新密市超化泉域地下水環(huán)境特征及成因研究

摘要：為了深入探討超化泉域地下水環(huán)境特征與規(guī)律，以新密市超化泉域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過收集大量宴地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)、水文地理等信息，系統(tǒng)調(diào)查了該地區(qū)多年來的地下水動(dòng)態(tài)變化，并分析了其成因機(jī)制。研究結(jié)果表明，新密市超化泉域地下水環(huán)境受季節(jié)、人類活動(dòng)以及地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響較大，呈現(xiàn)出明顯的周期性變化。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，地下水位下降與土地利用變化、水文補(bǔ)給不足等因素密切相關(guān)，為了更好地管理和維護(hù)超化泉域的地下水資源，有必要制定相應(yīng)的地下水資源管理策略。

關(guān)鍵詞：地下水動(dòng)態(tài)特征；地下水位；超化泉域；成因分析；新密市

中圖分類號(hào)：X523 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

地下水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾表現(xiàn)十分突出，因此分析地下水環(huán)境變化特征對(duì)合理利用地下水或有效防范與地下水有關(guān)的生態(tài)環(huán)境問題的發(fā)生有著至關(guān)重要的意義。

超化泉位于北方典型巖溶區(qū)河南省鄭州市新密市，當(dāng)?shù)孛旱V開采歷史悠久，地下水位深，分布規(guī)律復(fù)雜。但隨著人口的不斷增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，生活用水量不斷增加，工農(nóng)業(yè)用水也供不應(yīng)求，然而近年來煤炭行業(yè)去產(chǎn)能，中小型煤礦關(guān)停并轉(zhuǎn)，煤礦排水量下降，導(dǎo)致超化泉域地下水動(dòng)態(tài)變化十分顯著。尤其是超化鎮(zhèn)一帶，處于新密盆地南部邊緣低山－丘陵區(qū)，地勢(shì)總體西高東低南高北低，與豫東大平原連為一體，深層巖溶發(fā)育，加之此處廢棄煤礦區(qū)密集，居民用水依賴深層巖溶水，地下水補(bǔ)徑排條件復(fù)雜，故地下水水位變化受多方面因素影響。文章依據(jù)超化一帶的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析其地下水環(huán)境變化特征，并討論特征規(guī)律背后的原因。

1新密市超化泉域地理位置與地質(zhì)背景

此次的研究區(qū)位置選取在新密市南部九里山下的超化泉域一帶，超化泉域?yàn)橐幌驏|傾伏的巖溶水盆地，在巖溶水盆地中，由于碳酸鹽巖和斷裂構(gòu)造發(fā)育，使整個(gè)巖溶水盆地的裂隙巖溶地下水成為一個(gè)統(tǒng)一的地下水系統(tǒng)，水力聯(lián)系密切。

超化泉群位于盆底中央，為巖溶地下水的主要排泄點(diǎn)，位于超化鄉(xiāng)超化鎮(zhèn)北頭，地處雙洎河中游河畔，地貌形態(tài)為一開闊谷地。超化背斜西起平陌，東到超化，至超化向東傾伏于地下，其軸部出露地層為石炭系灰?guī)r，超化泉群在超化背斜傾末端軸部，是在特定的地形地質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造及地下水富集規(guī)律等條件下形成的。但隨著時(shí)間的推移，超化泉與地下水位不斷降低，八十年代超化泉已經(jīng)斷流。

1.1地下水含水巖組

本地區(qū)含水巖組可根據(jù)研究區(qū)域地下水的分布特點(diǎn)分為：疏松巖系孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、巖溶水、變質(zhì)巖裂隙水。

