太原市巖溶地區水資源保護目標及保護方案的探討

宇潤練

(太原市水利水保科學研究院,太原 030002)

0 引 言

太原市主要的巖溶泉域是晉祠泉域、蘭村泉域。晉祠是國家重點文物保護單位,晉祠泉水就屬于眾所周知的晉祠“三絕”之一,位于太原近郊,晉祠泉水就出露于太原西山懸甕山下,晉祠泉巖溶水的集中排泄點由難老泉、圣母泉、善利泉組成,出露高程約800m。自20世紀60年代以來,泉水流量逐年減少,1994年4月30日斷流。按水文地質條件分析,晉祠泉域分布于太原西山一帶,屬西山石千峰復向斜構造。其范圍覆蓋太原市的古交市、晉源區、萬柏林區、尖草坪區、清徐縣以及忻州市靜樂縣、呂梁市交城縣的小部分地區。

蘭村泉出露于太原市區西北25km處的上蘭村,汾河流入太原盆地的出口處,泉口高程810.92m。由于泉域巖溶水及西張地區松散層孔院水的大規模開采,蘭村泉流量呈現逐年減少的趨勢,并于1988年左右最終干涸。當前,蘭村泉域建成了若干個大型的水源地,蘭村水源就屬于其中之一,也是太原市城市生活供水至關重要的水源地,由于嚴重超采,巖溶地下水位不斷下降。目前,蘭村水源地水位已下降到泉口以下28～30m左右。

晉祠巖溶水地下水類型為SO4—Ca·Mg型水,2010年綜合評價分值為7.32,為Ⅴ類極差型水,溶解總固體、總硬度、硫酸鹽三項超標。蘭村巖溶水類別為HCO3·SO4—Ca·Mg型水,2010年綜合評價分值為2.17,為Ⅱ類良好型水。

1 泉域地下水開采控制目標確定方法

地下水控制開采目標受到水文地質條件的制約,所以控制開采目標要以實際的水文地質條件為基礎,要以符合地下水的運動和演變規律為前提。根據不同地下水系統資料的詳細程度及開發利用程度,并遵循簡便實用的原則,在已有研究成果的基礎上,采用人工神經網絡、多元線性回歸方法確定晉祠泉域、蘭村泉域的地下水控制開采目標[1]。

1.1 晉祠泉域巖溶水

晉祠泉域具有重要的經濟、生態、旅游和文物保護價值,而泉水流量對該區的景觀、旅游、生態等功能起到決定性的作用,故將難老泉復流作為該區重要的控制目標。采用《太原市晉祠泉域水資源規劃報告》所建立的晉祠巖溶水神經網絡模型確定流量恢復的可能與實現,確定難老泉流量不同規劃水平年流量恢復目標。

晉祠泉的斷流是在1994年,在建立泉流量的多因素神經網絡模型的情況下,對于晉祠泉斷流后系統的情況也就不能非常明確的模擬和描述。我們知道,泉的流量與地下水位這兩者之間有著比較大的關聯與相關性,泉流量和泉水位的影響因素之間是存在著某種一致性的,所以該模型選擇了資料系列相對較長的地下水位作為目標函數建立泉的水位與多因素之間的神經網絡模型。當地下水位超過泉口標高時,泉水即能復流。由年水位與泉流量的相關性可計算相應的泉流量。

晉祠巖溶水神經網絡模型共有8個輸入單元,分別對應以下幾個參數:泉域內當年降雨量、前一年的降雨量、前兩年的降雨量、汾河滲漏量、人工開采量、煤礦排水量、側向排泄量、前一年晉祠水位,10個中間隱層單元和一個輸出單元組成的三層網絡,BP神經網絡模型流程如圖1所示。

圖1 晉祠泉地下水位模擬的BP網絡模型

圖1中,X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8這幾個量視為模型的輸入項,這8個輸入項分別代表以下參數:當年降雨量、前一年降雨量、前兩年降雨量、汾河滲漏量、煤礦排水量、管井開采量、側向排泄量、前一年水位。H層為中間隱含層,它含有的隱含單元為10個。Y為輸出項,即當年水位。

1.2 蘭村泉域巖溶水

蘭村巖溶水作為太原市最重要的水源,其地下水開采量占到了太原市供水量的一半左右,其中自來水公司一水廠、自來水公司四水廠、自來水公司五水廠、自來水公司十水廠、棗溝水廠,這幾個水廠產水量的比率占到了太原市總產水量的99%以上。蘭村巖溶水的供水功能比其景觀功能更重要,因此產水能力是蘭村巖溶水的重要控制目標之一。采用《太原市蘭村泉域水資源規劃報告》所建立的蘭村巖溶水多元線性回歸模型確定晉祠泉域地下水的控制開采目標的可能與實現。

H=A+B×Q(t-0)+C×Q(t-1)+D
×Q(t-2)+E×Q(t-3)+F×Q(t-4)+
G×Q(t-5)+H×Qfs+I×Qlc+J×Qzg+
K×Qsg+L×Qzb+M×Qcp+N×H(t-1)

(1)

式中:Q(t-0)為當年降雨入滲量;Qlc為蘭村水源地的開采量;Q(t-1)為前1a降雨入滲量;Qzg為棗溝水源地的開采量;Q(t-2)為前2a降雨入滲量;Qsg五水廠、十水廠開采量之和;Q(t-3)前3年降雨入滲量;Qzb為自備井開采量;Q(t-4)為前4a降雨入滲量;Qcp為側向排泄量;Q(t-5)為前5a降雨入滲量;H(t-1)為前1a蘭村泉域巖溶水水位;Qfs為汾河滲漏量;H為當前水位。

