娘子關(guān)泉流量下降原因分析及對(duì)策研究

竇艷芳

(山西省陽泉市水資源管理委員會(huì)辦公室，山西陽泉 045000)

娘子關(guān)泉流量下降原因分析及對(duì)策研究

竇艷芳

(山西省陽泉市水資源管理委員會(huì)辦公室，山西陽泉 045000)

娘子關(guān)泉域是我國北方最大的巖溶泉之一。多年來，娘子關(guān)泉作為陽泉市唯一可靠供水水源，為當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。通過對(duì)娘子關(guān)泉域水資源系統(tǒng)補(bǔ)、徑、排關(guān)系和娘子關(guān)泉水流量下降原因進(jìn)行綜合分析，從水質(zhì)、水量兩方面提出了減緩資源量衰減的預(yù)防措施和水資源保護(hù)措施，為娘子關(guān)泉域決策管理提供科學(xué)依據(jù)。

流量;下降;保護(hù);對(duì)策

水是人類維持生命和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可缺少的寶貴資源，水資源的開發(fā)利用為人類社會(huì)進(jìn)步、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了必要的基本物質(zhì)保障。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口增長、城鎮(zhèn)化步伐加快及人民生活水平提高，對(duì)水的需求量不斷增加，水資源匱乏、水資源供需矛盾、水污染嚴(yán)重和生態(tài)環(huán)境日益惡化，所構(gòu)成的水危機(jī)已成為實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的制約因素。

娘子關(guān)泉域位于山西省東部，太行山中段西側(cè)，地跨陽泉市的城區(qū)、郊區(qū)、平定縣、盂縣，晉中市榆次區(qū)、壽陽縣、昔陽縣、和順縣、左權(quán)縣、太原市的迎澤區(qū)等行政區(qū)，總面積為7 217 km2，其中裸露巖溶區(qū)面積為 2 282 km2，占31.6%，隱伏巖溶區(qū)面積為4 935 km2，占68.4%。多年平均流量達(dá)10.68 m3/s。作為我國北方最大的巖溶泉之一，多年來為當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟(jì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了重要作用。

1 自然概況

娘子關(guān)泉出露于陽泉市娘子關(guān)附近桃河與溫河的匯集地段，屬于海河流域滹沱河水系。泉群由坡底泉、程家泉、城西泉、五龍泉、石板磨泉、滾泉、河北村泉、橋墩泉、禁區(qū)泉、水簾洞泉、葦澤關(guān)泉等11個(gè)泉組組成(表1)，分布在程家到葦澤關(guān)之間約7 km長的河漫灘及階地上，出露標(biāo)高為360～392 m。

表1 娘子關(guān)泉群主要泉組一覽表

娘子關(guān)泉域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，一年中四季分明，常年受西北環(huán)流帶影響，一般每年11月至翌年5月受西伯利亞寒流影響，西北風(fēng)盛行，干旱少雨(雪)，蒸發(fā)強(qiáng)烈，“十年九旱”;6－9月，受太平洋暖濕氣流控制，多東南風(fēng)，降水集中，多呈陣雨間或暴雨發(fā)生，并時(shí)有冰雹及伴有短時(shí)大風(fēng)。泉域多年平均水面蒸發(fā)量1 202 mm(2601型蒸發(fā)器值)，多年平均氣溫10.9℃。泉域多年(1956－2003)平均降水量523 mm。娘子關(guān)泉域內(nèi)除瀟河屬黃河流域汾河水系外，其余河流均屬海河流域子牙河水系。其中較大支流有烏河、龍華河、溫河、桃河、綿河(溫河、桃河匯流后稱綿河)、松溪河、清漳河?xùn)|源、清漳河西源、洪水河等。瀟河的主要支流有白馬河、澗河等。

