晋祠泉补水工程的地下水环境影响及保护措施分析

菅宇翔　范永平　孙　瑞　魏路锋

晋祠泉补水工程的地下水环境影响及保护措施分析

菅宇翔范永平孙瑞魏路锋

泉域补水可能对地下水水质及水位带来一定影响，须采取相应的保护措施。结合晋祠泉补水工程，通过确定补水水质标准，评价补给工程对泉域地下水水质及水位的影响，提出泉域地下水保护和监控措施。为今后同类泉域补水工程的开发和保护提供良好的借鉴。

晋祠泉地下水补水工程环境影响

晋祠泉位于太原市晋源区晋祠镇，距太原市城区25 km，由难老泉、圣母泉、善利泉三泉组成，是山西省19个重点保护岩溶泉域之一，泉水出露于西边山断裂带上，出露高程为802.59～805 m。建国以来，由于工农业经济的迅猛发展，泉域地下水的开采量逐步增大，尤其是20世纪80—90年代，泉域范围内的大规模煤矿开发建设、疏干降压和采煤排水，大量释放了岩溶地下水，加速了泉水衰减势头，最终导致晋祠泉于1994年4月断流。

晋祠泉的断流影响当地工农业生产，也使晋祠旅游景观大为逊色。有关部门对此高度重视，通过制定泉域保护条例、关闭工矿企业等一系列措施，近年来晋祠泉域水位有一定程度的回升。2014年，山西省水利厅组织编制了 《晋祠泉复流工程实施方案》，方案提出借鉴相关工程经验，开展中心区域的近源补水方案试点——晋祠泉补水工程，利用引黄水补充地下水，促进晋祠泉尽快复流。

1　工程概况

晋祠泉补水工程分为引水工程和蓄水工程两个部分，引水工程利用引黄工程联接段清徐原水直供工程 （在建）设置的晋源分水口，铺设压力管线至蓄水工程进水口。蓄水工程位于太原市晋源区明仙沟内，距难老泉直线距离约1.5 km，设置1.05万m3的调蓄池，在调蓄池下游布置补水井。工程引水线路全长7.77 km，计划年补水量为321.2万m3。

晋祠泉补水工程的主要任务是向晋祠泉提供应急补水，促进泉域复流。本文以工程运行期对泉域地下水的影响为重点，进行环境影响评价及对策措施分析。

2　地下水影响评价

2.1补水水质标准的确定

我国的地下水人工补给工作还处于起步阶段，仅污水回用方面制定了GB/T 19772—2005《城市污水再生利用 地下水回灌水质标准》，目前尚未发布有关利用地表水补给地下水的水质标准。根据水污染防治法第三十九条，“人工回灌补给地下水，不得恶化地下水质”，因此，需确定合理的补水水质标准，以保证工程运行后晋祠泉域的水质安全。

项目所在区域执行 《地下水质量标准》Ⅲ类标准，主要用于工业生产和农业灌溉，并作为部分村庄的生活水源，因此，为满足地下水使用功能，补水水质标准应以GB/T 14848—1993《地下水质量标准》Ⅲ类标准为基准；同时考虑到农村供水短期内难以全部由集中式供水替代，为保证农村饮水安全，确定补水水质标准以GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》为准进行达标控制（地下水质量标准Ⅲ类以人体健康基准值为依据，与生活饮用水卫生标准要求基本一致）。

2.2补水对地下水水质的影响

晋祠泉补水工程水源为清徐原水直供工程，清徐工程水源为经晋阳湖调蓄后的引黄水。引黄供水水质较好，但经晋阳湖调蓄后水质将有一定程度的恶化。目前，太原市政府正在对晋阳湖进行环境综合整治，经引黄水调蓄后水质有望实现达标。

综合考虑以上情况，以晋阳湖现状水质作为最不利状况，同时考虑其达标后水质 （地表水环境质量标准Ⅳ类），分别与 《地下水质量标准》Ⅲ类标准及 《生活饮用水卫生标准》进行对比分析，主要指标对比结果见表1。

