阳泉市娘子关泉域岩溶水环境现状及成因分析

杨凤鸣

(阳泉市水资源管理中心，山西 阳泉 045000)

1 娘子关泉域概况

1.1 概况

娘子关泉域是我国北部地区最大的泉水，它地处山西之东，太行山之西，地跨阳泉市的平定县、盂县等地域及晋中市的和顺县、左权县等县区，同时还囊括了太原市的迎泽区、小店区、杏花岭区等辖区，娘子关泉域的面积巨大，整体面积达7 217 km2，其中大部分面积为隐伏岩溶区，占总面积的68%，约为4 935 km2，另一部分面积为裸露岩溶区，占总面积的32%，约为2 282 km2。娘子关泉域重点保护区面积为86.5 km2，包括了流经董寨村的温河、流经西武庄的桃河两条河段的下河谷，以及东部温河与桃河汇流后的绵河的河谷在苇泽关的断层处出现的泉水出露带。

娘子关泉属于海河流域滹沱河水系，由11个泉组共同组成泉群，这些泉组包括了滚泉、水帘洞泉、程家泉和桥墩泉等，所有泉组共同分布在程家到苇泽关间，整个分布泉组的河漫滩及阶地长达7 km，出露标高为360～392 m。根据统计资料，在1956—2019年的63 a间，娘子关泉的泉群平均流量为8.5 m3/s，泉水水化学类型一般为SO4·HCO3-Ca·Mg型水，水温为19.2℃。泉域内主要河流有桃河、温河、松溪河、清漳河。据统计数据显示[1]，泉域从1956—2000年的44 a间，平均水资源量达36 271 万m3，可开采资源量为23 687万m3。

1.2 地质及水文地质条件

1.2.1地层岩性

娘子关泉域地处寿阳东北部，其地理位置为凹陷状，凹陷部保持为大向斜趋势，面向北东向翘起，出露地层的地质年代可追溯到太古宙，从东北过度西南地区，地质年代开始由老变新(详见表1所示)。

表1 娘子关泉域地层一览

1.2.2地质构造

泉域范围主要构造有：① 泉域西北边界北东向构造带，以分水岭为基础向上分布，大威山到太原东山间的褶皱及斜列压扭性断裂是该构造带的主要组成，寺家坪至张家河间的断褶带为其起到了阻水作用，构成泉域西北部隔水边界；② 泉域北部阳曲—盂县区域东西向构造带，分布于盂县—平定北部，为北部隔水边界；③ 泉域东部南北向构造带，分布于东部昔阳、平定一带，包括苇泽关断层、巨城—移稂褶断带，构成泉域东部隔水边界，产生沟通南端与北端迳流带，将岩溶水进行有效汇集的蓄水构造；④ 娘子关帚状形状，展布于泉域的荫营、锁簧一带，由开阔平缓褶皱所构成，裂隙发育，向斜轴部富水。

泉域中部的汇流区属于复合交汇地区，受岩溶水溶蚀，空间和径流通道得以加宽，目前是泉域岩溶水的主要富存空间。泉域西部存在相对滞流区，其形成原因在于该处的岩层十分平缓，加之补给径流的条件不佳，使得水流受阻(泉域地质构造纲要见图1所示)。

图1 娘子关泉域岩溶地下水系统构造纲要示意

1.2.3水文地质条件

根据含水介质结构，娘子关泉域地下水可分为4种类型(见图2所示)，具体如下。

图2 娘子关泉域水文地质示意

1) 松散岩类孔隙地下水

河谷、山间盆地及黄土丘陵区是松散岩类孔隙地下水的主要分布区域，松散岩类孔隙地下水的含水层厚度较大，通常在5～10 m之间，岩石属性一般为砂砾石和含砂砾石，松散岩类孔隙地下水的含水量和地表水补给相关，如果无法有效接受到地表水补给，则含水量会下降，但当补给充足且下伏地层以碎屑岩或变质岩为主时，因为碎屑岩或变质岩的良好隔水性，可聚集大量地下水。