2 水資源系統(tǒng)綜述

娘子關(guān)泉域水資源系統(tǒng)是一個(gè)龐大的以巖溶地下水為主體，包括地表水和中淺層地下水在內(nèi)的系統(tǒng)。從下墊面的性質(zhì)來看，可以截然分為東西兩部分，西部為上游區(qū)，大面積分布二疊系及三疊系碎屑巖，基巖裂隙水較多，地表水系發(fā)育，多建有小型水庫，河谷寬闊，并有10～20 m厚的砂礫石層，形成河床孔隙水含水層。在靠近陽盂、陽左公路一線出露石炭系地層，其中的石灰?guī)r夾層形成層間巖溶裂隙含水層。在陽盂、陽左公路以東為大面積分布的奧陶系可溶巖，東部的地表水進(jìn)入本區(qū)后多入滲地下，地表多為干谷，地下則形成強(qiáng)大的巖溶含水層。

根據(jù)目前圈定的系統(tǒng)范圍，雖然包括了瀟河上游白馬河流域的一部分，但該流域基本處于碳酸鹽巖埋藏區(qū)，大氣降水及地表徑流對(duì)巖溶地下水沒有補(bǔ)給，有補(bǔ)給的是溫河、桃河、松溪河及清漳河流域的降水、地表水及淺層地下水。

娘子關(guān)泉域水資源系統(tǒng)是由多種類型的水資源和多個(gè)系統(tǒng)組合而成的。地表水包括了北部的溫河、中部的桃河、南川河和昔陽縣的松溪河以及南部的漳河。從地下水來看，除了大面積奧陶系巖溶含水層外，還有西部各河谷沖洪積層孔隙含水層及石炭系層間巖溶裂隙含水層。上述地表水和地下水之間均有不同形式的補(bǔ)排關(guān)系，因而形成統(tǒng)一的水資源系統(tǒng)，其特點(diǎn)如下:

(1)系統(tǒng)水資源總輸入是區(qū)內(nèi)大氣降水:在西部，大氣降水除蒸發(fā)外，很大部分轉(zhuǎn)化成地表水，一部分轉(zhuǎn)化成淺層地下水，包括河床沖洪積層潛水、石炭系層間巖溶裂隙水、基巖裂隙水等。在東部，除蒸發(fā)和形成少量地表徑流外，基本上都滲入地下轉(zhuǎn)化成深層巖溶水。

(2)地表水與各種類型地下水之間，存在著不同形式的水量轉(zhuǎn)換。以桃河為例，地表河水分別穿過河谷松散層孔隙含水層分布區(qū)和碳酸鹽巖分布區(qū)產(chǎn)生滲漏補(bǔ)給這兩種地下水，下游到達(dá)娘子關(guān)排泄區(qū)，巖溶地下水排出地表轉(zhuǎn)化成為地表水，與地表洪水一起流出系統(tǒng)。桃河河水在泉域內(nèi)的徑流過程中分別同雨水、碎屑巖裂隙地下水、層間巖溶裂隙地下水、河谷松散層孔隙地下水、深層巖溶地下水發(fā)生水量轉(zhuǎn)化，起到了串連各種水資源的作用。

(3)奧陶系含水層是本區(qū)最大的巖溶水盆地，它將本區(qū)大量的降水、地表水、淺層地下水轉(zhuǎn)化成深層巖溶水，經(jīng)過儲(chǔ)存、運(yùn)移、調(diào)節(jié)，把季節(jié)性很強(qiáng)的降水變?yōu)閯?dòng)態(tài)穩(wěn)定的巖溶泉水。

此外，天然條件下，各河谷松散層孔隙地下水在向下游潛流進(jìn)入灰?guī)r區(qū)后，產(chǎn)生對(duì)巖溶地下水的補(bǔ)給。上述各要素對(duì)地下水滯留、儲(chǔ)存均起到一定作用。

