梁永平，張發(fā)旺，申豪勇,唐春雷，趙春紅，王志恒，侯宏冰，任建會，郭芳芳

(1.中國地質科學院巖溶地質研究所/國土資源部廣西巖溶動力學重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所，河北 石家莊 050061；3.山西省地質調查院，山西 太原 030006)

中國北方巖溶水的循環(huán)具有極強的系統(tǒng)性，巖溶大泉是最重要的天然排泄形式，因此，巖溶地下水系統(tǒng)被稱為“泉域”。泉域邊界的確定是開展水文地質條件調查研究工作的基礎，對認識巖溶地下水循環(huán)條件、資源量評價、合理開發(fā)利用、管理和保護以及生態(tài)修復具有重要的意義。

20世紀后期，由于氣候變化、巖溶地下水大規(guī)模開發(fā)利用和煤礦開采過程中地下水疏干等各種人類活動，導致泉域巖溶地下水位持續(xù)下降，晉祠泉于1994年4月30日斷流[1]、蘭村泉于1996年斷流。

近年來，黨中央大力倡導生態(tài)文明建設，山西省人民政府一直致力于晉祠泉和蘭村泉的生態(tài)修復論證，特別在引黃入晉工程輸水到太原市以后，水資源的供需矛盾得以緩解，引黃水可作為替代水源，具備了泉水復流的基本條件。雖然很多學者對泉域水文地質條件、泉水斷流衰減原因、泉水復流方案等進行過研究論證[1-5]，但由于缺乏相應的工作，基礎水文地質條件的認識程度基本還停留于20世紀90年代初期的水平。在人類活動強度加劇的條件下，特別是汾河二庫修建后，泉域的水文地質條件已經發(fā)生了根本改變，重新認識巖溶水文地質條件對泉水復流方案的科學制定尤為重要。

1 地質概況

山西太原晉祠泉域和蘭村泉域位于太原盆地的北部(圖1)，橫跨盆地東、西山，其碳酸鹽巖含水層為早古生界寒武系和奧陶系，連續(xù)沉積厚度超過900 m。晉祠、蘭村泉域巖溶地下水主要接受太原東、西山碳酸鹽巖裸露區(qū)及覆蓋區(qū)的降水入滲補給，汾河及支流在碳酸鹽巖段的滲漏補給(后期又加入水庫滲漏補給)。晉祠、蘭村泉域巖溶地下水排泄方式主要包括：晉祠泉、蘭村泉、懸泉寺泉、平泉以及通過東西山邊山斷裂帶向盆地內松散層的潛流排泄，其中晉祠泉和蘭村泉是泉域巖溶地下水的集中排泄點，天然最大流量分別達到4.5 m3/s和1.9 m3/s。

2 晉祠—蘭村泉域邊界的劃分

2.1 前人劃分方案概述

前人對晉祠、蘭村泉域邊界的研究做過大量工作，總體上有3種劃分方案：

(1)山西省地礦局第一水文地質工程地質隊的劃分方案[6-8]，大致以棋子山地壘和東山山前弧形斷裂帶為界，將太原巖溶地下水劃分為東山巖溶水系統(tǒng)和西山巖溶水系統(tǒng)，認為天然條件下東山巖溶水繞過東山背斜傾伏端向娘子關排泄，開采條件下東山巖溶水通過三給地壘向西山排泄；西山巖溶水系統(tǒng)主要由西山山前晉祠泉、蘭村泉及向山前松散層含水層潛流排泄。

(2)中國科學院地質與地球物理研究所和山西煤田水文地質229隊劃分方案[9-11]，認為太原地區(qū)巖溶水分為北山系統(tǒng)、東山系統(tǒng)和西山系統(tǒng)，北山系統(tǒng)(包括了楊興河谷地、大盂-陽曲盆地、棋子山地壘及柳林河以西、向南到三給地壘的西山北部)巖溶地下水主要向蘭村泉及西張水源地排泄，西山巖溶水系統(tǒng)由晉祠泉(或向松散層潛流)排泄，東山巖溶水系統(tǒng)主要向太原盆地內松散層及盆地內深部巖溶含水層排泄。