因为河谷、山间盆地及黄土丘陵区是松散岩类孔隙地下水的主要分布区域，其分布面积一般为数十平方公里，其排泄补依赖于温河与桃河的渗漏，此外岩区的基岩地下水也能对积层孔隙起到排泄补给作用。

西烟盆地为典型山间盆地，盆地中堆积了厚度达100～200 m的第四系堆积物，因下伏有第三系隔水粘土，形成了有利的地下水赋存条件。黄土丘陵区的黄土堆积厚度一般为10～30 m，多数透水而不含水，仅在局部下伏有第三系红土时才可形成微弱的上层滞水，民井涌水量为1～10 m3/d。

2) 碎屑岩类裂隙地下水

碎屑岩类裂隙地下水主要出现于阳泉的西部地区，以砂岩层作为主要含水层，分布的面积达692 km2。补给方式以降雨入渗为主，水量的分布形式分散，也造成泉水的流量较小，一般<1.0 L/s，此外因为含水层导水性严重不足，造成了含水微弱，在补给有利的地段外，不会出现地下水富集的情况。

3) 碳酸盐岩类裂隙岩溶地下水

主要分布于阳泉市的中、东部，地表出露而积约为200 km2，单井涌水量为10～56 m3/d，最大泉水流量为50 L/s。

4) 变质岩类裂隙地下水

以滹沱河的两岸作为主要分布点，分布面积≈800 km2，与降雨入渗作为主要的补给方式，地表风化壳是其主要储存运移处，由于地形条件对地表风化壳的影响较大，通常不会出现大系统循环，而只是小系统进行循环运移。这部分地下水分布分散且富水性弱，泉水流量一般为0.5～1.0 L/s。

1.3 域岩溶水的补径排条件

娘子关泉域有4个水动力区，按照其作用被分为用于让含水层从外部得到水量的补给径流区，用于汇集各方位的地下径流的汇流区，用于让含水层向外部排出水量的排泄区和滞流区。

1) 补给径流区

2) 径流、汇流区

阳泉东部及平定的中南部以阳泉和巨城为中心的桃河与温河间的三角形地区，面积约为200 km2。该区存在各类构造，属于复合交汇地区，该区岩溶水的补给以大气降水为主，有时也可接受河水入渗补给，该区的水力坡度相对平缓，该区汇集北部、西部和南部3个方位的地下径流构成区域地下岩溶水库，导水系数良好，为在阳泉等地的裂隙岩溶地下水集中开采提供了良好的先决条件。

3) 排泄区

从程家、坡底泉到苇泽关泉，面积约50 km2。娘子关泉是区域岩溶水排泄中心，强径流带在地表下的50～100 m处，主要含水层为O1及∈3白云岩。岩溶结构模糊，发育强度极不均一，绵河沿岸岩溶较发育，泉口处可见大型溶洞。该区岩溶地下水以管道流为主，岩溶发育强度较高，地下管道的出口是该岩溶地的主要泉眼，有很好的富水性。离开泉口不远富水性明显减小，如娘子关磨河滩勘探孔富水性极弱，而泉口附近勘探孔富水性则很强，单井涌水量可达3 000～6 000 m3/d。泉水出露条件和岩溶地下水管道的分布明显受地质构造控制。排泄区地下水具有管道流承压性质。娘子关泉群向下游的潜排量不大，据计算地下潜排量只有0.55 m3/s，基本为全排泄型泉水。

4) 滞流区

主要分布于泉域西部阳泉市、平定县、昔阳县、和顺、盂县以西，阳泉三矿及冶西以西，寿阳、榆次南部。碳酸盐岩埋藏在二、三叠系砂页岩之下300 m以上的地区，面积约为4 000 km2。奥陶系灰岩深埋1 000～1 200 m左右，由于碳酸盐岩含水层深埋，地表水对岩溶地下水基本无补给，地下水驱动力较小，径流条件差，岩溶发育强度相对微弱，推断地下深处岩溶水处于滞流状态。

