柳林泉流量水位双控指标管理理论与实践

王小斌

（柳林县政务服务中心，山西 柳林 033300）

柳林泉是山西19个岩溶大泉之一，既是泉域内经济社会发展的重要供水水源，又是维系泉域内水生态环境良性可持续的重要标志。柳林泉出露于柳林县城东的上青龙一带，全县辖区全部处于柳林泉域范围内。柳林镇依泉而建，因泉而繁荣，素有“小北京”、“四十里抖气河”之美誉。

柳林县是山西省煤炭资源大县，20世纪80年代以来经济社会迅速发展，取用水量大幅度增加，煤炭资源大规模开采，带来了泉水流量衰减、水位下降等一系列环境、水文、地质问题。正确处理水生态文明建设、地下水资源管理保护与经济社会发展的矛盾，实现科学合理的泉水流量控制、泉水水位控制的“双控”管理，是解决生态环境问题的重要途径。

1 柳林泉基本概况

1.1 柳林泉概况

柳林泉是吕梁市最大的岩溶泉，属黄河流域。泉源集中出露于三川河下游柳林县城以东的寨东至上青龙一带的河谷两岸及河床中，由数百个大小不一的泉点组成，呈散泉出露。按照柳林泉出露位置、水质、水温情况，可分为寨东、杨家港、刘家圪塔、龙门会和上青龙五个泉组。前三组分布于三川河北岸，后两组分布于三川河南岸。泉源出露区东西长2.4 km，南北宽约0.8 km，分布面积约2 km2。泉水出露标高794～803 m，单泉大者流量50～100 m3/s，小者呈线流。天然状态下实测平均流量（1973—1989年）2.73m3/s。水温19℃～20℃，矿化度0.44～0.118 g/L，水化学类型HCO3·SO4—Ca·Mg型水。见图1。

图1 柳林泉水出露分布图（1990年绘制）

柳林泉域主要包括，吕梁市柳林县全部和离石、中阳、方山、临县等县的部分地区，跨三川河和湫水河两条较大流域。其岩溶水系统的形成总体受区域一级构造单元控制，东部为山西台背斜吕梁山断裂隆起的西翼，西部为鄂尔多斯台向斜的东翼，总体上属于单斜构造，寒武、奥陶系碳酸盐岩含水层向西倾斜。

泉水的补给，一是大面积碳酸盐岩裸露区的大气降水入渗补给；二是北川河、南川河、东川河和三川河流经寒武、奥陶系碳酸盐岩区的渗漏补给，三是部分变质岩区的裂隙水侧向补给和碳酸盐岩上部碎屑岩及松散层孔隙裂隙水的间接越流下渗补给；岩溶水接受补给后由北、东、南三个方向，汇流向柳林县城一带的三川河河谷，在上青龙一带，受上覆巨厚的石炭系、二叠系隔水层阻挡，溢流成泉，排泄于三川河，向西于两河口排入黄河。由于泉水温度较高，冬季于柳林县城至入黄河口段形成“四十里抖气河”的美丽景观。泉水不稳定系数小于2.0，属侵蚀阻溢全排型泉水。泉域总面积4 729 km2，其中碳酸盐岩裸露区面积1 454 km2。

1.2 泉域岩溶水开发利用情况

1.2.1 开发利用现状

柳林泉域岩溶水担负着柳林、离石、中阳三个县120万城乡居民生活用水任务。泉域内有煤矿77座，井田总面积959.1 km2，生产能力达到9 830万t；大型焦化企业7个、大型钢铁联合企业1个，大型热电联合企业3个。

岩溶水开采量逐年增加，由1990年的0.2 m3/s增加到2020年的0.85 m3/s，导致柳林泉流量逐年减小，实测流量由1990年的2.33 m3/s减少到2020年的0.36 m3/s。泉口水位逐年下降，2007—2018年12年水位累计下降1.66 m，柳林泉流量与开采量变化见图2。

图2 柳林泉流量与开采量过程线图

省、市人民政府对此高度重视，2017年1月11日经山西省第十二届人民代表大会常务委员会第三十四次会议批准颁布了《吕梁市柳林泉域水资源保护条例》，标志着柳林泉域水资源保护进入法制化轨道，必将对泉域水资源、水生态和泉域经济社会发展产生深刻的影响。

