洪山泉域岩溶水动态变化对外界条件的响应分析

张泽宇

（山西省水文水资源勘测总站,山西 太原 030001）

从20 世纪50 年代以来,北方岩溶泉流量整体上处于下降趋势,泉流量衰减已成为北方岩溶泉变化的主要特征[1]。洪山泉作为域内工农业生产的重要水源,自90 年代以来流量急剧衰减,并出现持续性断流现象。为进一步预测未来洪山泉水位流量变化趋势,分析岩溶水动态变化对外界因素的响应特点具有重要意义。

1 泉域概况

洪山泉域跨晋中市的介休、平遥和长治市的沁源县,总面积为632 km2。泉域碳酸盐岩裸露区面积为260 m2,占泉域总面积的41%；覆盖区面积为372 km2,占59%。

由于泉域地下水过量开采,洪山泉域已形成一定面积的超采区。洪山泉域岩溶水超采区面积为322 km2,占泉域面积的50.9%,超采区主要分布在泉域富水区和机井连片区,包括晋中市224 km2和长治市98 km2,其中严重超采区分布于晋中市,为东西向断裂富水带,面积为72 km2。

2 泉域岩溶水动态变化影响因素分析

2.1 大气降水对泉水流量的影响

根据水文统计资料,泉流量与降水量动态变化相关曲线见图1。

图1 洪山泉流量与降水量动态变化相关曲线图（1955年～2018年）

从图1可知,泉流量的衰减与断流可以明显地分为五个阶段：①稳定期（1955年～1970年）：泉流量动态呈现波状起伏、峰谷交替,其动态变化明显反映出大气降水周期性变化的特点,并存在滞后效应,此阶段自然因素占据主导地位,基本无人为因素影响,泉流量在1.14 m3/s ～1.75 m3/s之间波动,期间平均泉流量1.45 m3/s；②缓慢下降期（1971 年～1995 年）：泉流量动态整体呈下降趋势,峰谷变幅减小,波长逐渐变小,但泉流量仍然反映出降水周期性变化特点,表明人类活动对泉流量的影响日益增大,期间平均泉流量1.02 m3/s；③衰退期（1996 年～2003 年）：泉流量出现急剧下降、整体衰退的局面,此阶段泉流量与大气降水呈负相关,表明人为因素对泉流量的影响占据主导地位,且影响越来越大,截止到2003年,洪山泉流量已降至0.142 m3/s,期间平均泉流量0.57 m3/s；④小幅回升期（2004 年～2008 年）：泉流量整体有所回升,但在较低水平波动,与2000年以来人类活动有直接关系；⑤断流期（2009年～2018 年）：此阶段泉流量又呈明显的衰减趋势,期间平均泉流量0.045m3/s,说明人类活动对泉流量的影响进一步加剧,加速了泉水断流。

大气降水是洪山泉岩溶水系统的主要补给源,降雨的多少必然控制着泉水的流量大小。1980 年～2000 年系列比1956年～1979年系列降水量减少了11.2%,平均泉流量减少了31.4%,说明泉流量的衰减速度远大于降水量的减少速度。但是,进入2000年以后,年降水量呈增加的趋势,但泉流量呈继续下降的趋势。这些都说明了降水量的减少只是泉流量衰减的原因之一,而不是1996年以后泉流量断崖式陡降以及2009年以后泉流量逐渐断流的主要影响因素。

2.2 地表水对泉水流量的影响

龙凤河是洪山泉域内最大的季节性河流,近280 km3的泉域面积与龙凤河流域面积重叠。在南坪以西,该河流经过寒武、奥陶系灰岩裸露区及河床第四系砂卵砾石层时会产生大量渗透,是洪山泉重要补给水源之一。通过龙凤河1955 年～1970年,1980年～2000年两个时期系列动态变化趋势与相应时期洪山泉流量动态变化趋势进行对比分析（见图2、图3）,发现两个时期河道径流量与泉流量的动态变化趋势一致,说明龙凤河地表水径流量与泉流量存在一定相关性。1955年～1970年龙凤河年均河道径流量1680 万m3,相应泉流量1.43 m3/s；1980年～2000年龙凤河年均河道径流量1409万m3,相应泉流量0.9 m3/s。后一时期比前一时期河道径流量减少了16.13%,泉流量减少了37.06%。说明河道渗漏补给是洪山泉重要的补给源之一,但河道径流量的减少不是造成泉流量衰减的主导因素。