1.4 泉域岩溶水资源量及开发利用现状

1.4.1天然资源量及可开采量

娘子关泉岩溶天然水资源量为11.50 m3/s，合 36 266万m3/a。不同保证率的泉域岩溶水资源量见表2所示。

表2 娘子关泉岩溶水资源量

考虑到娘子关泉岩溶水主要是向阳泉市城市生活用水和工业生产用水，对于娘子关泉岩溶水资源的开采资源应采用95%的保证率的资源量，因此，娘子关泉域岩溶水资源的可开采资源量为8.06 m3/s，合25 418万m3/a[1]。

1.4.2泉域岩溶水开发利用现状

娘子关泉域被阳泉市人民称为“母亲泉”，其供水量占全市总供水量的80%以上，是整座城市主要的供水来源，阳泉市的开发利用工程主要有泉口提引水和水井取水工程。2018年阳泉市娘子关泉域岩溶地下水开发利用量为9 565.62万m3。取水类型主要包括泉口提引水工程和水井取水工程[2]。

1) 泉口提引水工程

① 阳泉娘子关提水工程。该工程是为了满足市区城市日渐提高的用水需求而建设，工程的总设计提水能力为3 m3/s，总扬程为423 m。2018年供水量为3 623万m3，合1.14 m3/s，对市区工业用水及生活用水起到了一定的保障效果，该工程主要提用五龙泉、石板磨泉水。

② 平定县娘子关提水工程。工程总扬程为700 m，设计取水量为2.09 m3/s， 2018年提水2 178万 m3，合0.690 m3/s。该工程用于满足平定县地区的民众用水需求，及地区的矿场与电厂生产所需的工业用水需求，该工程的取水水源由4个泉水承担。

③ 泉口附近娘子关镇农村及驻地部队的生活、灌溉、水产养殖业用水为1 660万m3，合0.526 m3/s[1]。

2) 泉域岩溶水井取水工程

根据2018年娘子关泉域岩溶地下水开发利用调查统计，截止2018年泉域内共有岩溶地下水开采井315眼，总开采量为3 432.458万m3，其中阳泉市225眼，开采量为2 104.62万m3，占娘子关泉域岩溶地下水总开发利用量的61.3%[3]。

2 娘子关泉域水环境状况

娘子关泉域泉岩溶地下水支撑了阳泉市多年来社会高速发展及能源基地建设，是阳泉市及所辖城镇的主要水资源开发对象，对于城区多年来的发展和建设起到了巨大作用。但近30 a来，因气候变化及人类活动强度加大，娘子关泉域岩溶水系统从输入—结构—输出都发生了根本性变化，其水流量目前正在保持逐渐衰减的趋势，且区域岩溶地下水位持续下降、水质污染并不断恶化等一系列岩溶水环境问题凸显，加剧了阳泉市水资源需求日趋紧张的状况。

2.1 泉水水质不断恶化

泉水的水质污染情况较重，特别是在泉域汇流—排泄区，包括桃河、温河、南川河沿岸及阳泉市区和荫营一带，氨氮总量、氧化物、生化需氧量、化学需氧量等方面都出现了超标，主流河道的水资源质量达到Ⅲ、IV类甚至V类水平；与此同时，有一些区域的水资源污染程度依然严重。从地下水层面来分析，目前还不能满足阳泉市工业生产及农业灌溉的需求，只有少部分水源可满足人畜饮用标准；与此同时，还有一些区域的地下水各种元素目前处于严重超标的状况，而因为这个因素也拉低了整个市区的用水质量。由此可见，虽然目前娘子关泉只是局部区域污染严重，但是不及时进行解决，那么必然会影响到阳泉市整个用水质量。根据阳泉市环保部门监测数据，桃河白羊墅断面、南川河南坪断面、温河辛庄断面、荫营河河北断面、温河温池断面水质均为Ⅴ类甚至劣Ⅴ类，污染程度明显加剧。超标项目主要有季铵盐、细菌微生物等。

