娘子關泉流量下降原因分析及對策研究

竇艷芳

(山西省陽泉市水資源管理委員會辦公室，山西陽泉 045000)

娘子關泉流量下降原因分析及對策研究

竇艷芳

(山西省陽泉市水資源管理委員會辦公室，山西陽泉 045000)

娘子關泉域是我國北方最大的巖溶泉之一。多年來，娘子關泉作為陽泉市唯一可靠供水水源，為當地國民經濟和社會發展發揮了重要的作用。通過對娘子關泉域水資源系統補、徑、排關系和娘子關泉水流量下降原因進行綜合分析，從水質、水量兩方面提出了減緩資源量衰減的預防措施和水資源保護措施，為娘子關泉域決策管理提供科學依據。

流量;下降;保護;對策

水是人類維持生命和經濟發展不可缺少的寶貴資源，水資源的開發利用為人類社會進步、國民經濟發展提供了必要的基本物質保障。隨著社會經濟的快速發展、人口增長、城鎮化步伐加快及人民生活水平提高，對水的需求量不斷增加，水資源匱乏、水資源供需矛盾、水污染嚴重和生態環境日益惡化，所構成的水危機已成為實施可持續發展戰略的制約因素。

娘子關泉域位于山西省東部，太行山中段西側，地跨陽泉市的城區、郊區、平定縣、盂縣，晉中市榆次區、壽陽縣、昔陽縣、和順縣、左權縣、太原市的迎澤區等行政區，總面積為7 217 km2，其中裸露巖溶區面積為 2 282 km2，占31.6%，隱伏巖溶區面積為4 935 km2，占68.4%。多年平均流量達10.68 m3/s。作為我國北方最大的巖溶泉之一，多年來為當地國民經濟發展和經濟建設發揮了重要作用。

1 自然概況

娘子關泉出露于陽泉市娘子關附近桃河與溫河的匯集地段，屬于海河流域滹沱河水系。泉群由坡底泉、程家泉、城西泉、五龍泉、石板磨泉、滾泉、河北村泉、橋墩泉、禁區泉、水簾洞泉、葦澤關泉等11個泉組組成(表1)，分布在程家到葦澤關之間約7 km長的河漫灘及階地上，出露標高為360～392 m。

表1 娘子關泉群主要泉組一覽表

娘子關泉域屬暖溫帶大陸性季風氣候，一年中四季分明，常年受西北環流帶影響，一般每年11月至翌年5月受西伯利亞寒流影響，西北風盛行，干旱少雨(雪)，蒸發強烈，“十年九旱”;6－9月，受太平洋暖濕氣流控制，多東南風，降水集中，多呈陣雨間或暴雨發生，并時有冰雹及伴有短時大風。泉域多年平均水面蒸發量1 202 mm(2601型蒸發器值)，多年平均氣溫10.9℃。泉域多年(1956－2003)平均降水量523 mm。娘子關泉域內除瀟河屬黃河流域汾河水系外，其余河流均屬海河流域子牙河水系。其中較大支流有烏河、龍華河、溫河、桃河、綿河(溫河、桃河匯流后稱綿河)、松溪河、清漳河東源、清漳河西源、洪水河等。瀟河的主要支流有白馬河、澗河等。

2 水資源系統綜述

娘子關泉域水資源系統是一個龐大的以巖溶地下水為主體，包括地表水和中淺層地下水在內的系統。從下墊面的性質來看，可以截然分為東西兩部分，西部為上游區，大面積分布二疊系及三疊系碎屑巖，基巖裂隙水較多，地表水系發育，多建有小型水庫，河谷寬闊，并有10～20 m厚的砂礫石層，形成河床孔隙水含水層。在靠近陽盂、陽左公路一線出露石炭系地層，其中的石灰巖夾層形成層間巖溶裂隙含水層。在陽盂、陽左公路以東為大面積分布的奧陶系可溶巖，東部的地表水進入本區后多入滲地下，地表多為干谷，地下則形成強大的巖溶含水層。

