北方岩溶地区水资源科学调配——以娘子关泉域为例

长期以来,在水资源评价及开发中,将地表水和地下水分割开来、使资源量计算重复,开发相互干扰。我国北方岩溶泉域大多是地表水-岩溶地下水联合系统,各种水资源有其不同的性状,其间又有密切的联系。本文以娘子关泉域为例,将地表水-浅层地下水-深层岩溶水-泉水作为统一的水资源系统,在研究其间转化关系的基础上,建立联合调度及管理模型,根据多种水文年组合,提出了长系列优化调度方案。      

山西娘子关泉群及其水的来源

娘子关泉域群泉是中国北方最大的岩溶泉,泉域汇水面积达7 436 km2,前人认为:泉域内岩溶水由北、西、南3面向娘子关一带径流汇集,由于娘子关一带下奥陶系燧石团块或条带白云岩相对隔水层隆起,并被桃河侵蚀出露,使岩溶地下水溢出地表成泉群,其主要含水层为中奥陶系含石膏碳酸盐岩。但各泉的水化学、同位素特征有差异,娘子关泉群并不是出自统一源。文章通过水化学、同位素、水文地质剖面等方法研究得出: 娘子关泉域存在两个含水层、三个子系统:中奥陶系灰岩含水层和中上寒武系白云岩含水层;西部奥陶系岩溶水系统、东部奥陶系岩溶水系统和东部中上寒武系岩溶水系统。泉域内城西泉与程家泉出露于中奥陶系下马家沟组泥灰岩之上,含水层为中奥陶系灰岩裂隙、溶隙水,由于区域下马家沟组泥灰岩隆起隔水出露地表成泉,属于东部奥陶系岩溶水系统;坡底泉、五龙泉、河北泉、水帘洞泉、苇泽关泉其补给主要来源于中上寒武系含水岩组,为承压上升泉,属于东部中上寒武系岩溶水系统。      

山底河流域煤矿酸性矿井水野外监测

酸性矿井水在我国鲁西南、山西、内蒙、云南和贵州等煤矿区普遍存在,酸性矿井水其pH往往在2~5之间,高SO₄2?、HB、TDS、Fe、Mn。这些物质进入地下水、地表水或土壤后,会对其造成严重危害。文章选择山西阳泉市典型废弃煤矿区山底河流域为研究区,通过水文地质调查,水文地质钻探,水文地质剖面等方法阐述山底流域地层岩性,水文地质条件概况,得出受煤矿开采影响,与天然条件下相比山底河流域的地表水和地下水的补给、径流、排泄条件均发生了根本变化。补给通过破坏产生的导水裂隙带运移,以垂向运动为主;径流通过坑道,导水裂隙带运移,以横向运动为主;排泄以矿坑排水和泉水溢出方式为主。并简述山底河流域煤矿酸性矿井水试验站观测站分布情况与水化学特征。      

山西省阳泉山底河流域煤矿“老窑水”动态特征、演化机理及对娘子关泉域的环境效应

【研究目的】煤矿“老窑水”以分布范围广、隐蔽性强、污染程度重、自然净化慢、持续时间长等特点,成为后采煤时代严重威胁中国生态文明建设的重要制约因素。【研究方法】本文以山西省阳泉市山底河流域煤矿“老窑水”为研究对象,通过长系列水质和水量系统性监测,运用统计学方法系统分析了山底河流域老窑水的水量和水质动态特征及其演化机理,评估了“老窑水”对娘子关泉域岩溶水的环境效应。【研究结果】研究表明,山底河“老窑水”总出口p H值平均为3.58,TDS平均为4744 mg/L,SO₄^2-平均为3327 mg/L;雨季地下水位上升后与采空区接触面积或体积增大和降雨量的影响滞后等是造成煤矿“老窑水”的流量与水化学特征指标电导率、SO₄^2-浓度非线性相关的主要原因;煤系地层中黄铁矿的强氧化反应主要发生在地下水位季节变动带、包气带和地表;煤矿采空积水区的一定深度为还原环境,具备开展微生物法治理的条件;山底河煤矿“老窑水”出流后进入下游碳酸盐岩河段渗漏,对娘子关泉域岩溶水的渗漏补给量达7247.08 m³...     