3 泉流量變化趨勢

自上世紀(jì)60年代以來，娘子關(guān)泉水流量動(dòng)態(tài)雖然受降水量波動(dòng)的影響，呈現(xiàn)出一定的起伏，但總體上一直處于趨勢性下降狀態(tài)(圖1)，流量衰減的線性斜率為 0.163 2。到2009年末，泉水流量已由1959年的13.1 m3/s衰減到了6.89 m3/s，這一問題一直受到各方的重視，不少專家都提出過不同的看法，其原因不外乎是天然降水量減少、巖溶地下水開采量增加、泉域內(nèi)采煤對(duì)下墊面破壞減少了碎屑巖區(qū)地表產(chǎn)流量而導(dǎo)致對(duì)巖溶地下水的滲漏補(bǔ)給量減少等天然、人為和水環(huán)境因素，但這些分析多數(shù)僅停留于定性分析層面，到底哪些是引起泉水流量衰減的主要因素，哪些是次要因素，到目前為止還沒有比較滿意的答案。根據(jù)現(xiàn)有的監(jiān)測資料，結(jié)合工作實(shí)際，對(duì)引起泉水流量衰減的原因作如下分析。

圖1 1956－2000年泉水流量變化

4 泉流量衰減原因

以1956～1979和1980～2000兩個(gè)系列進(jìn)行對(duì)比的方法分別對(duì)各種引起泉水流量衰減的因素進(jìn)行分析。由娘子關(guān)泉水流量觀測資料可知，前后兩期的平均流量分別是12.61 m3/s和 8.54 m3/s，總計(jì)減少 4.07 m3/s。

4.1 降水入滲補(bǔ)給量的減少變化

4.1.1 降水量減少

娘子關(guān)泉域內(nèi)最早進(jìn)行觀測的雨量站是平定站，始于1927年。從平定站觀測看出，自有觀測記錄以來，泉域內(nèi)降水量整體上呈現(xiàn)了減少趨勢，特別是進(jìn)入上世紀(jì)60年代后，減少的趨勢更加明顯。

1956～1979年泉域年均降水量為535.81 mm，1980～2000 年則為 489.60 mm，共減少了 46.2 mm，減少了 8.6%。按照前面計(jì)算的降水入滲系數(shù)，計(jì)算得兩期的降水入滲補(bǔ)給量減少 0.84 m3/s。

4.1.2 陸面蒸發(fā)量增加

工業(yè)革命以來，全球氣溫總體呈上升趨勢，特別是進(jìn)入上世紀(jì)90年代后氣溫升高的趨勢更加明顯。氣溫升高導(dǎo)致在同等降水量下，陸面蒸發(fā)量必然增加。其結(jié)果將減少雨水的地表產(chǎn)流量和對(duì)巖溶地下水的入滲補(bǔ)給量。具體地對(duì)巖溶地下水的影響主要表現(xiàn)在降水入滲系數(shù)的減小。

以陽泉?dú)庀笳緸槔昂髢蓚€(gè)系列的平均氣溫分別為10.82℃和11.28℃，采用泉域1956～2000年的平均降水量517.62 mm，根據(jù)陶凱經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，后期的陸面蒸發(fā)量比前期增加了5.14 mm，由于氣溫升高而減少的量為0.137 6×108m3/a(合 0.436 m3/s)。

以上兩項(xiàng)合計(jì)，則由于氣候因素變化，使得泉域巖溶地下水的入滲補(bǔ)給量的總減少量為1.276 m3/s。

4.2 河流滲漏量的減少變化

由前所述，對(duì)娘子關(guān)泉域內(nèi)巖溶地下水有滲漏補(bǔ)給的河流主要有6條，其河水主要來源于流域上游的碎屑巖地區(qū)，因此，地表產(chǎn)流量的變化直接影響到河流滲漏量的大小。1956～1979年和1980～2000年前后兩期的實(shí)測年平均徑流量從 0.311×108m3/a減少到 0.256×108m3/a。

根據(jù)地表來水量及計(jì)算的各河流滲漏系數(shù)，計(jì)算得娘子關(guān)泉域內(nèi)1958～1979年和1980～2000年兩期的河流平均滲漏量分別是 2.45 m3/s和 1.61 m3/s，兩項(xiàng)相差 0.84 m3/s。

