洪山泉域巖溶水動態(tài)變化對外界條件的響應(yīng)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(jì)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(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要水源,自90 年代以來流量急劇衰減,并出現(xiàn)持續(xù)性斷流現(xiàn)象。為進一步預(yù)測未來洪山泉水位流量變化趨勢,分析巖溶水動態(tài)變化對外界因素的響應(yīng)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(qū)面積為260 m2,占泉域總面積的41%；覆蓋區(qū)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(qū)。洪山泉域巖溶水超采區(qū)面積為322 km2,占泉域面積的50.9%,超采區(qū)主要分布在泉域富水區(qū)和機井連片區(qū),包括晉中市224 km2和長治市98 km2,其中嚴(yán)重超采區(qū)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(tài)變化影響因素分析

2.1 大氣降水對泉水流量的影響

根據(jù)水文統(tǒng)計資料,泉流量與降水量動態(tài)變化相關(guān)曲線見圖1。

圖1 洪山泉流量與降水量動態(tài)變化相關(guān)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(wěn)定期（1955年～1970年）：泉流量動態(tài)呈現(xiàn)波狀起伏、峰谷交替,其動態(tài)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(yīng),此階段自然因素占據(jù)主導(dǎo)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(tài)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(xiàn)急劇下降、整體衰退的局面,此階段泉流量與大氣降水呈負(fù)相關(guān),表明人為因素對泉流量的影響占據(jù)主導(dǎo)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(guān)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?dāng)嗔鳌?/p>

大氣降水是洪山泉巖溶水系統(tǒng)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(xù)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(nèi)最大的季節(jié)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(jīng)過寒武、奧陶系灰?guī)r裸露區(qū)及河床第四系砂卵礫石層時會產(chǎn)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(tài)變化趨勢與相應(yīng)時期洪山泉流量動態(tài)變化趨勢進行對比分析（見圖2、圖3）,發(fā)現(xiàn)兩個時期河道徑流量與泉流量的動態(tài)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(guān)性。1955年～1970年龍鳳河年均河道徑流量1680 萬m3,相應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(jù)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(xiàn)陡增與洪山泉流量自1997年開始陡降的動態(tài)變化過程,反映出泉流量與巖溶水開采量呈明顯負(fù)相關(guān)特征；2003 年,泉域內(nèi)巖溶地下水年開采量達到0.317 m3/s（1000萬m3/a）,是當(dāng)年泉流量的2.23 倍。由此表明20 世紀(jì)90 年代以后特別是1994 年～2003 年洪山泉域內(nèi)巖溶水毫無規(guī)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(xiàn)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(tǒng)的影響

煤礦非帶壓開采區(qū)對巖溶水的影響主要表現(xiàn)在3個方面。首先,采煤改變了地層結(jié)構(gòu)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(tǒng)是不同含水層組成的,相互獨立又相互聯(lián)系的復(fù)雜地下水流動系統(tǒng)。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(chǎn)生間接影響。含水層中的地下水會沿導(dǎo)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(xué)場。

2.4.2 煤礦帶壓開采對巖溶水系統(tǒng)的影響

煤礦帶壓開采對巖溶水的影響是動態(tài)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(tài)修復(fù)實施方案條件以內(nèi),排放大量巖溶水,對巖溶水產(chǎn)生直接破壞,由此導(dǎo)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(dǎo)水?dāng)鄬拥葘?dǎo)水通道的聯(lián)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(chǎn)生破壞,形成大量采空區(qū),巖溶水會通過補給采空區(qū)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(cè)徑流-排泄區(qū)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(gòu)造發(fā)育,導(dǎo)致泉域北側(cè)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(chǎn)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(chǎn)產(chǎn)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(tài),人為因素是造成泉域巖溶水水位下降的主導(dǎo)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(tài)破壞嚴(yán)重,是造成洪山泉斷流的主要原因。

3 結(jié)語

泉流量的動態(tài)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(xiàn)連續(xù)性斷流現(xiàn)象。不同歷史時期,人類活動對泉域水資源開發(fā)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(jù)主導(dǎo)地位,體現(xiàn)了人類對洪山泉域水資源開發(fā)利用與破壞程度不斷增加,泉流量的變化也從一開始的穩(wěn)定到緩慢下降再到急劇下降直至斷流的動態(tài)變化過程。可見,人類活動是泉流量衰減與斷流的主導(dǎo)因素。因此,在后期超采治理過程中,應(yīng)著重減少人為活動的影響,促進地下水可持續(xù)利用。