人為影響下的百泉泉域巖溶水動態(tài)特征研究

馬利濤 劉一梅 陳濤

摘要：自上世紀七十年代以來，在水庫截留、巖溶水大量開采等人為影響下，百泉及達活泉相繼斷流，巖溶水水位呈持續(xù)下降趨勢，巖溶水動態(tài)特征和天然狀態(tài)下截然不同。近年來，邢臺市城區(qū)巖溶水開采量不斷壓減使水位開始恢復，而南部鐵礦區(qū)仍在大量排水導致水位繼續(xù)下降。本文通過研究人為影響下百泉泉域巖溶水動態(tài)特征，旨在提出地下水資源合理利用與保護對策，進而為百泉泉域巖溶水生態(tài)修復奠定基礎。

關鍵詞：百泉泉域;巖溶水;地下水動態(tài);開采量

一、研究區(qū)概況

百泉泉域在地層巖性、地質(zhì)構造和地形地貌等多種因素控制下構成了一個以降水和河流滲漏為補給、以泉和人工開采為排泄的基本完整、獨立、封閉的水文地質(zhì)單元。

百泉泉域面積3843km2，其中變質(zhì)巖區(qū)為巖溶水的間接補給區(qū)面積2204.4km2;中部巖溶水的直接補給區(qū)面積338.6km2;東部灰?guī)r隱伏，徑流、排泄區(qū)面積1300km2。境內(nèi)有白馬河、七里河、沙河、馬河、北洺河等河流進入灰?guī)r裸露區(qū)后漏失嚴重，直接補給地下水。巖溶水自西向東徑流，并向巖溶水強徑流帶匯集，受邢臺～內(nèi)丘弧形大斷裂阻水作用，巖溶水溢出，形成著名的百泉、達活泉兩大泉群。泉域內(nèi)巖溶地下水最大徑流長度46km，最大循環(huán)深度標高在-650m左右。排泄點（百泉）出露標高為66.6～75.2m。自1986年干涸以來，至今尚未恢復。僅在1990年、1996年、1997年偶有短時溢出。

二、巖溶水補給、徑流、排泄條件

1.補給條件

百泉泉域為巖溶泉排型，相對封閉、獨立，補給源全部來自于大氣降水，無外來側向補給，補給時間主要為每年的雨季，其補給方式主要有：灰?guī)r裸露區(qū)大氣降水入滲補給、河道滲漏地表水入滲補給。

2.徑流條件

受構造和地層巖性控制，泉域在一些巖溶水交替作用強烈的區(qū)域多形成強徑流帶。在天然條件下，徑流總的趨勢是由西北、西、西南三個方向向百泉泉群和達活泉泉群匯集?，F(xiàn)狀條件下，受人為開采影響，巖溶水向多個開采漏斗匯集，徑流條件發(fā)生巨大變化。

3.排泄條件

在天然條件下，巖溶水主要通過百泉泉群和達活泉泉群溢出地表排泄，部分頂托與側向補給第四系孔隙水。人工大量開采巖溶水后，泉水逐漸斷流，人工開采取代了泉群的天然溢出。

三、巖溶水水位動態(tài)特征

（一）巖溶水水位時間變化特征

泉域內(nèi)巖溶水動態(tài)嚴格受大氣降水和人工開采控制，并以雨季集中補給，常年消耗為特征，同時呈現(xiàn)出既有豐水年和枯水年（7～10年）年際動態(tài)變化規(guī)律，又有豐水期和枯水期年內(nèi)季節(jié)性和周期性變化規(guī)律。

1.巖溶水水位年際變化特征

隨著巖溶水開采量不斷增大，水位也出現(xiàn)較大變化，多年變化呈階梯狀遞減，總的趨勢是逐年下降，同時泉流量也逐年減少乃至斷流。說明補給量已小于排泄量，反映了開采型動態(tài)特征。

除了上述水文年周期變化規(guī)律外，本區(qū)巖溶地下水還存在著7～10年的多年周期變化規(guī)律。上世紀60～70年代為10年周期，上世紀80年代以來為7年周期。多年周期的水位變化與大氣降水周期相吻合。周期開始時，地下水位上升至最高峰，經(jīng)過4年左右的相對穩(wěn)定期，然后逐年下降，到本周期結束時達到最低水位。然后隨著豐水年強降雨補給（2000年降雨798.4mm/年、2016年879.1mm/年），使得水位出現(xiàn)猛升的現(xiàn)象。

2.巖溶水水位年內(nèi)變化特征

年內(nèi)變化呈不對稱波狀，大體可分為三個階段：

第一階段為回升期：巖溶水水位于每年7～11月份，在補給區(qū)為短時、快速、直線回升;在徑流區(qū)、排泄區(qū)逐漸過渡為緩慢曲線式回升?；厣俣仍谘a給區(qū)為7～50cm/d，徑流區(qū)為2～7.0cm/d，排泄區(qū)為2～2.5cm/d。

