晉祠泉泉域變化分析與保護措施設計

石桂萍

(山西省水利水電勘測設計研究院，山西太原 030024 )

晉祠泉泉域變化分析與保護措施設計

石桂萍

(山西省水利水電勘測設計研究院，山西太原 030024 )

晉祠泉是太原市僅次于蘭村泉的第二巖溶大泉，保護晉祠泉域一直以來就是相關部門要重點解決的課題，文章就泉域變化成因進行了詳細分析，并結合近年來太原市環(huán)城水系的建設，提出了晉祠泉域的保護措施和建議。

泉域成因；水位變化；保護措施

晉祠泉是太原市僅次于蘭村泉的第二巖溶大泉，由難老泉、圣母泉、善利泉組成，其中難老泉出露于太原西山懸甕山下，距太原市城區(qū)25km。早在20世紀50年代，晉祠泉還屬于穩(wěn)定型泉水。建國以來，由于工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，加劇了對巖溶地下水的開采，再加上20世紀80～90年代，大規(guī)模煤礦開發(fā)建設、疏干降壓和采煤排水，大量釋放巖溶地下水，加速了泉水衰減勢頭，最終使“三晉名泉”于 1994年4月30日斷流。晉祠泉的斷流，不僅影響了當?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且還危及到千年文物古跡的安全，同時也使旅游景觀大為遜色，引起了省、市各有關部門的高度重視?！笆濉逼陂g，山西省將實施水生態(tài)系統(tǒng)修復與保護規(guī)劃，加大巖溶大泉的保護力度，并將晉祠泉的恢復出流納入規(guī)劃。

1 泉域基本情況

1.1 泉域概況

（1）泉域范圍：晉祠泉域行政區(qū)劃分以太原市的古交市、清徐縣、晉源區(qū)、萬柏林區(qū)所轄范圍為主，局部涉及尖草坪區(qū)、婁煩縣和交城靜樂等九縣（區(qū)）。東界沿柳林河與獅子河的分水嶺向南至王封村，折向三給村，沿汾河至汾河二壩；南界從汾河二壩經(jīng)清徐縣西高白沿古交市與交城縣的行政分界線至郭家梁村；西界沿婁煩縣、古交市、靜樂縣的交界處往南經(jīng)牛頭山、羅家曲村、白家灘村、康莊村至郭家梁村；北界為古交市與靜樂縣的行政分界線?？偯娣e2030km2。

（2）地形地貌：晉祠泉域由山區(qū)和平原區(qū)兩部分組成，全區(qū)地勢總趨勢是：西北高東南低，山區(qū)與盆地平原區(qū)地形突變，兩者直接相接，邊山洪積扇呈裙狀起伏，扇小而坡降大。依據(jù)成因與形態(tài)特征，山區(qū)屬于剝蝕構造地形，盆地平原區(qū)分洪積傾斜平原和沖洪積平原屬于堆積地形。

（3）水文氣象：泉域區(qū)屬典型的溫帶半干旱大陸性季風氣候，干旱多風，雨量集中，蒸發(fā)強烈，四季分明，晝夜溫差大及無霜期短為其典型特征。多年平均降水量507mm；多年平均蒸發(fā)量1871.8mm；多年平均氣溫8.1℃，極端最高氣溫39.4℃，極端最低氣溫-25.5℃。平均相對溫度60%，最大凍土層厚1.1m，無霜期160天左右。主導風向冬春為西北風，夏秋為東南風。

區(qū)內(nèi)河流水系較為發(fā)育，汾河是流經(jīng)本區(qū)最大的河流，還分布有天池河、屯蘭川、獅子河、原平川、大川河、梵石溝、磨石溝、玉門溝、虎玉溝、冶峪溝、風峪溝、柳子溝、白石溝等多條季節(jié)性河流，均為汾河的一級支流。

（4）水文地質條件：地下水含水層主要有兩個基本類型：第四系松散巖類孔隙水和奧陶系碳酸巖鹽類巖溶裂隙水。

A)松散巖類孔隙水：按埋藏條件分為淺層孔隙水和中深層孔隙水。淺層孔隙水包括潛水和第一承壓含水巖組，一般埋藏深度在50m之內(nèi)，含水層巖性為砂卵礫石、粗砂，細砂、粉砂、亞砂土夾粉細砂等；中深層孔隙水包括第二、第三承壓含水巖組，主要分布與盆地平原區(qū)，是目前孔隙水的主要開采層，含水層巖性為中、下更新統(tǒng)洪積、沖積、湖積形成的砂卵礫石、粗砂，細砂、粉砂等。

