山西太原晉祠—蘭村泉水復(fù)流的巖溶水文地質(zhì)條件新認(rèn)識(shí)

梁永平，張發(fā)旺，申豪勇,唐春雷，趙春紅，王志恒，侯宏冰，任建會(huì)，郭芳芳

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所/國(guó)土資源部廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061；3.山西省地質(zhì)調(diào)查院，山西 太原 030006)

中國(guó)北方巖溶水的循環(huán)具有極強(qiáng)的系統(tǒng)性，巖溶大泉是最重要的天然排泄形式，因此，巖溶地下水系統(tǒng)被稱為“泉域”。泉域邊界的確定是開(kāi)展水文地質(zhì)條件調(diào)查研究工作的基礎(chǔ)，對(duì)認(rèn)識(shí)巖溶地下水循環(huán)條件、資源量評(píng)價(jià)、合理開(kāi)發(fā)利用、管理和保護(hù)以及生態(tài)修復(fù)具有重要的意義。

20世紀(jì)后期，由于氣候變化、巖溶地下水大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用和煤礦開(kāi)采過(guò)程中地下水疏干等各種人類活動(dòng)，導(dǎo)致泉域巖溶地下水位持續(xù)下降，晉祠泉于1994年4月30日斷流[1]、蘭村泉于1996年斷流。

近年來(lái)，黨中央大力倡導(dǎo)生態(tài)文明建設(shè)，山西省人民政府一直致力于晉祠泉和蘭村泉的生態(tài)修復(fù)論證，特別在引黃入晉工程輸水到太原市以后，水資源的供需矛盾得以緩解，引黃水可作為替代水源，具備了泉水復(fù)流的基本條件。雖然很多學(xué)者對(duì)泉域水文地質(zhì)條件、泉水?dāng)嗔魉p原因、泉水復(fù)流方案等進(jìn)行過(guò)研究論證[1-5]，但由于缺乏相應(yīng)的工作，基礎(chǔ)水文地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)程度基本還停留于20世紀(jì)90年代初期的水平。在人類活動(dòng)強(qiáng)度加劇的條件下，特別是汾河二庫(kù)修建后，泉域的水文地質(zhì)條件已經(jīng)發(fā)生了根本改變，重新認(rèn)識(shí)巖溶水文地質(zhì)條件對(duì)泉水復(fù)流方案的科學(xué)制定尤為重要。

1 地質(zhì)概況

山西太原晉祠泉域和蘭村泉域位于太原盆地的北部(圖1)，橫跨盆地東、西山，其碳酸鹽巖含水層為早古生界寒武系和奧陶系，連續(xù)沉積厚度超過(guò)900 m。晉祠、蘭村泉域巖溶地下水主要接受太原東、西山碳酸鹽巖裸露區(qū)及覆蓋區(qū)的降水入滲補(bǔ)給，汾河及支流在碳酸鹽巖段的滲漏補(bǔ)給(后期又加入水庫(kù)滲漏補(bǔ)給)。晉祠、蘭村泉域巖溶地下水排泄方式主要包括：晉祠泉、蘭村泉、懸泉寺泉、平泉以及通過(guò)東西山邊山斷裂帶向盆地內(nèi)松散層的潛流排泄，其中晉祠泉和蘭村泉是泉域巖溶地下水的集中排泄點(diǎn)，天然最大流量分別達(dá)到4.5 m3/s和1.9 m3/s。

2 晉祠—蘭村泉域邊界的劃分

2.1 前人劃分方案概述

前人對(duì)晉祠、蘭村泉域邊界的研究做過(guò)大量工作，總體上有3種劃分方案：

(1)山西省地礦局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)的劃分方案[6-8]，大致以棋子山地壘和東山山前弧形斷裂帶為界，將太原巖溶地下水劃分為東山巖溶水系統(tǒng)和西山巖溶水系統(tǒng)，認(rèn)為天然條件下東山巖溶水繞過(guò)東山背斜傾伏端向娘子關(guān)排泄，開(kāi)采條件下東山巖溶水通過(guò)三給地壘向西山排泄；西山巖溶水系統(tǒng)主要由西山山前晉祠泉、蘭村泉及向山前松散層含水層潛流排泄。

