孫志鴻

（陽泉市水務(wù)局 山西陽泉 045000）

娘子關(guān)泉域泉口區(qū)巖溶水文地質(zhì)特征分析

孫志鴻

（陽泉市水務(wù)局 山西陽泉 045000）

娘子關(guān)泉由11個(gè)主要泉組成，分布在自程家至葦澤關(guān)約7 km長(zhǎng)的河漫灘及階地上，泉群多年（1956—2011年）平均流量9.98 m3/s，泉水水化學(xué)類型一般為SO4-HCO3-Ca·Mg型。通過娘子關(guān)泉域泉口區(qū)水文地質(zhì)特征分析，認(rèn)為泉口區(qū)白云巖巖溶發(fā)育深度較淺、發(fā)育程度隨深度而減弱；泉點(diǎn)之間水力聯(lián)系密切；因?yàn)榻谑苋藶橐蛩丶敖涤炅繙p少等因素影響，導(dǎo)致泉流量衰減。文中為娘子關(guān)泉保護(hù)利用提供科學(xué)決策依據(jù)。

娘子關(guān)泉口區(qū)；巖溶發(fā)育規(guī)律；水力聯(lián)系

1 娘子關(guān)泉域水文地質(zhì)概述

娘子關(guān)泉域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均降水量534.3 mm，主要河流有桃河、溫河、瀟河、松溪河，其分布跨海河及黃河兩大流域。

娘子關(guān)泉域總面積7 217 km2，其中裸露可溶巖2 282 km2，覆蓋區(qū)面積4 935 km2。娘子關(guān)泉域范圍內(nèi)出露地層由老到新為：寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、新生界。泉域位于山西中部太行山隆起區(qū)，處于三個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元的過渡地帶，即阜平隆起南部、贊皇隆起西側(cè)和壽陽拗陷東北端，構(gòu)造控制泉域地層的基本走向，使泉域主要分布的中奧陶統(tǒng)可溶巖向西和北西緩傾，泉域宏觀的地層形態(tài)特征為NE翹起、WS傾伏的簸箕狀向斜構(gòu)造。泉口區(qū)下奧陶統(tǒng)白云巖層的阻水作用和綿河深切河谷是泉水在此形成出露的主要原因，而非由葦澤關(guān)斷層阻水形成出露。

泉域內(nèi)碳酸鹽巖，根據(jù)時(shí)代、巖性、巖溶發(fā)育情況、含水、隔水、透水能力及水力特征可劃分為如下幾個(gè)含水巖組和隔水巖組：1）寒武系白云質(zhì)灰?guī)r裂隙巖溶水含水巖組，下部以紫紅色頁巖、泥巖夾白云巖為主，為區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定的隔水巖層；2）下奧陶統(tǒng)白云巖裂隙巖溶水含水巖組，其中含燧石結(jié)核的白云巖及泥質(zhì)白云巖，除排泄區(qū)和構(gòu)造斷裂破碎帶巖溶較發(fā)育外，大部分深埋于O2x之下，巖溶裂隙不發(fā)育，徑流緩慢，含水微弱，多構(gòu)成系統(tǒng)內(nèi)相對(duì)隔水底板；3）中奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水含水巖組。中奧陶統(tǒng)可溶巖是區(qū)內(nèi)最主要的巖溶含水層，總厚600 m左右，為一套碳酸鹽巖—硫酸鹽巖混合建造。按其巖性組合特征，又可分為三組八段，自下而上為下馬家溝組、上馬家溝組和峰峰組。每組底部膏溶角礫巖構(gòu)成隔水底板。各組、段巖性和巖溶發(fā)育強(qiáng)度有較大差異，隨所處構(gòu)造與水文地質(zhì)部位不一，含水透水性能也不盡相同。宏觀來看，仍可將其視為一有密切水力聯(lián)系的統(tǒng)一巖溶含水巖組。

娘子關(guān)泉主要接受裸露巖溶區(qū)的大氣降水入滲及河流滲漏補(bǔ)給，同時(shí)，在西部隱伏巖溶區(qū)還可接受碎屑巖裂隙水的少量越流補(bǔ)給。由于泉域范圍廣，包氣帶厚度大，巨大的地下調(diào)蓄庫容逐漸將豐水年和汛期的集中補(bǔ)給量，經(jīng)過曲折緩慢的滲流匯聚，轉(zhuǎn)化成連續(xù)的地下徑流，在娘子關(guān)以泉的形式排泄。娘子關(guān)泉域巖溶水系統(tǒng)流場(chǎng)總形態(tài)為以娘子關(guān)泉群為排泄點(diǎn)，呈半輻聚狀水動(dòng)力網(wǎng)，具有統(tǒng)一流場(chǎng)和水位。

