牛二偉

（長(zhǎng)治市水文水資源勘測(cè)分局）

辛安泉是山西省19個(gè)巖溶大泉之一，位于晉東南太行山中段西側(cè)。泉域總面積10 950 km2，地跨長(zhǎng)治和晉中2市，其中長(zhǎng)治市境內(nèi)面積9 430 km2，占到86.12%，涉及全市除沁源縣以外的11個(gè)縣（區(qū)）。泉域裸露巖溶區(qū)面積2 200 km2，占總面積20.09%；隱伏巖溶區(qū)面積8 750 km2，占總面積79.91%。以泉域集中出露帶為主體的長(zhǎng)治市城區(qū)辛安泉飲用水水源地，為當(dāng)?shù)刈顬橹饕墓┧吹兀驯涣腥肴珖?guó)重要水源地名錄。2000年以來，辛安泉泉水流量與供水能力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，不僅直接威脅到當(dāng)?shù)鼐用竦纳铒嬎踩掖蟠笾萍s了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，開展辛安泉泉水流量研究，分析泉水流量的主要影響因素，為切實(shí)保護(hù)辛安泉水資源提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)，是非常必要的。

1 辛安泉域自然環(huán)境特征與泉水流量

辛安泉是一個(gè)泉群，為全排型巖溶大泉，泉水初露于潞城區(qū)辛安泉鎮(zhèn)濁漳河河谷地帶。泉域巖溶水受來自于北、西、南方向的水力梯度作用向排泄區(qū)匯流，形成王曲和實(shí)會(huì)兩大泉群。辛安泉泉域地形復(fù)雜，在不同的地質(zhì)作用下形成了以山間盆地為中心、四周山區(qū)丘陵環(huán)抱的地貌景觀，其中山地丘陵面積占泉域面積90%以上。

1.1 泉域地質(zhì)特征

辛安泉泉域構(gòu)造為單斜構(gòu)造，傾向北西，自西向東依次為沁水塊坳、長(zhǎng)治新裂陷盆地、晉獲褶斷帶。泉域內(nèi)斷層、地壘等地質(zhì)構(gòu)造為泉域巖溶水的主要控制因素，以長(zhǎng)治大斷層和北耽車斷層最為明顯;其次為王山地壘、二崗山地壘等。區(qū)域出露地層，包括太古界古老變質(zhì)巖，元古界礫巖、石英砂巖和頁巖，寒武—奧陶系碳酸鹽巖，石炭—二疊系礫巖、砂巖、頁巖和泥巖，三疊系砂巖，侏羅系石英砂巖，以及第三系至第四系松散巖層。泉域主要含水層，以奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r、泥灰?guī)r為主構(gòu)成；次要含水層，以寒武系中上統(tǒng)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主構(gòu)成；相對(duì)隔水層，則由奧陶系下統(tǒng)（排泄區(qū)除外）為主構(gòu)成。

1.2 泉域巖溶水系統(tǒng)特征

辛安泉泉域作為一個(gè)完整的水文地質(zhì)單元，具有獨(dú)立的補(bǔ)、徑、排途徑。結(jié)合泉域內(nèi)水文地質(zhì)及富水性情況，可將泉域劃分為四個(gè)區(qū)域，即：強(qiáng)富水區(qū)、較強(qiáng)富水區(qū)、一般富水區(qū)和弱富水區(qū)。強(qiáng)富水區(qū)位于辛安泉排泄區(qū)；較強(qiáng)富水區(qū)分布于長(zhǎng)治—潞城、襄垣、黎城三個(gè)徑流區(qū)；一般富水區(qū)分布于泉域強(qiáng)徑流帶外側(cè)和地下水補(bǔ)給區(qū)或補(bǔ)給徑流區(qū)；弱富水區(qū)主要位于泉域的灰?guī)r裸露區(qū)邊緣地帶和長(zhǎng)子、屯留以西碳酸鹽巖類底層深埋區(qū)。辛安泉域泉點(diǎn)170余個(gè)，可分為王曲泉群和實(shí)會(huì)泉群兩大部分。泉域內(nèi)各泉組分布于西流村至北耽車之間約16 km長(zhǎng)的河谷中，出露標(biāo)高600-615m。