(2)中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所和山西煤田水文地質(zhì)229隊(duì)劃分方案[9-11]，認(rèn)為太原地區(qū)巖溶水分為北山系統(tǒng)、東山系統(tǒng)和西山系統(tǒng)，北山系統(tǒng)(包括了楊興河谷地、大盂-陽(yáng)曲盆地、棋子山地壘及柳林河以西、向南到三給地壘的西山北部)巖溶地下水主要向蘭村泉及西張水源地排泄，西山巖溶水系統(tǒng)由晉祠泉(或向松散層潛流)排泄，東山巖溶水系統(tǒng)主要向太原盆地內(nèi)松散層及盆地內(nèi)深部巖溶含水層排泄。

圖1 晉祠、蘭村泉域碳酸鹽巖分布埋藏類型示意圖Fig.1 Schematic diagram showing the buried types of the carbonate rocks in the catchment areas of the Jinci spring and Lancun spring

(3)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所和山西省水資源管理委員會(huì)辦公室的劃分方案[12]，認(rèn)為太原巖溶水分為晉祠和蘭村2個(gè)泉域，并將第二方案中東山系統(tǒng)劃歸為蘭村泉域。1997年山西省水資源管理辦公室為開(kāi)展山西省巖溶泉域水資源管理與保護(hù)，從管理角度出發(fā)對(duì)泉域邊界進(jìn)行了修訂[13]，并作為山西省泉域水資源管理的依據(jù)。由于第三種方案出自水資源行政主管部門(mén)，因此在以后的巖溶水資源評(píng)價(jià)、管理應(yīng)用中多被采納[14-16]。

此外，泉域局部邊界的確定還有一些不同的看法，如王瑞久等[17-20]通過(guò)水化學(xué)、同位素方法研究，認(rèn)為東山巖溶水系統(tǒng)巖溶水無(wú)法進(jìn)入娘子關(guān)，而是向北東排向黃場(chǎng)峪泉及更遠(yuǎn)的滹沱河坪上泉。

2.2 部分泉域邊界的修改依據(jù)

造成前述各種泉域邊界劃分方案差別的原因有3個(gè)：(1)由于早期勘測(cè)資料不足，難以達(dá)到一定的認(rèn)識(shí)深度，對(duì)水文地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)存在一定偏差；(2)出于使用目的的需要，將一些行政區(qū)邊界劃為泉域邊界(這種劃法可作為管理區(qū)邊界，而作為泉域邊界顯然是不科學(xué)的)；(3)由于汾河二庫(kù)修建，泉域地下水循環(huán)條件發(fā)生了改變。通過(guò)本次調(diào)查分析，對(duì)目前同行的第三種劃分方案做了7處修正(圖2)，最后晉祠泉域面積由2 030 km2變?yōu)? 713 km2，蘭村泉域面積由2 500 km2變?yōu)? 614 km2。對(duì)這7處修正，有些與第一、第二種劃分方案一致，因此不再進(jìn)行討論，這里重點(diǎn)論述Ⅲ、Ⅵ、Ⅶ區(qū)(圖2)，該區(qū)與前三種方案均有不同或是對(duì)泉水復(fù)流保護(hù)有重要影響。

圖2 前人及本次泉域邊界劃分變化對(duì)比圖Fig.2 Comparison of boundary division between the previous studies and this study

圖3 黃場(chǎng)峪-北劉嘴水文地質(zhì)剖面略圖Fig.3 Hydrogeologic profile of along the line between Huangchangyu and Beiliuzui1—地層及代號(hào)；2—斷層；3—地層界線(虛線為假整合接觸)；4—巖溶地下水位；5—巖溶泉；6—巖溶地下水流向；7—區(qū)域隔水底板；8—鉆孔

