娘子关泉域泉口区岩溶水文地质特征分析

孙志鸿

（阳泉市水务局 山西阳泉 045000）

娘子关泉域泉口区岩溶水文地质特征分析

孙志鸿

（阳泉市水务局 山西阳泉 045000）

娘子关泉由11个主要泉组成，分布在自程家至苇泽关约7 km长的河漫滩及阶地上，泉群多年（1956—2011年）平均流量9.98 m3/s，泉水水化学类型一般为SO4-HCO3-Ca·Mg型。通过娘子关泉域泉口区水文地质特征分析，认为泉口区白云岩岩溶发育深度较浅、发育程度随深度而减弱；泉点之间水力联系密切；因为近期受人为因素及降雨量减少等因素影响，导致泉流量衰减。文中为娘子关泉保护利用提供科学决策依据。

娘子关泉口区；岩溶发育规律；水力联系

1 娘子关泉域水文地质概述

娘子关泉域属暖温带大陆性季风气候，多年平均降水量534.3 mm，主要河流有桃河、温河、潇河、松溪河，其分布跨海河及黄河两大流域。

娘子关泉域总面积7 217 km2，其中裸露可溶岩2 282 km2，覆盖区面积4 935 km2。娘子关泉域范围内出露地层由老到新为：寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、新生界。泉域位于山西中部太行山隆起区，处于三个次级构造单元的过渡地带，即阜平隆起南部、赞皇隆起西侧和寿阳拗陷东北端，构造控制泉域地层的基本走向，使泉域主要分布的中奥陶统可溶岩向西和北西缓倾，泉域宏观的地层形态特征为NE翘起、WS倾伏的簸箕状向斜构造。泉口区下奥陶统白云岩层的阻水作用和绵河深切河谷是泉水在此形成出露的主要原因，而非由苇泽关断层阻水形成出露。

泉域内碳酸盐岩，根据时代、岩性、岩溶发育情况、含水、隔水、透水能力及水力特征可划分为如下几个含水岩组和隔水岩组：1）寒武系白云质灰岩裂隙岩溶水含水岩组，下部以紫红色页岩、泥岩夹白云岩为主，为区域内稳定的隔水岩层；2）下奥陶统白云岩裂隙岩溶水含水岩组，其中含燧石结核的白云岩及泥质白云岩，除排泄区和构造断裂破碎带岩溶较发育外，大部分深埋于O2x之下，岩溶裂隙不发育，径流缓慢，含水微弱，多构成系统内相对隔水底板；3）中奥陶统灰岩岩溶裂隙水含水岩组。中奥陶统可溶岩是区内最主要的岩溶含水层，总厚600 m左右，为一套碳酸盐岩—硫酸盐岩混合建造。按其岩性组合特征，又可分为三组八段，自下而上为下马家沟组、上马家沟组和峰峰组。每组底部膏溶角砾岩构成隔水底板。各组、段岩性和岩溶发育强度有较大差异，随所处构造与水文地质部位不一，含水透水性能也不尽相同。宏观来看，仍可将其视为一有密切水力联系的统一岩溶含水岩组。

娘子关泉主要接受裸露岩溶区的大气降水入渗及河流渗漏补给，同时，在西部隐伏岩溶区还可接受碎屑岩裂隙水的少量越流补给。由于泉域范围广，包气带厚度大，巨大的地下调蓄库容逐渐将丰水年和汛期的集中补给量，经过曲折缓慢的渗流汇聚，转化成连续的地下径流，在娘子关以泉的形式排泄。娘子关泉域岩溶水系统流场总形态为以娘子关泉群为排泄点，呈半辐聚状水动力网，具有统一流场和水位。

由于中奥陶统灰岩岩溶含水层内含有大量石膏夹层，上覆石炭系底部夹硫铁矿层，煤层含有较多硫化物成分，在本区特定的地质条件下，石膏的溶解和硫铁矿的氧化作用使水中硫酸根离子含量较高。在水动力场和水化学场的控制与影响下，水化学类型有明显的分带性特征：从补给区至排泄区，从浅部向深部，硫酸根离子含量和矿化度逐渐增高，水质类型逐渐由重碳酸钙镁型向重碳酸、硫酸钙镁型及硫酸、重碳酸钙镁型过渡。