由于中奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶含水層內(nèi)含有大量石膏夾層，上覆石炭系底部夾硫鐵礦層，煤層含有較多硫化物成分，在本區(qū)特定的地質(zhì)條件下，石膏的溶解和硫鐵礦的氧化作用使水中硫酸根離子含量較高。在水動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)的控制與影響下，水化學(xué)類型有明顯的分帶性特征：從補(bǔ)給區(qū)至排泄區(qū)，從淺部向深部，硫酸根離子含量和礦化度逐漸增高，水質(zhì)類型逐漸由重碳酸鈣鎂型向重碳酸、硫酸鈣鎂型及硫酸、重碳酸鈣鎂型過渡。

巖溶水動(dòng)態(tài)明顯地受著大氣降水的控制與影響，在年內(nèi)和年際間都有顯著的豐枯變化。同時(shí)，由于巖溶水具有良好的地下調(diào)蓄功能，巖溶水的動(dòng)態(tài)又較穩(wěn)定。據(jù)山西省第二次水資源評(píng)價(jià)結(jié)果，娘子關(guān)泉域巖溶水水資源量為36 271萬m3。

2 泉口區(qū)巖溶水文地質(zhì)特征

娘子關(guān)泉群是泉域巖溶水排泄中心，出露于溫河石橋、桃河程家以東至葦澤關(guān)斷層以西，長(zhǎng)度約7km的區(qū)域。泉口區(qū)出露地層為：下奧陶統(tǒng)和寒武紀(jì)白云巖、灰?guī)r。主要含水層為O1和 ∈3灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，屬于裂隙管道含水介質(zhì)。巖溶發(fā)育強(qiáng)度和富水性極不均一：綿河沿岸、泉口及構(gòu)造破碎帶附近有大型溶洞，巖溶發(fā)育，富水性好。離開泉口不遠(yuǎn)，富水性明顯減弱。巖溶水以管道流為主，主泉眼為地下水管道出口。由于下奧陶統(tǒng)中、下部白云巖層厚而穩(wěn)定，巖溶發(fā)育非常微弱，透水性很差，從葦澤關(guān)至南峪，水力坡度由5‰猛增到37‰，泉口區(qū)以下地下潛流量很少，娘子關(guān)泉可視為全排型巖溶泉水。泉口區(qū)先后采用多種方法測(cè)得巖溶水天然流速為7.7～20.64 m/d，同我國(guó)南方溶洞管道型巖溶水流每日上千米的流速相比，泉口區(qū)巖溶水實(shí)際流速是很小的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于產(chǎn)生紊流的臨界速度，巖溶水流態(tài)基本上屬層流運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，符合達(dá)西線性定律。

泉口區(qū)巖溶水位變化特征：泉群年內(nèi)、年際變化小，遠(yuǎn)離泉群的上游地區(qū)變化越來越大。泉群中出露位置較低的泉口附近（如五龍、坡底、城西、橋墩泉）比出露位置較高的泉群如水簾洞、河坡泉等水位變化幅度要小。水位多年變化趨勢(shì)呈緩慢的下降趨勢(shì)。

泉群流量變化特征：流量具有穩(wěn)定性，滯后效應(yīng)明顯。受降雨影響又具有周期變化特征。年內(nèi)變化特征為：流量隨季節(jié)變化而波動(dòng)，谷值多出現(xiàn)于5月份，雨季過后3～4個(gè)月，流量達(dá)到年內(nèi)峰值，峰值變化在一定程度上出現(xiàn)陡升、緩降之特點(diǎn)；多年周期變化特征：與多年降雨量一致具有12年周期變化。泉群多年（1956—2011年）平均流量9.98 m3/s。近年來呈下降變化趨勢(shì)。

泉口區(qū)巖溶水化學(xué)特征：巖溶水的化學(xué)成分和水化學(xué)場(chǎng)，是滲透水流與滲流場(chǎng)內(nèi)的巖石，主要是可溶巖相互作用的結(jié)果。各處水化學(xué)成分和水化學(xué)場(chǎng)的變化，與巖溶水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和含水層的巖性特征及其所處水文地質(zhì)部位密切相關(guān)。在水動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)的控制與影響下，泉口區(qū)巖溶水化學(xué)成分的形成既有水巖系統(tǒng)的相互地球化學(xué)作用、又有不同逕流帶及其同一逕流帶不同空間位置的巖溶水流混合作用，故大部分泉水化學(xué)成分相同，但少部分水化學(xué)成分比例有所不同。水化學(xué)類型多為SO4-HCO3-Ca·Mg型，少部分為HCO3-SO4-Ca·Mg型。從泉水長(zhǎng)期水質(zhì)資料看，水質(zhì)動(dòng)態(tài)基本穩(wěn)定，近期由于人為因素影響，水質(zhì)逐漸變差。