1.2地下水的補(bǔ)徑排特征

研究區(qū)地勢(shì)在西部逐漸升高，而向東逐漸變低，南部較高，北部相對(duì)較低，地下水在此地域呈西部向東流的趨勢(shì)，通過開采排泄。北部的兩個(gè)斷層構(gòu)成了一個(gè)越流補(bǔ)給的邊界，而西部的向斜軸線則形成了研究區(qū)西部補(bǔ)給徑流的邊界，南部主要通過地下分水嶺的形式進(jìn)行補(bǔ)給，形成了研究區(qū)南部補(bǔ)給徑流的邊界。由于巖溶水的過度開采，深層巖溶水位持續(xù)下降，水頭減小，從而導(dǎo)致上部碎屑巖中的孔隙裂隙水通過斷裂越流補(bǔ)給至下部。此外，人工補(bǔ)給主要涉及礦坑排水和灌溉回滲等途徑。

2地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取

此次研究收集了超化泉域歷史上的地下水位數(shù)據(jù)。同時(shí)為了更好地得到超化泉域的地下水水位現(xiàn)狀，對(duì)研究區(qū)的水井進(jìn)行了豐水期、枯水期的統(tǒng)測(cè)，并通過統(tǒng)測(cè)篩選出了15口典型水井，建立了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。其中石炭一二疊系和第四系含水層的水井3口，寒武一奧陶系含水層的水井12口，水井信息和位置見圖1。

3地下水動(dòng)態(tài)特征分析

3.1季節(jié)性變化特征探討

針對(duì)研究區(qū)域的地下水位動(dòng)態(tài)特征，首先，我們將關(guān)注季節(jié)性變化的模式。地下水位的季節(jié)性變化與降水變化密切相關(guān)。在超化泉域，由于地下水系統(tǒng)的復(fù)雜性以及不同含水層的特點(diǎn)，季節(jié)性變化可能會(huì)表現(xiàn)出一定的差異。

3.1.1孔隙水動(dòng)態(tài)

淺層孔隙地下水動(dòng)態(tài)在自然條件下主要受水文、氣象因素的制約。區(qū)內(nèi)孔隙水一般沒有開采，地下水動(dòng)態(tài)主要受當(dāng)?shù)睾恿骱蜌庀笠蛩刂萍s。圖2是顯示該區(qū)孔隙水水井JC08在枯水期和豐水期水位變化不大，整體呈平穩(wěn)態(tài)勢(shì)。

3.1.2碎屑巖裂隙水動(dòng)態(tài)

研究區(qū)內(nèi)裂隙水含水層地下水動(dòng)態(tài)變化基本符合本地區(qū)降水變化規(guī)律，總體呈現(xiàn)雨季地下水水位略升，枯水期地下水位下降的特點(diǎn)，由于該地區(qū)存在數(shù)量較多的煤礦，常年煤礦開采帶來的礦坑排水造成區(qū)域地下水水位下降，削弱了降水對(duì)地下水位恢復(fù)的影響。碎屑巖裂隙水位動(dòng)態(tài)如圖2所示JC05、JC06。水井JCJ05受2021年河南“7.20”特大暴雨及后期煤礦排水影響，裂隙水水位動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)又形成迅速上升的趨勢(shì)。

3.1.3碳酸鹽巖巖溶水動(dòng)態(tài)

碳酸鹽巖巖溶地下水動(dòng)態(tài)類型及特征受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造及氣象水文條件的影響，裸露區(qū)的碳酸巖地下水動(dòng)態(tài)為氣象－水文型，隱伏區(qū)的為徑流－開采型。

3.1.3.1氣象－水文型

區(qū)內(nèi)具氣象－水文性特征的水井主要接受大氣降水、河渠滲漏的直接入滲補(bǔ)給，并有穩(wěn)定的上游徑流補(bǔ)給。

巖溶地下水水位在旱季及雨季汛期隨著大氣降水及河渠水滲漏量大小變化、河水位漲升，呈現(xiàn)水位低谷及高峰，低水位期出現(xiàn)于3-6月份，7月水位開始逐漸上升，本次水位監(jiān)測(cè)時(shí)是河南特大暴雨，雨量驟增，地下水位相應(yīng)上升的趨勢(shì)也非常明顯（如圖3所示）。說明該區(qū)巖溶地下水水位動(dòng)態(tài)變化主要受降水動(dòng)態(tài)影響，為典型的氣象－水文型。

