宇潤(rùn)練

(太原市水利水?？茖W(xué)研究院,太原 030002)

0 引 言

太原市主要的巖溶泉域是晉祠泉域、蘭村泉域。晉祠是國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)單位,晉祠泉水就屬于眾所周知的晉祠“三絕”之一,位于太原近郊,晉祠泉水就出露于太原西山懸甕山下,晉祠泉巖溶水的集中排泄點(diǎn)由難老泉、圣母泉、善利泉組成,出露高程約800m。自20世紀(jì)60年代以來(lái),泉水流量逐年減少,1994年4月30日斷流。按水文地質(zhì)條件分析,晉祠泉域分布于太原西山一帶,屬西山石千峰復(fù)向斜構(gòu)造。其范圍覆蓋太原市的古交市、晉源區(qū)、萬(wàn)柏林區(qū)、尖草坪區(qū)、清徐縣以及忻州市靜樂(lè)縣、呂梁市交城縣的小部分地區(qū)。

蘭村泉出露于太原市區(qū)西北25km處的上蘭村,汾河流入太原盆地的出口處,泉口高程810.92m。由于泉域巖溶水及西張地區(qū)松散層孔院水的大規(guī)模開采,蘭村泉流量呈現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì),并于1988年左右最終干涸。當(dāng)前,蘭村泉域建成了若干個(gè)大型的水源地,蘭村水源就屬于其中之一,也是太原市城市生活供水至關(guān)重要的水源地,由于嚴(yán)重超采,巖溶地下水位不斷下降。目前,蘭村水源地水位已下降到泉口以下28～30m左右。

晉祠巖溶水地下水類型為SO4—Ca·Mg型水,2010年綜合評(píng)價(jià)分值為7.32,為Ⅴ類極差型水,溶解總固體、總硬度、硫酸鹽三項(xiàng)超標(biāo)。蘭村巖溶水類別為HCO3·SO4—Ca·Mg型水,2010年綜合評(píng)價(jià)分值為2.17,為Ⅱ類良好型水。

1 泉域地下水開采控制目標(biāo)確定方法

地下水控制開采目標(biāo)受到水文地質(zhì)條件的制約,所以控制開采目標(biāo)要以實(shí)際的水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ),要以符合地下水的運(yùn)動(dòng)和演變規(guī)律為前提。根據(jù)不同地下水系統(tǒng)資料的詳細(xì)程度及開發(fā)利用程度,并遵循簡(jiǎn)便實(shí)用的原則,在已有研究成果的基礎(chǔ)上,采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多元線性回歸方法確定晉祠泉域、蘭村泉域的地下水控制開采目標(biāo)[1]。

1.1 晉祠泉域巖溶水

晉祠泉域具有重要的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、旅游和文物保護(hù)價(jià)值,而泉水流量對(duì)該區(qū)的景觀、旅游、生態(tài)等功能起到?jīng)Q定性的作用,故將難老泉復(fù)流作為該區(qū)重要的控制目標(biāo)。采用《太原市晉祠泉域水資源規(guī)劃報(bào)告》所建立的晉祠巖溶水神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型確定流量恢復(fù)的可能與實(shí)現(xiàn),確定難老泉流量不同規(guī)劃水平年流量恢復(fù)目標(biāo)。

晉祠泉的斷流是在1994年,在建立泉流量的多因素神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的情況下,對(duì)于晉祠泉斷流后系統(tǒng)的情況也就不能非常明確的模擬和描述。我們知道,泉的流量與地下水位這兩者之間有著比較大的關(guān)聯(lián)與相關(guān)性,泉流量和泉水位的影響因素之間是存在著某種一致性的,所以該模型選擇了資料系列相對(duì)較長(zhǎng)的地下水位作為目標(biāo)函數(shù)建立泉的水位與多因素之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。當(dāng)?shù)叵滤怀^(guò)泉口標(biāo)高時(shí),泉水即能復(fù)流。由年水位與泉流量的相關(guān)性可計(jì)算相應(yīng)的泉流量。

晉祠巖溶水神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型共有8個(gè)輸入單元,分別對(duì)應(yīng)以下幾個(gè)參數(shù):泉域內(nèi)當(dāng)年降雨量、前一年的降雨量、前兩年的降雨量、汾河滲漏量、人工開采量、煤礦排水量、側(cè)向排泄量、前一年晉祠水位,10個(gè)中間隱層單元和一個(gè)輸出單元組成的三層網(wǎng)絡(luò),BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型流程如圖1所示。

圖1 晉祠泉地下水位模擬的BP網(wǎng)絡(luò)模型

圖1中,X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8這幾個(gè)量視為模型的輸入項(xiàng),這8個(gè)輸入項(xiàng)分別代表以下參數(shù):當(dāng)年降雨量、前一年降雨量、前兩年降雨量、汾河滲漏量、煤礦排水量、管井開采量、側(cè)向排泄量、前一年水位。H層為中間隱含層,它含有的隱含單元為10個(gè)。Y為輸出項(xiàng),即當(dāng)年水位。