2.1 泉口區(qū)白云巖巖溶發(fā)育深度

從白云巖巖溶發(fā)育的固有規(guī)律來看，在飽水帶以下巖溶發(fā)育強(qiáng)度基本上是微弱的。據(jù)坡底泉區(qū)巖溶水勘探鉆孔資料：白云巖巖溶發(fā)育深度一般為40～50 m，巖溶發(fā)育程度隨深度而減弱，地下巖溶形態(tài)主要為溶蝕裂隙和中小型溶洞。說明娘子關(guān)泉口區(qū)白云巖巖溶發(fā)育深度較淺。究其原因：巖溶發(fā)育深度主要受排泄基準(zhǔn)面高程、地層巖性、水動(dòng)力條件、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)等因素控制。1）娘子關(guān)泉群泉點(diǎn)均分布于綿河谷地，泉點(diǎn)出露高程與河谷高程基本上齊平，娘子關(guān)泉屬底板阻溢型泉，含水層傾向與巖溶水流向相反，構(gòu)成反坡蓄水構(gòu)造。飽水帶巖溶水由補(bǔ)給區(qū)承壓水轉(zhuǎn)為泉口排泄區(qū)潛水，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由垂直向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為水平運(yùn)動(dòng)，巖溶水流下蝕能力減弱，側(cè)蝕能力增強(qiáng)，因此便形成淺埋的溶隙、溶洞及串珠狀的管道；2）泉口區(qū)飽水帶以下，巖溶水流動(dòng)緩慢，巖溶發(fā)育分異作用受阻，微小巖溶形態(tài)難以發(fā)育擴(kuò)大，因此泉口區(qū)飽水帶深度以下白云巖巖溶發(fā)育程度極為微弱；3）更新世以來，本區(qū)地殼一直處于抬升趨勢(shì)，綿河谷地形成了三級(jí)階地，河谷切割深度70～100 m。近代巖溶發(fā)育速度與基準(zhǔn)面抬升速度是相適應(yīng)的，因此白云巖巖溶發(fā)育深度較淺。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造控水作用

在娘子關(guān)泉域補(bǔ)給、徑流區(qū)中奧陶含水巖組中巖層控制水作用占主導(dǎo)地位，而在泉口區(qū)下奧陶白云巖層中地質(zhì)構(gòu)造則具有明顯的控水作用：1）地質(zhì)構(gòu)造控制泉點(diǎn)出露部位。如葦澤關(guān)泉和禁區(qū)泉出露于同一條北西西向張扭性斷裂帶，該斷裂橫穿娘子關(guān)背斜。水簾洞泉出露于張扭性斷裂帶。五龍泉與石板磨泉均受斷裂帶控制。城西泉與坡底泉主要受南北向和北北東向兩組斷裂控制。2）地質(zhì)構(gòu)造控制白云巖巖溶發(fā)育程度。開挖五龍泉時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)葫蘆狀溶洞，其短軸長(zhǎng)度5.5 m，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度8.5 m，走向與斷裂帶一致，又如葦澤關(guān)綿河岸邊的白云巖洞穴就是沿?cái)嗔褞纬傻?，洞身?～8 m，長(zhǎng)25 m，沒有旁支，具有典型的白云巖溶洞的特征。白云巖溶洞明顯受構(gòu)造斷裂控制。3）地質(zhì)構(gòu)造控制白云巖富水程度。泉口區(qū)下奧陶統(tǒng)白云巖富水程度差異性較大：坡底孔位于斷裂導(dǎo)水帶，其單位涌水量高達(dá)670 m3/（h·m）；區(qū)東武莊孔位于較完整的白云巖層中，其單位涌水量?jī)H有0.141 m3/（h·m）；1991年程家白云巖分布區(qū)連打三個(gè)干孔，明顯反映出白云巖富水程度的非均一性和構(gòu)造控制作用。