第二階段為相對穩(wěn)定期：在豐水年，徑流區(qū)與排泄區(qū)于11月中旬以后有1～3個月水位穩(wěn)定期，補給區(qū)一般無穩(wěn)定期;枯水年份，各區(qū)均不具有水位穩(wěn)定期。

第三階段為下降期：在補給區(qū)一般在每年的10月至下年6月，徑流區(qū)于11月至下年6月，排泄區(qū)于1月至6月，呈直線下降，下降速度補給區(qū)為3～5cm/d，徑流區(qū)為2～3cm/d，排泄區(qū)為0.5～2.0cm/d。地下水變幅，補給區(qū)一般為20～50cm/d，徑流區(qū)為10～20cm/d，排泄區(qū)0.5～10cm/d。在持續(xù)3年以上干旱年份的情況下，巖溶地下水的水位呈連續(xù)下降狀態(tài)，無明顯的升降期之分。

（二）巖溶水水位空間變化特征

巖溶水補給區(qū)與徑流、排泄區(qū)的水位動態(tài)存在著較為明顯的差異。補給區(qū)表現(xiàn)為劇變型，而徑流、排泄區(qū)則表現(xiàn)為緩變型。通過收集、分析區(qū)域內(nèi)大量巖溶水水位動態(tài)觀測數(shù)據(jù)，觀測孔位置見圖1，觀測孔水位動態(tài)見圖2，發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

1.南部武安北洺河鐵礦一帶水位自1974年至今已下降200多米，而市區(qū)一帶自1974年至今水位下降僅35米。為便于對比，根據(jù)以上分析，認為百泉泉域以大沙河為界劃分為南、北兩個單元，以邢臺市區(qū)、內(nèi)丘縣為北單元，以沙河市、武安市為南單元。北單元多年平均開采量為10705.97萬m3，南單元多年平均開采量為11033.19萬m3，數(shù)值極為接近，基本可以說明近些年來，百泉泉域南、北兩部分巖溶水開采量相差不大，但是存在南北兩單元水位下降值差異明顯的現(xiàn)象，即南部武安水位下降遠大于北部，是因為南單元富水區(qū)域呈條帶狀，儲水空間較小，北單元富水區(qū)域呈面狀，儲水空間較大。

2.除西石門鐵礦處于獨立單元外，其它觀測孔水位變化趨勢基本一致，即水位上升或下降基本同步，例如：2016年7·19強降雨后，各觀測孔均在8月份出現(xiàn)明顯水位上升，并在次年1～2月達到最高值;2019年枯水年，年降雨量為364.1mm，各觀測孔水位自2019年1月至2020年6月均呈下降趨勢，且下降幅度由北向南逐漸增大，側面反映出近幾年南部沙河市及武安市的礦山地下水開采量明顯大于邢臺市區(qū)一帶。

3.1974年至2014年1月，邢臺市城區(qū)一帶（董村、柴家莊等）巖溶水水位標高低于沙河市及武安市礦區(qū)（郭二莊、中關等），隨著近幾十年礦山大量排水，邢臺市區(qū)巖溶地下水開采量不斷壓減，自2014年1月開始，出現(xiàn)邢臺市城區(qū)一帶（董村、柴家莊等）巖溶水水位標高高于沙河市及武安市礦區(qū)（郭二莊、中關等）的現(xiàn)象，該現(xiàn)象說明百泉泉域的流場已發(fā)生變化。

四、結論與建議

（一）結論

1.泉域內(nèi)巖溶水動態(tài)既有豐水年和枯水年（7～10年）多年動態(tài)變化規(guī)律，又有豐水期和枯水期年內(nèi)季節(jié)性和周期性變化規(guī)律;

2.巖溶水水位動態(tài)補給區(qū)表現(xiàn)為劇變型，而徑流、排泄區(qū)則表現(xiàn)為緩變型。南部沙河市及武安市富水區(qū)域儲水空間較小，且近幾年礦山地下水開采量明顯大于邢臺市區(qū)一帶;

3.百泉泉域巖溶水動態(tài)特征及流場演變顯著受人為因素影響，水庫截留、巖溶水長期大量開采是導致泉水斷流和水位下降的根本原因，開采結構變化導致巖溶水流場演變是巖溶含水介質(zhì)系統(tǒng)性的充分體現(xiàn)。

（二）建議

1.加強水庫補水、引江水補水開源工程建設;

2.開展礦山整治工作，督促泉域內(nèi)有條件礦山企業(yè)實施礦山排水回灌工程;盡快實施隔水帷幕工程或進一步優(yōu)化帷幕，提高堵水效率;

3.在補給區(qū)適當增設巖溶地下水位動態(tài)監(jiān)測點，建立動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及信息化管理平臺。

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作者簡介：馬利濤，1986年出生，男，漢族，河北邢臺市人，工程師，本科，研究方向：水文工程地質(zhì)。

基金項目：國家基礎資源調(diào)查專項課題“地下水飲用水源地及保護區(qū)基礎環(huán)境狀況調(diào)查方法與示范”（項目編號：2017FY100401）及“河北省太行山水源涵養(yǎng)區(qū)巖溶水系統(tǒng)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價項目”。