晉祠泉補(bǔ)水工程的地下水環(huán)境影響及保護(hù)措施分析

菅宇翔　范永平　孫　瑞　魏路鋒

晉祠泉補(bǔ)水工程的地下水環(huán)境影響及保護(hù)措施分析

菅宇翔范永平孫瑞魏路鋒

泉域補(bǔ)水可能對地下水水質(zhì)及水位帶來一定影響，須采取相應(yīng)的保護(hù)措施。結(jié)合晉祠泉補(bǔ)水工程，通過確定補(bǔ)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，評價補(bǔ)給工程對泉域地下水水質(zhì)及水位的影響，提出泉域地下水保護(hù)和監(jiān)控措施。為今后同類泉域補(bǔ)水工程的開發(fā)和保護(hù)提供良好的借鑒。

晉祠泉地下水補(bǔ)水工程環(huán)境影響

晉祠泉位于太原市晉源區(qū)晉祠鎮(zhèn)，距太原市城區(qū)25 km，由難老泉、圣母泉、善利泉三泉組成，是山西省19個重點(diǎn)保護(hù)巖溶泉域之一，泉水出露于西邊山斷裂帶上，出露高程為802.59～805 m。建國以來，由于工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，泉域地下水的開采量逐步增大，尤其是20世紀(jì)80—90年代，泉域范圍內(nèi)的大規(guī)模煤礦開發(fā)建設(shè)、疏干降壓和采煤排水，大量釋放了巖溶地下水，加速了泉水衰減勢頭，最終導(dǎo)致晉祠泉于1994年4月斷流。

晉祠泉的斷流影響當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也使晉祠旅游景觀大為遜色。有關(guān)部門對此高度重視，通過制定泉域保護(hù)條例、關(guān)閉工礦企業(yè)等一系列措施，近年來晉祠泉域水位有一定程度的回升。2014年，山西省水利廳組織編制了 《晉祠泉復(fù)流工程實(shí)施方案》，方案提出借鑒相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，開展中心區(qū)域的近源補(bǔ)水方案試點(diǎn)——晉祠泉補(bǔ)水工程，利用引黃水補(bǔ)充地下水，促進(jìn)晉祠泉盡快復(fù)流。

1　工程概況

晉祠泉補(bǔ)水工程分為引水工程和蓄水工程兩個部分，引水工程利用引黃工程聯(lián)接段清徐原水直供工程 （在建）設(shè)置的晉源分水口，鋪設(shè)壓力管線至蓄水工程進(jìn)水口。蓄水工程位于太原市晉源區(qū)明仙溝內(nèi)，距難老泉直線距離約1.5 km，設(shè)置1.05萬m3的調(diào)蓄池，在調(diào)蓄池下游布置補(bǔ)水井。工程引水線路全長7.77 km，計劃年補(bǔ)水量為321.2萬m3。

晉祠泉補(bǔ)水工程的主要任務(wù)是向晉祠泉提供應(yīng)急補(bǔ)水，促進(jìn)泉域復(fù)流。本文以工程運(yùn)行期對泉域地下水的影響為重點(diǎn)，進(jìn)行環(huán)境影響評價及對策措施分析。

2　地下水影響評價

2.1補(bǔ)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的確定

我國的地下水人工補(bǔ)給工作還處于起步階段，僅污水回用方面制定了GB/T 19772—2005《城市污水再生利用 地下水回灌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，目前尚未發(fā)布有關(guān)利用地表水補(bǔ)給地下水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)水污染防治法第三十九條，“人工回灌補(bǔ)給地下水，不得惡化地下水質(zhì)”，因此，需確定合理的補(bǔ)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，以保證工程運(yùn)行后晉祠泉域的水質(zhì)安全。

項(xiàng)目所在區(qū)域執(zhí)行 《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，主要用于工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)灌溉，并作為部分村莊的生活水源，因此，為滿足地下水使用功能，補(bǔ)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以GB/T 14848—1993《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)；同時考慮到農(nóng)村供水短期內(nèi)難以全部由集中式供水替代，為保證農(nóng)村飲水安全，確定補(bǔ)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》為準(zhǔn)進(jìn)行達(dá)標(biāo)控制（地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù)，與生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求基本一致）。

2.2補(bǔ)水對地下水水質(zhì)的影響

晉祠泉補(bǔ)水工程水源為清徐原水直供工程，清徐工程水源為經(jīng)晉陽湖調(diào)蓄后的引黃水。引黃供水水質(zhì)較好，但經(jīng)晉陽湖調(diào)蓄后水質(zhì)將有一定程度的惡化。目前，太原市政府正在對晉陽湖進(jìn)行環(huán)境綜合整治，經(jīng)引黃水調(diào)蓄后水質(zhì)有望實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)。

綜合考慮以上情況，以晉陽湖現(xiàn)狀水質(zhì)作為最不利狀況，同時考慮其達(dá)標(biāo)后水質(zhì) （地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類），分別與 《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)及 《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行對比分析，主要指標(biāo)對比結(jié)果見表1。

表1　現(xiàn)狀水質(zhì)及各類標(biāo)準(zhǔn)對比

由表1中數(shù)據(jù)可知，晉陽湖現(xiàn)狀水質(zhì)較差，未能達(dá)到水功能區(qū)目標(biāo)、同時，即使水質(zhì)達(dá)標(biāo)，《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)仍與 《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)及 《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》存在差距，難以滿足泉域地下水功能水質(zhì)目標(biāo)要求。如工程原水不進(jìn)行處理直接補(bǔ)至地下，將對晉祠泉域地下水水質(zhì)造成不利影響，因此，需設(shè)置凈水設(shè)備，對原水進(jìn)行處理后再進(jìn)行補(bǔ)水作業(yè)。

