晋城市三姑泉域地下水生态现状分析及修复对策

李慧清

（晋城市水务局 山西晋城 048000）

1 区域概况

1.1 地理位置

三姑泉域地处山西省东南部，北与长治市毗邻，西与阳城县相连，东、南与河南省焦作市接壤。包括晋城市城区、泽州县、高平市和陵川县的大部分区域，总面积2630 km2。三姑泉（又名三股泉）出露于山西省晋城河西乡孔庄村东北丹河河谷两岸，呈股状集中涌出（现已被青天河水库淹没）。

1.2 水文气象

泉域内常年季风盛行，四季分明，属暖温带半湿润大陆性季风气候。夏季东南亚季风盛行，受印度洋和太平洋的暖湿气团北移影响，降水量集中于6-8月，形成多雨季节；冬季受蒙古高压与阿留申低压控制，流域大部分盛行西北风，形成雨雪稀少的干旱季节。全区属全国“长日照地区”，年均日照时数2563 h，年均日照百分率为58%。多年平均气温为10.2℃，多年平均无霜期在4月中上旬至10月中下旬之间，平均185 d左右。

1.3 丹河及三姑泉状况

泉域内主要河流为丹河。丹河发源于高平市丹株岭，流经高平与泽州，在泽州县两谷坨附近流入河南省后汇入沁河。丹河最小年径流量1.34亿m3（1997年），最大年径流量6.8亿m3（1956年），多年平均径流量2.67亿m3。晋城市境内河长128.65 km，落差875 m，平均坡度6.8‰，流域面积2945 km2。丹河主要的支流有白水河、白洋泉河、北石店河、巴公河、东大河、许河、东仓河等。受地层、构造和地形等因素控制，丹河及其支流在流经灰岩裸露区、半裸露区时，河水大量潜入地下，致使小会泉以上河道无清水流量，仅在雨季形成季节性洪水；丹河河谷自小会泉以下，出露泉水约20处，其中三姑泉流量最大，是丹河排泄带的主要泉点，多年平均流量为3.91 m3/s，泉水出露标高342 m，出露地层为寒武系中统鲕状灰岩。在丹河岩溶排泄带出露的主要泉点还有白洋泉、郭壁泉、土坡泉、围滩泉等；东丹河和白水河出露的泉点主要有台北泉、水掌泉等。天然条件下，泉群多年平均流量7.25 m3/s。

1.4 泉域经济概况

三姑泉域是晋城市工业企业聚集区，GDP总量占到全市70%以上。2015年泉域范围内总人口170.9万人，其中城镇人口106.3万人，占总人口的62.2%；乡村人口64.6万人，占总人口的37.8%。泉域内生产总值689.2亿元。其中，第一产业33.6亿元；第二产业354.9亿元；第三产业300.7亿元。总耕作面积133.1×103hm2。

2 泉域岩溶水资源开发利用现状

2.1 水资源量及可开采量

根据第二次《晋城市水资源评价》，三姑泉域1956—2000年系列岩溶地下水多年平均排泄量为22628.1 万 m3/a（7.18 m3/s），95%保证率下的地下水总排泄量为 15057.6 m3/a（4.77 m3/s）；岩溶地下水可开采资源量为 13970.448 万 m3/a（4.43 m3/s），占 1956—2000年系列95%保证率下的总排泄量的92.87%，三姑泉域岩溶水资源可开采量计算保证程度较高。

2.2 岩溶水资源开发利用现状

2015年三姑泉域岩溶水总取水量9912万m3，其中岩溶泉水908万m3，岩溶地下水9004万m3。按取水用途，生活用水3472万m3，其中城镇用水2841万m3，农村用水631万m3；生产用水6328万m3，其中第一产业用水1243万m3，第二产业用水3673万m3，第三产业用水1412万m3；生态用水112万m3。按行政区统计，城区用水5107万m3，占岩溶水总开采量的51.5%；泽州县用水2240万m3，占岩溶水总开采量的22.6%；高平市用水2287万m3，占岩溶水总开采量的23.1%；陵川县用水278万m3，占岩溶水总开采量的2.8%。