截止到2020年，柳林泉域内有岩溶水开采井263眼；2020年岩溶水人工开采量2 675.13万m3。其中，城市生活取水量为1 068.65万m3，农村生活取水量231万m3，工业生产取水量1 279.98万m3，农业生产取水量95.5万m3。详见表1。

表1 2020年柳林泉域岩溶水开采量情况表单位：万m3/年

1.2.2 开发利用程度评价

根据吕梁市水利局吕水发〔2013〕447号文件下达的柳林泉域水量分配方案：柳林泉域岩溶水在预留0.7 m3/s生态泉水流量的前提下，允许人工开采量为4414万m3。根据《吕梁市水资源公报》（2020年）和《山西省吕梁市柳林泉域岩溶大泉开发利用统计年报》（2020年），2020年泉域内岩溶水实际开采量2 660万m3，开采系数0.60。其中，柳林县开采系数为1.14，其他各县区的开采系数在0.20～0.57。详见表2。

表2 2020年柳林泉域水资源开发利用程度评价表单位：万m3/年

柳林县2020年岩溶水开采系数为1.14，属于一般超配置计划开采区。其中，城市生活开采系数0.83，农村生活开采系数0.56，均在配置开采计划内；工农业生产开采系数达到1.97，属于严重超配置计划开采。

由此可见，工业超配置水量开采是导致柳林泉水量衰减、水位下降的主要原因。压缩工业开采量，其他水源替代供水是保护柳林泉，解决柳林县岩溶水超配置计划开采问题的关键所在。柳林县开采程度评价见表3。

表3 2020年柳林泉域岩溶水开采程度评价单位：万m3/年（水量）、m3/s（流量）

2 “双控”指标分析

2.1 水均衡法

水均衡法实际上是基于来去水均衡原理下的总量控制法。对于岩溶泉域来说，就是设定泉域岩溶水补给条件、潜水蒸发、侧向排泄条件、地下水总补给量等要素，在多年平均状态下基本保持不变，将多年平均泉水天然出流量作为泉域岩溶水可利用量，依此来调整开采条件下的泉水流量与人工开采量的秩序。

计算公式：Qw=Qq+Qk

式中：Qw——泉域岩溶水可利用量，万m3；

Qq——开采条件下的泉水流量，m3/s；

Qk——人工开采量，万m3。

2.1.1 可利用量确定

柳林泉流量观测从1973—1989年，历经多次单位更换和人员调整更换，时断时续，测流方法精度有限。从1990—2011年由吕梁市柳林泉域管理所专人负责，采用水文精测法每月进行3～6次实测，数据可靠且具代表性。故将还原后的泉水流量作为柳林泉域岩溶水可利用量。1990—2011年平均实测泉水流量1.69 m3/s，还原后泉水流量为2.31m3/s。鉴于2000年以来泉水总量基本趋于稳定状态，确定采用2000—2011年还原泉水总量作为柳林泉的可利用量，即平均可利用量6622万m3/年。

2.1.2 泉水生态流量的确定

泉水生态流量指标，是基于泉水流量在当地水生态环境系统中的基本功能和作用大小做出的基本判断。根据对柳林泉的多年实测流量及年内动态分布特征的分析，通过对三川河柳林泉出露段以下河道保持冬季“三十里抖气河”景观最小流量要求分析，对6～7月泉水流量低谷（枯水）期的河道生态用水等要求进行实地调查，对区内城乡生活用水和工农业生产用水量的发展趋势和前景进行分析，经过综合研判，柳林泉生态流量应在0.7 m3/s以上。

《吕梁市柳林泉域岩溶水资源保护利用规划》的编制，就是采用还原后的泉水流量作为柳林泉域岩溶水可利用量，综合分析研判后确定的柳林泉生态流量为0.7 m3/s。

2013年吕梁市人民政府批准了《吕梁市柳林泉域岩溶水资源保护利用规划》，同时吕梁市水利局以《吕梁市水利局关于调整柳林泉水量分配方案的通知》（吕水发〔2013〕447号）下达了柳林泉域内各县区泉域岩溶水可开发利用水量分配方案，即：柳林泉域岩溶水总的可利用水量为6 622万m3/年，在保证泉源区生态流量为0.7 m3/s（2 208万m3/年）的前提下，人工开采量为4 414万m3/年。其中，配置城市生活用水量2 649万m3/年，农村生活用水量698万m3/年，工农业生产用水量1 067万m3/年，详见表4。