娘子关泉域岩溶水氢氧同位素特征及影响因素浅析

为了研究娘子关泉域岩溶水状况及补给运移规律,系统采集了泉域内岩溶水、地表水样品,分析测试了样品的δD、δ~(18)O值,利用氢氧同位素方法,通过分析氢氧同位素特征及其影响因素研究岩溶水的补给来源及各含水层的相互联系。研究结果表明,大气降水和河流渗漏补给是泉域内岩溶水的主要补给来源。由于大气降水的高程效应和温度效应,导致泉域内δD、δ~(18)O值存在一定的差异。由于受到强烈蒸发后的大气降水及河流渗漏水的补给,河流沿岸岩溶水的δD、δ~(18)O值相对较高。同时对娘子关泉群城西泉、五龙泉和集泉站的D和~(18)O同位素分析结果表明,城西泉水来源于近源低海拔的补给源;而五龙泉和集泉站泉水来源于深循环、远距离、较高补给高程与地表水交换弱的补给源。通过以上研究,进一步明确了娘子关泉域岩溶水的补给运移规律,为当地政府合理开发及可持续利用娘子关泉域岩溶水资源提供了理论支撑。     

对中国北方岩溶水研究方向的思考与实践

中国北方碳酸盐岩含水层连续沉积厚度大、分布范围广,蕴藏着丰富的地下水资源,是重要的国家级含水层。北方岩溶水集水资源、旅游资源、生态功能等于一体,在国民经济建设中具有举足轻重的地位,特别在城市供水和能源基地建设中发挥了不可替代的支撑性作用。近50年来,受大规模水资源开发利用和人类其它高强度活动影响,北方岩溶水环境问题凸显并带来了一系列负面效应,严重制约了水资源的可持续利用。在国家大力倡导生态文明建的大背景下,如何协调好北方岩溶区资源开发与环境保护,是水文地质工作行业需要着重思考的问题。本文从国家需求出发,提出北方断流岩溶大泉泉水复流的生态修复、闭坑煤矿酸性“老窑水”对岩溶水的污染防治、深层岩溶水的水和热资源开发利用等应作为未来一段时期北方岩溶水的重点研究方向,同时,对近年来在这几个方面开展的调查研究工作取得的成果了进行简要介绍。      

中国北方岩溶水系统划分与系统特征

中国北方岩溶水以相对独立单元进行循环, 构成一系列规模不等的岩溶水系统。本文重点阐述两方面的内容: 第一从基本概念出发, 划分出119个岩溶水系统, 这些系统以高度开放, 环境质量脆弱, 发育规模大, 资源要素构成多、各要素间转化关系复杂, “水煤共存”为特点; 第二从岩溶水系统地质结构与岩溶水流场的叠置关系出发, 将119个系统归结为5种系统模式, 各种模式在分布与发育规模, 岩溶地下水循环、富集, 岩溶地下水流场形态和主要岩溶水文地质环境问题等方面具有鲜明的特征。     

桂林岩溶试验场钻孔水化学暴雨动态和垂向变化解译

用多参数自动记录仪对桂林岩溶试验场的CF1钻孔(代表裂隙含水介质)和CF5钻孔(代表管道含水介质)水化学进行了暴雨动态和垂向变化的监测,通过数据的分析及对比,发现: 暴雨时至少有两个重要的作用在控制着水化学的动态变化,一是雨水的稀释作用,另一个是碳酸盐岩— 水— CO2 气相互作用。然而,这两个作用在管道含水介质和裂隙含水介质中的表现是不同的: 对于裂隙含水介质,碳酸盐岩— 水— CO2 气相互作用占主导,而对于管道含水介质,雨水的稀释作用则成为主控因素。因此,鉴于岩溶水化学是在碳酸盐岩- 水- CO2 气三相相互作用的开放系统中形成的,所以水化学的研究不能仅考虑水- 岩相互作用,而必须重视CO2 时空变化对水化学的控制,只有从三相系统全面考虑,才能正确把握岩溶水化学的时空演变规律。此外,试验场相距不到5m的CF1和CF5钻孔水化学时空变化的显著差异,进一步证明了岩溶含水介质的非均质性特征。      

中国北方气候变化特征及其对岩溶水的影响

在气候变化的大背景下,近数十年来随着北方岩溶区降水量的趋势性下降和气温的不断升高,岩溶水补给资源量大幅度衰减,气候变化成为引发一系列岩溶水文地质环境问题的原因之一。针对这一问题,以岩溶水系统为单元,采用大量气象系列资料研究北方岩溶区降水变化与分布特征,分析了气候变化发展趋势及成因,从区域角度出发,估算了气候变化对岩溶水资源的影响。     

娘子关泉流量衰减原因的初步定量化分析

以娘子关泉为例,从水资源系统观点出发,通过系统水资源要素间转换关系的分析,对引起娘子关泉流量的衰减原因进行了初步量化计算。结果表明,在娘子关泉1956- 1979年和1980- 2000年前后两个系列平均流量所减少的4. 07m3 /s中,由于降雨减少、气温升高引起的泉流量减少量为1. 28m3 /s; 泉域西部采煤等导致的水环境变化引起的泉流量减少量为0. 84m3 /s;岩溶地下水直接开采引起的泉流量减少量为1. 48m3 /s。