1.2 蘭村泉域巖溶水

蘭村巖溶水作為太原市最重要的水源,其地下水開采量占到了太原市供水量的一半左右,其中自來(lái)水公司一水廠、自來(lái)水公司四水廠、自來(lái)水公司五水廠、自來(lái)水公司十水廠、棗溝水廠,這幾個(gè)水廠產(chǎn)水量的比率占到了太原市總產(chǎn)水量的99%以上。蘭村巖溶水的供水功能比其景觀功能更重要,因此產(chǎn)水能力是蘭村巖溶水的重要控制目標(biāo)之一。采用《太原市蘭村泉域水資源規(guī)劃報(bào)告》所建立的蘭村巖溶水多元線性回歸模型確定晉祠泉域地下水的控制開采目標(biāo)的可能與實(shí)現(xiàn)。

H=A+B×Q(t-0)+C×Q(t-1)+D
×Q(t-2)+E×Q(t-3)+F×Q(t-4)+
G×Q(t-5)+H×Qfs+I×Qlc+J×Qzg+
K×Qsg+L×Qzb+M×Qcp+N×H(t-1)

(1)

式中:Q(t-0)為當(dāng)年降雨入滲量;Qlc為蘭村水源地的開采量;Q(t-1)為前1a降雨入滲量;Qzg為棗溝水源地的開采量;Q(t-2)為前2a降雨入滲量;Qsg五水廠、十水廠開采量之和;Q(t-3)前3年降雨入滲量;Qzb為自備井開采量;Q(t-4)為前4a降雨入滲量;Qcp為側(cè)向排泄量;Q(t-5)為前5a降雨入滲量;H(t-1)為前1a蘭村泉域巖溶水水位;Qfs為汾河滲漏量;H為當(dāng)前水位。

選取影響巖溶水水位變化的因子降水量、汾河入滲補(bǔ)給量、蘭村水源地的開采量、棗溝水源地的開采量、三給水源地五廠以及十廠的開采量、自備井的開采量、向盆地孔隙水的側(cè)向排泄量,期間還要將水位變化的連續(xù)性考慮進(jìn)去,同時(shí)把前一年水位也作為一個(gè)因子在模型中加以考慮[2-3]。因此,得到蘭村泉域巖溶水水位的一般模型如下:

2 巖溶泉域保護(hù)目標(biāo)

2.1 晉祠泉域巖溶水

2.1.1 難老泉水位保護(hù)目標(biāo)

1994年難老泉水?dāng)嗔髦?010年歷時(shí)達(dá)16a。規(guī)劃從2010年算起,利用10a時(shí)間使其得以恢復(fù)。2020年水位(103號(hào)孔)恢復(fù)到802.59m以上,實(shí)現(xiàn)泉水出流。

2.1.2 難老泉流量保護(hù)目標(biāo)

根據(jù)上述103號(hào)孔水位恢復(fù)目標(biāo),同時(shí)考慮到晉祠難老泉的生態(tài)景觀功能的恢復(fù),以及流量恢復(fù)的現(xiàn)實(shí)與可能,確定難老泉2020年恢復(fù)出流,這也為水生態(tài)景觀以及泉水供水功能能夠恢復(fù)到1990年代初期水平打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2030年泉流量將會(huì)達(dá)到0.3m3/s以上,其水生態(tài)景觀以及泉水的供水功能能夠趨近1980年代中期水平。

2.1.3 水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)

地下水的水質(zhì)除與后天人為污染有關(guān)外,還與地下水的天然水化學(xué)特征有密切的關(guān)系,且地下水的水質(zhì)改善問(wèn)題十分復(fù)雜,也十分困難,故確定水質(zhì)保護(hù)目 標(biāo)時(shí)主要是根據(jù)現(xiàn)狀年水質(zhì)狀態(tài),防止水質(zhì)進(jìn)一步惡化為宗旨,2010年晉祠巖溶水水質(zhì)為Ⅴ類,由此確定2020年水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)為Ⅴ類,主要污染物濃度不再明顯上升。2030年水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)為Ⅳ-Ⅴ類,主要污染物濃度有所下降。

各規(guī)劃水平年泉域水資源保護(hù)目標(biāo)詳見(jiàn)表1。

表1 晉祠泉域巖溶水資源保護(hù)規(guī)劃目標(biāo)一覽表

2.1.4 控制規(guī)劃方案

按照晉祠難老泉2020年恢復(fù)出流,2030年流量0.3 m3/s的保護(hù)目標(biāo)。對(duì)區(qū)內(nèi)巖巖溶地下水進(jìn)行調(diào)控。

