 mg/L，总硬度450 -480 mg/L，水温19.2℃。泉域多年平均降水量为534.3 mm(1956 -2003)，其分布跨越海河及黄河两大流域，主要河流为桃河、温河、松溪河和清漳河。

2 泉域边界及地质环境

2.1 西北部边界

从马驼到黄岭，总体走向东西，为娘子关泉域与兰村枣沟岩溶水系统的地下分水岭边界;中段从黄岭到水岭底，走向北东，由东山背斜和走向北东的断裂带构成，背斜轴部下奥陶统相对隔水层隆起，断裂带附近出露有火成岩，构成隔水边界。

2.2 北部边界

从水岭底到蚍蜉脑北侧榆林只，构成娘子关泉域与北侧兴道泉域等岩溶地下水的分水岭边界;榆林只向东到六岭关出露下寒武统区域隔水层。

2.3 东北部边界

从六岭关，经仙人—黑掌(1 192 m)—黄统岭—石榴嘴，为娘子关泉域与勿勿水泉及神水泉(均属威州泉域的子系统)的地表分水岭。山顶多由O2灰岩组成，其下为相对隔水的O1白云岩。其中庄只一带地表出露长城系石英砂岩和太古界变质岩，形成隔水岩层及断层阻水边界(长约2 km)。

2.4 东部边界

东部边界在昔阳阎庄以北到娘子关一带，为娘子关泉域岩溶地下水与东侧威州泉域、东固壁泉域岩溶地下水分水岭边界，以南是由下寒武统区域隔水层组成的隔水边界。

娘子关泉口下游，由01白云岩构成隔水边界，长约9 km，构成娘子关泉域与东侧威州泉域之间的弱透水边界。计算结果表明，向威州泉域的总潜流量约为0.55 m3/s。

2.5 南部边界

从申家-连壁-新上岭，为娘子关泉域与辛安村泉域的地下分水岭。

2.6 西部边界

地表出露二、三叠系砂、页岩，灰岩深埋1 000 -1 200 m 以下，构成岩溶地下水滞流性隔水边界。西北段由西至东自郝庄—段庄—五台脑，中段为海河(清漳河东源)与黄河(潇河)两大水系的分水岭。由北向南五台脑—昔阳大寒掌—榆次关上北人头山。西南段为清漳河西源与浊漳河北源的地表分水岭，亦为和顺、左权与榆社县的行政边界。由北向南自人头山—安阳岭—新上岭。

由上述边界圈定的泉域分布范围包括阳泉市的平定、盂县、城区、郊区，晋中市的榆次、寿阳、昔阳、和顺、左权，以及太原市的南郊区等县、区，总面积7 226.72 km2，其中可溶岩裸露面积2 250 km2。按市级行政区域划分:阳泉市2 430 km2，晋中市4 688 km2，太原市99 km2，省区外9.72 km2。

3 泉域岩溶水资源特征分析

从构造上看，泉域处于沁水向斜的北东翘起端，泉域内出露的地层有前寒武系、古生界、中生界、新生界地层，自东向西，由北向南，由老到新排列分布，其中奥陶统岩溶含水层组，沉积厚度467 -628 m，为岩溶水的贮存、运移提供了巨大的调蓄空间。

3.1 水资源系统要素组成特征

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，大致以阳盂、阳左公路为界，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，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。阳盂、阳左公路以东则大面积分布奥陶系可溶岩，西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。

娘子关泉域水资源系统是由多种类型的水资源组合而成的，地表水和地下水之间均有不同形式的补排关系，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的大气降水。在西部，大气降水除蒸发外，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，地表河水在西部接受大气降水、碎屑岩裂隙地下水补给后向东径流，沿途分别穿过河谷松散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，向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。各地表河流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，起到了联系各种水资源要素的纽带作用。

(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。

3.2 岩溶地下水的循环与富集特征

(1)补给。归结起来，娘子关泉域岩溶地下水主要有以下补给项。

1)大气降水直接入渗补给。碳酸盐岩裸露区与覆盖区降雨入渗是泉域岩溶地下水的主要补给来源。根据阳泉市第二次水资源评价结果，多年平均降雨入渗补给量为8.94 m3/s(计2.82 ×108m3/a)。

