董孝水，段 州

(山西省晉城市水利局，山西 晉城 048000)

三姑泉是山西省19處巖溶大泉之一，出露于澤州縣丹河下游河谷西岸。三姑泉域是指巖溶地下水以三姑泉為主要排泄口的匯流區(qū)域，它與地面水匯流形成的丹河流域大致是對應(yīng)的，也稱為丹河巖溶水系統(tǒng)，泉域總面積為2 571 km2。泉域內(nèi)的澤州盆地是晉城市的重要經(jīng)濟(jì)區(qū)。當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)和城鄉(xiāng)居民生活用水主要靠開發(fā)奧陶系中統(tǒng)巖溶水，作為主要供水水源。由于用水量逐年劇增，導(dǎo)致巖溶地下水位大幅度下降，從而使該泉域內(nèi)晉城市區(qū)、北石店、巴公和高平四個巖溶水集中供水水源地成為嚴(yán)重超采區(qū)，不得不采取限采等保護(hù)措施。本文擬以降水量、巖溶地下水開采量和巖溶地下水位動態(tài)變化的多年系列觀測資料為基礎(chǔ)，對該泉域內(nèi)幾個巖溶水供水水源地試用時歷法計算其可開采量。供參考。

1 三姑泉域巖溶水水文地質(zhì)條件概述

三姑泉域地層總的傾向向西，呈單斜構(gòu)造，在陵川縣境內(nèi)，中奧陶統(tǒng)(O2)灰?guī)r大面積裸露，該地層透水性強(qiáng)，為三姑泉域巖溶水的主要補(bǔ)給區(qū)，在接受降水入滲補(bǔ)給后，順層向西偏南方向流動。在陵川縣境以西，該層逐漸埋藏于石炭二疊系和第四系等地層之下。到盆地徑流區(qū)后，其頂板埋深達(dá)300 m以下，形成巖溶承壓水。受市區(qū)西側(cè)北東——南西向晉獲褶斷帶的阻擋，迫使巖溶地下水折向南流。在市區(qū)以南排泄區(qū)內(nèi)，由于地層大幅度上翹，使中寒武統(tǒng)(∈2)地層高出區(qū)域地下水位，借助張性構(gòu)造斷裂的存在，使O2含水層的巖溶水穿過總厚度約200 m的下奧陶(O1)和上寒武(∈3)相對隔水層，越流入下部∈2含水層，在澤州縣與焦作市交界處，丹河河谷西岸集中排泄，稱三姑泉。多年平均流量約3.5 m/s，泉水出露高程為342 m。

2 三姑泉域澤州盆地巖溶水供水水源地的基本情況

泉域內(nèi)澤州盆地各巖溶水供水水源地均為水井開采，取水地層為中奧陶上下馬家溝組含水層組(Os2Ox2)，井深一般在300～600 m，由各用水單位自行管理。各水源地位置分布見圖1?，F(xiàn)將各水源地基本情況分述如下:

圖1 三姑泉域巖溶水供水水源地分布示意圖

1)市區(qū)水源地

市區(qū)水源地在晉城市市區(qū)規(guī)劃范圍內(nèi)，是市區(qū)城市生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要供水水源地。水源地面積為75 km2。1978年投產(chǎn)開始供水。現(xiàn)有深井84眼。

2)北石店水源地

北石店水源地位于城區(qū)北石店鎮(zhèn)，是晉煤集團(tuán)工礦區(qū)和生活區(qū)的主要供水水源地。水源地面積為68 km2。1978年投產(chǎn)開始供水。現(xiàn)有深井27眼。

3)巴公水源地

巴公水源地位于澤州縣巴公鎮(zhèn)，是巴公工業(yè)園區(qū)的主要供水水源地。水源地面積為35 km2，1982年投產(chǎn)開始供水?，F(xiàn)有深井37眼。

以上三個水源地已經(jīng)連成一片，統(tǒng)稱為晉城市城郊巖溶水供水水源地。合計面積為178 km2，為一中型水源地。

4)高平水源地

高平水源地位于高平市區(qū)，是高平市城市生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要供水水源地。水源地面積為35 km2，為一小型水源地。1983年投產(chǎn)開始供水。現(xiàn)有深井17眼。

3 降水量與地下水水位升降關(guān)系的研判

各水源地自1988年開始有實測記錄，資料顯示:地下水位的升降與降水量大小的變化是一致的。為簡明計，現(xiàn)以市區(qū)水源地為代表進(jìn)行分析，以窺全貌。

市區(qū)水源地歷年降水量、累計地下水位升降及開采量關(guān)系過程線如圖2所示。由圖2可見:

圖2 市區(qū)水源地歷年降水量、累計水位升降及開采量關(guān)系過程線

1988年降水量為 618.5 mm，1989年地下水位上升了1.68 m，達(dá)到峰值。自此以后，地下水位一路下行，到1996年到達(dá)谷底，共計7年時間累計降深達(dá)10.87 m，年均下降1.55 m。在這期間，年均降水量為 566.5 mm，降水量超過600 mm的有 1990年和 1992年，分別為 642.8 mm和631.0 mm，由于其上一年的降水量不大，地下水位仍繼續(xù)下降。

1996年降水量為686.7 mm，次年地下水位猛升4.75 m。緊接著，1997年降水量僅為311.7 mm，是自上世紀(jì)50年代以來降水量最少的一年，屬特枯水年，雖然受1996年偏豐年份降水入滲滯后的影響，仍導(dǎo)致1998年地下水位驟降了5.39 m。1998年降水量為 678.5 mm，次年地下水位回升了2.06 m。1996年和1998年兩個偏豐水年對1997年特枯水年的地下水位驟降起了抑制的作用。1997—2003年，地下水位持續(xù)下行，共計6年時間，地下水位累計下降12.11 m，年均下降2.02 m。在此期間，年均降水量為557.9 mm，降水量超過600 mm的有1998年、1999年和2002年，分別為679.5 mm、621.5 mm、667.1 mm。由于 1997年特枯水年的影響，1998年的偏豐水年降水僅使1999年的地下水位上升了2.06 m，其余兩年的降水則仍使地下水位持續(xù)下降。

2003年，降水量為889.8 mm，是50年代以來降水量最大的一年，屬特大豐水年，對地下水的補(bǔ)給量遠(yuǎn)大于其排泄量和開采量，導(dǎo)致2004年地下水位猛升9.38 m。其后又遇上2004—2006年連續(xù)三個偏豐水年，其降水量分別為602.3 mm、630.2 mm 和 659.9 mm，致使 2004年—2007年地下水位累計僅下降0.9 m。似有達(dá)到地下水采補(bǔ)平衡之感。但2007年降水量驟減為442.6 mm，從2008年開始，地下水位又出現(xiàn)了下降趨勢，自2004—2011年共7年時間，年均降水量為594.8 mm，地下水位累計下降了 10.31 m，年均下降1.47 m。這個期間的特點是繼2003年特大豐水年之后，又連續(xù)三個降水量為602.3～659.9 mm的偏豐水年，維持了三年的地下水位基本穩(wěn)定的微降時段。

2011年，降水量為 735.0 mm，2012年地下水位猛升6.76 m。2012年降水量為502.1 mm，次年地下水位下降3.7 m。自2012年以后地下水位又進(jìn)入了一個新的下降時段。是否還要6～7 a時間才能見底，我們將拭目以待。

根據(jù)以上對降水量和地下水位升降變化過程的梳理，可得出以下認(rèn)識:

(1)降水量對地下水位的影響滯后一年。

(2)在現(xiàn)狀開采條件下，當(dāng)在特大豐水年之后，有連續(xù)幾年降水量在600～670 mm之間的偏豐水年出現(xiàn)時，方有可能實現(xiàn)這幾年之內(nèi)的地下水位基本平衡狀態(tài)，單一的偏豐水年仍不能抑制地下水位的下降。只有在降水量超過670 mm時，不論其前期降水下大小，地下水位都會明顯回升，在無特殊情況下，會猛升5～10 m或更多。

(3)由圖 2的地下水位累計升降過程線，可把 1988—2013這一時段劃分為 1989—1996年、1997—2003年和2004—2011年三個地下水位升降時段，每個時段的第一年都是地下水位猛升后的最高水位，其余年份，地下水位則呈逐年下降的緩降趨勢，每個時段的末尾都是時段內(nèi)地下水位逐步下降后的最低水位。下一個時段的水位與上一個時段的對應(yīng)部位相比，都是下降的，地下水位變化總的特點是呈臺階式下降趨勢。

(4)地下水位猛升緩降相間出現(xiàn)的規(guī)律，揭示了三姑泉域巖溶水系統(tǒng)具有蓄豐補(bǔ)枯，多年調(diào)節(jié)的強(qiáng)大功能，對我們的開采利用是有利的。

(5)由圖2可以看出:地下水開采量逐步遞增，而地下水位則總體呈逐步下降趨勢，說明對地下水的過量開采，是造成地下水位持續(xù)下降的主要原因。

4 用時歷法計算各水源地巖溶地下水可開采量

根據(jù)以上對降水量和地下水位升降關(guān)系的分析，我們可以充分利用地下水系統(tǒng)自身具有的蓄豐補(bǔ)枯多年調(diào)節(jié)的強(qiáng)大功能，求出一個在研究時段內(nèi)地下水采補(bǔ)平衡，地下水位升降相抵的良性循環(huán)的地下水可開采量。對本泉域而言，就是使2012年升高后的地下水位與1988年的起始水位持平情況下的開采量。為此，我們利用1988—2012年實測的降水量、開采量和地下水位升降的數(shù)據(jù)，用下述公式按時歷逐年進(jìn)行計算。因設(shè)計降水量按原實測系列不變，不參與計算。