从20世纪80年代以来，阳泉市区的工业产业迅速发展，形成了大量的废水，其中包含了大量的有机物，无法实现生物降解，这些氨氮、硫酸盐、细菌微生物严重影响着微生物生长，对地下水水质造成了污染效果，近几年，城市化建设战略正在快速推进，市区的工业产业大力发展，岩溶水地下水水质中的溶解性总固体、矿化度等指标含量呈增长趋势，有的已经超过国家饮用水标准，岩溶深井不同程度均受到了污染。据统计，岩溶水井水质评价为Ⅳ类水以上的占全市岩溶井数的60%以上。污染指标中，个别深井硫酸盐已由20世纪80年代180 mg/L上升到现在的500 mg/L以上，最高达900 mg/L；总硬度由20世纪80年代340 mg/L上升现在的800 mg/L，最高达900 mg/L。

2.2 泉水流量衰减

自20世纪60 年代以来，泉流量由于受降雨量影响，有一定波动外，总体呈趋势性下降状态，历史最大值出现在1964年的15.75 m3/s，最低值出现在2005年的6.14 m3/s，2019年实测流量为7.19 m3/s，年径流量为22 674万m3，多年(1956—2000年)平均流量为10.95 m3/s，21世纪以来，泉水平均流量为 6.66 m3/s，仅为20世纪80年代前平均流量的60.8%，程家泉、石桥泉、水帘洞泉3个泉眼已相继断流。1956—2019年娘子关泉历年径流量动态变化情况见图3[2]。

图3 娘子关泉历年径流量动态示意

2.3 岩溶地下水位趋势性下降

表3是部分钻孔水位在20世纪70、80年代与90年代比较结果，随着近年来当地水行政主管部门在娘子关泉域范围内实施“关井压采”计划，地下水开采量不断减少以及泉域天然降水补给量的增加，娘子关泉域岩溶地下水水位得到一定程度恢复，但距1982年前相对稳定的平均水位仍有一定差距(见图4)[4]。

表3 娘子关泉域奥陶系岩溶地下水位降幅对比 m

补给区—昔阳水位

2.4 煤矿老窑水污染已开始显现，未来岩溶水将面临严峻的潜在威胁

阳泉市矿产资源极为丰富，含煤面积为1 051 km2，是全国最大的无烟煤基地。长期以来，煤炭的大量开采造成了地下水的环境破坏，由于主流河道上游区域有一些矿工企业，企业排除的废水影响到水的质量，加之近年来工厂的增多，阳泉市的水资源耗用量也在不断提升；此外，还有很大一部分农村居民为了能够灌溉农田，私自深挖地下水，一定程度上也会浪费现有的地下水资源；与此同时，地下水水位开始具有下沉的趋势。具体的问题表现为：

① 煤系地层处于岩溶水系统上游补给区，采煤活动形成的大量矿坑水流入裸露区后以渗漏方式导致地下水受到污染；

② 经过数十年的大规模开采，娘子关泉域内已形成数千万立方米以上的采空区，目前泉域中部阳泉市5个矿区煤炭资源接近枯竭，1个矿区已闭坑，其余4个矿将在20 a内相继闭坑；随着煤炭资源的枯竭、矿井废弃，采空区将为地下水充填形成“老窑水”，这些“老窑水”充满矿井后必然出流地表进入地表河道，如果进入地下水的补给体系，将对环境形成极大的破坏。

图5 山底河老窑水(上游)示意

图6 山底河老窑水(下游)示意

3 成因分析

3.1 泉水水质恶化原因分析

在治理污水的过程中，要注意合理保护泉水水质。在阳泉市的稳定发展中泉水水质起到很大影响，因此，需要合理保护泉水水质。然而就当下实际情况来看，仍可见到泉水水质受到污染的情况，如在水源地周围进行农作物种植，或养殖畜牧等。水质恶化的原因总结为以下5个方面。