岩溶水动态明显地受着大气降水的控制与影响，在年内和年际间都有显着的丰枯变化。同时，由于岩溶水具有良好的地下调蓄功能，岩溶水的动态又较稳定。据山西省第二次水资源评价结果，娘子关泉域岩溶水水资源量为36 271万m3。

2 泉口区岩溶水文地质特征

娘子关泉群是泉域岩溶水排泄中心，出露于温河石桥、桃河程家以东至苇泽关断层以西，长度约7km的区域。泉口区出露地层为：下奥陶统和寒武纪白云岩、灰岩。主要含水层为O1和 ∈3灰岩、白云质灰岩，属于裂隙管道含水介质。岩溶发育强度和富水性极不均一：绵河沿岸、泉口及构造破碎带附近有大型溶洞，岩溶发育，富水性好。离开泉口不远，富水性明显减弱。岩溶水以管道流为主，主泉眼为地下水管道出口。由于下奥陶统中、下部白云岩层厚而稳定，岩溶发育非常微弱，透水性很差，从苇泽关至南峪，水力坡度由5‰猛增到37‰，泉口区以下地下潜流量很少，娘子关泉可视为全排型岩溶泉水。泉口区先后采用多种方法测得岩溶水天然流速为7.7～20.64 m/d，同我国南方溶洞管道型岩溶水流每日上千米的流速相比，泉口区岩溶水实际流速是很小的，远远小于产生紊流的临界速度，岩溶水流态基本上属层流运动性质，符合达西线性定律。

泉口区岩溶水位变化特征：泉群年内、年际变化小，远离泉群的上游地区变化越来越大。泉群中出露位置较低的泉口附近（如五龙、坡底、城西、桥墩泉）比出露位置较高的泉群如水帘洞、河坡泉等水位变化幅度要小。水位多年变化趋势呈缓慢的下降趋势。

泉群流量变化特征：流量具有稳定性，滞后效应明显。受降雨影响又具有周期变化特征。年内变化特征为：流量随季节变化而波动，谷值多出现于5月份，雨季过后3～4个月，流量达到年内峰值，峰值变化在一定程度上出现陡升、缓降之特点；多年周期变化特征：与多年降雨量一致具有12年周期变化。泉群多年（1956—2011年）平均流量9.98 m3/s。近年来呈下降变化趋势。

泉口区岩溶水化学特征：岩溶水的化学成分和水化学场，是渗透水流与渗流场内的岩石，主要是可溶岩相互作用的结果。各处水化学成分和水化学场的变化，与岩溶水系统结构和含水层的岩性特征及其所处水文地质部位密切相关。在水动力场和水化学场的控制与影响下，泉口区岩溶水化学成分的形成既有水岩系统的相互地球化学作用、又有不同迳流带及其同一迳流带不同空间位置的岩溶水流混合作用，故大部分泉水化学成分相同，但少部分水化学成分比例有所不同。水化学类型多为SO4-HCO3-Ca·Mg型，少部分为HCO3-SO4-Ca·Mg型。从泉水长期水质资料看，水质动态基本稳定，近期由于人为因素影响，水质逐渐变差。

2.1 泉口区白云岩岩溶发育深度

从白云岩岩溶发育的固有规律来看，在饱水带以下岩溶发育强度基本上是微弱的。据坡底泉区岩溶水勘探钻孔资料：白云岩岩溶发育深度一般为40～50 m，岩溶发育程度随深度而减弱，地下岩溶形态主要为溶蚀裂隙和中小型溶洞。说明娘子关泉口区白云岩岩溶发育深度较浅。究其原因：岩溶发育深度主要受排泄基准面高程、地层岩性、水动力条件、新构造运动趋势等因素控制。1）娘子关泉群泉点均分布于绵河谷地，泉点出露高程与河谷高程基本上齐平，娘子关泉属底板阻溢型泉，含水层倾向与岩溶水流向相反，构成反坡蓄水构造。饱水带岩溶水由补给区承压水转为泉口排泄区潜水，运动状态由垂直向运动转为水平运动，岩溶水流下蚀能力减弱，侧蚀能力增强，因此便形成浅埋的溶隙、溶洞及串珠状的管道；2）泉口区饱水带以下，岩溶水流动缓慢，岩溶发育分异作用受阻，微小岩溶形态难以发育扩大，因此泉口区饱水带深度以下白云岩岩溶发育程度极为微弱；3）更新世以来，本区地壳一直处于抬升趋势，绵河谷地形成了三级阶地，河谷切割深度70～100 m。近代岩溶发育速度与基准面抬升速度是相适应的，因此白云岩岩溶发育深度较浅。