3.1.3.2徑流－開采型

徑流－開采型碳酸鹽巖巖溶地下水主要接受北部側(cè)向徑流補(bǔ)給，以礦坑排水或水源地集中開采形式排泄，水位漲升與回落相對(duì)滯后，同時(shí)受開采量增減周期影響。

如圖4（a）所示水井水位進(jìn)入豐水期后一個(gè)月呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的趨勢(shì)，圖4（b）所示水井位于當(dāng)?shù)氐母饻厦旱V和超化礦附近，受煤礦排水影響，水位趨勢(shì)變化不一，波動(dòng)較大。

3.2長(zhǎng)期趨勢(shì)分析

深層巖溶地下水的持續(xù)下降趨勢(shì)可以追溯到多年前。由于長(zhǎng)期以來開采量大于補(bǔ)給量，地下水系統(tǒng)處于不斷疏干的狀態(tài)。這種情況導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，收集的歷史數(shù)據(jù)表示，超化泉域61年間地下水位總計(jì)下降了約140米左右。這種長(zhǎng)期趨勢(shì)的下降使得地下水位變化愈發(fā)顯著，也對(duì)地下水資源的合理利用提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

此外，地下水位的變化可能還受到周期性變異的影響。這種變異可能源自多種因素，包括氣候變化、人類活動(dòng)等。通過周期性變異的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)地下水位的周期性波動(dòng)，這些波動(dòng)可能與年際氣候變化、人類開采活動(dòng)等因素有關(guān)。

3.3人類活動(dòng)影響下的變化特征分析

隨著人類活動(dòng)的加劇，地下水開發(fā)利用是人類活動(dòng)中對(duì)地下水動(dòng)態(tài)演變最直接的影響因素，是目前引起的各種地下水位變化的主要原因，長(zhǎng)期的超采引起的地下水位下降會(huì)帶來很多安全隱患。在超化泉域，尤其是煤礦開采等人類活動(dòng)，對(duì)地下水位產(chǎn)生了顯著的影響。煤礦開采涉及到礦坑排水等過程，這些因素會(huì)對(duì)地下水位的變化產(chǎn)生直接的影響。

超化泉域一帶曾為巖溶水的自流區(qū)，地下水水頭高出地面幾米至十幾米，由于山高、坡陡，地表水流失比較嚴(yán)重，因而對(duì)地表水的開發(fā)利用程度不高，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要以開發(fā)利用地下水為主。超化鎮(zhèn)開采量2014年達(dá)到最高值1234.5 x10 m3，2012年達(dá)到最低值414.2×10 m3，這期間深層地下水的開采量占總開采量的84.7％，說明研究區(qū)內(nèi)的開采的地下水主要來源于深層。

新密市超化煤礦附近機(jī)井地下水位的持續(xù)下降趨勢(shì)與煤礦開采活動(dòng)密切相關(guān)。1991年-2015年期間全市平均工業(yè)用地下水開采量為7124.96 x10m3，占多年平均地下水總開采量的69.5％，地下水的開采很大一部分用于煤礦排水，通過長(zhǎng)期的排水作業(yè)，地下水系統(tǒng)的平衡狀態(tài)被打破，地下水位逐漸下降。

隨著煤礦開采的持續(xù)進(jìn)行，地下水位是否會(huì)達(dá)到新的平衡狀態(tài)，以及開采對(duì)地下水資源的可持續(xù)性造成了什么樣的影響，都是需要考慮的問題。這需要綜合考慮地下水補(bǔ)給、排水、地質(zhì)構(gòu)造等多方面因素，以預(yù)測(cè)未來地下水位的變化趨勢(shì)，并為地下水資源的合理管理提供科學(xué)依據(jù)。

