山西太原晋祠—兰村泉水复流的岩溶水文地质条件新认识

2019-02-18梁永平张发旺申豪勇唐春雷赵春红王志恒侯宏冰任建会郭芳芳

水文地质工程地质 2019年1期

梁永平，张发旺，申豪勇,唐春雷，赵春红，王志恒，侯宏冰，任建会，郭芳芳

(1.中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部广西岩溶动力学重点实验室，广西桂林 541004；2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北石家庄 050061；3.山西省地质调查院，山西太原 030006)

中国北方岩溶水的循环具有极强的系统性，岩溶大泉是最重要的天然排泄形式，因此，岩溶地下水系统被称为“泉域”。泉域边界的确定是开展水文地质条件调查研究工作的基础，对认识岩溶地下水循环条件、资源量评价、合理开发利用、管理和保护以及生态修复具有重要的意义。

20世纪后期，由于气候变化、岩溶地下水大规模开发利用和煤矿开采过程中地下水疏干等各种人类活动，导致泉域岩溶地下水位持续下降，晋祠泉于1994年4月30日断流[1]、兰村泉于1996年断流。

近年来，党中央大力倡导生态文明建设，山西省人民政府一直致力于晋祠泉和兰村泉的生态修复论证，特别在引黄入晋工程输水到太原市以后，水资源的供需矛盾得以缓解，引黄水可作为替代水源，具备了泉水复流的基本条件。虽然很多学者对泉域水文地质条件、泉水断流衰减原因、泉水复流方案等进行过研究论证[1-5]，但由于缺乏相应的工作，基础水文地质条件的认识程度基本还停留于20世纪90年代初期的水平。在人类活动强度加剧的条件下，特别是汾河二库修建后，泉域的水文地质条件已经发生了根本改变，重新认识岩溶水文地质条件对泉水复流方案的科学制定尤为重要。

1 地质概况

山西太原晋祠泉域和兰村泉域位于太原盆地的北部(图1)，横跨盆地东、西山，其碳酸盐岩含水层为早古生界寒武系和奥陶系，连续沉积厚度超过900 m。晋祠、兰村泉域岩溶地下水主要接受太原东、西山碳酸盐岩裸露区及覆盖区的降水入渗补给，汾河及支流在碳酸盐岩段的渗漏补给(后期又加入水库渗漏补给)。晋祠、兰村泉域岩溶地下水排泄方式主要包括：晋祠泉、兰村泉、悬泉寺泉、平泉以及通过东西山边山断裂带向盆地内松散层的潜流排泄，其中晋祠泉和兰村泉是泉域岩溶地下水的集中排泄点，天然最大流量分别达到4.5 m3/s和1.9 m3/s。

2 晋祠—兰村泉域边界的划分

2.1 前人划分方案概述

前人对晋祠、兰村泉域边界的研究做过大量工作，总体上有3种划分方案：

(1)山西省地矿局第一水文地质工程地质队的划分方案[6-8]，大致以棋子山地垒和东山山前弧形断裂带为界，将太原岩溶地下水划分为东山岩溶水系统和西山岩溶水系统，认为天然条件下东山岩溶水绕过东山背斜倾伏端向娘子关排泄，开采条件下东山岩溶水通过三给地垒向西山排泄；西山岩溶水系统主要由西山山前晋祠泉、兰村泉及向山前松散层含水层潜流排泄。

(2)中国科学院地质与地球物理研究所和山西煤田水文地质229队划分方案[9-11]，认为太原地区岩溶水分为北山系统、东山系统和西山系统，北山系统(包括了杨兴河谷地、大盂-阳曲盆地、棋子山地垒及柳林河以西、向南到三给地垒的西山北部)岩溶地下水主要向兰村泉及西张水源地排泄，西山岩溶水系统由晋祠泉(或向松散层潜流)排泄，东山岩溶水系统主要向太原盆地内松散层及盆地内深部岩溶含水层排泄。

图1 晋祠、兰村泉域碳酸盐岩分布埋藏类型示意图Fig.1 Schematic diagram showing the buried types of the carbonate rocks in the catchment areas of the Jinci spring and Lancun spring

