主要岩溶水环境问题

岩溶水环境问题成因的分区概述~

岩溶水环境问题的成因总体上归结为气候变化和人类活动（图6-27）两大方面，但在其发展演化过程中，岩溶水系统所处的自然环境以及所特有的水文地质条件也起到非常重要的作用。这一点从分区上表现得比较突出（表5-7）。
鄂尔多斯盆地西缘区岩溶水系统模式多为“单斜走向型”，发育规模较小、资源量有限极容易造成泉水流量衰减或断流，而区内北部干旱的气候条件以及大面积覆盖的黄土等地球化学背景是形成苦咸水的直接原因。
吕梁山西侧最大的问题是潜在的矿坑突水系统的原生污染，其主要原因是由于区内岩溶水系统均为“单斜顺置型”模式决定的。
汾渭地堑两侧岩溶水系统的泉水主要沿山前断裂带排泄，这些断裂带多数具有侧向相对阻水、纵向高度富集并强烈导水的特点。因此，沿山前断裂带开采岩溶水或进行采煤活动极容易造成泉水断流。
太行山燕山接壤区的5个岩溶水系统模式都是“向斜-盆地型”，相对而言，农业化肥的污染在该区比较突出（图5-27）。
太行山西侧岩溶水系统受到沁水向斜和东南侧华北平原的共同控制，都为“单斜逆置型”系统模式，煤系地层集中分布在系统上游区，矿坑排水及城市废水进入下游碳酸盐岩区渗漏对岩溶水的污染是这一区最主要的岩溶水环境问题。

图6-27 中国北方岩溶水环境问题成因分析框图

在太行山东南侧多数岩溶水系统为“单斜顺置型”模式，泉口下游岩溶水承压区多为华北平原山前断裂带。因此矿坑突水及相应的泉水断流在这里最普遍。
豫西地区岩溶水系统发育规模较小，以“单斜顺置型”模式为主。因此，煤矿突水以及泉水断流在该区也较为常见。
气候变化对燕山地区岩溶水系统影响比较严重，特别是北京西山地区，1980年前后平均降水量减少幅度在20%以上。鲁中南区、徐淮及淮南地区大面积分布浅覆盖区，岩溶地下水位埋藏小，开采成本低，岩溶水系统结构模式多为“单斜顺置型”或“向斜-盆地型”。因此矿坑突水问题、泉水断流问题、农业生产对岩溶水的污染问题以及岩溶塌陷问题均有发生。
以“向斜-盆地型”系统模式为主的太子河区，矿坑突水和水质污染问题相对严重。

一、地下水超采，泉水断流
天然条件下系统内岩溶水分别以十里泉群和东王泉群排泄。到20世纪80年代泉水全部断流。并随着开采量的增加在十里泉地区于1976年开始形成降落漏斗，1981年丰水期漏斗西部边界在黑石岭至北于一带，1984～1985年后，西部边界稳定在张范至北于之间，形成以十里泉为中心长轴呈东西向的漏斗区。漏斗形态东陡西缓，呈北西高、南东低的簸箕状。漏斗中心平均水位标高1986年为46.957m，1990年为38.524m，漏斗范围东西半径14km。经1990年和1991年两年丰水期的强烈补给，漏斗形态有所减缓，以后随着降水量减少和开采量增加，地下水水位转入下降，至1995年漏斗中心年均水位下降到标高40.07m，面积达51.2km2。从1999年起，十里泉发电厂从苍山县会宝岭水库引水，大幅减少了十里泉水源地的开采量，水位逐步恢复回升（图9-1）。

图9-1 山东枣庄十里泉水源地地下水动态曲线

丁庄-东王庄水源地自20世纪80年代初开始启用后，最初形成以丁庄、东王庄为中心的两个局部小漏斗，随着开采量的逐年增加，逐步形成了以丁庄、东王庄两个漏斗为中心的长轴呈东西向的大降落漏斗区，形态为近椭圆形。漏斗中心（丁庄）水位自1986年的45.339m下降到1990年的38.433m，年均下降1.381m，1989年漏斗面积为53.2km2，1990年缩小为36.4km2，1995年又增至39.6km2。
二、岩溶地下水污染
1959年的水文地质勘查工作显示，枣庄市地下水在天然状态下，水质是优良的，各项化学组分及生物指标均符合国家饮用水标准，且水化学类型简单。随着城市和工业的迅速发展，对地下水资源的开发利用程度越来越高。在人类经济活动影响下，地下水水质逐渐变差，表现为离子含量增高，溶解性总固体、总硬度升高（表9-1），菌类指数上升，很多组分含量超过国家生活饮用水卫生标准，甚至出现挥发性酚、氰化物等工业有毒物质超标，说明区域地下水已遭受到污染，而污染最为严重的是十里泉地区和清凉泉地区的蟠龙河两岸。
表9-1 枣庄市主要地段地下水水化学组分含量统计表 单位：mg/L


