晋祠泉域岩溶地下水防污性能评价与水质保护区划分

晋祠泉域岩溶水是太原市生活和工农业生产等重要的水源。文章以新划分的晋祠泉域岩溶水系统为评价对象,在欧洲方法及“水量脆弱性评价”的基础上,选取包气带厚度、入渗补给强度、上覆地层岩性及岩溶含水层的富水性4个指标,进行泉域岩溶水系统防污性能评价及水质保护区划分。结果表明:泉域泉源保护区主要分布在晋祠公园及周边;一级保护区主要分布在汾河主干流、西山山前碳酸盐岩裸露区,屯兰川、天池河及柳林河碳酸盐岩渗漏段等;二级保护区主要分布在泉域北部、汾河北岸等;准保护区主要分布在汾河南岸、东南部的太原盆地地区等。

ERT在晋祠泉复流工程地下水勘查中的应用

晋祠泉具有重要的人文及社会价值,晋祠泉复流对山西省生态文明建设意义重大。通过地表水源置换地下水,在适宜地点修坝蓄水,抬升水位,可加大晋祠泉域入渗补给,促进晋祠泉早日复流。结合前期地质调查结果,在主要渗漏段布设4条高密度电法ERT(Electricity Resistivity Tomography)测线,在研究主要渗漏段的分布特征、渗漏性能及工程适宜性等方面均取得了一系列成果与认识,为开展地表水补给地下水工程选址提供了科学依据。结合数值模拟结果,认为龙尾头L2测线处,即古交市与娄烦县交界,靠近龙尾头村处地层具有良好的垂向及侧向渗透性,且该处地势开阔,地形条件良好,是较适宜的建坝地点。

山西太原晋祠—兰村泉水复流的岩溶水文地质条件新认识

晋祠泉和兰村泉是山西著名的岩溶大泉,受自然条件变化和人类活动的影响,两个泉于20世纪末相继断流。针对山西省政府提出的要使晋祠、兰村泉水复流的生态修复目标任务,文章在泉域水文地质调查基础上,就泉水复流密切相关的四个关键性岩溶水文地质条件问题开展研究并提出了新认识。核实了目前划定的晋祠—兰村泉域边界,依据最新资料对现行的晋祠、兰村泉域边界提出了7处修正,修改后晋祠泉域面积由2 030 km2变为2 713 km2,兰村泉域面积由2 500 km2变为2 614 km2。汾河二库在蓄水后库区的主体部分划归到晋祠泉域而非兰村泉域,其渗漏补给是造成近年来晋祠泉域区域岩溶地下水位大幅回升的主要原因。确定了晋祠泉域内盘道—马家山断裂带是一个岩溶水强富水带,也是岩溶地下水从北部中、上寒武统含水岩组向南部中奥陶统含水岩组的转换带。圈定了晋祠泉域:玉门河南峪村—杜儿平煤矿东侧—官地矿与白家庄矿交界处—龙山—明仙村东—晋祠泉的岩溶地下水强径流带。这些认识是开展晋祠—兰村泉域岩溶地下水资源评价、地下水开发管理和保护的基础,更是制定晋祠、兰村泉水复流方案的重要依据。

北方岩溶大泉流量动态模拟及其管理

在充分研究晋祠泉流量动态的基础上，分析了影响晋祠泉流量的主要因素，并利用时间序列分析方法，建立了晋祠泉流量动态的模拟模型，在此基础上，提出煤矿排水管理曲线图的方法来管理晋祠泉域岩溶水资源。

山西晋祠泉在引水条件下的可再生性研究

应用模糊线性回归与时间序列分析手段 ,通过分析长期动态资料 ,建立起晋祠泉流量与降水量、汾河渗漏量、矿坑排水量及人工开采量之间的模糊关系方程 ;在此基础上预测了在万家寨引黄工程完工后 ,晋祠泉域在地下水得到涵养条件下的可再生性 ,同时还预测了不同方案调控条件下 ,晋祠泉的大致出流时间。在一般情况下 ,晋祠泉的大致出流时间在 2 0 0 7～ 2 0 0 9年之间。为了实现晋祠早日复流 ,节流是今后最重要的管理措施 ,同时应该注意晋祠泉的水质保护问题。

