菅宇翔　范永平　孫　瑞　魏路鋒

晉祠泉補水工程的地下水環(huán)境影響及保護措施分析

菅宇翔范永平孫瑞魏路鋒

泉域補水可能對地下水水質及水位帶來一定影響，須采取相應的保護措施。結合晉祠泉補水工程，通過確定補水水質標準，評價補給工程對泉域地下水水質及水位的影響，提出泉域地下水保護和監(jiān)控措施。為今后同類泉域補水工程的開發(fā)和保護提供良好的借鑒。

晉祠泉地下水補水工程環(huán)境影響

晉祠泉位于太原市晉源區(qū)晉祠鎮(zhèn)，距太原市城區(qū)25 km，由難老泉、圣母泉、善利泉三泉組成，是山西省19個重點保護巖溶泉域之一，泉水出露于西邊山斷裂帶上，出露高程為802.59～805 m。建國以來，由于工農業(yè)經濟的迅猛發(fā)展，泉域地下水的開采量逐步增大，尤其是20世紀80—90年代，泉域范圍內的大規(guī)模煤礦開發(fā)建設、疏干降壓和采煤排水，大量釋放了巖溶地下水，加速了泉水衰減勢頭，最終導致晉祠泉于1994年4月斷流。

晉祠泉的斷流影響當地工農業(yè)生產，也使晉祠旅游景觀大為遜色。有關部門對此高度重視，通過制定泉域保護條例、關閉工礦企業(yè)等一系列措施，近年來晉祠泉域水位有一定程度的回升。2014年，山西省水利廳組織編制了 《晉祠泉復流工程實施方案》，方案提出借鑒相關工程經驗，開展中心區(qū)域的近源補水方案試點——晉祠泉補水工程，利用引黃水補充地下水，促進晉祠泉盡快復流。

1　工程概況

晉祠泉補水工程分為引水工程和蓄水工程兩個部分，引水工程利用引黃工程聯(lián)接段清徐原水直供工程 （在建）設置的晉源分水口，鋪設壓力管線至蓄水工程進水口。蓄水工程位于太原市晉源區(qū)明仙溝內，距難老泉直線距離約1.5 km，設置1.05萬m3的調蓄池，在調蓄池下游布置補水井。工程引水線路全長7.77 km，計劃年補水量為321.2萬m3。

晉祠泉補水工程的主要任務是向晉祠泉提供應急補水，促進泉域復流。本文以工程運行期對泉域地下水的影響為重點，進行環(huán)境影響評價及對策措施分析。

2　地下水影響評價

2.1補水水質標準的確定

我國的地下水人工補給工作還處于起步階段，僅污水回用方面制定了GB/T 19772—2005《城市污水再生利用 地下水回灌水質標準》，目前尚未發(fā)布有關利用地表水補給地下水的水質標準。根據水污染防治法第三十九條，“人工回灌補給地下水，不得惡化地下水質”，因此，需確定合理的補水水質標準，以保證工程運行后晉祠泉域的水質安全。

項目所在區(qū)域執(zhí)行 《地下水質量標準》Ⅲ類標準，主要用于工業(yè)生產和農業(yè)灌溉，并作為部分村莊的生活水源，因此，為滿足地下水使用功能，補水水質標準應以GB/T 14848—1993《地下水質量標準》Ⅲ類標準為基準；同時考慮到農村供水短期內難以全部由集中式供水替代，為保證農村飲水安全，確定補水水質標準以GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》為準進行達標控制（地下水質量標準Ⅲ類以人體健康基準值為依據，與生活飲用水衛(wèi)生標準要求基本一致）。

2.2補水對地下水水質的影響

晉祠泉補水工程水源為清徐原水直供工程，清徐工程水源為經晉陽湖調蓄后的引黃水。引黃供水水質較好，但經晉陽湖調蓄后水質將有一定程度的惡化。目前，太原市政府正在對晉陽湖進行環(huán)境綜合整治，經引黃水調蓄后水質有望實現達標。

綜合考慮以上情況，以晉陽湖現狀水質作為最不利狀況，同時考慮其達標后水質 （地表水環(huán)境質量標準Ⅳ類），分別與 《地下水質量標準》Ⅲ類標準及 《生活飲用水衛(wèi)生標準》進行對比分析，主要指標對比結果見表1。