1.3 泉域補(bǔ)、徑、排循環(huán)特征

泉域水資源補(bǔ)給來源主要為大氣降水和地表水滲漏補(bǔ)給。其中：大氣降水為主要補(bǔ)給來源，在碳酸巖類地區(qū)尤為明顯；其次，為地表水的滲漏補(bǔ)給。含水層巖性，以松散巖類、碎屑巖類、碳酸鹽巖類為主。泉域碳酸鹽巖類裂隙巖溶水的運(yùn)動(dòng)形式，主要是從不同位置及不同的方向，以各種不同的途徑，向排泄區(qū)匯流，并呈泉群出露。由于濁漳河干流對(duì)太行山的強(qiáng)烈侵蝕作用，使潞城區(qū)西流至平順縣北耽車一帶濁漳河河谷，成為辛安泉域內(nèi)標(biāo)高最低的排泄基準(zhǔn)面。在辛安泉灣里一帶出露下奧陶統(tǒng)白云巖弱透水層，使上游富水性較強(qiáng)的中奧陶統(tǒng)巖溶地下水受阻而匯集溢流，形成了王曲泉群。北耽車以下，沿河床出露的長(zhǎng)城系、寒武系下統(tǒng)隔水層具有良好的阻水作用，形成實(shí)會(huì)泉群。

1.4 泉域泉水流量動(dòng)態(tài)特征

通過收集辛安泉?dú)v年實(shí)測(cè)流量資料，可以準(zhǔn)確地反映出泉水流量的變化趨勢(shì)。歷年流量監(jiān)測(cè)情況見表1。根據(jù)1956-2017年62 a觀測(cè)資料，辛安泉實(shí)測(cè)多年平均流量8.21m3/s，最大流量16.03m3/s（1964年），最小流量2.83m3/s（2012年）。根據(jù)資料分析，泉水流量總體上呈減少趨勢(shì)，從20世紀(jì)80年代開始，泉水流量明顯減少（見圖1）。

表1 辛安泉?dú)v年流量監(jiān)測(cè)基本情況表

圖1 辛安泉泉水歷年天然流量變化圖

2 泉水流量影響因素分析

根據(jù)辛安泉長(zhǎng)系列泉水流量觀測(cè)資料分析，認(rèn)為流量呈現(xiàn)減少的原因主要有以下方面。

2.1 降水量因素

辛安泉排泄區(qū)多為碳酸鹽裸露區(qū)，入滲補(bǔ)給速度快，年降水量與泉水流量顯著相關(guān)。年降水量多時(shí)，地下水補(bǔ)給量就大，泉水流量也大。

2.2 開采量因素

隨著城市擴(kuò)大和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，泉域內(nèi)巖溶水開采量不斷增大，對(duì)泉水流量影響亦逐漸增大。1980年開始開采巖溶水，開采量只有0.03m3/s；1987年長(zhǎng)治市城市供水公司和天脊集團(tuán)兩個(gè)大型水源地的投入開采，開采量增大到了1.2m3/s；2017年開采量達(dá)到了3.12m3/s。

2.3 煤礦礦井排水因素

石炭、二疊系裂隙含水層的地下水，可沿裂隙向深部巖溶含水層產(chǎn)生越流補(bǔ)給，當(dāng)?shù)夭擅号潘沟妹合档貙拥牡叵滤皇韪?，從而影響到地下水的下滲補(bǔ)給。

3 辛安泉泉域水文資料分析

除長(zhǎng)治市水文水資源勘測(cè)分局在石梁、天橋設(shè)立的2處水文測(cè)站對(duì)辛安泉泉水流量進(jìn)行觀測(cè)外，在1993年，辛安泉域管理中心在排泄區(qū)設(shè)立了王曲水文站，對(duì)葦蒲泉、南流二泉、南流三泉、西流泉、戰(zhàn)備渠、濁漳河主河道泉水出露區(qū)上游南堡斷面、泉水匯入后濁漳河下游安樂斷面以及監(jiān)測(cè)區(qū)間農(nóng)業(yè)用水與天脊集團(tuán)退水等辛安泉域的8個(gè)泉水流量觀測(cè)斷面進(jìn)行了觀測(cè)，觀測(cè)斷面分布見圖2。

據(jù)對(duì)1956-2017年觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，年均降水量561.8mm，天然泉水流量9.46m3/s，折算徑流深約27.2mm，泉水產(chǎn)流系數(shù)為0.048 4。

3.1 泉水對(duì)降水響應(yīng)的滯后效應(yīng)

一般發(fā)生降水后，需經(jīng)過入滲補(bǔ)給過程，才能進(jìn)入含水層中。因此，降水對(duì)泉水流量的影響存在著一定的時(shí)間差，即滯后性。采用錯(cuò)位時(shí)間不同相關(guān)度分析降水量、泉水流量逐月數(shù)據(jù)，可以大致推斷出降水影響的滯后時(shí)間長(zhǎng)度（見圖3）。