2.3 泉域内煤矿排水情况

晋城市煤炭资源丰富，形成于二叠系和石炭系，其中山西组和太原组为主要含煤地层。主要采煤层为3#、9#和15#煤层。三姑泉域内约有61座煤矿，设计生产规模为7050万t/a，矿区面积874.0 km2。煤矿排水与煤矿开采煤层因深度、面积、产量、降水补给量及开采形式等条件的不同，具有较大的差别。在2009年，晋城市煤矿进行了兼并重组，三姑泉域内煤矿由原先的205座煤矿重组为61座煤矿。相关资料显示，重组前煤矿开采吨煤排水系数为0.76 m3/t，重组后煤矿的吨煤排水系数下降为0.68 m3/t，采煤排水量约4794万m3/a。由于近些年煤矿经济不景气，大多数煤矿非满负荷运营，部分煤矿甚至停产，2015年泉域内采煤排水量1205万m3，其中矿坑水利用量为550万m3，排放量655万m3。

2.4 水资源超采区现状分布

目前，三姑泉域内有禁采区1个和岩溶水超采区2个。禁采区范围东起兰花路，西至西环路，南起中原西街，北至新市东街-新市西街，面积13.9 km2。小型岩溶水超采区1个，分布于高平市区一带，以集中开采的市区为中心，属三姑泉域高平-晋城岩溶地下水系统，面积35 km2，主要涉及高平水源地区域范围。中型岩溶水超采区1个，分布于晋城市城郊，包括巴公、北石店及市区三个水源地，属三姑泉域高平-晋城和任庄两个子系统，面积178 km2，主要涉及巴公水源地、北石店水源地和城区水源地区域范围。经对以上两个超采区评价表明，高平岩溶水超采区、晋城城郊中型岩溶水超采区均属严重超采区，其中晋城城郊中型岩溶水超采区中的城区水源地属一般超采区。

3 地下水开发利用中存在的问题

三姑泉域人口、工业比较集中，工农业总产值约占全市的70%，而水资源量只有全市的26.6%，人均占有水资源量仅289 m3，占全市人均水资源量656 m3的46.2%。长期以来，因缺乏地表水利用工程，工农业生产和城乡生活用水，以过量开采地下水为主要方式，致使局部地区形成岩溶地下水超采区，水环境急剧恶化，主要表现在以下几方面：

1）水资源量不足

根据第二次《晋城市水资源评价》资料，三姑泉域各类含水层地下水资源量为28260万m3/a（1956-2000年），其中孔隙水3215万m3/a，裂隙水2119万m3/a，岩溶水22926万m3/a；可采资源量为16373万m3/a（其中岩溶水为14128万m3/a）。根据近几年水资源开发利用情况，已经出现水资源不足的问题，这将是制约本区经济发展的瓶颈。

2）地下水严重超采

随着国民经济的迅猛发展，水资源供需矛盾日趋突出。泉域内浅中层地下水已近疏干，取水主要依靠深层岩溶地下水，随着地下水开采量的增大，造成区域地下水水位不断下降，特别是重点水源地长期超采造成的地下水位下降趋势更加明显。从2000—2015年水井观测记录显示，水源地中的城区王台矿、泽州巴化长观孔的水位分别下降了8.94 m和10.5 m，年平均水位降深分别为0.60 m和0.70 m。

3）泉流量持续衰减

地下水位的急速下降必然造成泉水流量衰减。三姑泉的流量随着年代的推移已经由1956年的7.08 m3/s逐渐衰减到2000年的2.71 m3/s。郭壁泉与土坡泉水流量在1985年约为0.9～1.2 m3/s，1985年前多年平均1.0 m3/s，目前仅剩 0.25～0.3 m3/s，减少了 60%以上，白洋泉流量减少达到70%以上。

4）水体污染严重

泉域内煤、电、煤化工为主的超重型经济结构，决定了本区高能耗、高水耗的重污染型结构。此前，区内工矿业和城市污水大多未经处理直接排向河道，造成了地表水质恶化，并进一步通过渗漏补给污染地下水。据调查，凡靠近企业排污口地段的孔隙水、裂隙水均已发生严重污染，矿化度、总硬度、硫酸盐、亚硝酸盐氮等组分含量呈增高趋势。

受大量污水排放影响，相当比例的河流水体已基本丧失纳污、自净能力，污水排入后河流直接变为污水沟，其中主要污染物以有机类为主。浅层地下水也遭到大面积污染，深层地下水出现水质变差现象，给晋城市经济社会的可持续发展埋下了隐患。