B)碳酸巖鹽類巖溶裂隙水：泉域大面積灰?guī)r裸露區(qū)分布于古交市汾河以北地區(qū)，在西邊山沿線白石溝—晉祠—冶峪溝一帶也有零星出露，含水層主要為奧陶系中統(tǒng)上、下馬家溝組及峰峰組石灰?guī)r，其次為下奧陶及寒武系的白云巖、白云質灰?guī)r。中奧陶巖溶發(fā)育程度最高，是晉祠泉域的主要含水層，晉祠泉是巖溶水的集中排泄點，西邊山斷裂帶是晉祠泉域巖溶水的主要匯集通道和排泄區(qū)，富水性極強。

（5）巖溶水、孔隙水補徑排特征如下。

A）巖溶水：巖溶水接受大氣降水、河流滲漏和部分上覆石炭二疊系裂隙水滲漏補給后，沿西北至東南方向向西邊山斷裂帶徑流。大氣降水入滲系數(shù)多年平均達0.25，入滲強烈。汾河從壩下至蘭村的滲漏率平均為15%，二者是泉域巖溶水的主要補給來源。天然狀態(tài)下巖溶水大部分以泉的形式排泄，部分側向排泄補給盆地孔隙水，現(xiàn)狀條件下則以人工開采為主要排泄形式。汾河以北的補給區(qū)，巖溶含水層富水性較差，單井涌水量一般小于 500m3/d。汾河至西山山前徑流區(qū)，單井涌量為1000～2000 m3/d，中等富水。排泄區(qū)即西邊山斷裂帶，富水激增，單井涌水量為5000～36000 m3/d。

B）盆地區(qū)松散巖類孔隙水：淺層孔隙水主要接受大氣降水入滲補給、灌溉入滲補給、渠系入滲補給、河道滲漏補給及山區(qū)側向徑流補給等。其徑流方向基本與地形一致，排泄形式以人工開采、潛水蒸發(fā)和越流補給中深層孔隙水為主；中深層孔隙水主要接受淺層孔隙水的越流補給和山區(qū)巖溶水、裂隙水的側向補給，排泄形式在現(xiàn)狀條件下，則以人工開采為主，由于多年來大量集中開采，已形成大面積的區(qū)域性水位降落漏斗，局部地段含水層被疏干，并且在部分地區(qū)以改變了地下水的徑流方向。

1.2 泉水形成機理

晉祠泉的形成主要是由于西山巖溶水盆地運動受到邊山斷層東側弱透水第四系地層阻擋而成，為典型的山前斷裂溢流泉，為非全排型泉，部分巖溶地下水潛流補給盆地第四系含水層。

晉祠泉的補給主要是接受大氣降水的入滲及汾河地表徑流的滲漏補給。晉祠泉域內(nèi)寒武、奧陶系裸露碳酸鹽巖區(qū)面積為 375.25km2，為大氣降水入滲的主要補給區(qū)；汾河自下石家莊至峙頭村，泉域內(nèi)流經(jīng)74.75km，在此范圍內(nèi)有3個強滲漏段。即羅家曲至龍尾頭，古交鎮(zhèn)至河下村，河下村至峙頭村，強滲漏段總長 45.26km。該滲漏段基本全部處于晉祠泉域，是晉祠泉域巖溶地下水的又一重要補給源。

泉域內(nèi)巖溶地下水位高程：鎮(zhèn)城底為898.11m，古交鎮(zhèn)為 876.37m，李家莊為 833.81m，周家莊為804.91m。晉祠泉為802.59m，說明地下水是由西北向東南運移，在汾河以南，大川河以西，由鎮(zhèn)城底經(jīng)姬家莊至清徐為向斜構造，延伸長達43km。向斜軸部奧陶系灰?guī)r埋深大，巖溶發(fā)育微弱，透水性差，屬滯流帶。因此，該泉域內(nèi)的巖溶水盆地實際主要處于該向斜的東翼，為一北西—南東向的單斜構造，并沿古交鎮(zhèn)—鄭家莊—周家莊—晉祠存在強徑流帶，此外，沿著邊山大斷裂帶形成了強巖溶化及強導水性的富水帶。