1) 矿坑水排放和老窖水出流。煤矿开采期间矿坑水排放和闭坑后老窖水的外溢，造成岩溶泉水硫酸根离子、总硬度超标。矿井排水大多为酸性矿坑水，因同时近年来发现部分关闭煤矿老窖水已出流地表，如郊区山底河，日出流量达4 000 m3左右。关闭煤矿老窑水出流除一部分流出地表外，多数以地下潜流、越流的方式补给岩溶水，是造成岩溶水污染的主要污染源(见图7～8所示)。

图7 某煤矿矿坑水排放示意

图8 某煤矿闭坑后出流矿坑水示意

2) 由于泉域内阳泉市和工业主要分布于上游的碎屑岩区，近年来阳泉市的城市人口数量上升，工业体系建设速度加快，由群众日常活动产生的生活用水，工业产生而排放的污水以及垃圾产生的雨水淋滤污水都会随河流流向下游的石灰岩裸露区，在石灰岩河道大量渗漏补给岩溶水，这些污水之中含有大量的有害物质，在渗漏过程中会造成岩溶泉水的污染。

3) 大气污染(酸雨)。燃煤电厂等所产生的废水中一般含有的表面活性剂和油类污染物，这些活性剂和油形成的乳化液相对稳定，难以清除，此外燃煤电厂的二氧化硫排放进入大气溶解于水汽会形成酸雨，随雨水进入岩溶含水层而造成岩溶水的污染。与周围地区降雨水质对比分析，阳泉市雨水水质较周围地区中的化学组分含量明显偏高，pH值偏小，酸雨或是水质较差的雨水作为大范围的地下水面状补给形式，是造成泉水硫酸盐及其它化学组分含量增高的因素之一。

4) 其他污染。农田化肥、农药的面状污染，农村养殖场、煤矸石堆放场、洗煤厂的降雨淋滤等污染。

5) 泉域地质环境条件。泉域地质环境条件是造成泉水污染的客观因素。泉域地层倾向与岩溶地下水流向相反，上游为煤系地层区，而下游为石灰岩漏水地层区，这样会使上游产生的各种污染，如工业、生活污水，煤矿矿坑水等污染，都会随河流进入下游的裸露灰岩区大量渗漏补给岩溶水，造成岩溶泉水的污染；岩溶含水层夹有硫酸盐层(石膏)，煤系地层含硫铁矿，造成地下水硫酸盐、总硬度、矿化度背景值含量高；泉域汇水面积大，岩溶水循环周期长，污染物叠加效应。

3.2 娘子关泉水流量衰减原因分析

1) 降水量的减少。华北地区20世纪70年代以来，大气降雨量总体呈减少趋势，与之前30 a相比降雨量减少约13%。当降水量发生变化时，地表产流量减少，导致对岩溶地下水渗漏补给量的减少。

2) 上游地表水及浅层地下水的开发利用。阳泉市在娘子关泉域径流汇流区建有近20座中小型水库，年供水量800万m3，近年来桃河上游用户大量开采河谷冲洪积层孔隙地下水，年开采量达1 000多万m3，使得向下游的地表下泄量大大减少。

3) 煤矿开采的影响。阳泉市煤矿经过多年的开采，目前已形成煤矿、铁矿、硫铁矿、石膏矿采空区投影面积371.32 km2，初步估算形成的采空区体积约有8.2亿m3，而且每年还以3 500万m3的采空区体积在增加。采煤引起地面沉降、塌陷和裂缝等地面变形，改变了水文下垫面的径流条件，部分区域的地下水水层已经接近枯竭，而且还形成了漏斗一样的空洞底层。导致石炭系层间岩溶水和二、三叠系碎屑岩裂隙水补给量减少，从而导致岩溶地下水补给量随之减少。

4) 开采量的增加。泉域内岩溶地下水的开采对娘子关泉水流量的衰减影响是直接的，开采量与泉水流量的减少量之间可以认为是1：1的关系。据统计，从20世纪80年代以来，阳泉市在泉域范围内开凿岩溶深井230余眼，开采量达到2 800万m3。