4 泉域岩溶水资源变化影响因素分析

1）大气降水影响

大气降水是泉域岩溶水的主要补给来源，但由于该岩溶水系统范围广阔且岩溶形态复杂，降水量对泉流量的影响在某种程度上表现为滞后效应。在含水介质的调节作用下，一次降水需要经过相对较长时间，泉流量才能做出反应，因此，大气降水量的多年变化规律对泉流量具有重要影响。经统计，三姑泉域在20世纪50—90年代的平均降水量分别为688.8 mm，666 mm，610 mm，590.5 mm，581 mm，其下降趋势比较明显。大气降水的减少意味着三姑泉域补给量的减少，是泉流量衰减的诸多原因之一。

2）地表水补给影响

三姑泉域地表水补给主要接受丹河流域河流和任庄水库水体的下渗补给。

丹河及其支流流经灰岩裸露区、半裸露区时，河水大量漏失。渗漏段共计有九处：即丹河流经高平市一带、丹河支流许河在康营-河西镇段、野川河野川乡南部、马村河的陈村东部、丹河支流东仓河经陈米山一带、东大河申庄-河底、丹河的任庄水库-小会泉一带、白洋泉河台北泉-白洋泉一带及白水河在南河西-水掌泉一带。根据1999年4月山西省水利水电勘测设计研究院的实测资料，其渗漏量为747.4万m3/a（0.237 m3/s）。

任庄水库地处灰岩区，库水随岩石孔隙裂隙向地下渗漏。据第二次《晋城市水资源评价》的计算结果，任庄水库流域面积1298.6 km2，总库容8050万m3。根据任庄水库1986年逐日水位、蓄水量变化量、水库集水面积﹑蒸发量﹑来水量﹑放水量资料，计算得水库渗漏量为 216 万 m3/a（0.068 m3/s）。

近年来，由于河流来水、水库蓄水减少，渗漏量也随之减少。

3）人工开采影响

近年来非天然因素对泉流量的影响已日趋明显。三姑泉域在1980年以前基本无岩溶水开采，这一时期泉流量的变化不受人类活动的干扰，可视为天然状态下的自然波动。而自1980年起，岩溶水开采渐趋增加，三姑泉流量与降水量之间变化趋势的不协调越来越明显。而自1980年起，岩溶水开采渐趋增加，三姑泉流量与降水量之间的变化趋势的不协调，越来越明显。特别是1995年以后，开采量变大，并且每年的增长幅度较大，在此阶段，泉流量持续下降，这说明了开采量已成为泉流量减小的主要影响因素。从整体上看，岩溶水开采对泉流量的影响呈逐渐增大的趋势。

4）采煤排水影响

三姑泉域西北部煤炭资源丰富，煤矿众多，主要分布在高平市的北部、泽州县的中部及西北部、城区及陵川的西北部，采煤排水对岩溶水补给带来了一定程度的影响。在正常条件下，煤系地层（石炭、二叠系）含水层中的地下水，沿裂隙向深部岩溶含水层产生越流补给。煤层开采后顶板发生垮落，形成垮落带和导水裂缝带。受其影响含水层与开采煤层之间的隔水层被破坏，导致各类含水层地下水快速渗漏和外排，疏干了煤系地层和上覆岩系中的孔隙裂隙地下水，影响了下伏的奥陶系岩溶水，形成了以矿井为中心的大面积降落漏斗，区域地下水资源量减少，地下水位下降、泉流量减小。

根据晋城市煤矿资源兼并重组资料统计得到，三姑泉域内共有61座煤矿，设计生产规模为7050万t/a，矿区面积874 km2。根据兼并重组后煤矿开采的吨煤排水系数分析，三姑泉域现有煤矿满负荷运行状态下，采煤排水总量达2465.7万m3/a。

5 泉域地下水生态修复对策与建议

1）大水网置换工程

在“十二五”期间，晋城市依托张峰水库，实施大水网工程，力争实现地表水、地下水、岩溶泉水等多水源的合理调配、高效利用和有效管理，从而遏制超采区地下水位的不断下降，扭转被动的生态局面。目前，晋城大水网主要供水管线大部分已经建成，为三姑泉域地下水超采区提供了良好的水源置换工程。根据水利部批复的张峰水库初设报告，2020水平年张峰水库工程可供水20541万m3/a，其中向泽州盆地城市生活和工业供水7250万m3/a，而泽州盆地7250万m3/a供水指标中包括高平市城市生活、工业供水量1577万m3/a。高平市于2012年9月12日举行“关井压采”暨张峰水库供水启动仪式，实现张峰水库向高平市西部工业园区化工项目供水。该输水干渠工程供水配套全部完成后，张峰水库供水水量在满足高平市、泽州县巴公一带经济发展用水的同时，可以向高平小型岩溶水超采区、巴公水源地岩溶水超采区以及管网覆盖区未超采区提供关井压采的替代水量需求。