2 泉域斷流原因分析

晉祠難老泉、圣母泉、善利泉出露于西邊山斷裂帶，屬于上升泉，是太原西山巖溶地下水的集中排泄點，泉水出露高程 802.59～805m。1933年及1942年分別實測流量約2.0m3/s，1954～1958年實測泉水平均流量為1.94m3/s，最大2.06m3/s（1957年），最小1.81m3/s（1954年），動態(tài)穩(wěn)定。自20世紀60年代以來，特別是20世紀80年代后期泉水流量逐年減少，由20世紀60年代年均1.69m3/s，下降至20世紀70年代的1.13m3/s；再由20世紀80年代年均0.46m3/s，降至20世紀90年代初的0.15m3/s，1994年4月斷流。

2.1 晉祠泉流量變化分析

20世紀 50年代，晉祠泉實測平均流量1.945m3/s，年際變化幅度0.21m3/s，屬穩(wěn)定型泉水。由于工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟迅猛發(fā)展，對巖溶地下水的開采急劇增加，掠奪式的開采使泉水流量逐年衰減，到20世紀 80年代晉祠泉出流量僅有 0.52m3/s。在工農(nóng)業(yè)開采量持續(xù)增長的狀況下，20世紀80年代又進行大規(guī)模的煤礦開發(fā)建設、疏干降壓和采煤排水大量釋放巖溶地下水儲量，襲奪泉水補給資源，加劇了泉水衰減勢頭，最終導致晉祠泉于1994年4月30日斷流枯竭。

近幾年來，太原興起打熱水井，在邊山斷裂帶以東至汾河谷的承壓區(qū)打了多眼熱水井，實際是開采深埋的巖溶水。

另一方面是區(qū)外交城縣的開采井。20世紀 70年代后期，該縣的覃村、奈林兩村鑿井5眼，其中山西省地質局某水文隊鑿3眼勘探孔，縣某打井隊鑿2眼。隨著這兩個村的農(nóng)業(yè)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展，正在使用的3眼井開采量逐年增加，到1988年達5000 m3/d。泉域地下水等水位線圖顯示，交城邊山巖溶水的開采具有向東襲奪的趨勢。

由于上述原因，晉祠泉 1994年斷流后，地下水位還在下降，目前在泉口處，水位已下降到地面以下27.66m。

2.2 晉祠泉泉水流量衰減原因分析

晉祠泉斷流的根本原因在于晉祠泉域在天然狀態(tài)下的水均衡狀態(tài)遭到破壞?？梢詫е氯髁克p的因素歸為以下幾項。

（1）大氣降水量呈減少趨勢。

（2）汾河滲漏量逐年減少。（3）巖溶水開采(含采煤排水)強度迅猛增加。（4）太原盆地孔隙水開采量的增加使盆地內(nèi)孔隙水位降低，進而增大了巖溶水向盆地的潛排量。

3 地下水水位動態(tài)變化

地下水水位動態(tài)變化取決于補給和排泄條件，地下水補給主要有大氣降水入滲、渠系及河道滲漏、田間灌溉入滲補給等組成。地下水排泄形式為潛水蒸發(fā)、人工開采、側向流出等項組成。引黃工程運營以來，農(nóng)業(yè)用水減少、部分工礦企業(yè)置換利用黃河水、關閉所有中小煤礦，使泉域地下水水位止跌回升。同時，汾河清水復流工程的實施，泉域內(nèi)關井壓采范圍的擴大，使得泉域內(nèi)汾河滲漏段入滲補給地下水的水量逐年增加，地下水得以涵養(yǎng)，使泉域內(nèi)巖溶地下水水位有明顯回升。

（1）2011年泉域內(nèi)平均降水量為573.1 mm，比上年度增加 137.0mm，是多年平均降水量的119.5%。其中 7～9月份降水充沛，占到全年降水量的67.4。泉域古交寨上水文2011年平均流量為8.52m3/s，分別為多年長系列平均流量的 69.8%和短系列平均值的 91.7%，比上年度平均流量增加1.38m3/s。受天然降水和汾河復流工程的共同作用，河道來水量較上年增加4331.22萬m3。

（2）泉域山區(qū)面積為1771km2，平原區(qū)面積為259km2，地下水監(jiān)測控制站網(wǎng)有65站，其中地下水位基本監(jiān)測站有24站，地下水輔助監(jiān)測站25站，地下水水質監(jiān)測站 16站。監(jiān)測結果表明晉祠泉域水環(huán)境出現(xiàn)根本好轉，淺層孔隙水穩(wěn)中有升；中深層孔隙水整體上升；巖溶水區(qū)域性回升幅度大，尤其是排泄區(qū)上升勢頭較好。