山西太原晋祠—平泉水力联系及对晋祠泉复流的贡献

晋祠泉出露于山西太原西山悬瓮山下,由难老泉、圣母泉、善利泉组成。1954—1958年实测泉水平均流量为l.94 m^3/s。与晋祠泉同处山前断裂带的平泉于1978年成为特大岩溶水自流井水源地,自流量最大达到1.56 m^3/s。由于这些自流井的开采,使晋祠泉的流量急剧下降,1994年4月30日断流。研究山西太原晋祠泉—平泉水力联系对晋祠泉复流方案制定具有重要意义。本文以晋祠泉、平泉为研究对象,通过样品采集、水质监测,综合运用水化学(离子比例、硫同位素、氢氧同位素)方法。揭示晋祠泉—平泉水文地球化学特征和环境同位素特征,反映地下水流系统的特征、水力联系特征。得出1980—1992年,晋祠泉地下水水位的变化呈稳定下降趋势,主要原因是有太原化学工业公司、开化沟、清徐县平泉村和梁泉村等水源地大量开采岩溶地下水,导致地下水水位下降。晋祠—平泉一带岩溶地下水氢氧同位素值较接近,说明这一带岩溶地下水补给来源与补给途径相近。水质监测分析得出晋祠泉与平泉各个离子变化趋势基本一致。说明晋祠与平泉存在紧密的水力联系,因此晋祠泉与平泉必然存在一个比较强的导水通道。可以通过在晋祠泉下游导水通道上帷幕灌浆,提高晋祠泉水水位,使晋祠泉出流。

晋祠岩溶泉流量衰竭分析

根据晋祠泉域41年的补径排资料,对晋祠泉流量的衰减进行了综合分析,得出了导致晋祠泉断流的因素有:大气降水量、汾河渗漏量、人工开采量(含采煤排水)、太原盆地孔隙水开采量等,其中人工开采岩溶水(含采煤排水)是引起泉流量衰减的最主要因素。

疏干开采条件下晋祠岩溶水系统的水箱模型

根据晋祠岩溶水系统的水均衡要素,建立晋祠岩溶水系统水箱模型及水均衡方程。使用晋祠岩溶水系统的补给量、排泄量和岩溶水位等数据建立晋祠岩溶水贮量的亏缺量与岩溶水位间的关系,采用非线性回归分析建立泉流量与岩溶水位的关系,并利用这两个关系替换水均衡方程中的未知量,从而求解所建水箱模型。通过1981至2006年的岩溶水位、亏缺量、泉流量数据检验所建模型,并以绝对误差的绝对值及线性相关系数评价模型的模拟效果。结果表明岩溶水位、亏缺量、泉流量模拟结果的误差均小于0.5,多数误差值小于0.01,线性相关系数均大于0.7,说明所建模型能够较准确地在以年为单位的时间尺度上模拟泉流量、岩溶水位和亏缺量的变化。该模型考虑了人工补给量、管井开采量及煤矿排水量等人为因素,可用于宏观的地下水资源保护及管理。

基于EOF和M-K的晋祠泉域岩溶地下水水化学时空变化特征分析

为研究晋祠泉域岩溶地下水水化学的时空变化规律,以2001-2014年该泉域内具代表性的岩溶水监测点水质资料为基础,以pH值、7大主要离子及TDS作为因子,运用经验正交函数(EOF)分析与Mann-Kendall(M-K)突变分析相结合的方法,对晋祠泉域14年的水化学场进行时空结构分离。结果表明:在空间分布特征上,pH值由北向南逐渐减小,汾河中段以南出现低值区;Ca^(2+)、Mg^(2+)、HCO^-_3、SO^(2-)_4和TDS的空间变化趋势相似,整体上均是由北向南逐渐增加,等值线在古交一带较周围地区升高;K^++Na^+和Cl^-含量在整个泉域普遍较低,但K^++Na^+在泉域边界处的王封和西寨一带含量升高,Cl^-在古交以及西华苑处增高。在时间演化特征上,从2001-2014年pH值、Mg^(2+)、K^++Na^+、HCO^-_3和Cl^-含量基本在平均值上下波动;Ca^(2+)和SO^(2-)_4含量逐年降低,且分别在2008年和2009年之后呈明显的下降趋势;TDS在2005-2007年呈明显的下降趋势,在其它时段下降趋势不显著。

