山西水神堂泉流量及水位動態(tài)變化的分析與研究

馮亞輝，李書友

(1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300202； 2.南水北調中線實業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100176)

1 概 述

水神堂泉位于山西省大同市廣靈縣境內，泉域總面積518 km2，其中碳酸鹽巖裸露面積148 km2，主要包括以散泉形式出露于壺流河河漫灘及其支流地帶的諸多泉水，分別為出露于縣城南部的枕頭泉、百步坑泉、水神堂泉；出露于作疃鄉(xiāng)西北部海坡山前的作疃泉、華山泉；出露于莎泉鄉(xiāng)西部堂坡山前的莎泉；出露于斗泉鄉(xiāng)西北部桃子梁半山腰的一斗泉。泉域大部分泉水為孔隙水與巖溶水共同補給的泉水，僅有百步坑泉、作疃泉和水神堂泉為巖溶泉水。

目前，水神堂泉原14處泉水，除位于集中排泄帶的水神堂泉、百步坑泉尚有出流，其它泉眼均已斷流。據1987年開始進行水神堂泉水監(jiān)測至今的資料顯示，監(jiān)測初期泉水流量0.5 m3/s左右，現在已減少為0.2 m3/s左右，2001-2019年較1987-2001年共減少46.9%。2011年7月，泉水流量為0.091 m3/s；2012年7月，泉水流量僅為0.009 m3/s，水神堂泉衰減趨勢顯著。在灌溉取水量較大的夏季，泉水流量的減少更為明顯。

2 泉水流量變化分析

根據水神堂泉1987-2019年南口和北口實測流量統(tǒng)計，水神堂泉多年平均流量0.331 m3/s，多年平均徑流量1 044×104m3。從實測徑流系列來看，徑流年內分配較均勻，年際變比大。最大年徑流量為1 579.1×104m3(1988年)，最小年徑流量為169.6×104m3(2015年)，極值比9.3。徑流年內分配過程見圖1；歷年徑流量見圖2；不同年代泉水流量及徑流對比見表1。

圖1 水神堂泉多年平均各月流量

圖2 水神堂泉歷年徑流量

表1 水神堂泉不同年代泉水流量、徑流對比

從水神堂泉流量系列資料來看，泉水流量存在明顯的衰減趨勢，2001-2019年較1987-2001年共減少46.9%，較多年平均減少27.2%。

3 水位動態(tài)分析

3.1 地下水位年際變化特征

根據歷史資料，當地在2007年水位普測，自2015年建立地下水位動態(tài)長觀點，因此地下水動態(tài)變化規(guī)律僅能依據該數據進行對比分析。2016年水文地質調查與2007年水位對比下降3～7 m，年均下降0.3～0.7 m。

近年來，廣靈縣水務局在本區(qū)建立長觀監(jiān)測系統(tǒng)，為分析本區(qū)地下水動態(tài)特征，特選取廣靈縣加斗鄉(xiāng)西加斗村委會內監(jiān)測井為代表，監(jiān)測井編號ATW083，井口高程為965 m，井深120 m。從2012年1月1日起，該地區(qū)地下水位呈逐年下降趨勢，2012-2016年最高水位為2012年4月1日的933.16 m，最低水位為2016年7月18日的920.96 m，變幅12.20 m，下降幅度較大。廣靈西加斗鄉(xiāng)監(jiān)測井多年水位動態(tài)變化見圖3。

圖3 廣靈西加斗鄉(xiāng)監(jiān)測井多年水位動態(tài)變化

3.2 地下水位年內變化特征

由圖4分析得出，縣區(qū)內地下水位年內呈季節(jié)性波動，水位最高值出現在每年的3月份，水位最低出現在7月份。水位曲線有兩個陡坎，表明水位有兩次驟降過程，分別出現在每年的3月下旬和6月下旬。經調查分析，水位驟降過程應該是春季和夏季的集中澆地所致。7月下旬隨著集中灌溉的結束，用水量在秋冬季逐漸明顯減少，導致地下水位持續(xù)上升，直到第二年3月份下一次春澆，地下水位再次驟降。隨后水位有所上升，6月下旬再驟降，隨后再回升，周而復始。