(3)中国地质科学院岩溶地质研究所和山西省水资源管理委员会办公室的划分方案[12]，认为太原岩溶水分为晋祠和兰村2个泉域，并将第二方案中东山系统划归为兰村泉域。1997年山西省水资源管理办公室为开展山西省岩溶泉域水资源管理与保护，从管理角度出发对泉域边界进行了修订[13]，并作为山西省泉域水资源管理的依据。由于第三种方案出自水资源行政主管部门，因此在以后的岩溶水资源评价、管理应用中多被采纳[14-16]。

此外，泉域局部边界的确定还有一些不同的看法，如王瑞久等[17-20]通过水化学、同位素方法研究，认为东山岩溶水系统岩溶水无法进入娘子关，而是向北东排向黄场峪泉及更远的滹沱河坪上泉。

2.2 部分泉域边界的修改依据

造成前述各种泉域边界划分方案差别的原因有3个：(1)由于早期勘测资料不足，难以达到一定的认识深度，对水文地质条件认识存在一定偏差；(2)出于使用目的的需要，将一些行政区边界划为泉域边界(这种划法可作为管理区边界，而作为泉域边界显然是不科学的)；(3)由于汾河二库修建，泉域地下水循环条件发生了改变。通过本次调查分析，对目前同行的第三种划分方案做了7处修正(图2)，最后晋祠泉域面积由2 030 km2变为2 713 km2，兰村泉域面积由2 500 km2变为2 614 km2。对这7处修正，有些与第一、第二种划分方案一致，因此不再进行讨论，这里重点论述Ⅲ、Ⅵ、Ⅶ区(图2)，该区与前三种方案均有不同或是对泉水复流保护有重要影响。

图2 前人及本次泉域边界划分变化对比图Fig.2 Comparison of boundary division between the previous studies and this study

图3 黄场峪-北刘嘴水文地质剖面略图Fig.3 Hydrogeologic profile of along the line between Huangchangyu and Beiliuzui1—地层及代号；2—断层；3—地层界线(虚线为假整合接触)；4—岩溶地下水位；5—岩溶泉；6—岩溶地下水流向；7—区域隔水底板；8—钻孔

2.2.1 岔口-南温川区(Ⅲ区)

对岔口-南温川区，前人的3种划分方案均大致以杨兴乡一带为地下分水岭边界(图2)，将Ⅲ区划归为北部黄场峪泉域(泉水标高900 m)，这一认识一直沿用至今。但经调查，Ⅲ区岩溶地下水沿杨兴河向东到西潘变质岩出露区无泉水出流，构成隔水边界；向北与黄场峪间存在一个北东向背斜，轴部(岔口村)出露上寒武统凤山组白云岩，地面标高1 410 m，推算该处区域隔水底板馒头组标高在1 100 m以上(图3)，背斜北侧黄场峪泉出露标高900 m，南侧南温川岩溶井水位标高981.36 m，南侧岩溶水无法越过背斜轴隔水层。该背斜为北部忻州盆地边山系舟山断裂带派生构造，延伸长度近20 km，向北东一直延伸到太古界变质岩出露区，形成向北径流的阻水边界，因此，认为黄场峪泉是背斜北东翼地下水排泄点(实测总流量11 L/s)，而南东翼的岩溶水向西南兰村泉方向成为唯一的径流出路。经对岩溶水位统测，距杨兴东北不足1 km坪里孔水位965.9 m，低于南温川孔水位标高981.36 m，证实不存在杨兴乡一带为地下分水岭，Ⅲ区应归属于兰村泉域范围。

2.2.2 覃村—岭底区(Ⅵ区)

该区被第三方案划分到晋祠泉域之外(图2)，但根据区内太原盆地西缘边山断裂带岩溶水文地质钻孔资料，富水性普遍很强(图4)，特别是Ⅵ区内交城水泥厂北(K1孔)和交城县义望乡奈林砖厂(K7孔)，处于新民与坡底间背斜隆起区，单位涌水量分别达到1 030 m3/(d·m)和414.55 m3/(d·m)，是极强和强富水区，其唯一补给来源为北东晋祠泉域岩溶水，在这一带开采岩溶水或采煤突水必然会对晋祠泉水流量造成巨大影响。沿剖面向西南，进入岭底向斜，碳酸盐岩含水层埋深逐步加大到500 m以下，SK6孔(碳酸盐岩埋深408 m)的单位涌水量急剧降低到0.103 6 m3/(d·m)，因此将岭底向斜轴沿北西到狐爷山火成岩体作为晋祠泉域的西南边界(图4)，Ⅵ区划入晋祠泉域。