從圖3可以看出，互相關(guān)曲線第一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間為λ=7個(gè)月，除7個(gè)月外，曲線峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間還包括19、31、43個(gè)月……。從峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列可以得出，降水量對(duì)泉水流量影響滯后周期大致為12個(gè)月。該現(xiàn)象可歸結(jié)于辛安泉巖溶水系統(tǒng)降水量的年內(nèi)周期性和相似性。根據(jù)最小峰值時(shí)間可知，降水對(duì)泉水流量的影響滯后時(shí)間在12個(gè)月內(nèi)。

天然降水量對(duì)泉水流量的影響，不僅表現(xiàn)為當(dāng)年降水量，還包含上年降水量。為便于分析，將當(dāng)年降水量值與相應(yīng)的泉水徑流深繪制過程線圖，同時(shí)增加近2 a平均降水量、近3 a平均降水量、近4 a平均降水量以及近n年平均降水量。據(jù)分析，近2 a平均降水量起伏與泉水徑流深基本一致，與大氣降水對(duì)辛安泉流量的影響具有滯后效應(yīng)結(jié)論一致。

圖2 辛安泉域王曲水文站測(cè)驗(yàn)斷面分布圖

圖3 泉水流量與降水量互相關(guān)分析曲線

3.2 降水量與徑流深關(guān)聯(lián)分析

泉水流量與降水量關(guān)系密切，據(jù)此進(jìn)行相關(guān)分析。根據(jù)泉水流量和降水量觀測(cè)值，建立二者之間的相關(guān)方程。將歷年累計(jì)降水量與累計(jì)泉水徑流深點(diǎn)繪在一起（圖4），發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)基本吻合。二者間的相關(guān)方程為：y=0.049 5x+59.012，相關(guān)系數(shù)R2=0.991 6，說明高度相關(guān)。

結(jié)合泉水開采情況，進(jìn)一步細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，1956-1982年泉水未大量開采時(shí)，關(guān)系曲線的斜率較小，為低斜率區(qū)；1982年后受泉水開采影響，斜率明顯增大，1999年以來斜率更大。

4 辛安泉泉水流量數(shù)學(xué)模擬研究

辛安泉屬全排型泉水，泉水流量主要來自降水入滲補(bǔ)給。根據(jù)上述分析，泉水流量不但受當(dāng)年降水量影響，而且受上年甚至幾年降水量影響。除降水量影響之外，還受上游地下水開采量、煤礦礦井水排放影響?？紤]大氣降水輸入的滯后及延遲時(shí)間，以年均降水量與泉水徑流深建立的關(guān)系來推求泉水徑流深，分時(shí)段分析結(jié)果見圖5和表2。

由此可知：1956-1985年泉水未大量開采時(shí)的徑流系數(shù)較大，其中：1976-1982年為大系數(shù)區(qū)，1961-1962年為小系數(shù)區(qū)；1982年后受降水與泉水開采影響徑流系數(shù)逐年減小，且1999-2017年為系數(shù)最小區(qū)。

圖4 歷年累計(jì)降雨量與累計(jì)泉水徑流深關(guān)系圖

圖5 辛安泉泉域降水徑流系數(shù)變化曲線圖

表2 1956-2017年辛安泉泉水徑流與區(qū)域降水量相關(guān)系數(shù)分析表

巖溶水系統(tǒng)的輸入項(xiàng)為大氣降水量，輸出項(xiàng)為辛安泉流量。模型的輸入值選取泉水流量（1956-2017）、降水量及巖溶水開采量。其中降水量采用流域內(nèi)雨量站水資源公報(bào)選用站點(diǎn)的降水量均值。所建數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Q實(shí)測(cè)——泉水實(shí)測(cè)流量，m3/s；

Q天——天然泉水流量，m3/s；

Q開——泉水開采量，m3/s；

R泉——泉水年徑流深，mm；

A——泉域面積，采用10 950 km2；

T——時(shí)間，s；

a——降水徑流系數(shù)；

P——年降水量，mm。

應(yīng)用該模型，先采用近2 a降水量P通過（3）式求得辛安泉年徑流深，再通過（2）式求得辛安泉泉水流量，用（1）式減去當(dāng)年辛安泉開采利用量，即得到辛安泉的實(shí)測(cè)泉水出露流量。

經(jīng)計(jì)算，預(yù)測(cè)值與實(shí)際徑流深誤差在-4.48-3.84mm之間，占實(shí)測(cè)徑流深13%-14%。相對(duì)誤差在10%以內(nèi)的樣本為48個(gè)，占總樣本比例78.7%；相對(duì)誤差在10%-15%之間的樣本為13個(gè)，占總樣本比例21.3%。具體預(yù)測(cè)結(jié)果見圖6。