圖4 西加斗ATW01083監(jiān)測井水位曲線圖

4 巖溶水動態(tài)變化影響因素分析

4.1 大氣降水對泉流量的影響

大氣降水是泉域地下水的主要補給來源，其入滲途徑不僅包括碳酸鹽巖裸露區(qū)，同時也包括松散層分布區(qū)。地下水接受大氣降水補給后，由北部山區(qū)沿北西、北東向構造節(jié)理向壺流河河谷運移，并儲存于盆地下部的碳酸鹽巖裂隙含水層和沖洪積孔隙含水層中。在地下水徑流過程中，遇地勢低洼地帶或基巖切割帶，尤其是含水層天窗地帶，則以泉水的形式排泄。如水神堂泉即為典型的通過石灰?guī)r孤峰天窗的溢流泉。

水神堂泉泉水流量從上世紀60年代至今總體呈下降趨勢。上世紀1961-1990年，平均流量達 0.758 m3/s；1991-2000年，平均流量0.439 m3/s；2001-2010年，平均流量0.339 m3/s；2011-2015年，平均流量0.157 m3/s。在2014年7月，水神堂泉出現干涸現象，整個水池全部干涸，干涸狀況持續(xù)到2015年。2015年當年泉水平均流量0.085 m3/s，有7個月泉水斷流。經廣靈縣水務局及相關部門全力補救，將泉口附近第四系水井全部關停后，泉水才又重新出露。2015-2019年，泉水平均流量0.105 m3/s。 歷史年份泉水流量變化情況見圖5。

圖5 歷史年份泉水流量變化情況

通過表2對比分析相應年段系列泉流量發(fā)現，泉流量減小與降水量減少基本一致。通過1991-2000年系列與1961-1990年系列進行對比，1991-2000年系列較1961-1990年系列多年平均降水量減小5.7%，與之相應的系列年平均泉流量減少42%。通過2001-2010年系列與1961-1990年系列進行對比，2001-2010年系列較1961-1990年系列多年平均降水量減小14.7%，與之相應的系列年平均泉流量減少55.2%。通過2011-2015年系列與1961-1990年系列進行對比，2011-2015年系列較1961-1990年系列多年平均降水量減小10.8%，與之相應的系列年平均泉流量減少33%。降水量的減少是泉流量衰減的主要原因之一。

表2 水神堂泉泉域分時段降雨量與泉流量統(tǒng)計表

大氣降水具有一定的周期性和隨機性，泉水出露作為泉域地下水系統(tǒng)的排泄方式之一，其流量動態(tài)變化與大氣降水在時間上存在一定程度的滯后性，但與其變化趨勢相對應，見圖6。

圖6 降雨量變化與泉水流量變化關系圖

4.2 人類活動對泉流量的影響

經調查表明，廣靈地區(qū)主要以農業(yè)生產為主，且一年有兩次集中澆地，分別在春天和夏天。根據泉域水資源開發(fā)利用調查分析，農業(yè)灌溉取用地下水量占取水總量的70%以上，并且灌溉用水具有季節(jié)性和用水量集中的特點。

據統(tǒng)計，農業(yè)灌溉主要集中在兩個時段，一是3月下旬至4月下旬(春灌)，二是7、8月份作物生長期灌溉。從泉水逐月流量變化分析，泉流量從3月份春灌開始減少，在7、8月份之間出現一個低谷，一直持續(xù)到9月份以后泉流量逐漸回升，在次年1、2月份泉水流量達到峰值。這一流量過程也表明泉流量變化的另一個主要原因是由于地下水的開采所致。水神堂泉流量隨灌溉季節(jié)變化圖見圖7。

圖7 水神堂泉流量隨灌溉季節(jié)變化圖

雖然說降雨量的減少是泉流量衰減的主要原因之一，但由表2也可以看出，2015年以后泉域降雨量有所回升，但泉年平均流量仍處于衰減趨勢。如2015-2019年系列對比2011-2015年系列，2015-2019年平均降雨量較后者增加4.3%，而泉流量卻減少33%。泉水流量隨降雨量變化趨勢的拐點發(fā)生在2000年以后，人們生產、生活對地下水的開采規(guī)模增大，雖然降水量有增大趨勢，但泉流量依然逐年減少。2014、2015年水神堂泉水部分月份干枯，說明泉流量變化與地下水開采有關，即人類活動一定程度上加速了泉流量的衰減。見圖8。

圖8 水神堂降雨量與泉水流量動態(tài)比較圖

5 結 論

本文通過對水神堂泉歷史流量、水位數據統(tǒng)計分析，歸納總結出水神堂泉泉水流量的變化趨勢、水位的升降動態(tài)，并對泉水動態(tài)變化的影響因素進行合理性分析，為實施泉域水資源保護、水生態(tài)修復提供技術支撐，對保證泉域水資源的可持續(xù)利用、保障經濟社會的可持續(xù)發(fā)展意義重大。