泉域巖溶水的總量調(diào)控方案是:煤礦礦坑排水量限制在現(xiàn)狀水平年下,即煤礦排水量為3331萬(wàn)m3/a;人工開采量控制在1059萬(wàn)m3/a,與現(xiàn)狀年2010年相比,需要的壓縮開采量為883.2萬(wàn)m3。2020年在山區(qū)河谷完成了攔洪壩工程的修建,并在此基礎(chǔ)上實(shí)施的人工地下水回灌工程,這些都加速了巖溶泉域地下水資源的回補(bǔ),增加泉水出流量,為實(shí)現(xiàn)2030年流量目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

2.2 蘭村泉域巖溶水

2.2.1 泉源水位保護(hù)目標(biāo)

1957年蘭村水源投產(chǎn)時(shí),蘭村泉平均水位標(biāo)高814.38 m,1986年泉水?dāng)嗔髦?010年歷時(shí)達(dá)24a,S1水位標(biāo)高從809.63m下降到781.44m,累計(jì)下降28.19m,平均每年下降1.17m。確定2020年泉水位(S1號(hào)孔)穩(wěn)定在796 m的水平之上。

2.2.2 水源產(chǎn)水量的保護(hù)目標(biāo)

依據(jù)確定的泉源水水位保護(hù)目標(biāo),結(jié)合巖溶水量水位預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型得出的預(yù)報(bào)結(jié)果,并考慮巖溶水資源開發(fā)的現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展的可能性,對(duì)蘭村泉域不同規(guī)劃水平年產(chǎn)水量目標(biāo)進(jìn)行確立。

規(guī)劃到2020年按照可開采量3.49 m3/s即11006萬(wàn)m3/年進(jìn)行開采。建立起了泉源區(qū)、排泄區(qū)城市主力水源(排泄區(qū)四大城市主力水源分別為自來(lái)水一廠、棗溝水廠、自來(lái)水五廠、自來(lái)水十廠)、分散自備水源如下的優(yōu)化開采格局:四個(gè)主力水廠的開采量控制目標(biāo)分別為: 1.69 m3/s(14.6萬(wàn)m3/d), 1.0m3/s(8.64萬(wàn)m3/d), 0.5 m3/s(4.32萬(wàn)m3/d),0.5 m3/s(4.32萬(wàn)m3/d)。分散工農(nóng)業(yè)自備井開采量控制在0.3 m3/s(2.59萬(wàn)m3/d)以內(nèi)。

2.2.3 水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)

根據(jù)蘭村泉域地下水系統(tǒng)情況,整個(gè)巖溶水系統(tǒng),其水環(huán)境質(zhì)量非常優(yōu)越,總體屬于Ⅱ+Ⅲ類水,對(duì)于太原市的城市供水需求而言是完全能夠滿足的,其西張地區(qū)汾河沖積扇孔隙水屬于Ⅲ類水,也完全滿足城市供水的水質(zhì)要求,僅局部淺層水受到輕微污染,因此,我們確立了如下的水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)和保護(hù)原則:一方面是要對(duì)水污染情況進(jìn)行非常嚴(yán)格的控制,另一方面是要確保地下水的水質(zhì)能夠長(zhǎng)期維持良好的現(xiàn)狀水平。

2.2.4 控制規(guī)劃方案

規(guī)劃到2020年維持11006萬(wàn)m3/年的開采量,2010實(shí)際開采量11429萬(wàn)m3,因此需要壓縮開采量423萬(wàn)m3/a,實(shí)現(xiàn)泉域巖溶水采補(bǔ)平衡。分散工農(nóng)業(yè)自備井開采具體開采方案是:對(duì)現(xiàn)狀年杏花嶺區(qū)、尖草坪區(qū)和陽(yáng)曲縣的農(nóng)業(yè)和農(nóng)村生活用水予以保留,壓縮一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)自備井,將分散自備井開采量基本維持在0.3 m3/s。城市自來(lái)水調(diào)整方案為:將一廠、棗溝、五廠十廠的產(chǎn)水量調(diào)整為14.6萬(wàn)m3/d、8.64萬(wàn)m3/d、4.32萬(wàn)m3/d。關(guān)閉城區(qū)工業(yè)企業(yè)事業(yè)單位自備井。規(guī)劃到2020年在山區(qū)河谷修建攔洪壩工程,進(jìn)行人工地下水回灌。

3 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái),太原市針對(duì)巖溶水資源的現(xiàn)狀制定完成了若干卓有成效的水資源保護(hù)方案。晉祠泉的保護(hù)工程包括了古交地下水人工回灌工程、邊山支流筑壩蓄水回灌工程、汾河(晉陽(yáng)湖)引水回灌工程、自流井治理工程、泉域水土保持等。蘭村地下水資源保護(hù)工程包括了蘭村干支流低壩蓄水緩洪入滲工程、泉源美化修復(fù)工程。這些有效的巖溶泉域保護(hù)工程,使得太原市巖溶泉域保護(hù)工作取得了較好的成效和進(jìn)展,水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境都得到了良好的改善。