根據目前圈定的系統范圍，雖然包括了瀟河上游白馬河流域的一部分，但該流域基本處于碳酸鹽巖埋藏區，大氣降水及地表徑流對巖溶地下水沒有補給，有補給的是溫河、桃河、松溪河及清漳河流域的降水、地表水及淺層地下水。

娘子關泉域水資源系統是由多種類型的水資源和多個系統組合而成的。地表水包括了北部的溫河、中部的桃河、南川河和昔陽縣的松溪河以及南部的漳河。從地下水來看，除了大面積奧陶系巖溶含水層外，還有西部各河谷沖洪積層孔隙含水層及石炭系層間巖溶裂隙含水層。上述地表水和地下水之間均有不同形式的補排關系，因而形成統一的水資源系統，其特點如下:

(1)系統水資源總輸入是區內大氣降水:在西部，大氣降水除蒸發外，很大部分轉化成地表水，一部分轉化成淺層地下水，包括河床沖洪積層潛水、石炭系層間巖溶裂隙水、基巖裂隙水等。在東部，除蒸發和形成少量地表徑流外，基本上都滲入地下轉化成深層巖溶水。

(2)地表水與各種類型地下水之間，存在著不同形式的水量轉換。以桃河為例，地表河水分別穿過河谷松散層孔隙含水層分布區和碳酸鹽巖分布區產生滲漏補給這兩種地下水，下游到達娘子關排泄區，巖溶地下水排出地表轉化成為地表水，與地表洪水一起流出系統。桃河河水在泉域內的徑流過程中分別同雨水、碎屑巖裂隙地下水、層間巖溶裂隙地下水、河谷松散層孔隙地下水、深層巖溶地下水發生水量轉化，起到了串連各種水資源的作用。

(3)奧陶系含水層是本區最大的巖溶水盆地，它將本區大量的降水、地表水、淺層地下水轉化成深層巖溶水，經過儲存、運移、調節，把季節性很強的降水變為動態穩定的巖溶泉水。

此外，天然條件下，各河谷松散層孔隙地下水在向下游潛流進入灰巖區后，產生對巖溶地下水的補給。上述各要素對地下水滯留、儲存均起到一定作用。

3 泉流量變化趨勢

自上世紀60年代以來，娘子關泉水流量動態雖然受降水量波動的影響，呈現出一定的起伏，但總體上一直處于趨勢性下降狀態(圖1)，流量衰減的線性斜率為 0.163 2。到2009年末，泉水流量已由1959年的13.1 m3/s衰減到了6.89 m3/s，這一問題一直受到各方的重視，不少專家都提出過不同的看法，其原因不外乎是天然降水量減少、巖溶地下水開采量增加、泉域內采煤對下墊面破壞減少了碎屑巖區地表產流量而導致對巖溶地下水的滲漏補給量減少等天然、人為和水環境因素，但這些分析多數僅停留于定性分析層面，到底哪些是引起泉水流量衰減的主要因素，哪些是次要因素，到目前為止還沒有比較滿意的答案。根據現有的監測資料，結合工作實際，對引起泉水流量衰減的原因作如下分析。

圖1 1956－2000年泉水流量變化

4 泉流量衰減原因

以1956～1979和1980～2000兩個系列進行對比的方法分別對各種引起泉水流量衰減的因素進行分析。由娘子關泉水流量觀測資料可知，前后兩期的平均流量分別是12.61 m3/s和 8.54 m3/s，總計減少 4.07 m3/s。

4.1 降水入滲補給量的減少變化

4.1.1 降水量減少

娘子關泉域內最早進行觀測的雨量站是平定站，始于1927年。從平定站觀測看出，自有觀測記錄以來，泉域內降水量整體上呈現了減少趨勢，特別是進入上世紀60年代后，減少的趨勢更加明顯。

