洪山泉域巖溶水動態變化對外界條件的響應分析

張澤宇

（山西省水文水資源勘測總站,山西 太原 030001）

從20 世紀50 年代以來,北方巖溶泉流量整體上處于下降趨勢,泉流量衰減已成為北方巖溶泉變化的主要特征[1]。洪山泉作為域內工農業生產的重要水源,自90 年代以來流量急劇衰減,并出現持續性斷流現象。為進一步預測未來洪山泉水位流量變化趨勢,分析巖溶水動態變化對外界因素的響應特點具有重要意義。

1 泉域概況

洪山泉域跨晉中市的介休、平遙和長治市的沁源縣,總面積為632 km2。泉域碳酸鹽巖裸露區面積為260 m2,占泉域總面積的41%；覆蓋區面積為372 km2,占59%。

由于泉域地下水過量開采,洪山泉域已形成一定面積的超采區。洪山泉域巖溶水超采區面積為322 km2,占泉域面積的50.9%,超采區主要分布在泉域富水區和機井連片區,包括晉中市224 km2和長治市98 km2,其中嚴重超采區分布于晉中市,為東西向斷裂富水帶,面積為72 km2。

2 泉域巖溶水動態變化影響因素分析

2.1 大氣降水對泉水流量的影響

根據水文統計資料,泉流量與降水量動態變化相關曲線見圖1。

圖1 洪山泉流量與降水量動態變化相關曲線圖（1955年～2018年）

從圖1可知,泉流量的衰減與斷流可以明顯地分為五個階段：①穩定期（1955年～1970年）：泉流量動態呈現波狀起伏、峰谷交替,其動態變化明顯反映出大氣降水周期性變化的特點,并存在滯后效應,此階段自然因素占據主導地位,基本無人為因素影響,泉流量在1.14 m3/s ～1.75 m3/s之間波動,期間平均泉流量1.45 m3/s；②緩慢下降期（1971 年～1995 年）：泉流量動態整體呈下降趨勢,峰谷變幅減小,波長逐漸變小,但泉流量仍然反映出降水周期性變化特點,表明人類活動對泉流量的影響日益增大,期間平均泉流量1.02 m3/s；③衰退期（1996 年～2003 年）：泉流量出現急劇下降、整體衰退的局面,此階段泉流量與大氣降水呈負相關,表明人為因素對泉流量的影響占據主導地位,且影響越來越大,截止到2003年,洪山泉流量已降至0.142 m3/s,期間平均泉流量0.57 m3/s；④小幅回升期（2004 年～2008 年）：泉流量整體有所回升,但在較低水平波動,與2000年以來人類活動有直接關系；⑤斷流期（2009年～2018 年）：此階段泉流量又呈明顯的衰減趨勢,期間平均泉流量0.045m3/s,說明人類活動對泉流量的影響進一步加劇,加速了泉水斷流。

大氣降水是洪山泉巖溶水系統的主要補給源,降雨的多少必然控制著泉水的流量大小。1980 年～2000 年系列比1956年～1979年系列降水量減少了11.2%,平均泉流量減少了31.4%,說明泉流量的衰減速度遠大于降水量的減少速度。但是,進入2000年以后,年降水量呈增加的趨勢,但泉流量呈繼續下降的趨勢。這些都說明了降水量的減少只是泉流量衰減的原因之一,而不是1996年以后泉流量斷崖式陡降以及2009年以后泉流量逐漸斷流的主要影響因素。

2.2 地表水對泉水流量的影響

龍鳳河是洪山泉域內最大的季節性河流,近280 km3的泉域面積與龍鳳河流域面積重疊。在南坪以西,該河流經過寒武、奧陶系灰巖裸露區及河床第四系砂卵礫石層時會產生大量滲透,是洪山泉重要補給水源之一。通過龍鳳河1955 年～1970年,1980年～2000年兩個時期系列動態變化趨勢與相應時期洪山泉流量動態變化趨勢進行對比分析（見圖2、圖3）,發現兩個時期河道徑流量與泉流量的動態變化趨勢一致,說明龍鳳河地表水徑流量與泉流量存在一定相關性。1955年～1970年龍鳳河年均河道徑流量1680 萬m3,相應泉流量1.43 m3/s；1980年～2000年龍鳳河年均河道徑流量1409萬m3,相應泉流量0.9 m3/s。后一時期比前一時期河道徑流量減少了16.13%,泉流量減少了37.06%。說明河道滲漏補給是洪山泉重要的補給源之一,但河道徑流量的減少不是造成泉流量衰減的主導因素。

