太原市三給地下水庫庫區(qū)水文地質(zhì)條件調(diào)查分析

許杰民

（太原市水利技術(shù)推廣服務(wù)站，太原 030002）

太原市位于汾河中游出山口以下的沖洪積盆地，一直以地下水為主要供水水源，地下水開采量占總供水量的80%以上，主要開采奧陶系巖溶地下水和第四系地下水。隨著城市的高速發(fā)展，地下水開采量劇增，從而引發(fā)了一系列相關(guān)的水資源和環(huán)境問題。進入20世紀80年代，地下水持續(xù)超采，水位大幅下降，造成泉水斷流、含水層疏干，形成區(qū)域性地下水降落漏斗，大批淺井報廢及大面積地面沉降。漏斗中心水位以每年3.0m左右的速度下降，累計下降61.67m。

2003年，萬家寨引黃工程建成供水，太原市開始實施關(guān)井壓采，扭轉(zhuǎn)了研究區(qū)地下水位持續(xù)下降的局面，地下水位逐漸得以回升。過量超采地下水形成巨大的地下水降落漏斗[2]，說明水庫區(qū)為相對獨立的蓄水空間。

筆者根據(jù)多年從事水利工作的實踐，結(jié)合太原市水資源現(xiàn)狀，提出了建設(shè)三給地下水庫的設(shè)想。在水庫區(qū)不產(chǎn)生地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的條件下，適度增大地下水開采，適時回灌、補充地下水，達到地表水和地下水調(diào)節(jié)和聯(lián)合利用?；舅悸肥牵豪寐┒穮^(qū)含水層空間進行地下水庫建設(shè)，對于嚴重缺水的太原市，增加了水資源戰(zhàn)略儲備，增強應(yīng)對特大旱災(zāi)和其他突發(fā)事件的能力，確保水資源持續(xù)利用，具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 三給庫區(qū)水文地質(zhì)條件

地下水庫不同于地下水人工補給，它不是地下水資源超采后的一種補救措施，而是一種有目的、主動性的儲存、調(diào)節(jié)和利用地下水資源的一種工程措施。地下水庫的建設(shè)需具備5個基本條件：

1）相對封閉的邊界；

2）足夠大的蓄水空間；

3）可供調(diào)蓄的水源；

許多研究證實峰值攝氧量隨年齡而下降，但本組研究顯示青年、中年、老年峰值攝氧量無明顯差異，可能與老年患者的樣本量太少相關(guān)，需進一步積累后進行研究。

4）庫區(qū)內(nèi)有良好的水力傳導條件；

5）可行的開采條件。

三給地下水庫區(qū)水文地質(zhì)邊界條件為：北起蘭村及北部邊山斷裂帶，東部和西部均有斷層切割，斷層將透水巖層錯開，可視為相對隔水邊界；南部邊界為三給隱伏地壘。庫區(qū)南北最大長15.85km，東西最大寬12.76km，總面積121km2。

三給地下水庫儲水空間為第四系松散堆積物中的孔隙，儲水層具有厚度大、顆粒粗的特點。地下水徑流基本是由盆地周邊流向盆地中心，北、東、西部均為補給邊界，向南為排泄邊界。由于三給地壘具有一定的阻水作用，構(gòu)成弱透水邊界（參見圖1）。

圖1 三給地下水庫平面示意圖

三給地壘位于太原盆地北部的三給—趙莊一帶，近EW向展布，隱伏于新生界地層之下，基底為殘留的二疊系地層，基巖埋深110～133m。該地壘寬約4km，斷距200～350m。地壘北側(cè)為新城凹陷（地下水庫區(qū)），南側(cè)為城區(qū)凹陷。三給水庫區(qū)是汾河、楊興河古河道多次演變疊置的復合部位，兩側(cè)為基巖山地或黃土丘陵。汾河在發(fā)展過程中，側(cè)蝕作用使其頻繁改道，主流彎曲，搖擺不定，河床較寬，屬于蜿蜒型游蕩性河道，造成沉積不連續(xù)，形成透水層和隔水層凸鏡狀沉積。三給地下水庫區(qū)地下水漏斗與水源地平面上重疊一致，反映了該區(qū)地下水賦存條件好，疏干的含水層及降落漏斗的形成反映了該區(qū)地下水力聯(lián)系密切，含水層具有一定的連通性和傳導能力，補給徑流條件較好[3]。