圖1 晉祠、蘭村泉域碳酸鹽巖分布埋藏類型示意圖Fig.1 Schematic diagram showing the buried types of the carbonate rocks in the catchment areas of the Jinci spring and Lancun spring

(3)中國地質科學院巖溶地質研究所和山西省水資源管理委員會辦公室的劃分方案[12]，認為太原巖溶水分為晉祠和蘭村2個泉域，并將第二方案中東山系統(tǒng)劃歸為蘭村泉域。1997年山西省水資源管理辦公室為開展山西省巖溶泉域水資源管理與保護，從管理角度出發(fā)對泉域邊界進行了修訂[13]，并作為山西省泉域水資源管理的依據。由于第三種方案出自水資源行政主管部門，因此在以后的巖溶水資源評價、管理應用中多被采納[14-16]。

此外，泉域局部邊界的確定還有一些不同的看法，如王瑞久等[17-20]通過水化學、同位素方法研究，認為東山巖溶水系統(tǒng)巖溶水無法進入娘子關，而是向北東排向黃場峪泉及更遠的滹沱河坪上泉。

2.2 部分泉域邊界的修改依據

造成前述各種泉域邊界劃分方案差別的原因有3個：(1)由于早期勘測資料不足，難以達到一定的認識深度，對水文地質條件認識存在一定偏差；(2)出于使用目的的需要，將一些行政區(qū)邊界劃為泉域邊界(這種劃法可作為管理區(qū)邊界，而作為泉域邊界顯然是不科學的)；(3)由于汾河二庫修建，泉域地下水循環(huán)條件發(fā)生了改變。通過本次調查分析，對目前同行的第三種劃分方案做了7處修正(圖2)，最后晉祠泉域面積由2 030 km2變?yōu)? 713 km2，蘭村泉域面積由2 500 km2變?yōu)? 614 km2。對這7處修正，有些與第一、第二種劃分方案一致，因此不再進行討論，這里重點論述Ⅲ、Ⅵ、Ⅶ區(qū)(圖2)，該區(qū)與前三種方案均有不同或是對泉水復流保護有重要影響。

圖2 前人及本次泉域邊界劃分變化對比圖Fig.2 Comparison of boundary division between the previous studies and this study

圖3 黃場峪-北劉嘴水文地質剖面略圖Fig.3 Hydrogeologic profile of along the line between Huangchangyu and Beiliuzui1—地層及代號；2—斷層；3—地層界線(虛線為假整合接觸)；4—巖溶地下水位；5—巖溶泉；6—巖溶地下水流向；7—區(qū)域隔水底板；8—鉆孔

2.2.1 岔口-南溫川區(qū)(Ⅲ區(qū))

對岔口-南溫川區(qū)，前人的3種劃分方案均大致以楊興鄉(xiāng)一帶為地下分水嶺邊界(圖2)，將Ⅲ區(qū)劃歸為北部黃場峪泉域(泉水標高900 m)，這一認識一直沿用至今。但經調查，Ⅲ區(qū)巖溶地下水沿楊興河向東到西潘變質巖出露區(qū)無泉水出流，構成隔水邊界；向北與黃場峪間存在一個北東向背斜，軸部(岔口村)出露上寒武統(tǒng)鳳山組白云巖，地面標高1 410 m，推算該處區(qū)域隔水底板饅頭組標高在1 100 m以上(圖3)，背斜北側黃場峪泉出露標高900 m，南側南溫川巖溶井水位標高981.36 m，南側巖溶水無法越過背斜軸隔水層。該背斜為北部忻州盆地邊山系舟山斷裂帶派生構造，延伸長度近20 km，向北東一直延伸到太古界變質巖出露區(qū)，形成向北徑流的阻水邊界，因此，認為黃場峪泉是背斜北東翼地下水排泄點(實測總流量11 L/s)，而南東翼的巖溶水向西南蘭村泉方向成為唯一的徑流出路。經對巖溶水位統(tǒng)測，距楊興東北不足1 km坪里孔水位965.9 m，低于南溫川孔水位標高981.36 m，證實不存在楊興鄉(xiāng)一帶為地下分水嶺，Ⅲ區(qū)應歸屬于蘭村泉域范圍。