2.3補(bǔ)水對地下水水位的影響

根據(jù)工程方案，為使?jié)B徑較短以保證補(bǔ)水效果，在調(diào)蓄池下游右側(cè)設(shè)置8眼滲漏井，井徑300 mm，井深40 m，井間距25 m，穿越O2f泥灰?guī)r隔水層，補(bǔ)水量為8 800 m3/d。

根據(jù)地下水動力學(xué)相關(guān)理論，補(bǔ)水可視為抽水的逆過程，抽水時為收斂的徑向流，補(bǔ)水時地下水流為發(fā)散的徑向流。補(bǔ)水時，補(bǔ)水井井管中水位最高，水位向井周圍逐漸降低，成倒錐體狀，如圖1所示。

圖1　補(bǔ)水井作用原理示意圖

根據(jù)上述理論，建立數(shù)學(xué)模型對補(bǔ)水效果進(jìn)行分析。應(yīng)用軸對稱流基本微分方程，補(bǔ)水井?dāng)?shù)學(xué)模型為：

通過采用積分變換法或Boltzmann法求解，則距補(bǔ)水井r處的水位上升值為：

簡化可得：

其中：

在實(shí)際計算中，可取井函數(shù)W （u）的前兩項(xiàng)進(jìn)行計算，則公式可以近似表示為：

式中Δh——為距補(bǔ)水井r處的水位抬升值，m；

Q——為補(bǔ)水量，m3/h；

r——為距補(bǔ)水井的距離，m；

T——為導(dǎo)水系數(shù)，m2/h；

s——為儲水系數(shù)；

t——為補(bǔ)水時間，h。

將各項(xiàng)數(shù)據(jù)帶入公式，可得泉口水位抬升Δh與補(bǔ)水持續(xù)時間t之間的關(guān)系曲線。補(bǔ)水開始后，難老泉泉口水位上升幅度與補(bǔ)水持續(xù)時間之間呈正相關(guān)。補(bǔ)水100 h后水位抬升約0.58 m，補(bǔ)水400 h抬升約0.72 m，此后水位抬升速度趨于穩(wěn)定。見圖2。

因此，晉祠泉補(bǔ)水工程對難老泉水位的抬升作用較為明顯，有利于促進(jìn)晉祠泉的早日復(fù)流。

3　地下水保護(hù)措施

3.1補(bǔ)水水質(zhì)保障措施

為保障補(bǔ)水水質(zhì)，工程增設(shè)凈水設(shè)施，出水水質(zhì)以GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行控制。凈水設(shè)施設(shè)置于蓄水池與補(bǔ)水井之間，為節(jié)省占地以減少對周邊景觀的影響，采用半地下結(jié)構(gòu)的一體化凈水設(shè)備，基于安全考慮選擇二氧化氯消毒劑進(jìn)行消毒，工藝流程見圖3。工程運(yùn)行期需加強(qiáng)對凈水設(shè)施的保養(yǎng)和維護(hù)，以保證出水水質(zhì)的安全穩(wěn)定。

圖2　水位上升與補(bǔ)水持續(xù)時間關(guān)系曲線

圖3　一體化凈水設(shè)備的工藝流程示意圖

3.2地下水監(jiān)控措施

為保障補(bǔ)水水質(zhì)安全，運(yùn)行期在凈水設(shè)備出水口設(shè)置1處監(jiān)測點(diǎn)，對補(bǔ)水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。參照GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)分類管理要求，晉祠泉補(bǔ)水工程的監(jiān)測項(xiàng)目及頻率參照SL 308—2004《村鎮(zhèn)供水單位資質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅱ類供水單位的監(jiān)測項(xiàng)目及頻率進(jìn)行監(jiān)測，詳見表2。

表2　水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目及頻率

4　結(jié)語

由于人工補(bǔ)給地下水問題的復(fù)雜性，國內(nèi)目前仍處于工程經(jīng)驗(yàn)的積累階段。如何結(jié)合水文學(xué)和水動力學(xué)等理論，對補(bǔ)水過程中地下徑流產(chǎn)生、徑流路徑、徑流排泄等過程進(jìn)行理論描述；如何利用環(huán)境化學(xué)、微生物學(xué)等理論了解補(bǔ)水過程中對地下水水質(zhì)的影響，以及制定人工補(bǔ)充地下水的相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及操作規(guī)程，是今后研究探索的重點(diǎn)，因此，工程運(yùn)行后應(yīng)加強(qiáng)與泉域管理部門的溝通，結(jié)合已有監(jiān)測站網(wǎng)，對泉域地下水水位及水質(zhì)的變化情況實(shí)施定期監(jiān)測，以掌握工程運(yùn)行的實(shí)際效果及對泉域地下水環(huán)境的具體影響，為相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)參考。

［1］趙偉麗.晉祠泉域地下水動態(tài)研究及保護(hù)措施 ［J］.山西水利，2014（6）：18-19.

［2］柳文華.中水回灌的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比較分析 ［J］.北京水務(wù)，2007 （4）：24-26.

［3］謝娟，姜凌，李泉.地下水人工補(bǔ)給水質(zhì)的研究——以西安市回灌為例 ［J］.西安工程學(xué)院學(xué)報，2002，24（4）：67-72.

菅宇翔男工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司天津300222

范永平男高級工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司天津300222

孫瑞女助理工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司天津300222

魏路鋒男高級工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司天津300222

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