按含水層水力性質(zhì)及埋藏條件，該區(qū)孔隙水可分為淺層孔隙水和中深層承壓水。淺層孔隙水含水層亦稱上含水巖組，包括潛水和第一承壓含水層組；含水層巖性為第四系全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)沖洪積砂及砂礫石層，含水層底板埋深一般為32～69m，主要含水層有1～3層，河谷層數(shù)較少，兩側(cè)較多；含水層顆粒自上游向下游由粗變細、厚度變薄，厚度為20～30m。隔水層由亞粘土、亞砂土組成，厚度一般為7～20m，主要隔水層為1～3層，由北向南由西向東厚度增加。淺層孔隙水富水性自北向南，由汾河河谷向東西兩側(cè)由強變?nèi)酢?jù)森林公園1號淺層孔隙水井資料，含水層位分別在23～31m，35～40 m，43～47m；巖性為砂和砂礫石層；單井出水量20 m3／h。中深層孔隙水含水層（亦稱下含水巖組），為中、下更新統(tǒng)沖積、沖湖積和洪積砂卵石及砂層。觀測孔J34資料揭露，新生界松散層，厚度414.6m；二疊系及石炭系砂頁巖，厚度約215.0m；奧陶系中統(tǒng)峰峰組灰?guī)r，厚度大于50m（見圖2所示）。

圖2 三給地下水庫區(qū)地質(zhì)剖面圖

2 地下水庫建設(shè)綜合分析

2.1 調(diào)蓄空間（庫容）估算

三給地下水庫調(diào)蓄空間就是三給地壘上游地下水降落漏斗形成的儲水空間，地下水庫蓄水過程基本是一個減小、補平地下水降落漏斗的過程。采用容積法計算地下水庫庫容，公式為：

式中：V 為總庫容，m3；μi為第i地層的給水度（無量綱）；Vi為第i地層的體積，m3；n為地層數(shù)量。給水度是度量含水層給水和儲蓄能力的指標，參照太原地區(qū)太谷水均衡試驗場試驗成果確定，不同巖性給水度如表1所示。

表1 不同巖性給水度（μ）取值表

根據(jù)山西省第一水文地質(zhì)隊和太原市水利科學研究所編制的地下水水位下降幅度圖和有關(guān)漏斗要素，以蓄水后不產(chǎn)生環(huán)境負效應(yīng)的條件下，估算三給地下水庫總庫容為4.9×108m3。參照水利水電工程分等指標，該工程達到大Ⅱ型水庫規(guī)模。

2.2 補給水源

建設(shè)地下水庫的目的是補給持續(xù)消耗的含水層，水源是地下水庫建設(shè)的關(guān)鍵因素。充分利用汛期雨洪資源是增加地下水庫水源總量的有效方法。補給水源主要包括上游河水補給、上游水庫棄水補給、引黃水補給、降水入滲補給、集雨回收系統(tǒng)及回灌補給等。一方面在庫區(qū)直接引洪回灌，另一方面在庫區(qū)上游支流上建壩攔洪蓄水，改變雨洪水的時空分布，使所蓄雨洪自然滲入補充地下水庫。

1）建壩攔洪蓄水。三給地下水庫上游的汾河支流凌井河、泥屯河和陽興河屬于季節(jié)性河流，水量季節(jié)分配極不均勻，河流來水和用水在時間配置上極不統(tǒng)一，致使大部分過境水流失。在這些支流和汾河主流蘭村至汾河二庫段建壩攔洪蓄水，通過庫水下滲和渠道輸送至地下水庫補給區(qū)補充地下水庫。

2）水庫棄水補給。汾河水庫、汾河二庫每到汛期到來前都要按防汛要求下泄汛限水位以上的庫水，騰空庫容，將庫水位降低至汛限水位以下形成棄水。將汛前棄水和發(fā)電尾水存入地下水庫，作為地下水庫的補給源。

3）降水入滲補給。降水入滲補給為面狀補給，主要受降水特征、地表巖性及地下水位埋深等控制，難以人工調(diào)控。集雨回收是對降雨進行收集、匯流和進行回收利用的一套系統(tǒng)。選擇具有一定的產(chǎn)流面積作為集雨場收集雨水。

4）回灌補給?；毓嘌a給主要是利用機滲井、人工滲井和回灌池將上游河水、水庫棄水和集雨水滲入地下水庫。機滲井可重新利用西張地區(qū)已封閉的穿透松散含水層的濾水管井，共有49眼；人工滲井為挖穿表層弱透水層的淺井；回灌池可利用補給區(qū)廢棄的砂石坑。在利用已有濾水管井和砂石坑的基礎(chǔ)上，根據(jù)來水量增設(shè)回灌設(shè)施。

