济源市济渎泉水流量衰减原因分析及复流措施研究

2021-04-22姜宝良姜英博田鹏洲卢金阁王秀明

铁道勘察 2021年2期

姜宝良姜英博田鹏洲卢金阁王秀明

(1.华北水利水电大学，郑州 450046； 2.河南省资源环境调查一院，郑州 450045； 3.河南省河口村水库工程建设管理局，河南济源 454000； 4.河南省济源水文水资源勘测局，河南济源 454000)

济渎泉不仅是宝贵的水资源，而且是珍贵的文化旅游资源，具有深厚的文化内涵。近年来，部分泉域水资源发生流量衰减，严重影响当地生态环境。为此，许多学者开展了相关研究，吴涛等[1]采用灰色关联度分析法，分析泉流量的衰减量与相关因素之间的关系。刘伟宏等[2]就泉域降水量及人类活动对泉水流量减小的影响进行分析，提出泉域水资源的保护措施；雷俊琴等[3]利用坎德尔秩次相关检验法对泉流量衰减趋势进行了检验。然而，上述研究并未对泉水流量衰减原因进行深入剖析。泉水流量衰减分析在地下水资源评价、径流模拟和认识含水层水文地质特征等方面具有重要意义，在没有实测地下水和地表水资料或实测资料不足的情况下尤为重要[4]。

济源城区水系发达，自古就有山水城市、百泉之城的美称。随着城市化的快速发展，地下水资源开采不合理等，致使济水西源的老龙潭枯竭；济水东源的济渎泉(包括珍珠泉)流量由20世纪70年代的3.5 m3/s锐减到目前的不足0.3 m3/s。严重影响济源市的水生态、水文化及旅游资源。因此，分析泉水流量衰减的原因，提出了济渎泉水复流措施的建议，对坚持生态优先，绿色发展等具有重要意义[5-7]。

1 研究区概况

1.1 地形地貌

济源盆地北部为太行山南麓余脉，多为东西向，主要为古生界寒武、奥陶系碳酸盐岩组成。山势陡峻，沟谷常垂直岩层走向分布，深切岩体，其前缘为区域大型断裂(盘古寺断裂)，地面高程为600～1 000 m。太行山、万羊山、孔山之间形成了济源盆地内的次级嵌入式盆地—克井盆地。万羊山及孔山为低山丘陵，地面高程为250～600 m，之间为第四系冲洪积物，地面高程190～210 m，为可井盆地向南的出口。孔山主要由古生界奥陶系碳酸盐岩组成，万羊山由寒武系、奥陶系碳酸盐岩组成。山坡较平缓，山顶呈馒头形，沟谷切割较深。

济源盆地南部为侵蚀剥蚀基岩丘陵和黄土丘陵。西南部主要由古近系、三叠系、侏罗系的砂岩、页岩、泥岩组成。丘顶浑圆，沟壑纵横，切割强烈。绝对高程200～500 m，相对高差100～200 m。东南部为第四系中更新统黄土，一般厚度20～50 m，下伏古近系粉砂岩。地形起伏较大，沟壑密布。绝对高程140～250 m，相对高差20～90 m。

济源盆地内为第四系冲(坡)洪积平原，总体地形西高东低，由粉土、粉质黏土、砂、砂砾石、卵砾石等组成，绝对高程一般在130～200 m之间。冲洪积扇的前缘溢出带分布于三河寨—西石露头—柴庄—庙街一线[8-10]。

1.2 河流渠系

济源盆地的河流属黄河流域沁河水系，流域面积达15 427 km2，其沁河和蟒河主要分布于境外山西省内，除去沁河流域面积还有1 895 km2；分布于济源盆地南部商水河、桑榆河、苇泉河、双阳河等，流域面积仅132 km2。

济源盆地或城区地表水资源较为丰富，流经城区的主要河流有北蟒河、湨河、盘溪河(珠龙河)、解放河、苇泉河、双阳河、商水河、桑榆河、泥沟河、济洪涝河、济永涝河等，城区河流最终均在城区内直接或间接的汇入蟒河，而后流出城区。

区内人工渠系有广利渠、广惠渠、新利渠、引沁济蟒渠，渠水均引自沁河，其中广利灌区的三条灌渠分布于济源盆地的东北部。引沁济蟒渠系为区内最大的灌溉渠系，从济源盆地的北、西、南通过，主干渠环山修筑，渠宽5～7 m，渠深3～5 m。已经建成试通水的小浪底北岸灌区工程，每年可为济源市提供7 500万m3的水量，可解决济源市西南部的农业灌溉、城市工业和生活用水及生态用水[11-12]。

