太原市岩溶地区水资源保护目标及保护方案的探讨

宇润练

(太原市水利水保科学研究院,太原 030002)

0 引 言

太原市主要的岩溶泉域是晋祠泉域、兰村泉域。晋祠是国家重点文物保护单位,晋祠泉水就属于众所周知的晋祠“三绝”之一,位于太原近郊,晋祠泉水就出露于太原西山悬瓮山下,晋祠泉岩溶水的集中排泄点由难老泉、圣母泉、善利泉组成,出露高程约800m。自20世纪60年代以来,泉水流量逐年减少,1994年4月30日断流。按水文地质条件分析,晋祠泉域分布于太原西山一带,属西山石千峰复向斜构造。其范围覆盖太原市的古交市、晋源区、万柏林区、尖草坪区、清徐县以及忻州市静乐县、吕梁市交城县的小部分地区。

兰村泉出露于太原市区西北25km处的上兰村,汾河流入太原盆地的出口处,泉口高程810.92m。由于泉域岩溶水及西张地区松散层孔院水的大规模开采,兰村泉流量呈现逐年减少的趋势,并于1988年左右最终干涸。当前,兰村泉域建成了若干个大型的水源地,兰村水源就属于其中之一,也是太原市城市生活供水至关重要的水源地,由于严重超采,岩溶地下水位不断下降。目前,兰村水源地水位已下降到泉口以下28～30m左右。

晋祠岩溶水地下水类型为SO4—Ca·Mg型水,2010年综合评价分值为7.32,为Ⅴ类极差型水,溶解总固体、总硬度、硫酸盐三项超标。兰村岩溶水类别为HCO3·SO4—Ca·Mg型水,2010年综合评价分值为2.17,为Ⅱ类良好型水。

1 泉域地下水开采控制目标确定方法

地下水控制开采目标受到水文地质条件的制约,所以控制开采目标要以实际的水文地质条件为基础,要以符合地下水的运动和演变规律为前提。根据不同地下水系统资料的详细程度及开发利用程度,并遵循简便实用的原则,在已有研究成果的基础上,采用人工神经网络、多元线性回归方法确定晋祠泉域、兰村泉域的地下水控制开采目标[1]。

1.1 晋祠泉域岩溶水

晋祠泉域具有重要的经济、生态、旅游和文物保护价值,而泉水流量对该区的景观、旅游、生态等功能起到决定性的作用,故将难老泉复流作为该区重要的控制目标。采用《太原市晋祠泉域水资源规划报告》所建立的晋祠岩溶水神经网络模型确定流量恢复的可能与实现,确定难老泉流量不同规划水平年流量恢复目标。

晋祠泉的断流是在1994年,在建立泉流量的多因素神经网络模型的情况下,对于晋祠泉断流后系统的情况也就不能非常明确的模拟和描述。我们知道,泉的流量与地下水位这两者之间有着比较大的关联与相关性,泉流量和泉水位的影响因素之间是存在着某种一致性的,所以该模型选择了资料系列相对较长的地下水位作为目标函数建立泉的水位与多因素之间的神经网络模型。当地下水位超过泉口标高时,泉水即能复流。由年水位与泉流量的相关性可计算相应的泉流量。

晋祠岩溶水神经网络模型共有8个输入单元,分别对应以下几个参数:泉域内当年降雨量、前一年的降雨量、前两年的降雨量、汾河渗漏量、人工开采量、煤矿排水量、侧向排泄量、前一年晋祠水位,10个中间隐层单元和一个输出单元组成的三层网络,BP神经网络模型流程如图1所示。

图1 晋祠泉地下水位模拟的BP网络模型

图1中,X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8这几个量视为模型的输入项,这8个输入项分别代表以下参数:当年降雨量、前一年降雨量、前两年降雨量、汾河渗漏量、煤矿排水量、管井开采量、侧向排泄量、前一年水位。H层为中间隐含层,它含有的隐含单元为10个。Y为输出项,即当年水位。

1.2 兰村泉域岩溶水

兰村岩溶水作为太原市最重要的水源,其地下水开采量占到了太原市供水量的一半左右,其中自来水公司一水厂、自来水公司四水厂、自来水公司五水厂、自来水公司十水厂、枣沟水厂,这几个水厂产水量的比率占到了太原市总产水量的99%以上。兰村岩溶水的供水功能比其景观功能更重要,因此产水能力是兰村岩溶水的重要控制目标之一。采用《太原市兰村泉域水资源规划报告》所建立的兰村岩溶水多元线性回归模型确定晋祠泉域地下水的控制开采目标的可能与实现。

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)为当年降雨入渗量;Qlc为兰村水源地的开采量;Q(t-1)为前1a降雨入渗量;Qzg为枣沟水源地的开采量;Q(t-2)为前2a降雨入渗量;Qsg五水厂、十水厂开采量之和;Q(t-3)前3年降雨入渗量;Qzb为自备井开采量;Q(t-4)为前4a降雨入渗量;Qcp为侧向排泄量;Q(t-5)为前5a降雨入渗量;H(t-1)为前1a兰村泉域岩溶水水位;Qfs为汾河渗漏量;H为当前水位。

选取影响岩溶水水位变化的因子降水量、汾河入渗补给量、兰村水源地的开采量、枣沟水源地的开采量、三给水源地五厂以及十厂的开采量、自备井的开采量、向盆地孔隙水的侧向排泄量,期间还要将水位变化的连续性考虑进去,同时把前一年水位也作为一个因子在模型中加以考虑[2-3]。因此,得到兰村泉域岩溶水水位的一般模型如下:

2 岩溶泉域保护目标

2.1 晋祠泉域岩溶水

2.1.1 难老泉水位保护目标

1994年难老泉水断流至2010年历时达16a。规划从2010年算起,利用10a时间使其得以恢复。2020年水位(103号孔)恢复到802.59m以上,实现泉水出流。

2.1.2 难老泉流量保护目标

根据上述103号孔水位恢复目标,同时考虑到晋祠难老泉的生态景观功能的恢复,以及流量恢复的现实与可能,确定难老泉2020年恢复出流,这也为水生态景观以及泉水供水功能能够恢复到1990年代初期水平打下坚实的基础。2030年泉流量将会达到0.3m3/s以上,其水生态景观以及泉水的供水功能能够趋近1980年代中期水平。

2.1.3 水质保护目标

地下水的水质除与后天人为污染有关外,还与地下水的天然水化学特征有密切的关系,且地下水的水质改善问题十分复杂,也十分困难,故确定水质保护目 标时主要是根据现状年水质状态,防止水质进一步恶化为宗旨,2010年晋祠岩溶水水质为Ⅴ类,由此确定2020年水质保护目标为Ⅴ类,主要污染物浓度不再明显上升。2030年水质保护目标为Ⅳ-Ⅴ类,主要污染物浓度有所下降。

各规划水平年泉域水资源保护目标详见表1。

表1 晋祠泉域岩溶水资源保护规划目标一览表

2.1.4 控制规划方案

按照晋祠难老泉2020年恢复出流,2030年流量0.3 m3/s的保护目标。对区内岩岩溶地下水进行调控。

泉域岩溶水的总量调控方案是:煤矿矿坑排水量限制在现状水平年下,即煤矿排水量为3331万m3/a;人工开采量控制在1059万m3/a,与现状年2010年相比,需要的压缩开采量为883.2万m3。2020年在山区河谷完成了拦洪坝工程的修建,并在此基础上实施的人工地下水回灌工程,这些都加速了岩溶泉域地下水资源的回补,增加泉水出流量,为实现2030年流量目标奠定基础。

2.2 兰村泉域岩溶水

2.2.1 泉源水位保护目标

1957年兰村水源投产时,兰村泉平均水位标高814.38 m,1986年泉水断流至2010年历时达24a,S1水位标高从809.63m下降到781.44m,累计下降28.19m,平均每年下降1.17m。确定2020年泉水位(S1号孔)稳定在796 m的水平之上。

2.2.2 水源产水量的保护目标

依据确定的泉源水水位保护目标,结合岩溶水量水位预测预报数学模型得出的预报结果,并考虑岩溶水资源开发的现状与未来发展的可能性,对兰村泉域不同规划水平年产水量目标进行确立。

规划到2020年按照可开采量3.49 m3/s即11006万m3/年进行开采。建立起了泉源区、排泄区城市主力水源(排泄区四大城市主力水源分别为自来水一厂、枣沟水厂、自来水五厂、自来水十厂)、分散自备水源如下的优化开采格局:四个主力水厂的开采量控制目标分别为: 1.69 m3/s(14.6万m3/d), 1.0m3/s(8.64万m3/d), 0.5 m3/s(4.32万m3/d),0.5 m3/s(4.32万m3/d)。分散工农业自备井开采量控制在0.3 m3/s(2.59万m3/d)以内。

2.2.3 水质保护目标

根据兰村泉域地下水系统情况,整个岩溶水系统,其水环境质量非常优越,总体属于Ⅱ+Ⅲ类水,对于太原市的城市供水需求而言是完全能够满足的,其西张地区汾河冲积扇孔隙水属于Ⅲ类水,也完全满足城市供水的水质要求,仅局部浅层水受到轻微污染,因此,我们确立了如下的水质保护目标和保护原则:一方面是要对水污染情况进行非常严格的控制,另一方面是要确保地下水的水质能够长期维持良好的现状水平。

2.2.4 控制规划方案

规划到2020年维持11006万m3/年的开采量,2010实际开采量11429万m3,因此需要压缩开采量423万m3/a,实现泉域岩溶水采补平衡。分散工农业自备井开采具体开采方案是:对现状年杏花岭区、尖草坪区和阳曲县的农业和农村生活用水予以保留,压缩一级保护区内工业企业自备井,将分散自备井开采量基本维持在0.3 m3/s。城市自来水调整方案为:将一厂、枣沟、五厂十厂的产水量调整为14.6万m3/d、8.64万m3/d、4.32万m3/d。关闭城区工业企业事业单位自备井。规划到2020年在山区河谷修建拦洪坝工程,进行人工地下水回灌。

3 结 语

近年来,太原市针对岩溶水资源的现状制定完成了若干卓有成效的水资源保护方案。晋祠泉的保护工程包括了古交地下水人工回灌工程、边山支流筑坝蓄水回灌工程、汾河(晋阳湖)引水回灌工程、自流井治理工程、泉域水土保持等。兰村地下水资源保护工程包括了兰村干支流低坝蓄水缓洪入渗工程、泉源美化修复工程。这些有效的岩溶泉域保护工程,使得太原市岩溶泉域保护工作取得了较好的成效和进展,水环境和生态环境都得到了良好的改善。