2.3 水力傳導條件

三給地下水庫區(qū)位于汾河中游出山口下游的沖洪積平原，巖性以砂卵石、砂及粉土、粉質(zhì)粘土為主，厚度410m。由上游向下游顆粒由粗變細，滲透性由強變?nèi)?。含水層滲透性較強，具有一定的連通性和傳導能力。庫區(qū)內(nèi)分布著穿透松散含水層的封閉的濾水管井，在進行地下水回灌中也能起到一定的水力傳導作用。根據(jù)太原市水利、地質(zhì)部門抽水試驗成果，確定的不同巖性透水層滲透系數(shù)（K）范圍值見表2所示。

表2 太原不同巖性透水層滲透系數(shù)（K）

2.4 地下水庫開采條件

開采系統(tǒng)是地下水庫的重要組成部分，在地下水資源基本保持采補平衡的前提下，合理的開采地下水，以實現(xiàn)地下水庫的供水功能。三給地下水庫庫區(qū)分布有太原自來水公司西張水廠以及太鋼等大型企業(yè)水廠，區(qū)內(nèi)提水、用水管網(wǎng)設(shè)施齊全，建庫后不用專門再建管網(wǎng)?，F(xiàn)區(qū)內(nèi)共有水井275眼，開采能力為5047.5萬m3／a。因此，在利用原有取水設(shè)施的基礎(chǔ)上，再適當增加部分取水設(shè)施，可將庫水采出，而不必為開采地下庫水而投入大量取水設(shè)施。

2.5 地下?lián)跛畨?/h3>

考慮地下水庫含水層巖性、地下水降落漏斗深度和施工設(shè)備能力，建議地下?lián)跛畨蔚氖┕げ捎脩覓焓礁邏簢娚渥{防滲墻[4]。高壓噴射注漿是利用專用設(shè)備，通過高壓射流沖切土體，用漿液置換部分土體，形成水泥土防滲墻。懸掛式地下?lián)跛畨尾荒芡耆財酀B流，主要依靠延長滲徑達到防滲效果。地下壩長度10.8km，厚0.8m。地下?lián)跛畨未┻^主要透水層，插入其下的相對隔水層，根據(jù)不同地段主要透水層埋深在40～76m范圍內(nèi)確定。

2.6 地下水庫監(jiān)測

地下水庫較地表水資源復雜，具有流動、置換慢的特點，地下水本身質(zhì)和量的變化以及引起地下水變化的環(huán)境條件和地下水的運移規(guī)律不能直接觀察。同時，地下水的污染以及地下水超采引起的地面沉降是緩慢變形的，是不可逆的。因此開發(fā)保護地下水就必須依靠長期的地下水監(jiān)測，及時掌握動態(tài)變化情況。在水源地原有地下水監(jiān)測設(shè)施的基礎(chǔ)上，針對地下水庫的特點增設(shè)、完善地下水庫監(jiān)測系統(tǒng)。目前已有新的地下水監(jiān)測的先進技術(shù)，具有測量水位、孔隙壓力、滲透性和取水樣等多重功能[5]。地下水監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測中心、通信網(wǎng)絡(luò)、測控終端、水位監(jiān)測記錄儀等組成。

3 結(jié)束語

1）三給地下水庫利用逐漸恢復的地下水降落漏斗作為儲水空間，四周有近封閉的邊界，適合修建地下水庫。

2）三給地下水庫總庫容可達4.9×108m3，該工程達到大Ⅱ型水庫規(guī)模。

3）三給地下水庫上游的凌井河、泥屯河和陽興河建壩攔洪蓄水，通過庫水下滲和渠道輸送至地下水庫補給區(qū)補充地下水庫。利用汾河水庫、汾河二庫汛前棄水和發(fā)電尾水，以及降水入滲和集雨回收補給作為地下水庫的補給源，在這些水源不能滿足時增加引黃水補給。

[1]杜新強，李硯閣.地下水庫的概念、分類和分級問題研究[J].地下空間與工程學報，2008，14（4）：209-214.

[2]文佩仙，李京生.太原市蘭村泉域地下水的利用與管理[J].地下水，2002，24（1）：16-18.

[3]孫中惠.對太原巖溶地下水的一些初淺看法[J].山西水利科技，1996（4）：20-24.

[4]張增勤，崔秋平.滹沱河地下水庫建設(shè)條件分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011，38（3）：19-23.

[5]葉勇，謝民.沈陽市地下水庫建設(shè)的技術(shù)可行性分析[J].中國水利水電科學研究院學報，2010，8（1）：66-70.