2.2.2 覃村—嶺底區(qū)(Ⅵ區(qū))

該區(qū)被第三方案劃分到晉祠泉域之外(圖2)，但根據區(qū)內太原盆地西緣邊山斷裂帶巖溶水文地質鉆孔資料，富水性普遍很強(圖4)，特別是Ⅵ區(qū)內交城水泥廠北(K1孔)和交城縣義望鄉(xiāng)奈林磚廠(K7孔)，處于新民與坡底間背斜隆起區(qū)，單位涌水量分別達到1 030 m3/(d·m)和414.55 m3/(d·m)，是極強和強富水區(qū)，其唯一補給來源為北東晉祠泉域巖溶水，在這一帶開采巖溶水或采煤突水必然會對晉祠泉水流量造成巨大影響。沿剖面向西南，進入嶺底向斜，碳酸鹽巖含水層埋深逐步加大到500 m以下，SK6孔(碳酸鹽巖埋深408 m)的單位涌水量急劇降低到0.103 6 m3/(d·m)，因此將嶺底向斜軸沿北西到狐爺山火成巖體作為晉祠泉域的西南邊界(圖4)，Ⅵ區(qū)劃入晉祠泉域。

2.2.3 柳林河右岸—王封區(qū)(Ⅶ區(qū))

該區(qū)為晉祠泉域與蘭村泉域的東西邊界，在20世紀90年代前該區(qū)的汾河以北沒有巖溶水鉆孔控制，故第三劃分方案中將柳林河與獅子河的地表分水嶺確定為晉祠、蘭村泉域邊界(圖2)，這種劃分缺乏必要的依據。為此，2016年在柳林河谷內的前嶺底村和青崖槐村南施工2個巖溶水文地質勘探孔，同時與周邊巖溶水開采井做了水位統(tǒng)測并繪制流場(圖2)，結果表明，沿柳林河谷大致存在一個巖溶地下水分水嶺，該地下水分水嶺構成了2個泉域在汾河以北的泉域邊界；汾河河谷以下奧陶阻隔出流的下槐泉為界；汾河以南沿巖溶地下水流線延伸到王封地壘及三給地壘。根據汾河二庫滲漏段上下游水文站及二庫水位資料，計算得汾河二庫在2014年5月—2016年10月間，平均蓄水水位標高為898.41 m時的滲漏量為2.015 m3/s。這一邊界決定了汾河二庫滲漏量的去向問題，前人將汾河二庫庫區(qū)劃歸為蘭村泉域，得出二庫修建蓄水滲漏主要補給蘭村泉及山西西張水源地的結論[21-23]，不存在對晉祠泉域巖溶水的補給。而事實表明，在2008年以后，晉祠泉域排泄區(qū)(包括王封—晉祠泉口)水位普遍上升20 m以上，這種大面積上升絕非靠晉祠泉域內太化水源地關閉所能及。它進一步佐證了二庫庫區(qū)主體劃為晉祠泉域的正確性，同時金芳義等在汾河二庫蓄水后，通過數值模擬，認為水庫滲漏對蘭村泉水的補給有限[24]。這一結論認為抬高二庫蓄水水位，對晉祠泉水復流方案的制定具有重要的價值。

圖4 太原盆地西緣山前斷裂帶外側晉祠-坡底水文地質剖面圖Fig.4 Hydrogeologic profile between Jinci and Podi in the piedmont fault zone in the western margin of the Taiyuan basin