2）郭壁水源地置换工程

郭壁水源地位于晋城市市区东南的郭壁村东，行政区划隶属于泽州县金村镇管辖。该水源地目前主要担负晋城市区东部开发区供水任务，同时兼顾沿途农村人畜吃水和农业灌溉。郭壁供水改扩建工程建成后，向晋城市市区城市生活提供发展用水的同时，可以向北石店水源地和城区水源地提供关井压采替代水量需求。

3）关井压采措施

根据泉域内各个水源地的可开采量，确定压采目标，制定关井压采方案，并以硬性任务指标考核行政首长。为加强岩溶水资源保护，晋城市水务局先后下达了“十二五”期间关井压采任务及暂停岩溶深井审批的通知。2014—2016年，晋城市地下水实施地下水水源置换及关井压采等措施，其中，2014年关闭水井总数16眼，压采水量1575万m3；2015年关闭水井总数21眼，压采水量1510万m3；2016年关闭水井总数15眼，压采水量879.6万m3，合计关闭水井总数52眼，可压采水量3964.6万m3。

4）采煤排水利用

采煤排水利用主要由煤矿所在地的经济社会发展对水的需求情况和各种用水的供水成本所决定。可用于煤炭企业生产用水、煤矿附近工业用水、农业灌溉用水、日常生活用水等。

5）中水回用

中水指各种排水经处理后，达到特定的水质标准，又循环用于特定用水领域的非饮用水。中水利用可促进污水处理，减少对环境的污染，改善水生态环境，增加水资源的可利用量。中水主要运用于农业灌溉用水、工业冷却用水、城镇生活杂用水、环境生态用水等。

6）煤矿禁限采措施

对泉域重点保护区实行禁采措施。根据山西省人民政府和山西省水资源管理委员会办公室有关规定，禁止在泉域重点保护区范围内开采煤层，同时要求已建设单位应与三姑泉域管理部门对其采区布置的北边界勘察划界，确定明确地理坐标，并在泉域重点保护区边界按有关规范留设足够保安煤柱；对泉域带压开采区限采措施。带压开采区煤矿开采时，矿方应委托资质单位，进行专门水文地质勘探，分析评价煤矿及其带压区开采对泉域岩溶地下水的影响程度，严防对三姑泉域岩溶水造成影响。对泉域饮用水水源地保护区限采措施。根据《山西省水资源管理条例》第二十条规定，在重要水源地和泉域开采矿藏或者建设地下工程，应当进行水环境影响评价。造成水位下降、水源枯竭的，应当采取补救措施；造成严重后果的，经省人民政府批准，可以采取限采、封堵或者停止工程建设等措施；对他人生活和生产造成损失的，依法给予补偿。按照条例规定，要求煤矿在开采煤层时，应进行水环境影响评价，分析评价煤矿开采对集中式地下水饮用水水源地的影响程度，严防对地下水水源地造成影响。

7）人工增补措施

岩溶水是指赋存和运移在可溶岩石（即石灰岩）中的水，三姑泉域目前主要开采中奥陶岩溶水。岩溶水的补给方式包括大气降水的入渗补给、河道和水库渗漏补给以及上覆含水层的越流补给。根据泉域现状调查，泉域东部灰岩裸露区没有建设工矿化工企业，植被大部分为灌木丛，水土资源没有发生大的扰动，生态环境较优，其径流水质良好，适宜补给地下水。因此，可在泉域灰岩裸露、半裸露区及河道渗漏段规划修建渗漏回灌水库。同时，在补给区加快水土保持建设，提高降雨入渗率，涵养水源，增大水资源的补给量。植树造林保护水土流失是涵养水源的根本措施，应按照先治坡、后治沟的原则，采取生物措施与工程措施相结合的办法，进行以小流域为单元的水源涵养综合治理，改善生态条件，涵养水源。