十里泉地区地下水水质变差，主要表现为水化学组分含量大幅度增高，由1959年的0.1mg/L增加到2007年的61.75mg/L，是1959年的600多倍，2007年溶解性总固体和总硬度分别是1959年的2.7倍和3.0倍。地下水水化学组分含量增加幅度与地下水开发强度有关，1976年以前，地下水开发利用程度低，、Cl-和溶解性总固体增加速度分别为每年4.8mg、0.07mg和5.98mg。1977年后，地下水开发利用程度增强，各离子增加速度相对加快，、Cl-、溶解性总固体和总硬度每年增加速度分别为11.98mg、2.75mg、47.64mg和10.25mg，其中总硬度、、菌类和挥发性酚等指标超过国家饮用水卫生标准。
清凉泉地区地下水污染通过2000年1月和5月两次地下水水质分析资料表明，污染严重的是沿蟠龙河两岸，呈条带状分布，多项组分含量超过国家饮用水卫生标准，其中清凉泉水源地地下水中的总硬度、硫酸盐和溶解性总固体分别超标0.94倍、3.69倍和0.95倍，一些致病组分（如硝酸盐）已超标近1倍（表9-2）。
表9-2 蟠龙河两岸地下水主要污染组分含量及国标统计表 单位：mg/L


三、岩溶塌陷
岩溶塌陷主要分布在市中区十里泉水源地和丁庄-东王庄水源地集中开采区内（图9-2）。始发于1981年4月，盛发于1982年枯水季节，至1997年已波及城区。到目前为止，已发生岩溶塌陷200余处（次），涉及面积约50km2。
岩溶塌陷已造成多处公路桥梁毁坏；塌陷区内多处民房开裂（照片9-1），三成以上成为危房，致使两所学校搬迁，2人丧生，多人受伤；且由于塌陷多发生的漏斗中心部位的地势低洼处，地面大量的污水沿塌坑及开口岩溶洞穴直接补给地下水，污染地下水源。初步统计，由于塌陷已造成经济损失6.31亿元，威胁人口21267人。

照片9-1 岩溶塌陷造成房屋开裂（东王庄）


图9-2 枣庄十里泉域岩溶塌陷分布图

针对两大水源地地质灾害日益严峻的局面，1998年实施引水工程，从苍山县会宝岭水库引用地表水，作为十里泉电厂工业用水，十里泉水源地和丁庄-东王庄水源地开采量大幅减少，2000年开采量分别为7.82万m3/d和6.45万m3/d，加之枣庄煤矿闭坑后停排矿井水，地下水水位有较大幅度回升，塌陷规模和次数有所缓解。

一、泉水流量衰减

娘子关泉作为我国北方最大的岩溶泉，与其他泉水一样，流量长期面临衰减问题。自20世纪60年代以来，娘子关泉流量动态虽然受降水量波动的影响，有一定的起伏，但总体上处于趋势性下降状态（图8-8；表8-1），年流量衰减速率为0.1693m³/s。21世纪以来，泉流平均流量6.452m³/s，仅为20世纪80年代前平均流量的51%。

图8-8 娘子关泉水流量动态曲线图

表8-1 不同阶段娘子关泉水流量统计表 单位：m³/s

二、区域水位的持续下降

1.岩溶地下水水位变化

伴随着泉水流量衰减，区域岩溶水位也一直在缓慢下降状态，表8-2是部分钻孔水位在20世纪70～80年代与90年代比较结果，最大年平均下降3.0m以上。岩溶地下水位的年际变化与所处位置有关（图8-9），排泄区岩溶水稳定；补给区岩溶水位年际变幅最大；补给径流区岩溶水位有明显的周期变化，年变幅一般6～10m；滞流区（或覆盖岩溶区）年变幅小，一般在0.5～3m。

表8-2 娘子关泉域奥陶系岩溶地下水位降幅对比表

2.岩溶地下水流场变化

根据娘子关泉域岩溶地下水1982年、1994年、1995年（丰水、枯水期）水位变化，在补给区和排泄区岩溶地下水等水位线的疏密程度和形态特征变化不大，但在汇流区则变化剧烈。以汇流区410m等水位线所圈闭的面积来衡量，1994年10月较1982年5月扩大了270km²，到1995年5月又较1994年10月扩大了50.8km²。2004年6月的枯水季节，对地下水位统测结果表明，410m线的圈闭面积为689.69km²，较1982年5月的圈闭面积扩大了297.49km²。而与1995年5月比较，410m等水位线圈闭面积有所缩小的原因是2003年降水量偏大的结果（表5-3；图5-8）。