2.2 地质构造控水作用

在娘子关泉域补给、径流区中奥陶含水岩组中岩层控制水作用占主导地位，而在泉口区下奥陶白云岩层中地质构造则具有明显的控水作用：1）地质构造控制泉点出露部位。如苇泽关泉和禁区泉出露于同一条北西西向张扭性断裂带，该断裂横穿娘子关背斜。水帘洞泉出露于张扭性断裂带。五龙泉与石板磨泉均受断裂带控制。城西泉与坡底泉主要受南北向和北北东向两组断裂控制。2）地质构造控制白云岩岩溶发育程度。开挖五龙泉时发现一个葫芦状溶洞，其短轴长度5.5 m，长轴长度8.5 m，走向与断裂带一致，又如苇泽关绵河岸边的白云岩洞穴就是沿断裂带形成的，洞身宽5～8 m，长25 m，没有旁支，具有典型的白云岩溶洞的特征。白云岩溶洞明显受构造断裂控制。3）地质构造控制白云岩富水程度。泉口区下奥陶统白云岩富水程度差异性较大：坡底孔位于断裂导水带，其单位涌水量高达670 m3/（h·m）；区东武庄孔位于较完整的白云岩层中，其单位涌水量仅有0.141 m3/（h·m）；1991年程家白云岩分布区连打三个干孔，明显反映出白云岩富水程度的非均一性和构造控制作用。

2.3 泉点之间水力联系

娘子关泉群各泉点虽泉水来源不尽相同，但受统一流场控制，水力联系密切。据娘子关五龙泉开挖抽水试验报告，在五龙泉开挖和抽水过程中，发现对石板磨泉流量有直接影响，对下游水帘洞泉亦有较为明显的影响。当五龙泉开挖抽水时，水帘洞泉流量历时曲线呈陡坎式下降，当五龙泉抽水停止后，水帘洞泉流量便马上开始增大，其水力联系十分密切。另据城西泉抽水试验资料，城西泉抽水流量增加0.31 m3/s，坡底泉流量则由0.79 m3/s减至0.68 m3/s，城西泉抽水对坡底泉流量有直接影响。

总的来看，泉点间水力联系机制与白云岩层导水特征密切相关。每个泉点为一个相对独立的岩溶水排泄中心，其排泄通道主要为岩溶管道和一些主干导水溶隙。泉点间水力联系是通过次一级导水通道进行的，而不是一些主干导水通道，否则就不能形成独立的泉点，如五龙泉开挖时发现有一条溶蚀裂隙与石板磨泉相沟通。由此可见，泉点间水力联系不是大面积白云岩含水层之间的联系，而主要是导水裂隙之间的联系。

2.4 泉口区氢氧同位素分析

山西省地质工程勘察院赵敬孚等于1988年至1993年从桑掌至娘子关泉口共取了六组测示氘、氚、氧-18的样品，环境同位素测示成果显示：1）六组样品点δD和δ18O含量测示数据值均落在全球大气降水线（GMWL）δD=8δ18O+10（Craig，1961）附近，说明大气降水为娘子关泉域各类地下水的补给源。2）从泉域径流区至泉口区氚含量递减，说明泉口区比泉域径流区岩溶水滞留时间长，由新水变老水；1993年7月中国地质大学孙连发等系统采集了娘子关泉群的五龙泉、石板磨泉、滚泉、河坡泉、桥墩泉、城西泉、坡底泉、禁区泉、苇泽关泉、水帘洞泉等十处泉水，进行了δD、δ18O和T同位素组成测定。各泉在δD-δ18O图上各泉数据值均落在全球大气降水线附近，但呈现出一种较离散的分布特征：苇泽关坎下泉位于δD和δ18O值偏小的左侧，城西泉则位于δD和δ18O值偏大的右侧。由于在山区，大气降水中的同位素值存在明显的高程效应，即海拔越高，δD和δ18O值越低，这种分布特征在很大程度上反映水动力条件的差异：苇泽关坎下泉的补给高程较大，其形成主要与远处补给的区域和中间流动系统有关，而城西泉的补给高程较低，来自局部流动系统的岩溶水在其水资源量组成中占比重较大。其余各泉，均带有在苇泽关泉和城西泉之间过渡的特点，由来自区域、中间和局部流动系统的岩溶水混合排泄而成。