3 晉祠泉域巖溶水轉換帶的確定

區(qū)域上，晉祠泉域巖溶水主要儲存于2個碳酸鹽巖含水巖組中，分別是中奧陶上含水巖組和中、上寒武統(tǒng)下含水巖組，其間為下奧陶統(tǒng)區(qū)域性相對隔水層。太行山區(qū)的區(qū)域巖溶水文地質研究結果表明，下奧陶統(tǒng)燧石團塊(或條帶)白云巖具有區(qū)域相對隔水的水文地質特征[10，12，25-26]，一般情況下，上、下含水巖組中地下水水力聯系相對較弱。晉祠泉域外圍補給區(qū)地下水主要儲存于中、上寒武統(tǒng)含水巖組中(圖1)，在北部柳林河、獅子河上游閣上鉆孔、婁子條鉆孔、赤泥洼鉆孔、下馬城井等地均得到了驗證。但到晉祠泉域排泄區(qū)，巖溶地下水通過中奧陶統(tǒng)上含水巖組排泄，而且根據鉆孔資料，排泄區(qū)下含水巖組埋深較大，富水性極差，如晉祠泉水西北約800 m的地震臺勘探孔，分層抽水試驗結果表明中奧陶統(tǒng)含水巖組的單位涌水量為112.5 m3/(h·m)，上寒武統(tǒng)的單位涌水量僅為0.077 m3/(h·m)。因此認為在泉域內從補給區(qū)到排泄區(qū)，存在由中、上寒武統(tǒng)下含水巖組向中奧陶統(tǒng)上含水巖組間的水量轉換形式問題：是區(qū)域上的分散轉換還是局部構造的集中轉換？前人沒有研究。

圖5 晉祠泉域南北向剖面略圖Fig.5 Simplified profile from north to south in the catchment area of the Jinci spring system

4 巖溶地下水強徑流帶的確定

圖6 晉祠泉域巖溶地下水強徑流帶確定依據略圖Fig.6 Simplified diagram showing determination of the strong karst groundwater flow zone in the catchment area of the Jinci spring system1—極強富水區(qū)(q>500 m3/(d·m))；2—強富水區(qū)(q=300～500 m3/(d·m))；3—中等富水區(qū)(q=100～300 m3/(d·m))；4—弱富水區(qū)(q=10～100 m3/(d·m))；5—貧水區(qū)(q<10 m3/(d·m))；6—非碳酸鹽巖分布區(qū)；7—泉域邊界；8—巖溶水等水位線；9—前人繪制的晉祠泉域巖溶水等水位線；10—巖溶地下水強徑流帶；11—巖溶泉；12—強徑流帶巖溶水鉆孔(數字為降深1 m的涌水量/(m3/d))

晉祠泉域巖溶地下水從北西向南東徑流并在山前斷裂帶內富集，受太原盆地西山山前松散層相對阻水出流成泉。早期晉祠泉域巖溶地下水位等水位線圖(圖6)表明，山區(qū)巖溶水基本以“散流”形式進入山前斷裂富水帶，而且晉祠泉水實際處在一個向南東微凸的地下水分水嶺上，很難解釋泉水流量達到1.3～1.9 m3/s的水動力的成因條件，這一問題從未有人提出質疑。本研究圍繞晉祠泉是否存在向山區(qū)補給區(qū)延伸的巖溶地下水強徑流帶問題，開展了綜合調查研究。

通過碳酸鹽巖埋藏區(qū)深度分類圖(圖1)可以看出，晉祠泉水北側沿南峪—白家莊礦西—店頭—明仙村東—晉祠一線存在一個碳酸鹽巖淺埋藏區(qū)，其西側為石千峰向斜，東側為受三給地壘南側斷層深陷牽引，在山區(qū)形成白家莊煤礦和西峪煤礦碳酸鹽巖深埋區(qū)，其中西峪煤礦區(qū)碳酸鹽巖頂板最低標高250 m，低于地表面近600 m。分析認為，淺埋區(qū)更有利于巖溶發(fā)育。