2)河流渗漏补给。娘子关泉域内从北向南发育有温河、桃河、南川河、松溪河、清漳河5 条东西向河流，各河流接受西部碎屑岩区产流后向东进入碳酸盐岩裸露区发生渗漏。泉域内河流总渗漏量为2.17 m3/s (计0.684 ×108m3/a)，占到岩溶地下水天然补给总量的19%。

3)其他补给量。泉域范围内碳酸盐岩裸露区的大石门水库、油瓮水库都对岩溶地下水产生渗漏补给。此外，在各河流上游碎屑岩区河谷内冲洪积层中均储存有孔隙地下水，这部分地下水在天然条件下沿河槽向下游区渗流，到达碳酸盐岩裸露区后通过地下潜流补给岩溶地下水。

(2)岩溶地下水的径流与富集。受沁水向斜北东翘起的影响，岩溶含水层的总体构造展布是由北东向西南倾斜，因此，在泉域北部、东南部大面积出露的碳酸盐岩区接受降雨入渗补给的岩溶地下水首先顺地层倾向向斜轴部渗流，在碳酸盐岩裸露区西南侧受上覆隔水顶板阻挡而汇集。岩溶地下水在埋藏区的一定深度内汇集，并为岩溶发育创造了有利条件，大致沿地层走向分别在北部和南部形成岩溶地下水主径流带。桃河、温河的下切在泉域中部东端打开了岩溶地下水排泄缺口，因此汇集在平定、阳泉一带岩溶地下水改向向娘子关一带径流排泄，形成了逆地层倾向的东西向径流带。整个泉域岩溶地下水渗流从平面上就是围绕北部、南部与中部三条“丫”字型岩溶地下水强径流带的渗流汇集，向娘子关方向运移，沿强径流带及两侧形成了岩溶地下水的富水区。

中奥陶统碳酸盐岩以质纯灰岩、斑状白云质灰岩为主夹三层膏溶角砾岩，分布于整个泉域内并广泛出露于东部、北部及东北部广大地区，是岩溶地下水的主要含水岩组。中奥陶统地层为典型的硫酸盐岩—碳酸盐岩混合构造，岩溶作用具有分层性。峰峰组与上、下马家沟组从上而下，岩性特征为石灰岩—角砾状石灰岩—角砾状泥灰岩或泥灰岩。每组下段含石膏泥灰岩或角砾状泥灰岩，岩石软塑，发育蜂窝状溶孔但不连通，形成相对弱透水层。上覆灰岩由于石膏溶解时的膨胀挤压，岩石破碎，形成角砾状石灰岩，岩溶发育(多有小溶洞)，为主要含水层位，构成垂直方向上的地下水富集层。

3.3 岩溶地下水的排泄出露特征

绵河对地表的下切塑造，使得娘子关一带从地形上构成泉域内最低点，同时也是泉域奥陶系岩溶地下水含水层出露的最低点。泉域内岩溶水接受补给后，在重力驱动作用下，由北、西、南三面向娘子关一带径流汇集。受泉域内下奥陶统燧石团块或条带白云岩相对隔水层的隆起，并被桃河侵蚀出露，使岩溶地下水溢出地表成泉。娘子关泉是由隔水底板阻水而形成的泉水，基本上为全排型泉。

4 泉域水资源保护措施

娘子关泉是阳泉市经济发展和人民生活的生命泉，随着泉水流量减少形势的不断严峻，加强泉域保护，刻不容缓。为了加强泉域保护，达到涵养水源、永续利用的目的，需采取以下措施:一是加强植树造林与封山育林，快速恢复植被;二是严格审批制度，控制新打深井和新建引水工程;三是坚决禁止在泉域内新上存在一定排污能力的企业，并切实做好老企业的污水处理，严防泉水污染;四是地方制定切实可行的泉域取用水补偿政策，以推动泉域保护工作顺利开展。