A)巖溶水：泉域巖溶水水位整體上持續(xù)回升，平均升幅 3.56m。補給區(qū)、徑流區(qū)巖溶地下水水位呈上升趨勢，2011年平均升幅2.31m；排泄區(qū)西邊山沿線巖溶水位與補給徑流區(qū)一致，平均上升幅度為4.31m，回升勢頭較好。晉祠巖溶水位2011年度回升6m，晉泉1994年4月30日泉水斷流起，水位逐年持續(xù)下降27.66m，從2008年8月份止跌回升后，持續(xù)上升11.20m，若保持這種回升勢頭，地下水位達到802.58m以上，晉祠泉將再度出流；同時由于泉域水位整體回升，斷流近 10年左右的清徐平泉現(xiàn)已復流。

B)2011年中深層孔隙水水位僅在清徐縣南部的山前傾斜平原區(qū)呈現(xiàn)為局部下降趨勢，其它地段地下水水位均呈現(xiàn)出不同程度上升，中深層孔隙水在盆地平原區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性全面大幅回升態(tài)勢。根據(jù)分析水位上升區(qū)面積228.03km2，占總面積的88.04%，上升幅度為2.83m；下降區(qū)面積13.72 km2，占總面積的5.30%，下降幅度為1.8 m；穩(wěn)定區(qū)面積17.25 km2，占總面積的6.66%，升降幅度為0.15 m 。

C)2011年淺層孔隙水地下水水位變化均上升，全區(qū)年平均上升幅度為0.05m，基本上保持穩(wěn)中有升的態(tài)勢。淺層孔隙水上升區(qū)面積 10.4 km2，占總面積的 4.0%，平均上升幅度 0.88m；穩(wěn)定區(qū)面積248.6km2，占總面積的96.0%，平均上升幅度0.02m；本年度無下降區(qū)；地下水水位實際比上年上升0.20m，總體看來，大氣降水比上年增加137.0mm，這是造成淺層地下水水位上升的直接原因。

4 保護措施

4.1 保護目標

晉祠泉水的枯竭，給當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來了巨大的負面影響，造成每年大約2.5億元的經(jīng)濟損失。山西省委、省政府高度重視泉水斷流對晉祠旅游業(yè)的沖擊，2002年修建了“晉祠泉水”景觀工程，“泉水”在渠系中潺潺流淌，卻失去了泉水往日的神韻和靈氣。社會各界要求恢復晉祠泉自然出流的呼聲日益高漲。山西省也新修訂了關于保護晉祠泉的法規(guī)條例，構建了泉域水資源信息化自動監(jiān)控系統(tǒng)。為實現(xiàn)晉祠泉復流制定了近、遠期目標。近期目標，晉祠泉恢復出流，遠期到2030年晉祠泉流量達到0.5m3/s。

4.2 晉祠泉保護與修復的總體布局

為實現(xiàn)晉祠泉復流目標，結合近年來太原市環(huán)城水系的建設，提出了晉祠泉域的保護措施和建議。晉祠泉保護與修復的總體布局如下。

（1）太原市持續(xù)實施的關井壓采、增供引黃水、節(jié)水型社會建設、削減地下水開采等水資源優(yōu)化配置。

（2）繼續(xù)實施引黃生態(tài)補水工程，在古交段加大徑流入滲，增加遠源補給，恢復晉祠泉出流。

（3）在晉祠附近西山邊支溝修建補源、截流等工程，進行近源補給。

（4）對古交市、太原市西山地區(qū)的污水進行綜合整治，實施雨污分流，污水達標排放。

4.3 晉祠泉近期復流工程措施

通過近源補給、截流等工程措施，以及限采等管理措施，使泉口附近局部區(qū)域水位上升，實現(xiàn)小流量泉水出流的目標。

4.3.1 補源工程措施

鳳峪溝店頭村以下河道兩側均為裸露的灰?guī)r區(qū)，節(jié)理發(fā)育、滲水性良好，是晉祠泉較好的補給區(qū)。結合龍泉寺及店頭古村落的景觀建設，在風峪溝的店頭村～龍泉寺一帶建壩蓄水，為晉祠泉補水。

風峪溝的店頭村～龍泉寺段從店頭古村落開始至龍泉寺下游200m，全長2.0km，河道縱坡為2%，河道寬度20～30m，其中河道右岸堤防（公路側）已經(jīng)建好，但左岸堤防等級不夠。目前河道內(nèi)工業(yè)、生活垃圾較多，基流基本是污廢水。