济源盆地水系发达，渠系密布，为地下水的补给提供了丰富的水源。

1.3 地质构造

本区属华北地层区。区内除志留系、泥盆系、白垩系地层缺失外，从太古界至新生界，各系地层均有出露(见表1)。

主要断裂有：盘古寺断层、五龙口断层、万羊山断层、封门口断层。

1.4 水文地质条件

济源盆地是一个完整的水文地质单元，周边为中低山、丘陵，中部为河流冲洪积平原。地形地貌、地层岩性及地质构造决定了地下水的空间分布，同时影响地下水的补径排条件。根据赋存条件、水动力特征，区内地下水分为:松散岩类孔隙水、碳酸盐岩岩溶裂隙水、变质岩类裂隙水等3种类型，其中对济水影响较大的为松散岩类孔隙水和碳酸盐岩类裂隙岩溶水。

(1)碳酸盐岩类裂隙岩溶水

碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组在北部的太行山南麓、孔山、万羊山碳酸盐岩大面积分布(裸露型)，岩性主要为寒武-奥陶系的灰岩、白云质灰岩、白云岩等，加之断层交错，岩层破碎，裂隙岩溶发育；孔山山前的五龙口断层与封门口断层之间、可井盆地出口的万羊山与孔山之间，碳酸盐岩被第四系松散堆积物覆盖(覆盖型)，局部奥陶系灰岩与第四系卵砾石直接接触，形成“天窗”；可井盆地内石炭-二叠系砂泥岩地层掩埋(埋藏型)。裂隙岩溶地下水主要接受太行山、孔山和万羊山碳酸盐岩裸露区的大气降水入渗补给，沁河侧向径流补给和蟒河口水库蓄水后的渗漏补给，由北、东、西向克井盆地出口径流，天然状态下通过“天窗”补给第四系孔隙水后向南侧向流出，在济源市区以泉(济渎泉、龙潭泉等)的形式集中排泄。

(2)松散岩类孔隙水

第四系松散岩类孔隙水，含水层为冲洪积砂层、砂砾石层和卵砾石层，粉土层和粉质黏土层为相对隔水层。在空间分布上，含水层整体呈南北轴短、东西轴长的半椭圆体分布，盆地轴线部位含水层厚度大、颗粒粗、导水性好、富水性强，向南、北变薄，且岩性渐变为粉土、粉质黏土等弱透水层，由西向东含水层厚度变小、颗粒渐细、导水性变差、富水性变弱，且层数增多，单层厚度变薄。在济源盆地北、西及南部山前冲洪积扇前缘交接地带形成地下水溢出带，地势低凹，地下水位高于地面，形成老龙潭、济渎泉和珍珠泉等泉群(见图1)。

图1 济源盆地地貌水系

表1 济源盆地地层

图2 小庄村2006～2019年逐月水位与降水量动态曲线

(3)第四系孔隙地下水动态

蟒河冲洪积扇区前缘小庄村的第四系孔隙地下水2006～2019年逐月水位动态如图2所示，地下水位主要受开采和降水影响，2006年1月～2007年7月，其水位在151～154 m之间波动，平均水位152.8 m；其后水位在149～151 m之间波动，平均值为150.6 m，虽雨后水位有所回升，但未达到2006年的水平，总体呈现动平衡状态。

2 济渎泉水量衰减原因分析

2.1 济源市工业布局

济源市是全国最大的铅锌基地和河南省重要的钢铁、能源、化工、机械制造基地。近年来，济源实施“工业出城、项目上山”战略，玉川产业集聚区和虎岭高新技术产业开发区分别位于济源市的北部和西部丘陵地带，是济渎泉域地下水的主要补给区。在此建设必将造成植被破坏，地面硬化，不仅导致降雨入渗补给的减少，还可能造成地下水的污染[13-15]。

2.2 地下水的开采

济源盆地地下水资源丰富，单井出水量较大，开采方便，已成为济源盆地工农业生产用水、城市和农村生活用水的主要供水水源[3]。据调查统计，济源盆地机民井总数近4 000眼，年开采量为9 253.978万m3。按用水性质分：农村生活用水量1 415.109 9万m3/a，工业用水量1 632.133万m3/a，自来水公司开采量(主要用于城市生活)3 099.312万m3/a，农业灌溉用水量3 107.424万m3/a。按开采地下水类型分：孔隙水5 062.188万m3/a，裂隙岩溶水4 191.79万m3/a。济源市地下水开采量统计见表2。

表2 济源市地下水开采量统计万m3/a

济源市主要的工业企业位于济渎泉泉域(西部、北部)的上游补给区，自来水公司青多水源地位于上游补给径流区，在补给区和补给径流区大量开采地下水，引起地下水位下降，是导致泉水断流和减少的主要原因。特别是济水西源的龙潭泉长期干枯，现地下水位低于龙潭湖底5 m左右。