選取影響巖溶水水位變化的因子降水量、汾河入滲補給量、蘭村水源地的開采量、棗溝水源地的開采量、三給水源地五廠以及十廠的開采量、自備井的開采量、向盆地孔隙水的側向排泄量,期間還要將水位變化的連續性考慮進去,同時把前一年水位也作為一個因子在模型中加以考慮[2-3]。因此,得到蘭村泉域巖溶水水位的一般模型如下:

2 巖溶泉域保護目標

2.1 晉祠泉域巖溶水

2.1.1 難老泉水位保護目標

1994年難老泉水斷流至2010年歷時達16a。規劃從2010年算起,利用10a時間使其得以恢復。2020年水位(103號孔)恢復到802.59m以上,實現泉水出流。

2.1.2 難老泉流量保護目標

根據上述103號孔水位恢復目標,同時考慮到晉祠難老泉的生態景觀功能的恢復,以及流量恢復的現實與可能,確定難老泉2020年恢復出流,這也為水生態景觀以及泉水供水功能能夠恢復到1990年代初期水平打下堅實的基礎。2030年泉流量將會達到0.3m3/s以上,其水生態景觀以及泉水的供水功能能夠趨近1980年代中期水平。

2.1.3 水質保護目標

地下水的水質除與后天人為污染有關外,還與地下水的天然水化學特征有密切的關系,且地下水的水質改善問題十分復雜,也十分困難,故確定水質保護目 標時主要是根據現狀年水質狀態,防止水質進一步惡化為宗旨,2010年晉祠巖溶水水質為Ⅴ類,由此確定2020年水質保護目標為Ⅴ類,主要污染物濃度不再明顯上升。2030年水質保護目標為Ⅳ-Ⅴ類,主要污染物濃度有所下降。

各規劃水平年泉域水資源保護目標詳見表1。

表1 晉祠泉域巖溶水資源保護規劃目標一覽表

2.1.4 控制規劃方案

按照晉祠難老泉2020年恢復出流,2030年流量0.3 m3/s的保護目標。對區內巖巖溶地下水進行調控。

泉域巖溶水的總量調控方案是:煤礦礦坑排水量限制在現狀水平年下,即煤礦排水量為3331萬m3/a;人工開采量控制在1059萬m3/a,與現狀年2010年相比,需要的壓縮開采量為883.2萬m3。2020年在山區河谷完成了攔洪壩工程的修建,并在此基礎上實施的人工地下水回灌工程,這些都加速了巖溶泉域地下水資源的回補,增加泉水出流量,為實現2030年流量目標奠定基礎。

2.2 蘭村泉域巖溶水

2.2.1 泉源水位保護目標

1957年蘭村水源投產時,蘭村泉平均水位標高814.38 m,1986年泉水斷流至2010年歷時達24a,S1水位標高從809.63m下降到781.44m,累計下降28.19m,平均每年下降1.17m。確定2020年泉水位(S1號孔)穩定在796 m的水平之上。

2.2.2 水源產水量的保護目標

依據確定的泉源水水位保護目標,結合巖溶水量水位預測預報數學模型得出的預報結果,并考慮巖溶水資源開發的現狀與未來發展的可能性,對蘭村泉域不同規劃水平年產水量目標進行確立。

規劃到2020年按照可開采量3.49 m3/s即11006萬m3/年進行開采。建立起了泉源區、排泄區城市主力水源(排泄區四大城市主力水源分別為自來水一廠、棗溝水廠、自來水五廠、自來水十廠)、分散自備水源如下的優化開采格局:四個主力水廠的開采量控制目標分別為: 1.69 m3/s(14.6萬m3/d), 1.0m3/s(8.64萬m3/d), 0.5 m3/s(4.32萬m3/d),0.5 m3/s(4.32萬m3/d)。分散工農業自備井開采量控制在0.3 m3/s(2.59萬m3/d)以內。

2.2.3 水質保護目標

根據蘭村泉域地下水系統情況,整個巖溶水系統,其水環境質量非常優越,總體屬于Ⅱ+Ⅲ類水,對于太原市的城市供水需求而言是完全能夠滿足的,其西張地區汾河沖積扇孔隙水屬于Ⅲ類水,也完全滿足城市供水的水質要求,僅局部淺層水受到輕微污染,因此,我們確立了如下的水質保護目標和保護原則:一方面是要對水污染情況進行非常嚴格的控制,另一方面是要確保地下水的水質能夠長期維持良好的現狀水平。

2.2.4 控制規劃方案

規劃到2020年維持11006萬m3/年的開采量,2010實際開采量11429萬m3,因此需要壓縮開采量423萬m3/a,實現泉域巖溶水采補平衡。分散工農業自備井開采具體開采方案是:對現狀年杏花嶺區、尖草坪區和陽曲縣的農業和農村生活用水予以保留,壓縮一級保護區內工業企業自備井,將分散自備井開采量基本維持在0.3 m3/s。城市自來水調整方案為:將一廠、棗溝、五廠十廠的產水量調整為14.6萬m3/d、8.64萬m3/d、4.32萬m3/d。關閉城區工業企業事業單位自備井。規劃到2020年在山區河谷修建攔洪壩工程,進行人工地下水回灌。

3 結 語

近年來,太原市針對巖溶水資源的現狀制定完成了若干卓有成效的水資源保護方案。晉祠泉的保護工程包括了古交地下水人工回灌工程、邊山支流筑壩蓄水回灌工程、汾河(晉陽湖)引水回灌工程、自流井治理工程、泉域水土保持等。蘭村地下水資源保護工程包括了蘭村干支流低壩蓄水緩洪入滲工程、泉源美化修復工程。這些有效的巖溶泉域保護工程,使得太原市巖溶泉域保護工作取得了較好的成效和進展,水環境和生態環境都得到了良好的改善。