2.3 泉點(diǎn)之間水力聯(lián)系

娘子關(guān)泉群各泉點(diǎn)雖泉水來源不盡相同，但受統(tǒng)一流場(chǎng)控制，水力聯(lián)系密切。據(jù)娘子關(guān)五龍泉開挖抽水試驗(yàn)報(bào)告，在五龍泉開挖和抽水過程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)石板磨泉流量有直接影響，對(duì)下游水簾洞泉亦有較為明顯的影響。當(dāng)五龍泉開挖抽水時(shí)，水簾洞泉流量歷時(shí)曲線呈陡坎式下降，當(dāng)五龍泉抽水停止后，水簾洞泉流量便馬上開始增大，其水力聯(lián)系十分密切。另據(jù)城西泉抽水試驗(yàn)資料，城西泉抽水流量增加0.31 m3/s，坡底泉流量則由0.79 m3/s減至0.68 m3/s，城西泉抽水對(duì)坡底泉流量有直接影響。

總的來看，泉點(diǎn)間水力聯(lián)系機(jī)制與白云巖層導(dǎo)水特征密切相關(guān)。每個(gè)泉點(diǎn)為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的巖溶水排泄中心，其排泄通道主要為巖溶管道和一些主干導(dǎo)水溶隙。泉點(diǎn)間水力聯(lián)系是通過次一級(jí)導(dǎo)水通道進(jìn)行的，而不是一些主干導(dǎo)水通道，否則就不能形成獨(dú)立的泉點(diǎn)，如五龍泉開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)有一條溶蝕裂隙與石板磨泉相溝通。由此可見，泉點(diǎn)間水力聯(lián)系不是大面積白云巖含水層之間的聯(lián)系，而主要是導(dǎo)水裂隙之間的聯(lián)系。

2.4 泉口區(qū)氫氧同位素分析

山西省地質(zhì)工程勘察院趙敬孚等于1988年至1993年從桑掌至娘子關(guān)泉口共取了六組測(cè)示氘、氚、氧-18的樣品，環(huán)境同位素測(cè)示成果顯示：1）六組樣品點(diǎn)δD和δ18O含量測(cè)示數(shù)據(jù)值均落在全球大氣降水線（GMWL）δD=8δ18O+10（Craig，1961）附近，說明大氣降水為娘子關(guān)泉域各類地下水的補(bǔ)給源。2）從泉域徑流區(qū)至泉口區(qū)氚含量遞減，說明泉口區(qū)比泉域徑流區(qū)巖溶水滯留時(shí)間長(zhǎng)，由新水變老水；1993年7月中國(guó)地質(zhì)大學(xué)孫連發(fā)等系統(tǒng)采集了娘子關(guān)泉群的五龍泉、石板磨泉、滾泉、河坡泉、橋墩泉、城西泉、坡底泉、禁區(qū)泉、葦澤關(guān)泉、水簾洞泉等十處泉水，進(jìn)行了δD、δ18O和T同位素組成測(cè)定。各泉在δD-δ18O圖上各泉數(shù)據(jù)值均落在全球大氣降水線附近，但呈現(xiàn)出一種較離散的分布特征：葦澤關(guān)坎下泉位于δD和δ18O值偏小的左側(cè)，城西泉?jiǎng)t位于δD和δ18O值偏大的右側(cè)。由于在山區(qū)，大氣降水中的同位素值存在明顯的高程效應(yīng)，即海拔越高，δD和δ18O值越低，這種分布特征在很大程度上反映水動(dòng)力條件的差異：葦澤關(guān)坎下泉的補(bǔ)給高程較大，其形成主要與遠(yuǎn)處補(bǔ)給的區(qū)域和中間流動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)，而城西泉的補(bǔ)給高程較低，來自局部流動(dòng)系統(tǒng)的巖溶水在其水資源量組成中占比重較大。其余各泉，均帶有在葦澤關(guān)泉和城西泉之間過渡的特點(diǎn)，由來自區(qū)域、中間和局部流動(dòng)系統(tǒng)的巖溶水混合排泄而成。

據(jù)1985年3月至1986年6月泉水氚值監(jiān)測(cè)資料，水簾洞泉氚含量變化在30.36 Tu至本底值的區(qū)間，此間大氣降水氚含量為40～60 Tu，而1993年9月該泉氚含量8.59 Tu，水簾洞泉氚含量變化極為劇烈。究其原因，水簾洞泉氚值變化與其排水機(jī)制密切相關(guān)，高氚值時(shí)泉水排泄飽水帶上部的新水，低氚值時(shí)泉水排泄深循環(huán)的老水，說明新水補(bǔ)給急劇減少。與水簾洞泉氚含量最接近的是程家泉，表明二者在水文地質(zhì)性質(zhì)上也最接近，由此也不難理解二者相繼斷流的內(nèi)在原因；與水簾洞泉氚含量的急劇動(dòng)蕩變化形成鮮明對(duì)比的是五龍泉，在各取樣時(shí)間中，該泉的氚含量均處于較低或最低的位置，這表明該泉是娘子關(guān)泉域內(nèi)區(qū)域和中間流動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)主要排泄去路，泉流量穩(wěn)定；氚含量波動(dòng)較大的是坡底泉（由47.14 Tu降至16.5 Tu）。結(jié)合水化學(xué)分析結(jié)果（該泉的水化學(xué)成分呈現(xiàn)出較大的季節(jié)性波動(dòng)）說明該泉受就近補(bǔ)給影響大。