表1　現狀水質及各類標準對比

由表1中數據可知，晉陽湖現狀水質較差，未能達到水功能區(qū)目標、同時，即使水質達標，《地表水環(huán)境質量標準》Ⅳ類標準仍與 《地下水質量標準》Ⅲ類標準及 《生活飲用水衛(wèi)生標準》存在差距，難以滿足泉域地下水功能水質目標要求。如工程原水不進行處理直接補至地下，將對晉祠泉域地下水水質造成不利影響，因此，需設置凈水設備，對原水進行處理后再進行補水作業(yè)。

2.3補水對地下水水位的影響

根據工程方案，為使?jié)B徑較短以保證補水效果，在調蓄池下游右側設置8眼滲漏井，井徑300 mm，井深40 m，井間距25 m，穿越O2f泥灰?guī)r隔水層，補水量為8 800 m3/d。

根據地下水動力學相關理論，補水可視為抽水的逆過程，抽水時為收斂的徑向流，補水時地下水流為發(fā)散的徑向流。補水時，補水井井管中水位最高，水位向井周圍逐漸降低，成倒錐體狀，如圖1所示。

圖1　補水井作用原理示意圖

根據上述理論，建立數學模型對補水效果進行分析。應用軸對稱流基本微分方程，補水井數學模型為：

通過采用積分變換法或Boltzmann法求解，則距補水井r處的水位上升值為：

簡化可得：

其中：

在實際計算中，可取井函數W （u）的前兩項進行計算，則公式可以近似表示為：

式中Δh——為距補水井r處的水位抬升值，m；

Q——為補水量，m3/h；

r——為距補水井的距離，m；

T——為導水系數，m2/h；

s——為儲水系數；

t——為補水時間，h。

將各項數據帶入公式，可得泉口水位抬升Δh與補水持續(xù)時間t之間的關系曲線。補水開始后，難老泉泉口水位上升幅度與補水持續(xù)時間之間呈正相關。補水100 h后水位抬升約0.58 m，補水400 h抬升約0.72 m，此后水位抬升速度趨于穩(wěn)定。見圖2。

因此，晉祠泉補水工程對難老泉水位的抬升作用較為明顯，有利于促進晉祠泉的早日復流。

3　地下水保護措施

3.1補水水質保障措施

為保障補水水質，工程增設凈水設施，出水水質以GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》進行控制。凈水設施設置于蓄水池與補水井之間，為節(jié)省占地以減少對周邊景觀的影響，采用半地下結構的一體化凈水設備，基于安全考慮選擇二氧化氯消毒劑進行消毒，工藝流程見圖3。工程運行期需加強對凈水設施的保養(yǎng)和維護，以保證出水水質的安全穩(wěn)定。

圖2　水位上升與補水持續(xù)時間關系曲線

圖3　一體化凈水設備的工藝流程示意圖

3.2地下水監(jiān)控措施

為保障補水水質安全，運行期在凈水設備出水口設置1處監(jiān)測點，對補水水質進行監(jiān)測。參照GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》的相關分類管理要求，晉祠泉補水工程的監(jiān)測項目及頻率參照SL 308—2004《村鎮(zhèn)供水單位資質標準》中Ⅱ類供水單位的監(jiān)測項目及頻率進行監(jiān)測，詳見表2。

表2　水質監(jiān)測項目及頻率

4　結語

由于人工補給地下水問題的復雜性，國內目前仍處于工程經驗的積累階段。如何結合水文學和水動力學等理論，對補水過程中地下徑流產生、徑流路徑、徑流排泄等過程進行理論描述；如何利用環(huán)境化學、微生物學等理論了解補水過程中對地下水水質的影響，以及制定人工補充地下水的相關水質標準及操作規(guī)程，是今后研究探索的重點，因此，工程運行后應加強與泉域管理部門的溝通，結合已有監(jiān)測站網，對泉域地下水水位及水質的變化情況實施定期監(jiān)測，以掌握工程運行的實際效果及對泉域地下水環(huán)境的具體影響，為相關研究提供數據參考。

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［2］柳文華.中水回灌的水質標準比較分析 ［J］.北京水務，2007 （4）：24-26.

［3］謝娟，姜凌，李泉.地下水人工補給水質的研究——以西安市回灌為例 ［J］.西安工程學院學報，2002，24（4）：67-72.

菅宇翔男工程師中水北方勘測設計研究有限責任公司天津300222

范永平男高級工程師中水北方勘測設計研究有限責任公司天津300222

孫瑞女助理工程師中水北方勘測設計研究有限責任公司天津300222

魏路鋒男高級工程師中水北方勘測設計研究有限責任公司天津300222

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