山西水神堂泉流量、水位动态变化分析

2021-09-07李书友冯亚辉

水科学与工程技术 2021年4期

李书友，冯亚辉

（1.南水北调中线实业发展有限公司，北京 100176；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300202）

水神堂泉位于山西省大同市广灵县境内，泉域总面积518km2，其中碳酸盐岩裸露面积148km2，主要包括以散泉形式出露于壶流河河漫滩及其支流地带的诸多泉水，分别为出露于县城南部的枕头泉、百步坑泉、水神堂泉；出露于作疃乡西北部海坡山前的作疃泉、华山泉；出露于莎泉乡西部堂坡山前的莎泉；出露于斗泉乡西北部桃子梁半山腰的一斗泉。泉域大部分泉水为孔隙水与岩溶水共同补给的泉水，仅有百步坑泉、作疃泉和水神堂泉为岩溶泉水。

目前，水神堂泉原14处泉水，除位于集中排泄带的水神堂泉、百步坑泉尚有出流，其他泉眼均已断流。据1987年开始进行水神堂泉水监测至今的资料显示，监测初期泉水流量0.5m3/s左右，现已减少0.2m3/s，2001—2019 年较1987—2001 年共减少46.9%。 2011年7月泉水流量0.091m3/s，2012年7月泉水流量仅0.009m3/s，水神堂泉衰减趋势显著。在灌溉取水量较大的夏季，泉水流量的减少更为明显。

1 泉水流量变化分析

根据水神堂泉1987—2019年南口和北口实测流量统计，水神堂泉多年平均流量0.331m3/s，多年平均径流量1044万m3。从实测径流系列来看，径流年内分配较均匀，年际变比大。最大年径流量1579.1万m3（1988年），最小年径流量169.6万m3（2015年），极值比9.3。径流年内分配过程如图1，历年径流量如图2。

图1 水神堂泉多年平均各月流量

图2 水神堂泉历年径流量

表1 水神堂泉不同年代泉水流量、径流对比

从水神堂泉流量系列资料来看，泉水流量存在明显的衰减趋势，2001—2019年较1987—2001年共减少46.9%，较多年平均减少27.2%。

2 水位动态分析

2.1 地下水位年际变化特征

根据历史资料，当地在2007年水位普测，自2015年建立地下水位动态长期观测点，因此地下水动态变化规律仅能依据该数据进行对比分析。 2016年水文地质调查与2007年水位对比下降3～7m，年均下降0.3～0.7m。

广灵县水务局近年来在本区建立长观监测系统，为分析本区地下水动态特征，特选取广灵县加斗乡西加斗村委会内监测井为代表，监测井编号ATW083，井口高程为965m，井深120m。从2012年1月1日起，该地区地下水位呈逐年下降的趋势，2012—2016年最高水位为2012年4月1日的933.16m，最低水位为2016年7月18日的920.96m。变幅为12.20m，下降幅度较大。广灵西加斗乡监测井多年水位动态变化如图3。

图3 广灵西加斗乡监测井多年水位动态变化

2.2 地下水位年内变化特征

县区内地下水位年内呈季节性波动，水位最高值出现在每年3月，水位最低出现在7月。水位曲线有两个陡坎，表明水位有两次骤降过程，分别出现在每年的3月下旬和6月下旬。经调查分析，水位骤降过程应该是春季和夏季的集中浇地所致。7月下旬随着集中灌溉的结束，用水量在秋冬季逐渐明显减少，导致地下水位持续上升，一直到第二年3月下一次春浇，地下水位再次骤降，随后水位有所上升，6月下旬再骤降，随后再回升，周而复始。

3 岩溶水动态变化影响因素分析

3.1 大气降水对泉流量的影响

大气降水是泉域地下水的主要补给来源，其入渗途径不仅包括碳酸盐岩裸露区，同时也包括松散层分布区。地下水接受大气降水补给后，由北部山区沿北西、北东向构造节理向壶流河河谷运移，并储存于盆地下部的碳酸盐岩裂隙含水层和冲洪积孔隙含水层中，在地下水径流过程中遇地势低洼地带或基岩切割带，尤其是含水层天窗地带，则以泉水的形式排泄。如水神堂泉即为典型的通过石灰岩孤峰天窗的溢流泉。

水神堂泉泉水流量从20世纪60年代至今总体呈下降趋势，1961—1990 年平均流量达0.758m3/s；1991—2000 年平均流量0.439m3/s；2001—2010年平均流量0.339m3/s；2011—2015年平均流量0.157m3/s。在2014 年7 月水神堂泉出现干涸现象，整个水池全部干涸，干涸状况持续到2015年，2015年当年泉水平均流量0.085m3/s，有7个月泉水断流。经广灵县水务局及相关部门全力补救，将泉口附近第四系水井全部关停后，泉水才又重新出露。2015—2019年泉水平均流量0.105m3/s。历史年份泉水流量变化情况如图4。

图4 历史年份泉水流量变化情况

通过表2对比分析相应年段系列泉流量，发现泉流量减小与降水量减少基本一致。通过1991—2000年系列与1961—1990年系列进行对比，1991—2000年系列较1961—1990年系列多年平均降水量减小了5.7%，与之相应的系列年平均泉流量减少了42%。通过2001—2010年系列与1961—1990年系列进行对比，2001—2010年系列较1961—1990年系列多年平均降水量减小了14.7%，与之相应的系列年平均泉流量减少了55.2%。通过2011—2015年系列与1961—1990年系列进行对比，2011—2015年系列较1961—1990年系列多年平均降水量减小了10.8%，与之相应的系列年平均泉流量减少了33%。降水量的减少是泉流量衰减的主要原因之一。

表2 水神堂泉泉域分时段降雨量与泉流量统计

大气降水具有一定的周期性和随机性，泉水出露作为泉域地下水系统的排泄方式之一，其流量动态变化与大气降水在时间上存在一定程度的滞后性，但与其变化趋势相对应。

3.2 人类活动对泉流量的影响

经调查表明，广灵地区主要以农业生产为主，且一年有两次集中浇地，分别在春天和夏天。根据泉域水资源开发利用调查分析，农业灌溉取用地下水量占取水总量的70%以上，并且灌溉用水具有季节性和用水量集中的特点。

据统计，农业灌溉主要集中在两个时段：3月下旬至4月下旬（春灌），7、8月份作物生长期灌溉。从泉水逐月流量变化分析，泉流量从3月份春灌开始减少，在7、8月份之间出现一个低谷，一直持续到9月份以后泉流量逐渐回升，在次年1、2月份泉水流量达到峰值。这一流量过程也表明泉流量变化的另一个主要原因是由于地下水的开采所致。水神堂泉流量随灌溉季节变化图如图5。

图5 水神堂泉流量随灌溉季节变化

虽然降雨量的减少是泉流量衰减的主要原因之一，但由表2也可看出，2015年以后泉域降雨量有所回升，但泉年平均流量仍处于衰减趋势。如2015—2019年系列对比2011—2015年系列，2015—2019年平均降雨量较后者增加了4.3%，而泉流量却减少了33%。泉水流量随降雨量变化趋势的拐点发生在2000年以后，人们生产、生活对地下水的开采规模增大，虽然降水量有增大趋势，但泉流量依然逐年减少，2014、2015年水神堂泉水部分月份干枯，说明泉流量变化与地下水开采有关，即人类活动一定程度上加速了泉流量的衰减。