三、岩溶水水质恶化

泉域岩溶地下水水质不断恶化也是本区面临的岩溶环境水文地质问题。以1979年未受污染或仅受轻微污染区的水质资料，采用平均值加标准偏差的方法来确定地下水环境背景值，采用综合指数法：

中国北方岩溶地下水环境问题与保护

当I≤1时，令I=0。

图8-9 不同水动力区岩溶水位变化特征图

式中：P_i为综合污染指数；I为单项污染指数；C_i为某指标的实测浓度；

CO_i是某指标的背景浓度；n为参评的组分数目。

对2004年阳泉市岩溶水污染程度评价结果表明，重度污染（P_i=10～20）和严重污染（P_i＞20）的面积达到576km²和173km²，较1989年评价的面积分别增加了122.7km²和8.6km²，其分布范围集中在盂县-阳泉-平定-娘子关泉水的三角地带（图6-24），这一带也是娘子关泉域岩溶水的汇流-排泄区。

娘子关泉水（图5-17）和系统内钻孔岩溶水（图8-10，1986年以来的545个分析样品）年均水化学含量动态曲线，各组分均呈现增加的趋势。

图8-10 娘子关泉域岩溶水钻孔水化学年平均含量动态曲线

采用综合评分方法和模糊数学方法对泉域岩溶水水质进行评价，结果表明（表8-3），补给区为1类、2类水，径流-汇流区个别为2类水，多数为3类、4类水，部分达到5类水，排泄区多为3类、4类水。补给区基本没有超标项；径流-汇流区主要超标项为HB、TDS、，部分与河流密切相关的样品中有NO₂-N、NH₄-N超标；排泄区的超标项则主要为HB、挥发性酚类。

四、泉域岩溶环境水文地质问题成因概述

从整体看，娘子关泉域岩溶水系统是一个“自产自流”型系统。岩溶水作为系统内最底层水资源，是系统内各类水资源要素的综合汇集体，而娘子关泉水则是岩溶水最集中排泄点，各种源汇项无论在水量还是水质方面的变化都最终会在泉水中体现出来。

泉水流量的减少无疑是补给量减少与排泄量增加的结果。补给方面，水资源评价结果可知，岩溶水最大的两项补给是降水入渗量和河流渗漏量，分别为8.94m³/s和2.30m³/s（含水库渗漏补给），占到总资源量的98%以上。排泄量则主要是泉域内岩溶水井开采量以及少量矿坑突水量的增加。表8-4表明，自20世纪60年代以来，泉域内主要水资源要素分阶段的变化情况，补给要素（降水量和河流径流量）表现为减少趋势，而排泄要素则表现为增加，这一增一减的结果大大压缩了岩溶水的资源量空间，是导致娘子关泉水流量趋势性衰减的直接原因。以20世纪80年代为界，娘子关泉水流量后期（1980～2008年）较前期（1956～1979年）减少46.48%，泉域降水量减少13.54%，西部煤系地层及中生代碎屑岩地表产流区的代表性水文站径流量减少66.13%，而泉域内岩溶水开采量则增加了148.5%。

表8-3 阳泉市地下水质量评价分类成果表

表8-4 娘子关泉域主要水资源要素分阶段变化统计表

水作为水化学成分的载体，系统内各种资源要素在其循环转化过程中，随着物理混合和化学反应，水质也在发生变化。娘子关泉域内各种水资源通过不同渠道进入岩溶含水层，并向娘子关泉水方向集中排泄（图8-11）。这些补给项水质发生变化后必然会影响到泉域岩溶水和娘子关泉水的水质变化，当它们受到污染时，最终会导致娘子关泉水的污染。

图8-11 娘子关泉域岩溶水水化学三线图

五、采煤对岩溶水潜在的影响

以往娘子关泉域内各类煤矿开采深度多小于300m，集中分布在岩溶水包气带范围内。随着浅层煤炭资源开采的逐步枯竭，煤炭开采的规模化、机械化程度将不断提高，强度将不断加大，煤炭开采的平均深度也将不断延伸，开采水平逐步进入岩溶地下水带压区。虽然区域结构条件不利于煤矿突水的发生，但岩溶陷落柱密集发育仍然存在着突水的潜在危机（图8-12）。另一方面，区内相当多矿井已闭坑或处于闭坑阶段，闭坑以后大面积的采空区必然由水充填，由于在充填过程中缺乏采煤期间的循环交替速度，必将成为劣质“老窑水”。这些水一部分将通过突水通道进入下伏岩溶含水层，另一部分则待采空区充满后通过坑道排出地表，进入河道，再次补给岩溶水，形成岩溶水的“永久性污染源”。并将对水环境造成难以估量的破坏。因此，从现在开始就必须制定解决水、煤矛盾的方针大计。

图8-12 阳泉矿区陷落柱分布图

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主要岩溶水环境问题视频