2.2.1 岔口-南溫川區(qū)(Ⅲ區(qū))

對(duì)岔口-南溫川區(qū)，前人的3種劃分方案均大致以楊興鄉(xiāng)一帶為地下分水嶺邊界(圖2)，將Ⅲ區(qū)劃歸為北部黃場(chǎng)峪泉域(泉水標(biāo)高900 m)，這一認(rèn)識(shí)一直沿用至今。但經(jīng)調(diào)查，Ⅲ區(qū)巖溶地下水沿楊興河向東到西潘變質(zhì)巖出露區(qū)無(wú)泉水出流，構(gòu)成隔水邊界；向北與黃場(chǎng)峪間存在一個(gè)北東向背斜，軸部(岔口村)出露上寒武統(tǒng)鳳山組白云巖，地面標(biāo)高1 410 m，推算該處區(qū)域隔水底板饅頭組標(biāo)高在1 100 m以上(圖3)，背斜北側(cè)黃場(chǎng)峪泉出露標(biāo)高900 m，南側(cè)南溫川巖溶井水位標(biāo)高981.36 m，南側(cè)巖溶水無(wú)法越過(guò)背斜軸隔水層。該背斜為北部忻州盆地邊山系舟山斷裂帶派生構(gòu)造，延伸長(zhǎng)度近20 km，向北東一直延伸到太古界變質(zhì)巖出露區(qū)，形成向北徑流的阻水邊界，因此，認(rèn)為黃場(chǎng)峪泉是背斜北東翼地下水排泄點(diǎn)(實(shí)測(cè)總流量11 L/s)，而南東翼的巖溶水向西南蘭村泉方向成為唯一的徑流出路。經(jīng)對(duì)巖溶水位統(tǒng)測(cè)，距楊興東北不足1 km坪里孔水位965.9 m，低于南溫川孔水位標(biāo)高981.36 m，證實(shí)不存在楊興鄉(xiāng)一帶為地下分水嶺，Ⅲ區(qū)應(yīng)歸屬于蘭村泉域范圍。

2.2.2 覃村—嶺底區(qū)(Ⅵ區(qū))

該區(qū)被第三方案劃分到晉祠泉域之外(圖2)，但根據(jù)區(qū)內(nèi)太原盆地西緣邊山斷裂帶巖溶水文地質(zhì)鉆孔資料，富水性普遍很強(qiáng)(圖4)，特別是Ⅵ區(qū)內(nèi)交城水泥廠北(K1孔)和交城縣義望鄉(xiāng)奈林磚廠(K7孔)，處于新民與坡底間背斜隆起區(qū)，單位涌水量分別達(dá)到1 030 m3/(d·m)和414.55 m3/(d·m)，是極強(qiáng)和強(qiáng)富水區(qū)，其唯一補(bǔ)給來(lái)源為北東晉祠泉域巖溶水，在這一帶開(kāi)采巖溶水或采煤突水必然會(huì)對(duì)晉祠泉水流量造成巨大影響。沿剖面向西南，進(jìn)入嶺底向斜，碳酸鹽巖含水層埋深逐步加大到500 m以下，SK6孔(碳酸鹽巖埋深408 m)的單位涌水量急劇降低到0.103 6 m3/(d·m)，因此將嶺底向斜軸沿北西到狐爺山火成巖體作為晉祠泉域的西南邊界(圖4)，Ⅵ區(qū)劃入晉祠泉域。

2.2.3 柳林河右岸—王封區(qū)(Ⅶ區(qū))