式中:注腳實為該時段實測值，注腳計為該時段設(shè)計值。

市區(qū)水源地的具體計算見表1。由計算得知:當(dāng)?shù)叵滤_采量為1 689萬 m3/a時，其歷年累計地下水位升降值為0，使2012年的水位回升到1988年的起始水位，這個開采量就是市區(qū)水源地的巖溶地下水可開采量。

現(xiàn)將各水源地巖溶地下水可開采量計算成果匯總?cè)绫?。

表1 市區(qū)水源地巖溶地下水可開采量計算表萬 m3/a·m

表2 各水源地巖溶水可開采量匯總表

應(yīng)該說明的是:面上取水點規(guī)模小，太過分散，無法建立與之匹配的觀測井，所選用的四個觀測井也很難代表整體情況，有一定的任意性，僅供參考。

現(xiàn)將以往歷次對各水源地巖溶地下水可開采量的計算成果匯總對比如表3。

歷次計算，各水源地所界定的范圍和面積是相同的。各計算單位在主導(dǎo)思想、給定的邊界條件、采用參數(shù)及技術(shù)路線等方面各不相同，所得結(jié)果也有差異。地科院巖溶所和太原理工大的計算屬同一類型，其評價的主導(dǎo)思想是“逢采必降，限降求采”。采用的計算方法是建立三姑泉域地下水開采資源數(shù)學(xué)模型。在研究確定了各水源地未來20 a的最大允許降深(22～35 m)后，在模型上進(jìn)行解算，求出各水源地的地下水可開采量。晉城市水資辦評價的主導(dǎo)思想是“采補(bǔ)平衡”。其計算方法是選定泉域內(nèi)連續(xù)幾年地下水位基本穩(wěn)定的時段，將該時段各水源地地下水開采量與降水量的比值乘以多年降水量的平均值，求得各水源地的地下水可開采量。

5 對幾個有關(guān)問題的分析

5.1 降水量系列代表性分析

現(xiàn)將第二次水資源評價降水量系列與本文計算采用的降水量系列的均值對比如表4。

由表4可見，本文降水量系列均值，界于第二次水資評價長系列1956—2000年與枯水期系列1980—2000年均值之間，偏于安全。

5.2 地下水觀測系列代表性分析

市區(qū)水源地于1978年開始投產(chǎn)供水，古書院礦井是該水源地的主觀測井，1977年成井時的地下水位標(biāo)高為599.0 m，以此高程作為該水源地開采前的初始水位。把該水源地的開采過程劃分為四個地下水位下降時段，將各時段的地下水動態(tài)變化的有關(guān)指標(biāo)列表對比如表5。

表3 各水源地歷次巖溶地下水可開采量計算成果匯總表

表4 三姑泉域各評價系列降水量均值對比表

作為一個水源地，可以比擬視為一個大井抽水，在抽水試驗初期，由靜止水位開始，即使抽水量很小，水位仍會迅速下降。由表5可見:第一時段開采量雖然不大，但受初期開采，地下水位驟降的影響，其地下水位的下降速度遠(yuǎn)大于其他時段，無法對比。第3時段與第2時段相比，主要是因為開采量增加造成其地下水位的下降加速。第4時段與第3時段相比，主要是由于降水量偏大，導(dǎo)致地下水位降速減緩。由以上分析可見:自第二時段起，該水源地地下水位的變化與其他有關(guān)因素已步入了正常的互動狀態(tài)，說明自1988年開始的地下水觀測系列的代表性是正常的，以這個觀測系列作為數(shù)學(xué)模型所進(jìn)行的預(yù)測計算結(jié)果是可信的。

5.3 適用范圍分析

泉域內(nèi)地下水隨著降水量大小的變化發(fā)生猛升緩降這一自我調(diào)節(jié)功能，其機(jī)理不像水庫調(diào)節(jié)計算中蓄泄關(guān)系那樣明晰。根據(jù)在地下水開采現(xiàn)狀條件下的觀測資料建立的這個經(jīng)驗數(shù)學(xué)模型，其適用范圍應(yīng)在歷年實測地下水開采量范圍之內(nèi)較為妥當(dāng)。

表5 市區(qū)水源地地下水各時段動態(tài)指標(biāo)對比表