图2 河道径流量与泉流量（1955年～1970年）

图3 河道径流量与泉流量（1980年～2000年）

2.3 地下水开采对泉水流量的影响

根据图4 所示1960年～2000年洪山泉流量与岩溶水开采量对比曲线,可知自1994年～2000年岩溶水开采量出现陡增与洪山泉流量自1997年开始陡降的动态变化过程,反映出泉流量与岩溶水开采量呈明显负相关特征；2003 年,泉域内岩溶地下水年开采量达到0.317 m3/s（1000万m3/a）,是当年泉流量的2.23 倍。由此表明20 世纪90 年代以后特别是1994 年～2003 年洪山泉域内岩溶水毫无规划的开采使岩溶水开采量不断增加,是洪山泉流量在1997年～2003 年这一时期出现陡降的原因。2003 年之后,岩溶水开采量有所下降,开采量基本保持在400 万m3/a～700 万m3/a。

图4 洪山泉流量与岩溶水开采量对比

2.4 煤矿开采对泉水流量的影响

洪山泉域横跨沁水煤田和霍西煤田,含煤地层为石炭系太原组和山西组。

2.4.1 煤矿非带压开采对岩溶水系统的影响

煤矿非带压开采区对岩溶水的影响主要表现在3个方面。首先,采煤改变了地层结构与流域下垫面条件。其次,采煤改变了地下水动力场。地下水系统是不同含水层组成的,相互独立又相互联系的复杂地下水流动系统。采煤一方面会对煤系地层含水层造成直接破坏,另一方面会对煤系上覆含水层产生间接影响。含水层中的地下水会沿导水裂隙下渗进入矿井形成矿井水,含水层水位下降,垂向越流量将减少,对岩溶水的补给量也将减少。再次,采煤改变了地下水化学场。

2.4.2 煤矿带压开采对岩溶水系统的影响

煤矿带压开采对岩溶水的影响是动态的,持久的。一方面,许多带压开采煤矿为了安全采煤,疏水降压,将岩溶水水位降到安全采煤洪山泉域生态修复实施方案条件以内,排放大量岩溶水,对岩溶水产生直接破坏,由此导致岩溶水水位急剧下降。另一方面,若岩溶水水位高于煤系含水层地下水水位时,在岩溶陷落柱、导水断层等导水通道的联系下,会对煤系含水层形成补给。在采煤影响下,对煤系含水层产生破坏,形成大量采空区,岩溶水会通过补给采空区的形式向上运移,最终以矿坑排水的形式排出地表。

2.4.3 煤矿矿坑排水影响岩溶水量

由于洪山泉北侧径流-排泄区煤矿煤层下伏岩溶水向上的压力水头一般大于300 m,均为带压开采,底板承受着巨大的压力,加之此处分布有霍山北缘大断裂、化家窑断裂带、兴地洪山断裂带等大的控制性断层以及许多小断层,构造发育,导致泉域北侧带压开采煤矿对岩溶水量的影响巨大,是矿坑排水的主要组成部分。

2.5 人为因素影响岩溶水量

人为因素主要包括上述的岩溶地下水开采、煤矿开采影响,其中煤矿开采影响又分为煤矿正常生产矿坑排岩溶水量及煤矿突水。2019 年,洪山泉域岩溶水开采量为776.16 万m3/a,煤矿正常生产产生的矿坑排水量为1620.63 万m3/a,煤矿岩溶突水量为111 万m3/a,合计2507.79 万m3/a（0.79 m3/s）。而洪山泉域岩溶水可开采量为2460 万m3/a（0.78 m3/s）,由此可见,洪山泉域岩溶水处于超采状态,人为因素是造成泉域岩溶水水位下降的主导因素,其中,人为因素中主要由于煤矿开采对岩溶泉域水生态破坏严重,是造成洪山泉断流的主要原因。

3 结语

泉流量的动态变化反映着自然与人类活动双重因素的影响。洪山泉1956年～2007年系列年平均实测流量1.09 m3/s,其中1997年泉平均流量1.08 m3/s,2005 年泉水平均流量0.24 m3/s,2007年泉水平均流量0.18 m3/s,2010 年泉水平均流量0.148 m3/s,2016 年～2017年间,泉水最大流量0.008 m3/s,并出现连续性断流现象。不同历史时期,人类活动对泉域水资源开发利用与破坏的程度不同,从开始有影响到影响逐渐增大再到占据主导地位,体现了人类对洪山泉域水资源开发利用与破坏程度不断增加,泉流量的变化也从一开始的稳定到缓慢下降再到急剧下降直至断流的动态变化过程。可见,人类活动是泉流量衰减与断流的主导因素。因此,在后期超采治理过程中,应着重减少人为活动的影响,促进地下水可持续利用。