建設措施：首先進行河道清淤，去除底泥污染，然后在治理段進行生態(tài)治理。店頭古村段長0.6km，將該段治理成河道生態(tài)濕地，新建河道主槽寬10m，清水長流，兩側灘地綠化，洪水期允許灘地淹沒，與主槽一起共同行洪。店頭村至龍泉寺段長約1.4km，河道坡度為2%左右，將其規(guī)劃為蓄水段，規(guī)劃建設鋼壩閘6座，其中店頭村下游的1＃壩壩高為2m，其余5座壩壩高均為5m。寬度為30m，鋼壩閘之間的距離為250m，可形成4.05萬m2的水面，蓄水總量10.13萬m3。

4.3.2 水庫工程措施

結合太原市環(huán)城水系工程，建設赤橋和馬坊溝兩座水庫，通過2座水庫的滲漏，對晉祠泉進行補給。2座水庫的水量由太原市環(huán)城水系工程中的西山水源工程供給。

赤橋水庫位于太原西邊山赤橋村西側溝內(nèi)，距晉祠泉約0.8km。壩址控制流域面積5.38km2，壩址處河床高程865m，溝兩側為基巖，溝底沉積有薄層松散沉積物，溝內(nèi)無常年水流。庫容條件相對較好，庫區(qū)為灰?guī)r、泥灰?guī)r區(qū)，存在滲漏問題，對補給晉祠泉有利，若滲漏量很大，地下水位變化較快時，對下游赤橋村及晉祠部分建筑物可能有影響。水庫建設無移民搬遷問題。經(jīng)初步分析水庫正常蓄水位920m，總庫容323萬m3。

馬坊溝水庫位于太原西邊山馬坊溝內(nèi)，距晉祠泉約1km。壩址控制流域面積2.93km2，壩址處河床高程885m，庫壩區(qū)河谷寬40～80m，庫區(qū)為灰?guī)r、泥灰?guī)r區(qū)，存在滲漏問題，對補給晉祠泉有利，庫區(qū)淹沒范圍內(nèi)無重要建筑物。經(jīng)初步分析水庫正常蓄水位935m，總庫容180萬m3。

4.4 晉祠泉復流管理措施

通過對晉祠泉流量變化原因和地下水水位動態(tài)變化分析，近年來，泉域水位上升原因主要有3點：一是得益于省、市政府實施的煤炭企業(yè)兼并重組政策，大批小煤礦關閉，煤礦排水大幅度減少；二是得益于太原西山綜合整治規(guī)劃項目，一批污染嚴重的大中型企業(yè)被關停搬遷，如太化集團、光華玻璃、獅頭水泥等，減少了地下水開采，涵養(yǎng)了水源；三是得益于降水量的增加和省、市政府實施的汾河清水復流工程、太原市汾河蓄水美化工程，以及太原市持續(xù)實施的關井壓采、增供引黃水、節(jié)水型社會建設、削減地下水開采的水資源調配工程。因此，提出以下管理措施。

（1）對泉域內(nèi)開山、采石、采礦、采煤等破壞水文下墊面的生產(chǎn)活動應嚴格管理。對于已經(jīng)產(chǎn)生破壞并影響較大的應按要求進行恢復性治理，進行補償或補償性建設。

（2）嚴格控制興建耗水量大或對水資源有污染的建設項目。

（3）嚴格控制污水和固體污染物的排放。

（4）嚴禁利用滲坑、滲井、溶洞、廢棄鉆孔等排放工業(yè)廢水、城市生活污水，嚴禁無序傾倒污物、工業(yè)廢渣和城市生活垃圾。

5 結 語

通過對泉域內(nèi)地下水水位動態(tài)分析，從管理方面提出了保護措施，并且通過數(shù)據(jù)說明了管理措施的可行性；同時根據(jù)泉水形成機理、泉域斷流原因的分析，提出了近期內(nèi)泉域復流宜采用的工程措施。此工程的亮點在于所提出的工程措施，結合了太原市環(huán)城水系的建設規(guī)劃，除工程措施本身的科學性外，還具有系統(tǒng)性和全局性概念，為今后各類工程建設提出了一個拓展性的設計治理理念。

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.01.015

TV213

A

1008-1305（2014）01-0043-04

石桂萍(1967年-)，女，山西平遙人，高級工程師。