該區(qū)為晉祠泉域與蘭村泉域的東西邊界，在20世紀(jì)90年代前該區(qū)的汾河以北沒(méi)有巖溶水鉆孔控制，故第三劃分方案中將柳林河與獅子河的地表分水嶺確定為晉祠、蘭村泉域邊界(圖2)，這種劃分缺乏必要的依據(jù)。為此，2016年在柳林河谷內(nèi)的前嶺底村和青崖槐村南施工2個(gè)巖溶水文地質(zhì)勘探孔，同時(shí)與周邊巖溶水開(kāi)采井做了水位統(tǒng)測(cè)并繪制流場(chǎng)(圖2)，結(jié)果表明，沿柳林河谷大致存在一個(gè)巖溶地下水分水嶺，該地下水分水嶺構(gòu)成了2個(gè)泉域在汾河以北的泉域邊界；汾河河谷以下奧陶阻隔出流的下槐泉為界；汾河以南沿巖溶地下水流線延伸到王封地壘及三給地壘。根據(jù)汾河二庫(kù)滲漏段上下游水文站及二庫(kù)水位資料，計(jì)算得汾河二庫(kù)在2014年5月—2016年10月間，平均蓄水水位標(biāo)高為898.41 m時(shí)的滲漏量為2.015 m3/s。這一邊界決定了汾河二庫(kù)滲漏量的去向問(wèn)題，前人將汾河二庫(kù)庫(kù)區(qū)劃歸為蘭村泉域，得出二庫(kù)修建蓄水滲漏主要補(bǔ)給蘭村泉及山西西張水源地的結(jié)論[21-23]，不存在對(duì)晉祠泉域巖溶水的補(bǔ)給。而事實(shí)表明，在2008年以后，晉祠泉域排泄區(qū)(包括王封—晉祠泉口)水位普遍上升20 m以上，這種大面積上升絕非靠晉祠泉域內(nèi)太化水源地關(guān)閉所能及。它進(jìn)一步佐證了二庫(kù)庫(kù)區(qū)主體劃為晉祠泉域的正確性，同時(shí)金芳義等在汾河二庫(kù)蓄水后，通過(guò)數(shù)值模擬，認(rèn)為水庫(kù)滲漏對(duì)蘭村泉水的補(bǔ)給有限[24]。這一結(jié)論認(rèn)為抬高二庫(kù)蓄水水位，對(duì)晉祠泉水復(fù)流方案的制定具有重要的價(jià)值。

圖4 太原盆地西緣山前斷裂帶外側(cè)晉祠-坡底水文地質(zhì)剖面圖Fig.4 Hydrogeologic profile between Jinci and Podi in the piedmont fault zone in the western margin of the Taiyuan basin

3 晉祠泉域巖溶水轉(zhuǎn)換帶的確定

區(qū)域上，晉祠泉域巖溶水主要儲(chǔ)存于2個(gè)碳酸鹽巖含水巖組中，分別是中奧陶上含水巖組和中、上寒武統(tǒng)下含水巖組，其間為下奧陶統(tǒng)區(qū)域性相對(duì)隔水層。太行山區(qū)的區(qū)域巖溶水文地質(zhì)研究結(jié)果表明，下奧陶統(tǒng)燧石團(tuán)塊(或條帶)白云巖具有區(qū)域相對(duì)隔水的水文地質(zhì)特征[10，12，25-26]，一般情況下，上、下含水巖組中地下水水力聯(lián)系相對(duì)較弱。晉祠泉域外圍補(bǔ)給區(qū)地下水主要儲(chǔ)存于中、上寒武統(tǒng)含水巖組中(圖1)，在北部柳林河、獅子河上游閣上鉆孔、婁子條鉆孔、赤泥洼鉆孔、下馬城井等地均得到了驗(yàn)證。但到晉祠泉域排泄區(qū)，巖溶地下水通過(guò)中奧陶統(tǒng)上含水巖組排泄，而且根據(jù)鉆孔資料，排泄區(qū)下含水巖組埋深較大，富水性極差，如晉祠泉水西北約800 m的地震臺(tái)勘探孔，分層抽水試驗(yàn)結(jié)果表明中奧陶統(tǒng)含水巖組的單位涌水量為112.5 m3/(h·m)，上寒武統(tǒng)的單位涌水量?jī)H為0.077 m3/(h·m)。因此認(rèn)為在泉域內(nèi)從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)，存在由中、上寒武統(tǒng)下含水巖組向中奧陶統(tǒng)上含水巖組間的水量轉(zhuǎn)換形式問(wèn)題：是區(qū)域上的分散轉(zhuǎn)換還是局部構(gòu)造的集中轉(zhuǎn)換？前人沒(méi)有研究。