5) 外围潜流补给量的减少变化。从20世纪80年代后期开始，由于太原东山、榆次等地岩溶地下水的大量开采，造成了区域地下水位下降，从外围的昔阳、寿阳进入阳泉的岩溶地下水潜流量大大减少，导致了娘子关泉水流量的减少。

6) 地面硬化面积增加，下渗补给面积减少。近十几年来，城镇建设不断扩张，道路交通、住宅、建筑设施等用地不断增加，地面硬化面积越来越大，使得降雨入渗面积不断减少，从而导致了降水入渗补给量减少，随着城镇化进程的加快，这也是不容忽略的一个原因。

4 阳泉市已开展的泉域保护治理工作

娘子关泉作为阳泉市人民的主要供水水源，其水环境状况恶化已引起阳泉市政府和相关管理部门的高度重视。近年来，阳泉市采取了一系列工程及非工程措施有效保护娘子关泉，主要包括以下几方面工作。

1) 实施地下水关井压采和水源置换工程。自2015年实施关井压采以来，全市累计关闭、停用岩溶深井40余眼，地下水开采量减少400余万m3，岩溶地下水开采量的减少使得娘子关泉流量一定程度上有所回升。

2) 实施废弃水井封堵治理。2017年2月，阳泉市水利局出台《阳泉市废弃污染水井封堵工程实施细则》，同年5月阳泉市质量技术监督局以阳泉市地方标准发布《废弃水井封堵工程和污染水井治理规程》，于2017年6月1日在全市范围实施。该标准的发布为我市废弃污染井封堵治理工程提供了技术规范和标准要求。标准实施以来，全市共治理和封堵污染水井20余眼，经对污染水井治理前后水质化验比较，岩溶深井水质有了明显改善，有的已达到生活饮用水标准。

3) 开展老窑水治理研究。近年来，阳泉市水利局与相关科研单位和技术院校开展了山底河流域煤矿“老窑水”水质动态特征及室内处理试验研究，采用中和法、淋滤法、微生物法开展室内模拟处理“老窑水”试验，取得了一定的成果。同时，计划用3 a时间对山底河流域老窑水进行连续监测，查明山底河流域老窑水微生物群落的分布特征，筛选和驯化土著和外源硫酸盐还原菌，构建耐低温高效硫酸盐还原菌群落，对山底河流域老窖水的适应性，优化微生物反应工艺参数，提高微生物对老窖水中硫酸盐的还原效率。

4) 对重点保护区灰岩裸露河段进行治理。通过河道清淤疏浚、建设泉口护岸和生态护坡等工程措施，改善泉水出露区泉组周边环境、防止淤积和污染，增加河流渗漏量和泉水出流量，改善地表水水质。2019年阳泉市城区农业农村局开展了娘子关泉域重点保护区水资源保护工程，该项目总投资550万元，对泉域强渗漏段(小河段)进行综合治理，通过清理河床、淤泥、在桃河两侧设置防护网及标识牌摆等综合整治措施有效改善泉域周边环境、防止淤积和污染，增加娘子关泉域渗漏补给量。目前项目已基本完工，根据阳泉市环保部门2020年1—4月地表水水质断面监测，桃河小河段面地表水质达到Ⅲ类水，较治理前的Ⅳ或Ⅴ类水质有了明显改善，水源保护治理工程初见成效。

5 结语

娘子关泉域是一个跨多个行政区域的巨型水资源系统，岩溶地下水的水质污染治理涉及到很多相关水资源类型，涉及到不同的行政区和部门，当地政府加大对泉域水环境的保护治理工作，采取政策、技术、工程、管理等措施从水质、水量两方面开展保护治理工作，加强泉域保护方面的立法工作，积极探索“老窑水”治理方法试验研究，寻求阳泉市替代水源，减少泉域岩溶地下水开采量，保证娘子关泉域水质得到有效改善，水量止降回升。