表4 柳林泉域岩溶水控制利用水量分配表 单位：万m3/年（水量）、m3/s（流量）

2.1.3 泉口水位确定

根据柳林泉流量和泉口水位（柳林泉域事务中心院内水位长观孔）实测成果，2015年泉水流量0.75 m3/s，泉口水位埋6.75 m；2016年泉水实测流量0.58 m3/s，泉口水位埋7.5 m。内插计算泉水流量为0.7 m3/s时，则泉口水位埋深控制限值应为≤7.0 m（标高797.45 m）。

2.2 相关分析法

2.2.1 生态流量和泉口水位确定

根据柳林泉域事务中心柳林泉2007—2018年泉水流量和水位动态同步长期观测资料，进行统计相关分析，柳林泉实测泉水流量（Qq）与泉口水位（柳林泉域事务中心院内长观孔）埋深（Sw）的统计关系为：

式中：Qq——实测泉水流量，m3/s；

Sw——柳林泉域管理所长观孔岩溶水位埋深，m。

柳林泉实测泉水流量（Qq）与柳林泉域事务中心院内水位长观孔水位埋深（Sw）的统计关系见图3。

图3 柳林泉实测泉水流量与水位埋深（Qq～Sw）统计关系图

柳林泉生态流量采用吕梁市水利局，以吕水发〔2013〕447号批准值0.7 m3/s；由此计算，当泉水流量≥0.7 m3/s时，泉口长观孔水位埋深应当控制在≤6.66 m，水位标高为797.79 m以上。

2.2.2 人工开采量的确定

根据对柳林泉域事务中心1990—2018年29年泉水流量和泉域内人工管井开采量动态监测统计资料，进行统计相关分析，柳林泉水流量与人工管井开采量的统计关系为：

式中：Qq——实测泉水流量，m3/s；

Qk——泉域岩溶水人工开采量，m3。

柳林泉水实测泉水流量与人工开采量统计关系见图4。

图4 柳林泉实测泉水流量与人工开采量统计关系图

按照上述泉水流量与开采量统计相关关系计算，若要保持泉水生态流量在0.7 m3/s以上，则人工开采量须控制在3 944万m3/年以内。

由此分析计算，若泉域内其他县（区）岩溶水维持现状开采量2 330万m3/年时，则柳林县岩溶水开采量须控制在1 614万m3/年之内。

3 “双控”指标确定

3.1 柳林泉生态流量

采用基于泉水流量在当地水生态环境系统中的基本功能和作用大小，吕梁市人民政府批准的《吕梁市柳林泉域岩溶水资源保护利用规划》和吕梁市水利局以吕水发〔2013〕447号下达的柳林泉生态流量为0.7 m3/s。

3.2 泉口水位

按照实测泉流量0.7m3/s对应实测水位埋深为7.0m，按照泉水流量与水位埋深（Qq～Sw）统计相关分析成果为6.66m。由于前者受补给因素和泉水流量滞后2～3年的关系影响，取后者6.66 m（标高797.79 m）较为安全可靠。

3.3 人工开采量

基于泉水生态流量和泉口水位控制下的人工开采量，现行吕梁市人民政府批准的《吕梁市柳林泉域岩溶水资源保护利用规划》和吕梁市水利局以吕水发〔2013〕447号下达的开发利用水量分配方案，是基于水均衡法确定的，即在保证泉源区生态流量0.7 m3/s的前提下，人工开采量为4 414万m3/年。按照上述泉流量与开采量统计相关计算结果，若要保持泉水生态流量在0.7 m3/s以上，则人工开采量须控制在3 944万m3/年以内。多年开采实践表明，岩溶水人工开采量并未超过4 414万m3/年，2020年开采系数仅为0.6，泉水流量仍然在衰减。采用泉流量与开采量统计相关计算结果3 944万m3/年较为安全，依此对泉域内各县（区）开发利用水量分配方案进行调整。

4 结语

将柳林泉岩溶地下水“双控”指标管理纳入本级国民经济和社会发展规划，并采取控制开采量、防治污染等措施，维持地下水合理水位，保护地下水水质，维系泉水生态流量，是执行《地下水管理条例》的要求，是贯彻习近平总书记“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产，把水资源作为最大的刚性约束”指示的重要举措，也是柳林县水生态文明建设的重中之重。