圖6 辛安泉泉水徑流深預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較圖

采用所建的數(shù)學(xué)模型，對(duì)辛安泉2018年的泉水流量進(jìn)行預(yù)測(cè)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2018年1-10月降水量為422.0mm，11-12月采用歷年平均值22.3mm，則2018年降水量為444.3mm，2017年降水量614.8mm，預(yù)測(cè)采用2 a降水量的平均值。將2017年的巖溶水開采量（3.12m3/s）作為2018年開采量，取a=0.034 0。則有：

R泉=529.6×0.034 0=18.0mm

Q天=R泉×A/T×10-3=6.25m3/s

Q實(shí)測(cè)=Q天-Q開=6.25-3.12=3.13m3/s。

即：2018年實(shí)測(cè)泉水流量為3.13m3/s。

現(xiàn)應(yīng)用該數(shù)學(xué)模型，對(duì)2019-2025年間的泉水流量變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。在預(yù)測(cè)前，需要獲取預(yù)測(cè)時(shí)段的降水量與開采量數(shù)據(jù)，而目前還難以提前多年做出準(zhǔn)確的降水預(yù)報(bào)，擬利用頻率分析方法來獲取未來的降水量數(shù)據(jù)。即：首先以1956-2017年間62 a的降水量資料為原始數(shù)據(jù)，通過理論頻率法計(jì)算出不同出現(xiàn)頻率的降水量值（表3）；再選取出現(xiàn)頻率為20%（豐水年）、50%（平水年）和90%（枯水年）的降水量，分別作為預(yù)測(cè)時(shí)段可能的降水量值，進(jìn)而對(duì)不同降水保證率條件下的泉水流量進(jìn)行預(yù)測(cè)。至于地下水開采量的處理，則采取如下方式：假設(shè)2019-2025年間的巖溶水開采強(qiáng)度不會(huì)進(jìn)一步增加，將2017年的巖溶水開采量（3.12m3/s）作為今后的開采量。

當(dāng)采用出現(xiàn)頻率為20%的降水量值（664.9mm）作為今后幾年的降水量數(shù)據(jù)時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果可代表2019年后出現(xiàn)連續(xù)豐水年情況下辛安泉未來的流量；當(dāng)采用出現(xiàn)頻率為50%的降水量值（563.8mm）作為今后幾年的降水量數(shù)據(jù)時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果可代表2019年后出現(xiàn)連續(xù)平水年情況下辛安泉未來的流量；而當(dāng)采用出現(xiàn)頻率為90%的降水量值（425.5mm）時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果則代表連年干旱氣候條件下辛安泉流量的變化趨勢(shì)。不同降水量保證率下的泉水流量預(yù)測(cè)結(jié)果見表4。

表3 降水量理論頻率計(jì)算結(jié)果

表4 2019-2025年泉水流量預(yù)測(cè)結(jié)果

按照目前的地下水開采強(qiáng)度，未來的降水量直接影響巖溶泉水流量。若未來的降水量不出現(xiàn)極端情況，僅在563.8mm左右波動(dòng)時(shí)，辛安泉實(shí)測(cè)流量將在4.69m3/s左右波動(dòng)；當(dāng)出現(xiàn)多年連續(xù)干旱的情況時(shí)，即使不再增加地下水開采強(qiáng)度，辛安泉流量也將呈下降趨勢(shì)，實(shí)測(cè)流量將在2.77m3/s左右波動(dòng)。泉水流量和開采量相關(guān)，開采量增加，泉水流量將減??；開采量保持平衡，則泉水流量波動(dòng)較小。如果加大開采量，泉水流量下降趨勢(shì)將更為明顯。

5 結(jié)語

辛安泉作為長(zhǎng)治市城鄉(xiāng)最為重要的飲用水集中供水水源地，其泉水流量大小與水質(zhì)變化，倍受當(dāng)?shù)仃P(guān)注。開展泉水流量模擬研究，預(yù)測(cè)發(fā)展動(dòng)向，及時(shí)采取控制開采措施，同時(shí)加強(qiáng)泉域水土保持與水生態(tài)環(huán)境修復(fù)改善，對(duì)于向城鄉(xiāng)持續(xù)供水及促進(jìn)市域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，均具有重大的現(xiàn)實(shí)意義與戰(zhàn)略意義。作為水文部門進(jìn)行的這項(xiàng)理論研究，是一次有益的大膽嘗試，盡管考慮的因素還較少，所建模型還不夠精細(xì)，預(yù)測(cè)的結(jié)果還有待時(shí)間驗(yàn)證。下一步，我們將從水量、水質(zhì)、水環(huán)境等方面對(duì)辛安泉進(jìn)行深入研究，以便為地方政府在供水與水環(huán)境保護(hù)宏觀決策方面，提供更加確切的科學(xué)依據(jù)。