在南峪村三岔溝施工1個巖溶水勘探孔，孔深478.1 m，抽水試驗結果：水位降深1.85 m，涌水量818.4 m3/d，單位涌水量442.4 m3/(d·m)，說明該區(qū)為強富水區(qū)。

通過水位統(tǒng)測繪制巖溶地下水流場圖，沿碳酸鹽巖淺埋區(qū)形成一個匯水槽谷(圖6)，具備巖溶地下水強徑流帶的流場特征。槽谷內南峪勘探孔水位標高802.99 m，大虎峪孔水位標高796.92 m，均低于東側北寒村水位824.58 m，紅溝井水位826.92 m和東偏南側白家莊煤礦水位標高805～806 m，也低于東南側箱子村井水位(805.41 m)和寺底村水位(807.71 m)，表明來自北部及西北部的地下水在這一帶向東側山前運移受阻，向南東晉祠泉水方向徑流成為唯一途徑。

根據鉆孔資料繪制巖溶水富水性分布圖(圖6)，發(fā)現沿該強徑流帶內出現了8個單位涌水量超過400 m3/(d·m)的鉆孔，分別是南峪勘探孔、大虎峪村鉆孔、官地礦政前大巷和南大巷井下鉆孔、明仙溝內3個鉆孔和明仙溝口地震臺鉆孔，構成了區(qū)內極強和強富水帶。

在巖溶地下水水化學類型圖中，陰離子為SO4·HCO3型水沿強徑流帶向南以楔狀嵌入南部 SO4型水的分布區(qū)，直至晉祠泉口(包括了晉祠廟井水、晉祠鎮(zhèn)供水站水井和晉祠賓館水井水均屬SO4·HCO3型水)，強徑流帶東側神堂溝、盆地內巖溶熱水井，強徑流帶西側店頭鎮(zhèn)古村巖溶井及晉祠鎮(zhèn)窯頭村巖溶井均為SO4型水。

由上述5個主要證據，最終確定了從玉門河南峪村—杜兒平煤礦東側—官地礦與白家莊礦交界處—龍山—明仙村東—晉祠泉的巖溶地下水強徑流帶，該強徑流帶匯集了來自北部汾河二庫滲漏補給及西北古交方向的補給水源，是對晉祠泉水流量影響最敏感的地區(qū)。在強徑流帶內采取關井(包括煤礦降壓排水井)、壓采，人工補給(沿途流經地表出露碳酸鹽巖的3條溝谷，分別是玉門溝、風峪溝和明仙溝)措施，對晉祠泉水的復流將具有顯著效果。

5 結論

(1)通過最新巖溶水文地質調查資料的綜合分析，對現行的晉祠—蘭村泉域邊界進行了7處修正，晉祠泉域面積由2 030 km2變?yōu)? 713 km2，蘭村泉域面積由2 500 km2變?yōu)? 614 km2。

(2)汾河二庫庫區(qū)大部分屬于晉祠泉域，其滲漏補給是造成近年晉祠泉域水位持續(xù)提高的主要原因，通過抬高水庫蓄水水位以增加二庫的滲漏補給是晉祠泉水復流的有效措施之一。

(3)晉祠泉域內盤道—馬家山斷裂帶構成了泉域巖溶地下水從中上、寒武統(tǒng)下含水巖組向中奧陶統(tǒng)上含水巖組的轉換帶，同時，該轉換帶也是巖溶地下水的富集帶，具有良好的開發(fā)前景。

(4)通過對碳酸鹽巖含水層埋藏深度、巖溶地下水流場、巖溶含水層的富水性等綜合研究分析，認為從南峪—白家莊礦西—店頭—龍山—明仙村東—晉祠一線為晉祠泉域巖溶地下水強徑流帶，在該帶采取關井壓采和人工補給措施，能對晉祠泉水的復流起到事半功倍的效果。

致謝：該論文得到了李文鵬教授的悉心指導，表示衷心感謝！