圖5 晉祠泉域南北向剖面略圖Fig.5 Simplified profile from north to south in the catchment area of the Jinci spring system

4 巖溶地下水強(qiáng)徑流帶的確定

圖6 晉祠泉域巖溶地下水強(qiáng)徑流帶確定依據(jù)略圖Fig.6 Simplified diagram showing determination of the strong karst groundwater flow zone in the catchment area of the Jinci spring system1—極強(qiáng)富水區(qū)(q>500 m3/(d·m))；2—強(qiáng)富水區(qū)(q=300～500 m3/(d·m))；3—中等富水區(qū)(q=100～300 m3/(d·m))；4—弱富水區(qū)(q=10～100 m3/(d·m))；5—貧水區(qū)(q<10 m3/(d·m))；6—非碳酸鹽巖分布區(qū)；7—泉域邊界；8—巖溶水等水位線；9—前人繪制的晉祠泉域巖溶水等水位線；10—巖溶地下水強(qiáng)徑流帶；11—巖溶泉；12—強(qiáng)徑流帶巖溶水鉆孔(數(shù)字為降深1 m的涌水量/(m3/d))

晉祠泉域巖溶地下水從北西向南東徑流并在山前斷裂帶內(nèi)富集，受太原盆地西山山前松散層相對(duì)阻水出流成泉。早期晉祠泉域巖溶地下水位等水位線圖(圖6)表明，山區(qū)巖溶水基本以“散流”形式進(jìn)入山前斷裂富水帶，而且晉祠泉水實(shí)際處在一個(gè)向南東微凸的地下水分水嶺上，很難解釋泉水流量達(dá)到1.3～1.9 m3/s的水動(dòng)力的成因條件，這一問(wèn)題從未有人提出質(zhì)疑。本研究圍繞晉祠泉是否存在向山區(qū)補(bǔ)給區(qū)延伸的巖溶地下水強(qiáng)徑流帶問(wèn)題，開(kāi)展了綜合調(diào)查研究。

通過(guò)碳酸鹽巖埋藏區(qū)深度分類圖(圖1)可以看出，晉祠泉水北側(cè)沿南峪—白家莊礦西—店頭—明仙村東—晉祠一線存在一個(gè)碳酸鹽巖淺埋藏區(qū)，其西側(cè)為石千峰向斜，東側(cè)為受三給地壘南側(cè)斷層深陷牽引，在山區(qū)形成白家莊煤礦和西峪煤礦碳酸鹽巖深埋區(qū)，其中西峪煤礦區(qū)碳酸鹽巖頂板最低標(biāo)高250 m，低于地表面近600 m。分析認(rèn)為，淺埋區(qū)更有利于巖溶發(fā)育。

在南峪村三岔溝施工1個(gè)巖溶水勘探孔，孔深478.1 m，抽水試驗(yàn)結(jié)果：水位降深1.85 m，涌水量818.4 m3/d，單位涌水量442.4 m3/(d·m)，說(shuō)明該區(qū)為強(qiáng)富水區(qū)。

通過(guò)水位統(tǒng)測(cè)繪制巖溶地下水流場(chǎng)圖，沿碳酸鹽巖淺埋區(qū)形成一個(gè)匯水槽谷(圖6)，具備巖溶地下水強(qiáng)徑流帶的流場(chǎng)特征。槽谷內(nèi)南峪勘探孔水位標(biāo)高802.99 m，大虎峪孔水位標(biāo)高796.92 m，均低于東側(cè)北寒村水位824.58 m，紅溝井水位826.92 m和東偏南側(cè)白家莊煤礦水位標(biāo)高805～806 m，也低于東南側(cè)箱子村井水位(805.41 m)和寺底村水位(807.71 m)，表明來(lái)自北部及西北部的地下水在這一帶向東側(cè)山前運(yùn)移受阻，向南東晉祠泉水方向徑流成為唯一途徑。