据1985年3月至1986年6月泉水氚值监测资料，水帘洞泉氚含量变化在30.36 Tu至本底值的区间，此间大气降水氚含量为40～60 Tu，而1993年9月该泉氚含量8.59 Tu，水帘洞泉氚含量变化极为剧烈。究其原因，水帘洞泉氚值变化与其排水机制密切相关，高氚值时泉水排泄饱水带上部的新水，低氚值时泉水排泄深循环的老水，说明新水补给急剧减少。与水帘洞泉氚含量最接近的是程家泉，表明二者在水文地质性质上也最接近，由此也不难理解二者相继断流的内在原因；与水帘洞泉氚含量的急剧动荡变化形成鲜明对比的是五龙泉，在各取样时间中，该泉的氚含量均处于较低或最低的位置，这表明该泉是娘子关泉域内区域和中间流动系统的一个主要排泄去路，泉流量稳定；氚含量波动较大的是坡底泉（由47.14 Tu降至16.5 Tu）。结合水化学分析结果（该泉的水化学成分呈现出较大的季节性波动）说明该泉受就近补给影响大。

3 泉群流量减少的原因分析

由于娘子关岩溶水系统是不断与环境进行物质、能量、信息交换的开放系统，极易受到环境的影响，使输入-输出关系发生明显改变。娘子关泉群流量近期因受人为因素及降雨量减少等因素影响，泉群年平均流量不断减少。出露位置较高的石桥泉、程家泉、水帘洞泉、河坡泉已断流多年。

1）降雨量对泉流量的影响：娘子关泉流量与降雨量关系密切。泉流量随降雨量年内变化而变化，且多年变化周期一致。1956—2010年娘子关泉域降水量均值介于450～697 mm之间，多年平均降雨量为522.8 mm。从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，表明娘子关泉域降水量总趋势从20世纪70年代开始下降，90年代最低，2000年以后开始逐渐增加，但总的呈减小趋势，泉流量随降雨量减小而减少。

2）采煤对泉流量的影响：（1）采煤引起的地面沉降、塌陷和开裂变形，导致地表水及降水入渗量的增加和河川迳流量的减少；（2）采煤疏排水使石炭系以上地层间水资源大大减少，使蒸发量、降水入渗量转换为贮存量的部分增加，从而截夺部分补给量导致泉水流量逐年减少。

3）岩溶水开采对泉流量的影响：大量开采岩溶水使岩溶水位逐渐下降，包气带厚度逐渐增加，河水和降水入渗量转化为贮存量的部分增加，而转化为泉水流量部分减少，最终截夺部分补给量使泉流量逐年减少。

4）其他活动对泉流量的影响：修建水库截夺地表水迳流量，使岩溶区的河水入渗量大大减少，减少了岩溶水的补给量和泉水流量。植被的破坏、城市规模扩大等人为活动使蒸发及其他消耗增加，降水入渗量减少，导致泉流量逐年减少。

4 结论与建议

泉口区下奥陶统白云岩岩溶发育深度较浅，岩溶发育程度极为微弱，地质构造则具有明显的控水作用，富水程度极不均一，泉点间水力联系密切。各泉补给范围、水化学成分不尽相同。近期受人为、降雨量减少等因素影响，泉群年平均流量不断减少，水质不断变差，保护娘子关泉域水资源意义非常重要。

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

孙志鸿（1969-），男，1990年毕业于中国地质大学（武汉），高级工程师。

1006-8139（2017）03-051-03