圖2 河道徑流量與泉流量（1955年～1970年）

圖3 河道徑流量與泉流量（1980年～2000年）

2.3 地下水開采對泉水流量的影響

根據圖4 所示1960年～2000年洪山泉流量與巖溶水開采量對比曲線,可知自1994年～2000年巖溶水開采量出現陡增與洪山泉流量自1997年開始陡降的動態變化過程,反映出泉流量與巖溶水開采量呈明顯負相關特征；2003 年,泉域內巖溶地下水年開采量達到0.317 m3/s（1000萬m3/a）,是當年泉流量的2.23 倍。由此表明20 世紀90 年代以后特別是1994 年～2003 年洪山泉域內巖溶水毫無規劃的開采使巖溶水開采量不斷增加,是洪山泉流量在1997年～2003 年這一時期出現陡降的原因。2003 年之后,巖溶水開采量有所下降,開采量基本保持在400 萬m3/a～700 萬m3/a。

圖4 洪山泉流量與巖溶水開采量對比

2.4 煤礦開采對泉水流量的影響

洪山泉域橫跨沁水煤田和霍西煤田,含煤地層為石炭系太原組和山西組。

2.4.1 煤礦非帶壓開采對巖溶水系統的影響

煤礦非帶壓開采區對巖溶水的影響主要表現在3個方面。首先,采煤改變了地層結構與流域下墊面條件。其次,采煤改變了地下水動力場。地下水系統是不同含水層組成的,相互獨立又相互聯系的復雜地下水流動系統。采煤一方面會對煤系地層含水層造成直接破壞,另一方面會對煤系上覆含水層產生間接影響。含水層中的地下水會沿導水裂隙下滲進入礦井形成礦井水,含水層水位下降,垂向越流量將減少,對巖溶水的補給量也將減少。再次,采煤改變了地下水化學場。

2.4.2 煤礦帶壓開采對巖溶水系統的影響

煤礦帶壓開采對巖溶水的影響是動態的,持久的。一方面,許多帶壓開采煤礦為了安全采煤,疏水降壓,將巖溶水水位降到安全采煤洪山泉域生態修復實施方案條件以內,排放大量巖溶水,對巖溶水產生直接破壞,由此導致巖溶水水位急劇下降。另一方面,若巖溶水水位高于煤系含水層地下水水位時,在巖溶陷落柱、導水斷層等導水通道的聯系下,會對煤系含水層形成補給。在采煤影響下,對煤系含水層產生破壞,形成大量采空區,巖溶水會通過補給采空區的形式向上運移,最終以礦坑排水的形式排出地表。

2.4.3 煤礦礦坑排水影響巖溶水量

由于洪山泉北側徑流-排泄區煤礦煤層下伏巖溶水向上的壓力水頭一般大于300 m,均為帶壓開采,底板承受著巨大的壓力,加之此處分布有霍山北緣大斷裂、化家窯斷裂帶、興地洪山斷裂帶等大的控制性斷層以及許多小斷層,構造發育,導致泉域北側帶壓開采煤礦對巖溶水量的影響巨大,是礦坑排水的主要組成部分。

2.5 人為因素影響巖溶水量

人為因素主要包括上述的巖溶地下水開采、煤礦開采影響,其中煤礦開采影響又分為煤礦正常生產礦坑排巖溶水量及煤礦突水。2019 年,洪山泉域巖溶水開采量為776.16 萬m3/a,煤礦正常生產產生的礦坑排水量為1620.63 萬m3/a,煤礦巖溶突水量為111 萬m3/a,合計2507.79 萬m3/a（0.79 m3/s）。而洪山泉域巖溶水可開采量為2460 萬m3/a（0.78 m3/s）,由此可見,洪山泉域巖溶水處于超采狀態,人為因素是造成泉域巖溶水水位下降的主導因素,其中,人為因素中主要由于煤礦開采對巖溶泉域水生態破壞嚴重,是造成洪山泉斷流的主要原因。

3 結語

泉流量的動態變化反映著自然與人類活動雙重因素的影響。洪山泉1956年～2007年系列年平均實測流量1.09 m3/s,其中1997年泉平均流量1.08 m3/s,2005 年泉水平均流量0.24 m3/s,2007年泉水平均流量0.18 m3/s,2010 年泉水平均流量0.148 m3/s,2016 年～2017年間,泉水最大流量0.008 m3/s,并出現連續性斷流現象。不同歷史時期,人類活動對泉域水資源開發利用與破壞的程度不同,從開始有影響到影響逐漸增大再到占據主導地位,體現了人類對洪山泉域水資源開發利用與破壞程度不斷增加,泉流量的變化也從一開始的穩定到緩慢下降再到急劇下降直至斷流的動態變化過程。可見,人類活動是泉流量衰減與斷流的主導因素。因此,在后期超采治理過程中,應著重減少人為活動的影響,促進地下水可持續利用。