1956～1979年泉域年均降水量為535.81 mm，1980～2000 年則為 489.60 mm，共減少了 46.2 mm，減少了 8.6%。按照前面計算的降水入滲系數，計算得兩期的降水入滲補給量減少 0.84 m3/s。

4.1.2 陸面蒸發量增加

工業革命以來，全球氣溫總體呈上升趨勢，特別是進入上世紀90年代后氣溫升高的趨勢更加明顯。氣溫升高導致在同等降水量下，陸面蒸發量必然增加。其結果將減少雨水的地表產流量和對巖溶地下水的入滲補給量。具體地對巖溶地下水的影響主要表現在降水入滲系數的減小。

以陽泉氣象站為例，前后兩個系列的平均氣溫分別為10.82℃和11.28℃，采用泉域1956～2000年的平均降水量517.62 mm，根據陶凱經驗公式計算，后期的陸面蒸發量比前期增加了5.14 mm，由于氣溫升高而減少的量為0.137 6×108m3/a(合 0.436 m3/s)。

以上兩項合計，則由于氣候因素變化，使得泉域巖溶地下水的入滲補給量的總減少量為1.276 m3/s。

4.2 河流滲漏量的減少變化

由前所述，對娘子關泉域內巖溶地下水有滲漏補給的河流主要有6條，其河水主要來源于流域上游的碎屑巖地區，因此，地表產流量的變化直接影響到河流滲漏量的大小。1956～1979年和1980～2000年前后兩期的實測年平均徑流量從 0.311×108m3/a減少到 0.256×108m3/a。

根據地表來水量及計算的各河流滲漏系數，計算得娘子關泉域內1958～1979年和1980～2000年兩期的河流平均滲漏量分別是 2.45 m3/s和 1.61 m3/s，兩項相差 0.84 m3/s。

4.3 開采量的增加

泉域內巖溶地下水的開采對娘子關泉水流量的衰減影響是直接的，雖然由于地下水系統的調節作用存在影響的滯后性，但從超過地下水循環周期的系列來分析，開采量與泉水流量的減少量之間可以認為是1比1的關系。

根據陽泉市水資辦和山西省泉域管理處的統計資料，前后兩個系列的平均開采量為0.071 8 m3/s和0.532 m3/s，因此，由于泉域內巖溶地下水的開采所引起的兩個系列泉水流量減少量為0.46 m3/s。

4.4 外圍潛流補給量的減少變化

由娘子關泉域邊界條件可知，在泉域西側從北磚井起至馬莊～傘兒樹～牛駝西，存在長20 km的弱潛流邊界。太原棗溝和壽陽平頭直線距離26.8 km，1985年兩地的巖溶地下水位分別是814.13 m和787.67 m，由此算得天然狀態下的水力坡度為0.000 987。由娘子關泉域管理處提供的資料知，在邊界附近的太原觀家峪、太原馬莊和榆次北磚井三個巖溶地下水鉆孔平均滲透系數為14.93 m/d，邊界處的巖溶含水層深埋于200～600 m之下，取含水層厚度300 m，根據達西流公式，由以上數據估算得潛流補給量為88 444 m3/d(1.02 m3/s)。上世紀80年代后期，由于太原東山、榆次等地巖溶地下水的大量開采，造成了區域地下水位下降，1994年巖溶地下水位觀測資料表明，位于邊界東側娘子關泉域內的觀家峪巖溶地下水位(800.27 m)已高于西側棗溝巖溶地下水位(795.40 m)，說明90年代后期已不再有潛流補給娘子關泉域。

4.5 其它補給量變化

泉域內其它類型地下水在天然條件下，通過一些途徑補給巖溶地下水，例如各河流上游地區松散層孔隙地下水，在天然條件下這部分水沿河谷含水層向下游潛流，當流出下伏煤系隔水層分布區進入碳酸鹽巖區后，便向下滲入補給巖溶地下水。人工對這些河谷松散層孔隙地下水的大量開采，使得向下游的潛流量減少，從而導致了巖溶地下水補給量的減少，最終引起泉水流量的減少。以桃河河谷含水層為例，計算的最大潛流量可達180×104m3/a，而目前的潛流量幾乎為零。由前面的資源計算結構可知，1956～1979年和1980～2000年前后泉域巖溶地下水的其它補給量的減少量為0.06 m3/s。