基于修正PI模型的晋祠泉域岩溶水脆弱性评价

为有效管理和应用晋祠泉域岩溶地下水资源,需要确定晋祠泉域岩溶地下水保护带。根据晋祠泉域水文地质条件及岩溶地下水特征,在PI评价模型的基础上,增加煤层开采S和人工排泄Ad两个影响因子,构建PISAd指标体系,应用CIM-AHP评价体系,基于GIS技术,对晋祠泉域岩溶地下水脆弱性进行评价。结果表明:晋祠泉域岩溶地下水脆弱性分区面积比例由大到小依次为高脆弱区38.3%、较高脆弱区26.8%、中等脆弱区18.0%、较低脆弱区9.8%和低脆弱区7.1%。高脆弱区主要集中在灰岩裸露区、汾河渗漏段以及煤层带压开采区。

晋祠泉域地下水开采决策的风险分析

以山西省太原市晋祠泉为例 ,在简要阐述研究区基本条件及风险分析基本概念的基础上 ,对该泉域地下水开采决策进行了风险分析 ,计算泉水发生断流的概率 ,分析断流对工农业生产、旅游业和生态环境的影响 。

山西晋祠泉复流时间的人工神经网络预测

由于岩溶地下水的长期过量开采 ,晋祠泉自 1994年出现断流至今 ,目前正在兴建中的万家寨引黄工程将使晋祠泉域的地下水得到一定程度的涵养 ,因此晋祠泉能否与何时复流已经成为许多人关心的问题。针对上述问题 ,本文应用一种改进的人工神经网络的方法来分析预测晋祠泉的流量变化态势 。

山西晋祠泉域地下水位回升原因分析

通过对晋祠泉域地下水动态监测资料和水文资料的分析研究,确定泉域地下水位回升的主要原因是关井压采和煤炭资源整合压采,汾河清水复流等水生态系统修复工程对泉域地下水位回升也起到了不可忽视的作用。

自然与人类活动叠加影响下晋祠泉域岩溶地下水动态特征

为了查明山西省晋祠泉泉水断流、泉口水位下降及近年来泉口水位回升的原因,为泉水复流工作提供理论参考,以长系列气象、水文、开采量、泉流量、地下水位等资料为基础,在详细分析了晋祠泉域不同水动力分区年内、年际动态特征的基础上,从自然气候与人类活动两方面出发,阐述了不同历史时期晋祠泉域岩溶水位变化的影响因素。结果表明:1956—1994年,因20世纪80、90年代人工开采量达到历史高峰期,一度超过2.4 m^(3)/s,且80年代以后我国北方干旱化发展趋势较为严重,晋祠泉水流量逐渐减小直至断流;1994—2008年,人工开采量虽有一定程度减少,但仍维持在2.0 m^(3)/s左右,且恰逢连续枯水年,降水量、河流径流量较多年平均值分别减小了11%和27%,此阶段泉口水位快速下降至历史最低值;2008年以后进入相对丰水期,在采取多项措施减少泉域岩溶水开采量的同时,汾河二库蓄水水位逐步抬高,其对岩溶水的渗漏补给量在经历了约2 a的滞后期后到达泉域排泄区,晋祠泉口水位近年来逐步回升。