2.3 济源盆地降水情况

济源盆地1955～2019年多年平均降水量为613.8 mm。根据逐年降水量距平曲线(见图3)，1955～1985年降水量较大，其降水量大多超过平均降水量(较平均降水量多23.3 mm)；1986～1997年降水量小于平均降水量，出现连续的枯水年(较平均降水量少121.4 mm)；1998～2013年降水量基本与平均降水量持平(较平均值高9.7 mm)。近4年(2016～2019年)，降水量较大(较平均值高174.1 mm)，为丰水年，蟒河口水库四年均蓄水，其渗漏对地下水，特别是北部的裂隙岩溶地下水的补给非常明显[16-19]。

图3 济源盆地降水量距平曲线

2.4 引沁渠引水情况

引沁灌区属大型三类灌区。灌区设计灌溉面积为26 686 hm2，其中济源境内为14 760 hm2，占灌溉总面积的55.3%。引沁总干渠沿济源盆地的北部、西部和南部的山丘前缘通过，灌溉济源盆地的农田，引水渠系渗漏和农田灌溉回渗补给，是济渎泉域地下水的又一人工补给来源。

据引沁管理局资料，1980～2017年济源市多年平均引水量10 888.07万m3/a，年最大引水量22 611.31万m3/a(1980年)，年最小引水量3 721.25万m3/a(2003年)。1980～1997年引水量较大，平均为15 028.44万m3/a；1998～2015年引水量较少，平均为6 482.16万m3/a；仅2016年的引水量较大，为16 989万m3/a。引沁渠逐年引水量见图4。

图4 引沁灌区逐年引水量动态曲线

3 济渎泉水保护及复流措施研究

济源市政府为实现“济水复流、古泉复涌、河湖共济”，打造中国北方山中有城、城中有水、山水环抱的灵秀水城的总体战略目标，通过科学规划和建设全域内水系，启动了济水调水、河道整治等一系列项目。

根据济渎泉泉域的水文地质条件和泉域水资源的分布及水利工程建设情况，提出以下措施。

3.1 合理利用水资源

根据泉域水文地质条件和水利工程建设情况，农业灌溉应以地表水为主，不但可以减少地下水的开采，并可增加地下水的补给；工业和城市生活用水也以地表水为主，减少地下水开采[8]。在地表水达不到的地方开采孔隙水，克井盆地农村分散生活用水应以裂隙岩溶地下水为主[9]。

地下水的开采原则：在补给区禁止开采，使泉水恢复；在径流区限制开采，根据水文地质条件和地下水允许开采量，有计划地限量开采；在排泄区直接引用泉水，达到水生态和水资源的综合利用。

应充分利用已有的水利工程设施(引沁灌区、广利灌区引水工程)、河口村水库和蟒河口水库工程及小浪底北岸灌区工程，引沁河水和黄河水灌溉农田，解决济源盆地西部和北部的工业用水及城市生活用水，减少地下水的开采量，增加地下水的补给量。

济源市出境水资源(地表水)丰富，分配给济源市的用水指标没有充分利用，利用量仅为批准水量的30%。利用河口村水库地表水的第三水厂已建成投产，小浪底北岸灌区工程也建成通水，这两项工程建成后可置换济源盆地西部和北部开采的地下水，对济渎泉水复涌非常有利。出境水济源市批准水量和实际利用量见表3。

表3 出境水济源市批准水量和实际利用量

3.2 充分利用区外水资源增加地下水补给

根据区域水资源的分布情况，并充分利用现有的水利工程设施，采用“引外补内”的办法，合理利用区域水资源，是解决保泉和供水的有力措施。

(1)在济渎泉泉域的裂隙岩溶水补给区的孔山、万洋山，引沁济蟒总干渠的渠系均能达到。利用南太行山水林田湖草生态保护修复工程和矿山环境生态恢复治理工程，选择裂隙岩溶比较发育的石灰岩露天采坑作为渗坑，利用现有引沁渠系在非灌期引沁河水注入渗坑，人工增加裂隙岩溶地下水的补给量。

(2)在沁河河道选择有利位置建造拦河坝，抬高河水水位，滞蓄水流，增大水域面积，营造水生态景观，增加河水对地下水的补给。

(3)蟒河山区出露寒武和奥陶系的碳酸盐岩，位于区域大断裂—盘谷寺断裂带附近，裂隙岩溶发育，地表水渗漏严重。蟒河口水库建成后，2014年、2016～2019年汛期蓄水，到来年的3～5月份干枯，对地下水补给效果明显。