3 泉群流量減少的原因分析

由于娘子關(guān)巖溶水系統(tǒng)是不斷與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息交換的開放系統(tǒng)，極易受到環(huán)境的影響，使輸入-輸出關(guān)系發(fā)生明顯改變。娘子關(guān)泉群流量近期因受人為因素及降雨量減少等因素影響，泉群年平均流量不斷減少。出露位置較高的石橋泉、程家泉、水簾洞泉、河坡泉已斷流多年。

1）降雨量對(duì)泉流量的影響：娘子關(guān)泉流量與降雨量關(guān)系密切。泉流量隨降雨量年內(nèi)變化而變化，且多年變化周期一致。1956—2010年娘子關(guān)泉域降水量均值介于450～697 mm之間，多年平均降雨量為522.8 mm。從10年降雨量平均值看，1956—1960年降雨量平均值576.4 mm，1961—1970年降雨量平均值586.1 mm，1971—1980年降雨量平均值 507.5 mm，1981—1990年降雨量平均值 521.4 mm，1991—2000年降雨量平均值475.8 mm，2001—2010年降雨量平均值496.5 mm，表明娘子關(guān)泉域降水量總趨勢(shì)從20世紀(jì)70年代開始下降，90年代最低，2000年以后開始逐漸增加，但總的呈減小趨勢(shì)，泉流量隨降雨量減小而減少。

2）采煤對(duì)泉流量的影響：（1）采煤引起的地面沉降、塌陷和開裂變形，導(dǎo)致地表水及降水入滲量的增加和河川逕流量的減少；（2）采煤疏排水使石炭系以上地層間水資源大大減少，使蒸發(fā)量、降水入滲量轉(zhuǎn)換為貯存量的部分增加，從而截奪部分補(bǔ)給量導(dǎo)致泉水流量逐年減少。

3）巖溶水開采對(duì)泉流量的影響：大量開采巖溶水使巖溶水位逐漸下降，包氣帶厚度逐漸增加，河水和降水入滲量轉(zhuǎn)化為貯存量的部分增加，而轉(zhuǎn)化為泉水流量部分減少，最終截奪部分補(bǔ)給量使泉流量逐年減少。

4）其他活動(dòng)對(duì)泉流量的影響：修建水庫截奪地表水逕流量，使巖溶區(qū)的河水入滲量大大減少，減少了巖溶水的補(bǔ)給量和泉水流量。植被的破壞、城市規(guī)模擴(kuò)大等人為活動(dòng)使蒸發(fā)及其他消耗增加，降水入滲量減少，導(dǎo)致泉流量逐年減少。

4 結(jié)論與建議

泉口區(qū)下奧陶統(tǒng)白云巖巖溶發(fā)育深度較淺，巖溶發(fā)育程度極為微弱，地質(zhì)構(gòu)造則具有明顯的控水作用，富水程度極不均一，泉點(diǎn)間水力聯(lián)系密切。各泉補(bǔ)給范圍、水化學(xué)成分不盡相同。近期受人為、降雨量減少等因素影響，泉群年平均流量不斷減少，水質(zhì)不斷變差，保護(hù)娘子關(guān)泉域水資源意義非常重要。

Analysis on the Karst Hydrogeology Character of the Niangziguan Spring Exit Region

SUN Zhi-hong

The Niangziguan Spring group is composed of 11 main spring points which are distributed along the long floodland and terrace of about 7 km in length from Chengjia to Weizeguan.The mean annual discharge of the spring group（from 1956 to 2011）is 9.98 m3/s,and its water-chemical type commonly is SO4-HCO3-Ca·Mg.Through analyzing the hydrogeology character of the Niangziguan Spring exit region，it is clarified that the karst development depth of the dolomit is this region is not very deep and the development degree gradually weakens as the layer depth increases；the hydraulic connexion among these spring points is closed，because of suffering the impact of some factors such as humankind action and the decrease of precipitation，the attenuation of the spring discharge has occrued；all of these provide the scientific countermeasure basis for protection and utilization of this spring.

Niangzifuan Spring exit region；karst development rule；hydraulic connexion

P641

B

2017-04-06

2017-04-12

孫志鴻（1969-），男，1990年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），高級(jí)工程師。

1006-8139（2017）03-051-03