4地下水環(huán)境動(dòng)態(tài)成因機(jī)制探討

4.1地質(zhì)構(gòu)造與地下水流動(dòng)關(guān)系

地質(zhì)構(gòu)造在超化泉域地下水位變化中具有關(guān)鍵性的作用。巖溶水盆地的地質(zhì)構(gòu)造直接影響地下水的流動(dòng)路徑和分布，對(duì)地下水位變化的成因機(jī)制產(chǎn)生重要影響。在超化泉域，地質(zhì)構(gòu)造表現(xiàn)為背斜地形和斷裂構(gòu)造的發(fā)育，這些特征塑造了地下水系統(tǒng)的形態(tài)與分布。

超化泉域的背斜地形對(duì)地下水流動(dòng)具有顯著影響。背斜的軸線上存在石炭系灰?guī)r的露頭，形成了地下水的主要補(bǔ)給區(qū)。這些灰?guī)r含水層具有較高的含水能力，充當(dāng)了地下水的重要儲(chǔ)存和補(bǔ)給介質(zhì)。地下水在這些含水層中通過孔隙和裂隙流動(dòng)，形成地下水流動(dòng)通道。此外，背斜地形也影響了地下水的流動(dòng)方向，使地下水自西向東流動(dòng)，最終匯人超化泉群。

由于斷裂帶中存在較大的裂隙和通道，地下水往往傾向于沿著斷裂帶流動(dòng)。因此，斷裂帶成為地下水流動(dòng)的重要通道，將地下水引導(dǎo)至泉眼，形成超化泉群。

4.2水文補(bǔ)給與排水情況

水文補(bǔ)給與排水情況是影響地下水位變化的重要因素，在超化泉域的研究中，水文補(bǔ)給主要通過大氣降水途徑進(jìn)行，同時(shí)受到煤礦開采所引發(fā)的排水活動(dòng)的影響，這些因素共同塑造了地下水位的動(dòng)態(tài)變化過程。

降水通過地表徑流、河流地表水補(bǔ)給以及巖溶裂隙水系統(tǒng)的滲入，進(jìn)入地下水系統(tǒng)。季節(jié)性降水的變化對(duì)地下水位的影響具有明顯的周期性特征。雨季期間，降水增加導(dǎo)致地表徑流和滲透增加，從而使地下水位略有升高。相反，在枯水期，地下水補(bǔ)給減少，地下水位則會(huì)有所下降。

然而，礦坑排水的過程破壞了地下水系統(tǒng)的平衡，使地下水持續(xù)下降。特別是在靠近煤礦的地區(qū)，排水活動(dòng)的強(qiáng)度對(duì)地下水位的降低程度產(chǎn)生重要影響。

4.3土地利用變化對(duì)地下水環(huán)境的影響

土地利用變化是影響地下水補(bǔ)給量的一個(gè)重要因素。當(dāng)?shù)氐某鞘谢殡S著地表的硬化，導(dǎo)致了降水難以滲透到土壤中，形成了大量的地表徑流，引起了地下水的補(bǔ)給減少。此外，城市地下排水系統(tǒng)的建設(shè)也對(duì)地下水位產(chǎn)生影響，過度排水會(huì)導(dǎo)致地下水位下降。農(nóng)田灌溉是另一個(gè)重要的土地利用變化因素，其可以改變土壤的濕度和滲透性，導(dǎo)致大量的水分滲透到地下，可能導(dǎo)致地下水位上升或穩(wěn)定，具體取決于灌溉的強(qiáng)度和頻率以及地下水與灌溉水之間的相互關(guān)系。

5結(jié)束語(yǔ)

在此研究中，我們深入探討了新密市超化泉域地下水環(huán)境特征及成因。通過對(duì)季節(jié)性變化、長(zhǎng)期趨勢(shì)和人類活動(dòng)影響等方面的分析，揭示了地下水環(huán)境變化的規(guī)律與機(jī)制。我們提出了合理的地下水資源管理策略，包括建立監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、限制開采、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等，以實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用。然而，此研究也存在一定的限制，未來的研究可以進(jìn)一步深入探討地質(zhì)構(gòu)造、水文過程和人類活動(dòng)對(duì)地下水位的影響機(jī)制，以及開展模型預(yù)測(cè)和生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)研究，以更全面地理解和管理地下水資源。