2.2.3 柳林河右岸—王封区(Ⅶ区)

该区为晋祠泉域与兰村泉域的东西边界，在20世纪90年代前该区的汾河以北没有岩溶水钻孔控制，故第三划分方案中将柳林河与狮子河的地表分水岭确定为晋祠、兰村泉域边界(图2)，这种划分缺乏必要的依据。为此，2016年在柳林河谷内的前岭底村和青崖槐村南施工2个岩溶水文地质勘探孔，同时与周边岩溶水开采井做了水位统测并绘制流场(图2)，结果表明，沿柳林河谷大致存在一个岩溶地下水分水岭，该地下水分水岭构成了2个泉域在汾河以北的泉域边界；汾河河谷以下奥陶阻隔出流的下槐泉为界；汾河以南沿岩溶地下水流线延伸到王封地垒及三给地垒。根据汾河二库渗漏段上下游水文站及二库水位资料，计算得汾河二库在2014年5月—2016年10月间，平均蓄水水位标高为898.41 m时的渗漏量为2.015 m3/s。这一边界决定了汾河二库渗漏量的去向问题，前人将汾河二库库区划归为兰村泉域，得出二库修建蓄水渗漏主要补给兰村泉及山西西张水源地的结论[21-23]，不存在对晋祠泉域岩溶水的补给。而事实表明，在2008年以后，晋祠泉域排泄区(包括王封—晋祠泉口)水位普遍上升20 m以上，这种大面积上升绝非靠晋祠泉域内太化水源地关闭所能及。它进一步佐证了二库库区主体划为晋祠泉域的正确性，同时金芳义等在汾河二库蓄水后，通过数值模拟，认为水库渗漏对兰村泉水的补给有限[24]。这一结论认为抬高二库蓄水水位，对晋祠泉水复流方案的制定具有重要的价值。

图4 太原盆地西缘山前断裂带外侧晋祠-坡底水文地质剖面图Fig.4 Hydrogeologic profile between Jinci and Podi in the piedmont fault zone in the western margin of the Taiyuan basin

3 晋祠泉域岩溶水转换带的确定

区域上，晋祠泉域岩溶水主要储存于2个碳酸盐岩含水岩组中，分别是中奥陶上含水岩组和中、上寒武统下含水岩组，其间为下奥陶统区域性相对隔水层。太行山区的区域岩溶水文地质研究结果表明，下奥陶统燧石团块(或条带)白云岩具有区域相对隔水的水文地质特征[10，12，25-26]，一般情况下，上、下含水岩组中地下水水力联系相对较弱。晋祠泉域外围补给区地下水主要储存于中、上寒武统含水岩组中(图1)，在北部柳林河、狮子河上游阁上钻孔、娄子条钻孔、赤泥洼钻孔、下马城井等地均得到了验证。但到晋祠泉域排泄区，岩溶地下水通过中奥陶统上含水岩组排泄，而且根据钻孔资料，排泄区下含水岩组埋深较大，富水性极差，如晋祠泉水西北约800 m的地震台勘探孔，分层抽水试验结果表明中奥陶统含水岩组的单位涌水量为112.5 m3/(h·m)，上寒武统的单位涌水量仅为0.077 m3/(h·m)。因此认为在泉域内从补给区到排泄区，存在由中、上寒武统下含水岩组向中奥陶统上含水岩组间的水量转换形式问题：是区域上的分散转换还是局部构造的集中转换？前人没有研究。

图5 晋祠泉域南北向剖面略图Fig.5 Simplified profile from north to south in the catchment area of the Jinci spring system