4.3 開采量的增加

泉域內(nèi)巖溶地下水的開采對(duì)娘子關(guān)泉水流量的衰減影響是直接的，雖然由于地下水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用存在影響的滯后性，但從超過地下水循環(huán)周期的系列來分析，開采量與泉水流量的減少量之間可以認(rèn)為是1比1的關(guān)系。

根據(jù)陽泉市水資辦和山西省泉域管理處的統(tǒng)計(jì)資料，前后兩個(gè)系列的平均開采量為0.071 8 m3/s和0.532 m3/s，因此，由于泉域內(nèi)巖溶地下水的開采所引起的兩個(gè)系列泉水流量減少量為0.46 m3/s。

4.4 外圍潛流補(bǔ)給量的減少變化

由娘子關(guān)泉域邊界條件可知，在泉域西側(cè)從北磚井起至馬莊～傘兒樹～牛駝西，存在長20 km的弱潛流邊界。太原棗溝和壽陽平頭直線距離26.8 km，1985年兩地的巖溶地下水位分別是814.13 m和787.67 m，由此算得天然狀態(tài)下的水力坡度為0.000 987。由娘子關(guān)泉域管理處提供的資料知，在邊界附近的太原觀家峪、太原馬莊和榆次北磚井三個(gè)巖溶地下水鉆孔平均滲透系數(shù)為14.93 m/d，邊界處的巖溶含水層深埋于200～600 m之下，取含水層厚度300 m，根據(jù)達(dá)西流公式，由以上數(shù)據(jù)估算得潛流補(bǔ)給量為88 444 m3/d(1.02 m3/s)。上世紀(jì)80年代后期，由于太原東山、榆次等地巖溶地下水的大量開采，造成了區(qū)域地下水位下降，1994年巖溶地下水位觀測資料表明，位于邊界東側(cè)娘子關(guān)泉域內(nèi)的觀家峪巖溶地下水位(800.27 m)已高于西側(cè)棗溝巖溶地下水位(795.40 m)，說明90年代后期已不再有潛流補(bǔ)給娘子關(guān)泉域。

4.5 其它補(bǔ)給量變化

泉域內(nèi)其它類型地下水在天然條件下，通過一些途徑補(bǔ)給巖溶地下水，例如各河流上游地區(qū)松散層孔隙地下水，在天然條件下這部分水沿河谷含水層向下游潛流，當(dāng)流出下伏煤系隔水層分布區(qū)進(jìn)入碳酸鹽巖區(qū)后，便向下滲入補(bǔ)給巖溶地下水。人工對(duì)這些河谷松散層孔隙地下水的大量開采，使得向下游的潛流量減少，從而導(dǎo)致了巖溶地下水補(bǔ)給量的減少，最終引起泉水流量的減少。以桃河河谷含水層為例，計(jì)算的最大潛流量可達(dá)180×104m3/a，而目前的潛流量幾乎為零。由前面的資源計(jì)算結(jié)構(gòu)可知，1956～1979年和1980～2000年前后泉域巖溶地下水的其它補(bǔ)給量的減少量為0.06 m3/s。

此外，礦山開采，土地的利用，交通、住宅、廠礦的用地，改變了地表水的產(chǎn)流條件和碎屑巖區(qū)地下水循環(huán)條件，同時(shí)也改變了河水對(duì)巖溶地下水的滲漏補(bǔ)給條件，使得部分巖溶地下水入滲補(bǔ)給區(qū)變?yōu)榱闳霛B區(qū)，從而導(dǎo)致了降水入滲補(bǔ)給量減少。

綜上所述，引起娘子關(guān)泉水流量衰減的因素是多方面的，包括自然因素、人為因素和水環(huán)境因素的改變，對(duì)娘子關(guān)泉水在1956～1979年和1980～2000年兩個(gè)系列中減少的4.07 m3/s流量，通過初步量化計(jì)算，有約3.5 m3/s的流量是基本可以確定的，其余減少流量，有待進(jìn)一步的深入研究工作。