表1　现状水质及各类标准对比

由表1中数据可知，晋阳湖现状水质较差，未能达到水功能区目标、同时，即使水质达标，《地表水环境质量标准》Ⅳ类标准仍与 《地下水质量标准》Ⅲ类标准及 《生活饮用水卫生标准》存在差距，难以满足泉域地下水功能水质目标要求。如工程原水不进行处理直接补至地下，将对晋祠泉域地下水水质造成不利影响，因此，需设置净水设备，对原水进行处理后再进行补水作业。

2.3补水对地下水水位的影响

根据工程方案，为使渗径较短以保证补水效果，在调蓄池下游右侧设置8眼渗漏井，井径300 mm，井深40 m，井间距25 m，穿越O2f泥灰岩隔水层，补水量为8 800 m3/d。

根据地下水动力学相关理论，补水可视为抽水的逆过程，抽水时为收敛的径向流，补水时地下水流为发散的径向流。补水时，补水井井管中水位最高，水位向井周围逐渐降低，成倒锥体状，如图1所示。

图1　补水井作用原理示意图

根据上述理论，建立数学模型对补水效果进行分析。应用轴对称流基本微分方程，补水井数学模型为：

通过采用积分变换法或Boltzmann法求解，则距补水井r处的水位上升值为：

简化可得：

其中：

在实际计算中，可取井函数W （u）的前两项进行计算，则公式可以近似表示为：

式中Δh——为距补水井r处的水位抬升值，m；

Q——为补水量，m3/h；

r——为距补水井的距离，m；

T——为导水系数，m2/h；

s——为储水系数；

t——为补水时间，h。

将各项数据带入公式，可得泉口水位抬升Δh与补水持续时间t之间的关系曲线。补水开始后，难老泉泉口水位上升幅度与补水持续时间之间呈正相关。补水100 h后水位抬升约0.58 m，补水400 h抬升约0.72 m，此后水位抬升速度趋于稳定。见图2。

因此，晋祠泉补水工程对难老泉水位的抬升作用较为明显，有利于促进晋祠泉的早日复流。

3　地下水保护措施

3.1补水水质保障措施

为保障补水水质，工程增设净水设施，出水水质以GB5749—2006《生活饮用水卫生标准》进行控制。净水设施设置于蓄水池与补水井之间，为节省占地以减少对周边景观的影响，采用半地下结构的一体化净水设备，基于安全考虑选择二氧化氯消毒剂进行消毒，工艺流程见图3。工程运行期需加强对净水设施的保养和维护，以保证出水水质的安全稳定。

图2　水位上升与补水持续时间关系曲线

图3　一体化净水设备的工艺流程示意图

3.2地下水监控措施

为保障补水水质安全，运行期在净水设备出水口设置1处监测点，对补水水质进行监测。参照GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》的相关分类管理要求，晋祠泉补水工程的监测项目及频率参照SL 308—2004《村镇供水单位资质标准》中Ⅱ类供水单位的监测项目及频率进行监测，详见表2。

表2　水质监测项目及频率

4　结语

由于人工补给地下水问题的复杂性，国内目前仍处于工程经验的积累阶段。如何结合水文学和水动力学等理论，对补水过程中地下径流产生、径流路径、径流排泄等过程进行理论描述；如何利用环境化学、微生物学等理论了解补水过程中对地下水水质的影响，以及制定人工补充地下水的相关水质标准及操作规程，是今后研究探索的重点，因此，工程运行后应加强与泉域管理部门的沟通，结合已有监测站网，对泉域地下水水位及水质的变化情况实施定期监测，以掌握工程运行的实际效果及对泉域地下水环境的具体影响，为相关研究提供数据参考。

［1］赵伟丽.晋祠泉域地下水动态研究及保护措施 ［J］.山西水利，2014（6）：18-19.

［2］柳文华.中水回灌的水质标准比较分析 ［J］.北京水务，2007 （4）：24-26.

［3］谢娟，姜凌，李泉.地下水人工补给水质的研究——以西安市回灌为例 ［J］.西安工程学院学报，2002，24（4）：67-72.

菅宇翔男工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

范永平男高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

孙瑞女助理工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

魏路锋男高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

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