4 岩溶地下水强径流带的确定

图6 晋祠泉域岩溶地下水强径流带确定依据略图Fig.6 Simplified diagram showing determination of the strong karst groundwater flow zone in the catchment area of the Jinci spring system1—极强富水区(q>500 m3/(d·m))；2—强富水区(q=300～500 m3/(d·m))；3—中等富水区(q=100～300 m3/(d·m))；4—弱富水区(q=10～100 m3/(d·m))；5—贫水区(q<10 m3/(d·m))；6—非碳酸盐岩分布区；7—泉域边界；8—岩溶水等水位线；9—前人绘制的晋祠泉域岩溶水等水位线；10—岩溶地下水强径流带；11—岩溶泉；12—强径流带岩溶水钻孔(数字为降深1 m的涌水量/(m3/d))

晋祠泉域岩溶地下水从北西向南东径流并在山前断裂带内富集，受太原盆地西山山前松散层相对阻水出流成泉。早期晋祠泉域岩溶地下水位等水位线图(图6)表明，山区岩溶水基本以“散流”形式进入山前断裂富水带，而且晋祠泉水实际处在一个向南东微凸的地下水分水岭上，很难解释泉水流量达到1.3～1.9 m3/s的水动力的成因条件，这一问题从未有人提出质疑。本研究围绕晋祠泉是否存在向山区补给区延伸的岩溶地下水强径流带问题，开展了综合调查研究。

通过碳酸盐岩埋藏区深度分类图(图1)可以看出，晋祠泉水北侧沿南峪—白家庄矿西—店头—明仙村东—晋祠一线存在一个碳酸盐岩浅埋藏区，其西侧为石千峰向斜，东侧为受三给地垒南侧断层深陷牵引，在山区形成白家庄煤矿和西峪煤矿碳酸盐岩深埋区，其中西峪煤矿区碳酸盐岩顶板最低标高250 m，低于地表面近600 m。分析认为，浅埋区更有利于岩溶发育。

在南峪村三岔沟施工1个岩溶水勘探孔，孔深478.1 m，抽水试验结果：水位降深1.85 m，涌水量818.4 m3/d，单位涌水量442.4 m3/(d·m)，说明该区为强富水区。

通过水位统测绘制岩溶地下水流场图，沿碳酸盐岩浅埋区形成一个汇水槽谷(图6)，具备岩溶地下水强径流带的流场特征。槽谷内南峪勘探孔水位标高802.99 m，大虎峪孔水位标高796.92 m，均低于东侧北寒村水位824.58 m，红沟井水位826.92 m和东偏南侧白家庄煤矿水位标高805～806 m，也低于东南侧箱子村井水位(805.41 m)和寺底村水位(807.71 m)，表明来自北部及西北部的地下水在这一带向东侧山前运移受阻，向南东晋祠泉水方向径流成为唯一途径。

根据钻孔资料绘制岩溶水富水性分布图(图6)，发现沿该强径流带内出现了8个单位涌水量超过400 m3/(d·m)的钻孔，分别是南峪勘探孔、大虎峪村钻孔、官地矿政前大巷和南大巷井下钻孔、明仙沟内3个钻孔和明仙沟口地震台钻孔，构成了区内极强和强富水带。

在岩溶地下水水化学类型图中，阴离子为SO4·HCO3型水沿强径流带向南以楔状嵌入南部 SO4型水的分布区，直至晋祠泉口(包括了晋祠庙井水、晋祠镇供水站水井和晋祠宾馆水井水均属SO4·HCO3型水)，强径流带东侧神堂沟、盆地内岩溶热水井，强径流带西侧店头镇古村岩溶井及晋祠镇窑头村岩溶井均为SO4型水。

由上述5个主要证据，最终确定了从玉门河南峪村—杜儿平煤矿东侧—官地矿与白家庄矿交界处—龙山—明仙村东—晋祠泉的岩溶地下水强径流带，该强径流带汇集了来自北部汾河二库渗漏补给及西北古交方向的补给水源，是对晋祠泉水流量影响最敏感的地区。在强径流带内采取关井(包括煤矿降压排水井)、压采，人工补给(沿途流经地表出露碳酸盐岩的3条沟谷，分别是玉门沟、风峪沟和明仙沟)措施，对晋祠泉水的复流将具有显著效果。