北方断流岩溶大泉复流的生态修复模式与复流措施效果的定量评价——以山西太原晋祠泉为例

岩溶大泉是中国北方岩溶地下水的主要天然排泄形式,它们集供水、旅游、生态等功能于一体,是重要的自然资源。自20世纪后期,受自然、特别是人类大规模开发、采煤等活动的影响,有近30%的岩溶大泉断流,其中不乏中外闻名的大泉。十七大以来,各地政府积极响应党中央国务院加强生态文明建设的号召,启动了一些重要断流岩溶大泉复流的生态修复工程。本文根据北方断流岩溶大泉的结构模式与成因,提出了包括利用上游水库蓄水、调节渗漏段河水流量、在河流渗漏段实施人工增补工程、在岩溶地下水强径流带和排泄区采取关井压采、封堵泉口下游自流井、对煤矿带压区进行监控、补给区分区植树造林措施的复流模式;以山西太原晋祠泉为实例,在对各项复流措施效果进行定量优化评价的基础上,得出抬高汾河二库水位至设计标高、关闭岩溶地下水强径流带内白家庄煤矿降压排水井、封堵处置泉口下游自流井是近期经济可行的有效措施的结论;最后利用建立的泉域地下水渗流数值模型,预测实施三项近期措施后,晋祠泉水可望在2年左右的时间实现复流,该结论以期为晋祠泉及北方岩溶区其他同类型岩溶泉水生态复流工作提供示范与参考。

ANN技术在岩溶地下水可开采量评价中的应用——以山西晋祠泉域为例

以晋祠泉域为例,分析该泉域水文地质特征。应用神经网络技术(ANN)建立泉域内县代表性的难老泉岩溶地下水位与各种补排项之间定量数学模型,对该泉域地下水可开采量进行了评价。研究结果表明,所建立的岩溶地下水位多因素神经网络模型具有较好的拟合精度,仿真程度较高,所得到的地下水可采资源量评价结果与该地区地下水开发利用实际情况较为一致。同时,还计算了不同降雨条件下地下水的可开采量,使其对地下水的开采规划更具有指导意义。

晋祠泉域岩溶水生态系统健康评价

文章尝试性地提出岩溶水生态系统的概念,从系统的特征、功能和面临的威胁三方面论述了其内涵,基于驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)模型,综合考虑自然因素和人类活动叠加影响,构建了岩溶水生态系统健康评价指标体系;用层次分析法(AHP)确定指标权重,用综合评价法确定岩溶水生态系统所处健康状态,并将其分为很健康、健康、亚健康、不健康和病态五级。并以晋祠泉域为例,采用ArcGIS空间分析技术确定岩溶水生态系统健康评价等级。结果表明:泉域煤矿开采区处于不健康状态,东部平原区和中部径流区均处于亚健康状态,碳酸盐岩裸露区和汾河周边区域处于健康状态,分别占晋祠泉域总面积的29%、31%和40%。

基于GMS和NCC/GU-WG的晋祠泉水位及流量预测

在综合分析晋祠泉域地质、水文地质资料的基础上,基于GMS建立了泉域三维地质结构模型和分布参数的地下水流数值模型,并结合中国天气发生器(NCC/GU-WG)预测的降雨量数据,模拟了不同岩溶水压采方案下晋祠泉口岩溶水位的变化,并预测了晋祠泉的出流时间和流量。结果表明,从经济和可行性角度来看,逐年压采泉域岩溶水较易实现,且可加快晋祠泉的复流,是较为理想的复流方案。

地下水模型参数不确定性对晋祠泉流量预测的影响

鉴于地下水数值模拟模型预测结果受参数不确定性的影响较大,故以晋祠泉域岩溶地下水系统为例,在建立研究区地下水流数值模型的基础上,选择研究区水文地质参数为代表参数,利用GLUE方法进行初步敏感性分析得出对晋祠泉流量预测最敏感的参数为渗透系数,并筛选出167组较优渗透系数组合,再通过其与不同气象和压采条件下的六个方案的结合进行模拟预测,从而定量分析渗透系数的不确定性对晋祠泉流量预测的影响。结果表明,整体上模型参数的不确定性对泉流量预测产生了较大影响,在开采量大且补给量较小的条件下影响最大,在压采且补给量大的条件下影响最小,但仅压采或仅补源并非加快晋祠泉复流的有效措施。

太原西山煤矿带压开采对晋祠泉水影响的研究

从水文地质、工程地质角度出发，结合多年的井下防治水工作实践，对西峪煤矿的带压开采与地下水之间的联系进行了详细的分析研究，得出了西峪煤矿的带压开采不会影响晋祠泉水，甚至西山矿务局各煤矿的带压开采也不会影响晋祠泉水的结论。