娘子關(guān)泉域巖溶水資源特征分析

馮養(yǎng)云

(山西省水文水資源勘測局)

1 泉域水資源簡況

娘子關(guān)泉屬山西省19 個巖溶大泉之一，位于平定縣娘子關(guān)鎮(zhèn)附近，出露于桃河與溫河匯集地段。主要由11 個泉組組成，分布在自程家至葦澤關(guān)約7 km長的河漫灘及階地上，出露高程360 -392 m。泉群多年(1956 -2003)平均流量10.6 m3/s，是我國北方流量最大的巖溶泉之一。1984年前，泉水流量年際不穩(wěn)定系數(shù)為1.5，屬穩(wěn)定型泉水;后期因為泉域水環(huán)境的改變，泉水流量衰減嚴重，不穩(wěn)定系數(shù)(1985 -2003)增加到2.77。泉水水化學(xué)類型一般為SO4·HCO3-Ca +Mg 或SO4·HCO3-Ca 型水，溶解性總固體600 -700 mg/L，總硬度450 -480 mg/L，水溫19.2℃。泉域多年平均降水量為534.3 mm(1956 -2003)，其分布跨越海河及黃河兩大流域，主要河流為桃河、溫河、松溪河和清漳河。

2 泉域邊界及地質(zhì)環(huán)境

2.1 西北部邊界

從馬駝到黃嶺，總體走向東西，為娘子關(guān)泉域與蘭村棗溝巖溶水系統(tǒng)的地下分水嶺邊界;中段從黃嶺到水嶺底，走向北東，由東山背斜和走向北東的斷裂帶構(gòu)成，背斜軸部下奧陶統(tǒng)相對隔水層隆起，斷裂帶附近出露有火成巖，構(gòu)成隔水邊界。

2.2 北部邊界

從水嶺底到蚍蜉腦北側(cè)榆林只，構(gòu)成娘子關(guān)泉域與北側(cè)興道泉域等巖溶地下水的分水嶺邊界;榆林只向東到六嶺關(guān)出露下寒武統(tǒng)區(qū)域隔水層。

2.3 東北部邊界

從六嶺關(guān)，經(jīng)仙人—黑掌(1 192 m)—黃統(tǒng)嶺—石榴嘴，為娘子關(guān)泉域與勿勿水泉及神水泉(均屬威州泉域的子系統(tǒng))的地表分水嶺。山頂多由O2灰?guī)r組成，其下為相對隔水的O1白云巖。其中莊只一帶地表出露長城系石英砂巖和太古界變質(zhì)巖，形成隔水巖層及斷層阻水邊界(長約2 km)。

2.4 東部邊界

東部邊界在昔陽閻莊以北到娘子關(guān)一帶，為娘子關(guān)泉域巖溶地下水與東側(cè)威州泉域、東固壁泉域巖溶地下水分水嶺邊界，以南是由下寒武統(tǒng)區(qū)域隔水層組成的隔水邊界。

娘子關(guān)泉口下游，由01白云巖構(gòu)成隔水邊界，長約9 km，構(gòu)成娘子關(guān)泉域與東側(cè)威州泉域之間的弱透水邊界。計算結(jié)果表明，向威州泉域的總潛流量約為0.55 m3/s。

2.5 南部邊界

從申家-連壁-新上嶺，為娘子關(guān)泉域與辛安村泉域的地下分水嶺。

2.6 西部邊界

地表出露二、三疊系砂、頁巖，灰?guī)r深埋1 000 -1 200 m 以下，構(gòu)成巖溶地下水滯流性隔水邊界。西北段由西至東自郝莊—段莊—五臺腦，中段為海河(清漳河?xùn)|源)與黃河(瀟河)兩大水系的分水嶺。由北向南五臺腦—昔陽大寒掌—榆次關(guān)上北人頭山。西南段為清漳河西源與濁漳河北源的地表分水嶺，亦為和順、左權(quán)與榆社縣的行政邊界。由北向南自人頭山—安陽嶺—新上嶺。

由上述邊界圈定的泉域分布范圍包括陽泉市的平定、盂縣、城區(qū)、郊區(qū)，晉中市的榆次、壽陽、昔陽、和順、左權(quán)，以及太原市的南郊區(qū)等縣、區(qū)，總面積7 226.72 km2，其中可溶巖裸露面積2 250 km2。按市級行政區(qū)域劃分:陽泉市2 430 km2，晉中市4 688 km2，太原市99 km2，省區(qū)外9.72 km2。

3 泉域巖溶水資源特征分析

從構(gòu)造上看，泉域處于沁水向斜的北東翹起端，泉域內(nèi)出露的地層有前寒武系、古生界、中生界、新生界地層，自東向西，由北向南，由老到新排列分布，其中奧陶統(tǒng)巖溶含水層組，沉積厚度467 -628 m，為巖溶水的貯存、運移提供了巨大的調(diào)蓄空間。

3.1 水資源系統(tǒng)要素組成特征

娘子關(guān)泉域水資源系統(tǒng)是一個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，大致以陽盂、陽左公路為界，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，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。陽盂、陽左公路以東則大面積分布奧陶系可溶巖，西部的地表水進入本區(qū)后多入滲地下，地表多為干谷，地下則形成強大的巖溶含水層。

娘子關(guān)泉域水資源系統(tǒng)是由多種類型的水資源組合而成的，地表水和地下水之間均有不同形式的補排關(guān)系，形成統(tǒng)一的水資源系統(tǒng)。其特點如下:

(1)系統(tǒng)水資源總輸入是區(qū)內(nèi)的大氣降水。在西部，大氣降水除蒸發(fā)外，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，地表河水在西部接受大氣降水、碎屑巖裂隙地下水補給后向東徑流，沿途分別穿過河谷松散孔隙含水層分布區(qū)和碳酸鹽巖分布區(qū)產(chǎn)生滲漏補給這兩種地下水，向下游到達娘子關(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)。各地表河流在泉域內(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，起到了聯(lián)系各種水資源要素的紐帶作用。

(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)過儲存、運移、調(diào)節(jié)，把季節(jié)性很強的降水變?yōu)閯討B(tài)穩(wěn)定的巖溶泉水。

3.2 巖溶地下水的循環(huán)與富集特征

(1)補給。歸結(jié)起來，娘子關(guān)泉域巖溶地下水主要有以下補給項。

1)大氣降水直接入滲補給。碳酸鹽巖裸露區(qū)與覆蓋區(qū)降雨入滲是泉域巖溶地下水的主要補給來源。根據(jù)陽泉市第二次水資源評價結(jié)果，多年平均降雨入滲補給量為8.94 m3/s(計2.82 ×108m3/a)。

2)河流滲漏補給。娘子關(guān)泉域內(nèi)從北向南發(fā)育有溫河、桃河、南川河、松溪河、清漳河5 條東西向河流，各河流接受西部碎屑巖區(qū)產(chǎn)流后向東進入碳酸鹽巖裸露區(qū)發(fā)生滲漏。泉域內(nèi)河流總滲漏量為2.17 m3/s (計0.684 ×108m3/a)，占到巖溶地下水天然補給總量的19%。

3)其他補給量。泉域范圍內(nèi)碳酸鹽巖裸露區(qū)的大石門水庫、油甕水庫都對巖溶地下水產(chǎn)生滲漏補給。此外，在各河流上游碎屑巖區(qū)河谷內(nèi)沖洪積層中均儲存有孔隙地下水，這部分地下水在天然條件下沿河槽向下游區(qū)滲流，到達碳酸鹽巖裸露區(qū)后通過地下潛流補給巖溶地下水。

(2)巖溶地下水的徑流與富集。受沁水向斜北東翹起的影響，巖溶含水層的總體構(gòu)造展布是由北東向西南傾斜，因此，在泉域北部、東南部大面積出露的碳酸鹽巖區(qū)接受降雨入滲補給的巖溶地下水首先順地層傾向向斜軸部滲流，在碳酸鹽巖裸露區(qū)西南側(cè)受上覆隔水頂板阻擋而匯集。巖溶地下水在埋藏區(qū)的一定深度內(nèi)匯集，并為巖溶發(fā)育創(chuàng)造了有利條件，大致沿地層走向分別在北部和南部形成巖溶地下水主徑流帶。桃河、溫河的下切在泉域中部東端打開了巖溶地下水排泄缺口，因此匯集在平定、陽泉一帶巖溶地下水改向向娘子關(guān)一帶徑流排泄，形成了逆地層傾向的東西向徑流帶。整個泉域巖溶地下水滲流從平面上就是圍繞北部、南部與中部三條“丫”字型巖溶地下水強徑流帶的滲流匯集，向娘子關(guān)方向運移，沿強徑流帶及兩側(cè)形成了巖溶地下水的富水區(qū)。

中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖以質(zhì)純灰?guī)r、斑狀白云質(zhì)灰?guī)r為主夾三層膏溶角礫巖，分布于整個泉域內(nèi)并廣泛出露于東部、北部及東北部廣大地區(qū)，是巖溶地下水的主要含水巖組。中奧陶統(tǒng)地層為典型的硫酸鹽巖—碳酸鹽巖混合構(gòu)造，巖溶作用具有分層性。峰峰組與上、下馬家溝組從上而下，巖性特征為石灰?guī)r—角礫狀石灰?guī)r—角礫狀泥灰?guī)r或泥灰?guī)r。每組下段含石膏泥灰?guī)r或角礫狀泥灰?guī)r，巖石軟塑，發(fā)育蜂窩狀溶孔但不連通，形成相對弱透水層。上覆灰?guī)r由于石膏溶解時的膨脹擠壓，巖石破碎，形成角礫狀石灰?guī)r，巖溶發(fā)育(多有小溶洞)，為主要含水層位，構(gòu)成垂直方向上的地下水富集層。

3.3 巖溶地下水的排泄出露特征

綿河對地表的下切塑造，使得娘子關(guān)一帶從地形上構(gòu)成泉域內(nèi)最低點，同時也是泉域奧陶系巖溶地下水含水層出露的最低點。泉域內(nèi)巖溶水接受補給后，在重力驅(qū)動作用下，由北、西、南三面向娘子關(guān)一帶徑流匯集。受泉域內(nèi)下奧陶統(tǒng)燧石團塊或條帶白云巖相對隔水層的隆起，并被桃河侵蝕出露，使巖溶地下水溢出地表成泉。娘子關(guān)泉是由隔水底板阻水而形成的泉水，基本上為全排型泉。

4 泉域水資源保護措施

娘子關(guān)泉是陽泉市經(jīng)濟發(fā)展和人民生活的生命泉，隨著泉水流量減少形勢的不斷嚴峻，加強泉域保護，刻不容緩。為了加強泉域保護，達到涵養(yǎng)水源、永續(xù)利用的目的，需采取以下措施:一是加強植樹造林與封山育林，快速恢復(fù)植被;二是嚴格審批制度，控制新打深井和新建引水工程;三是堅決禁止在泉域內(nèi)新上存在一定排污能力的企業(yè)，并切實做好老企業(yè)的污水處理，嚴防泉水污染;四是地方制定切實可行的泉域取用水補償政策，以推動泉域保護工作順利開展。