此外，礦山開采，土地的利用，交通、住宅、廠礦的用地，改變了地表水的產流條件和碎屑巖區地下水循環條件，同時也改變了河水對巖溶地下水的滲漏補給條件，使得部分巖溶地下水入滲補給區變為零入滲區，從而導致了降水入滲補給量減少。

綜上所述，引起娘子關泉水流量衰減的因素是多方面的，包括自然因素、人為因素和水環境因素的改變，對娘子關泉水在1956～1979年和1980～2000年兩個系列中減少的4.07 m3/s流量，通過初步量化計算，有約3.5 m3/s的流量是基本可以確定的，其余減少流量，有待進一步的深入研究工作。

5 對策

娘子關泉域水資源系統是一個由多種水資源類型要素構成的巨型復雜水資源系統，任何一種水資源要素的質量變化都可能引起其它水資源的質量變化，特別是對泉域內的最終排泄要素巖溶地下水的影響往往是直接的。而娘子關泉作為陽泉市的“母親泉”，如何采取措施，遏制泉流量衰減，避免斷流悲劇發生，實現水資源的可持續利用是當務之急。

5.1 建設節水型社會

節約用水是緩解水資源供需矛盾，實現水資源可持續利用，促進經濟社會可持續發展的戰略措施。強化計劃用水、節約用水管理，由水行政主管部門統一下達用水指標，鼓勵各行業積極采用先進節水技術設備，降低耗水量，提高復用率。同時要有計劃地調整產業結構，大力推行高產出，低水耗的產業，加快節水型工業、節水型農業和節水型城市建設的步伐。

5.2 生態環境治理

抓住陽泉市建設國家園林城市和森林城市的有利時機，在泉域范圍開展造林綠化工程，植樹種草，涵養水源，同時要積極探討灰巖裸露區和半裸露區的生態治理方法，優化水文下墊面，積蓄雨洪水，增加補給量;開展河流綜合治理工程，疏浚河道，恢復植被，增加河流滲漏補給量。

5.3 回灌工程建設

對大石門水庫、趙家莊水庫等泉域補給區的水利工程進行功能性改造，并在有條件的地區新建回灌工程，攔蓄洪水，建設生態濕地工程，蓄滯雨洪，延長補給時間，增加補給量。

5.4 建設后備水源

陽泉市作為能源化工和新材料基地，主要水源為娘子關泉水，水源單一，資源不足，必須開辟后備水源，滹沱河調水緩解陽泉水危機是唯一途徑，同時也可減少娘子關泉資源壓力，確保娘子關泉保持一定的流量，滿足基本的生態需水要求。

5.5 實現污水資源化

隨著經濟社會的持續發展，污水廢棄物排放量逐年增加，水環境壓力也逐步增加，因此，必須把水污染防治和污水資源化作為陽泉市節水增源和保護生態環境的根本性措施來抓。對污染源要采取集中治理和分散治理相結合的原則，變總量控制為濃度控制，實現達標排污，清潔生產。

［1］陽泉市第二次水資源評價.2004年 陽泉市水資源管理委員會、山西省水資源研究所.

［2］陽泉市水資源總體規劃.2006年 陽泉市水資源管理委員會、山西省水資源研究所.

［3］娘子關泉域地下水資源評價報告.2004年 中國地質科學院巖溶地質研究所、山西省娘子關泉域管理處.

［4］山西省娘子關泉水資源保護及污染防治對策研究.1999年 山西省陽泉市環境保護局與山西省陽泉市環境監測站.

TV211.1

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1004－1184(2012)03－0086－03

2012－02－23

竇艷芳(1975－)，女，山西平定人，工程師，主要從事水資源管理工作。