5 對(duì)策

娘子關(guān)泉域水資源系統(tǒng)是一個(gè)由多種水資源類型要素構(gòu)成的巨型復(fù)雜水資源系統(tǒng)，任何一種水資源要素的質(zhì)量變化都可能引起其它水資源的質(zhì)量變化，特別是對(duì)泉域內(nèi)的最終排泄要素巖溶地下水的影響往往是直接的。而娘子關(guān)泉作為陽泉市的“母親泉”，如何采取措施，遏制泉流量衰減，避免斷流悲劇發(fā)生，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用是當(dāng)務(wù)之急。

5.1 建設(shè)節(jié)水型社會(huì)

節(jié)約用水是緩解水資源供需矛盾，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略措施。強(qiáng)化計(jì)劃用水、節(jié)約用水管理，由水行政主管部門統(tǒng)一下達(dá)用水指標(biāo)，鼓勵(lì)各行業(yè)積極采用先進(jìn)節(jié)水技術(shù)設(shè)備，降低耗水量，提高復(fù)用率。同時(shí)要有計(jì)劃地調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力推行高產(chǎn)出，低水耗的產(chǎn)業(yè)，加快節(jié)水型工業(yè)、節(jié)水型農(nóng)業(yè)和節(jié)水型城市建設(shè)的步伐。

5.2 生態(tài)環(huán)境治理

抓住陽泉市建設(shè)國家園林城市和森林城市的有利時(shí)機(jī)，在泉域范圍開展造林綠化工程，植樹種草，涵養(yǎng)水源，同時(shí)要積極探討灰?guī)r裸露區(qū)和半裸露區(qū)的生態(tài)治理方法，優(yōu)化水文下墊面，積蓄雨洪水，增加補(bǔ)給量;開展河流綜合治理工程，疏浚河道，恢復(fù)植被，增加河流滲漏補(bǔ)給量。

5.3 回灌工程建設(shè)

對(duì)大石門水庫、趙家莊水庫等泉域補(bǔ)給區(qū)的水利工程進(jìn)行功能性改造，并在有條件的地區(qū)新建回灌工程，攔蓄洪水，建設(shè)生態(tài)濕地工程，蓄滯雨洪，延長補(bǔ)給時(shí)間，增加補(bǔ)給量。

5.4 建設(shè)后備水源

陽泉市作為能源化工和新材料基地，主要水源為娘子關(guān)泉水，水源單一，資源不足，必須開辟后備水源，滹沱河調(diào)水緩解陽泉水危機(jī)是唯一途徑，同時(shí)也可減少娘子關(guān)泉資源壓力，確保娘子關(guān)泉保持一定的流量，滿足基本的生態(tài)需水要求。

5.5 實(shí)現(xiàn)污水資源化

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，污水廢棄物排放量逐年增加，水環(huán)境壓力也逐步增加，因此，必須把水污染防治和污水資源化作為陽泉市節(jié)水增源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的根本性措施來抓。對(duì)污染源要采取集中治理和分散治理相結(jié)合的原則，變總量控制為濃度控制，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排污，清潔生產(chǎn)。

［1］陽泉市第二次水資源評(píng)價(jià).2004年 陽泉市水資源管理委員會(huì)、山西省水資源研究所.

［2］陽泉市水資源總體規(guī)劃.2006年 陽泉市水資源管理委員會(huì)、山西省水資源研究所.

［3］娘子關(guān)泉域地下水資源評(píng)價(jià)報(bào)告.2004年 中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所、山西省娘子關(guān)泉域管理處.

［4］山西省娘子關(guān)泉水資源保護(hù)及污染防治對(duì)策研究.1999年 山西省陽泉市環(huán)境保護(hù)局與山西省陽泉市環(huán)境監(jiān)測站.

TV211.1

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1004－1184(2012)03－0086－03

2012－02－23

竇艷芳(1975－)，女，山西平定人，工程師，主要從事水資源管理工作。