根據(jù)鉆孔資料繪制巖溶水富水性分布圖(圖6)，發(fā)現(xiàn)沿該強(qiáng)徑流帶內(nèi)出現(xiàn)了8個(gè)單位涌水量超過(guò)400 m3/(d·m)的鉆孔，分別是南峪勘探孔、大虎峪村鉆孔、官地礦政前大巷和南大巷井下鉆孔、明仙溝內(nèi)3個(gè)鉆孔和明仙溝口地震臺(tái)鉆孔，構(gòu)成了區(qū)內(nèi)極強(qiáng)和強(qiáng)富水帶。

在巖溶地下水水化學(xué)類型圖中，陰離子為SO4·HCO3型水沿強(qiáng)徑流帶向南以楔狀嵌入南部 SO4型水的分布區(qū)，直至?xí)x祠泉口(包括了晉祠廟井水、晉祠鎮(zhèn)供水站水井和晉祠賓館水井水均屬SO4·HCO3型水)，強(qiáng)徑流帶東側(cè)神堂溝、盆地內(nèi)巖溶熱水井，強(qiáng)徑流帶西側(cè)店頭鎮(zhèn)古村巖溶井及晉祠鎮(zhèn)窯頭村巖溶井均為SO4型水。

由上述5個(gè)主要證據(jù)，最終確定了從玉門(mén)河南峪村—杜兒平煤礦東側(cè)—官地礦與白家莊礦交界處—龍山—明仙村東—晉祠泉的巖溶地下水強(qiáng)徑流帶，該強(qiáng)徑流帶匯集了來(lái)自北部汾河二庫(kù)滲漏補(bǔ)給及西北古交方向的補(bǔ)給水源，是對(duì)晉祠泉水流量影響最敏感的地區(qū)。在強(qiáng)徑流帶內(nèi)采取關(guān)井(包括煤礦降壓排水井)、壓采，人工補(bǔ)給(沿途流經(jīng)地表出露碳酸鹽巖的3條溝谷，分別是玉門(mén)溝、風(fēng)峪溝和明仙溝)措施，對(duì)晉祠泉水的復(fù)流將具有顯著效果。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)最新巖溶水文地質(zhì)調(diào)查資料的綜合分析，對(duì)現(xiàn)行的晉祠—蘭村泉域邊界進(jìn)行了7處修正，晉祠泉域面積由2 030 km2變?yōu)? 713 km2，蘭村泉域面積由2 500 km2變?yōu)? 614 km2。

(2)汾河二庫(kù)庫(kù)區(qū)大部分屬于晉祠泉域，其滲漏補(bǔ)給是造成近年晉祠泉域水位持續(xù)提高的主要原因，通過(guò)抬高水庫(kù)蓄水水位以增加二庫(kù)的滲漏補(bǔ)給是晉祠泉水復(fù)流的有效措施之一。

(3)晉祠泉域內(nèi)盤(pán)道—馬家山斷裂帶構(gòu)成了泉域巖溶地下水從中上、寒武統(tǒng)下含水巖組向中奧陶統(tǒng)上含水巖組的轉(zhuǎn)換帶，同時(shí)，該轉(zhuǎn)換帶也是巖溶地下水的富集帶，具有良好的開(kāi)發(fā)前景。

(4)通過(guò)對(duì)碳酸鹽巖含水層埋藏深度、巖溶地下水流場(chǎng)、巖溶含水層的富水性等綜合研究分析，認(rèn)為從南峪—白家莊礦西—店頭—龍山—明仙村東—晉祠一線為晉祠泉域巖溶地下水強(qiáng)徑流帶，在該帶采取關(guān)井壓采和人工補(bǔ)給措施，能對(duì)晉祠泉水的復(fù)流起到事半功倍的效果。

致謝：該論文得到了李文鵬教授的悉心指導(dǎo)，表示衷心感謝！