(4)蟒河出山口至思礼镇的范寺村，蟒河河道为卵砾石，特别是山前地带，卵砾石颗粒粗，厚度大，地下水埋深大，其附近的采砂坑周边全是砂卵石，非常有利于地表水的渗漏补给。应在蟒河河道有利部位建设拦水坝，或在非农灌期引水到王才庄西北的采砂坑，人工增加地下水的补给。在可井盆地的出口的万羊山和孔山之间，第四系松散岩类孔隙含水层和碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层直接接触，局部为卵砾石层和灰岩直接接触，形成“天窗”，在此地带引用地表水灌溉农田，减少地下水的开采，同时也增加地下水的补给。

(5)采取科学、合理的水土保持措施，在济渎泉补给区实行坡沟治理、植物措施和工程措施、植树造林、封山育林等多种措施的紧密结合，发挥群体保护作用。

①工程措施

水库：在补给区的山丘区的河流上兴建水库，拦洪削峰、灌田浇地，增大雨洪水对地下水的补给。济源市周边的24座水库中，河口村、蟒河口、大沟河、赵庄、黄龙庙、枣树岭、泥沟河、泽南、南姚、曲阳、三河等11座水库环绕城区，对城市用水及地下水的补给具有重要作用。

鱼鳞坑：在坡面上沿等高线开挖的排列整齐、具有一定间隔的半圆形蓄水坑。多呈品字形排列，能拦截径流和泥沙，为植树造林创造条件。

谷坊：在被侵蚀的干、支沟及其上下游，分段层建高度5 m以下的小坝。对固定沟床，防止其继续冲刷下切和沟岸崩塌、扩宽，以及拦蓄泥沙、蓄水灌田等具有明显的作用。

塘堰坝：在缺水山丘区的干、支沟中纵坡较平缓、地形较开阔的低洼地段和引蓄适宜的地段，为拦蓄洪水和其它水源修建的池塘和堰坝。

沟坝地：在干、支流沟中逐段造坝，一可拦蓄洪水，削减洪峰；二可拦截泥沙，减少下游河道、库塘的淤积；三可造地增肥，抗旱保收。

沟头防护：在一些岸坡地的田间地头，为防止雨水、灌水跌入较深的沟壑，冲刷地边、沟头而修建的土埂，用以防止土岸崩塌、沟壑延伸。

②气象措施

在济渎泉泉域的补给区，这些水土保持的工程措施和植物措施，可减少水土流失，涵养水分，改善泉域内气候条件，促使暖湿气团在泉域上空形成降水，以增大泉域内降水量来，增加地下水补给。

3.3 严格实行用水总量控制，坚决遏止用水浪费

(1)加强有关规划和工程建设规划的水资源论证，编制国民经济和社会发展规划及城市总体规划，重大建设项目的规划和布局要符合当地的水资源条件和防洪要求。

①对需要取水或者需要增加取水的建设项目，必须建立水资源论证制度。未依法进行水资源论证的，水行政主管部门不得批准取水许可申请。

②关闭公共供水管网范围内的自备井(特殊用水除外)。

③严肃查处非法取水、非法钻井、无证取水、不安装计量设施、拒付水资源费等行为。

(2)在济渎泉域，除农业生产和农民生活用水外，新的耗水量大的建设项目将不再获得批准。有关部门和产业集群要严格控制高耗水、高污染项目的引进。鼓励区域之间的水量交易，利用市场机制，合理分配水资源。

(3)认真落实水资源有偿使用制度，依法加强水资源收费管理，严格执行收费标准，安装计量设施。

(4)科学利用空中云水资源，建立覆盖全市的人工影响天气作业基地；在济源市开展人工增雨作业，特别是济渎泉区域的主要补给区的北部和西部山丘区，可最大限度地开发空中云水资源，增加地面有效降水量，增加北部和西部山丘区的地下水补给量，涵养地下水源，增大济渎泉水流量。

(5)加强节水技术政策和技术标准的实施，实施水产品的高效标识管理，不符合节水标准的产品不得进入市场。做好工业高耗水、高污染企业节水工作，建设工业节水示范工程。调整产业结构，逐步淘汰关停高耗水、高污染企业，加快产业升级和节水技术改造。不符合现行节水标准的公共建筑用水设备和产品，应当逐步淘汰。大力推进大型灌区继续建设和节水改造，搞好灌区末级渠系配套试点建设，完善田间排灌系统，提高农业灌溉用水利用率。

3.4 水务管理一体化

济源市“多龙管水”现象最为突出，为济源市的水资源管理和资料共享等方面带来极大不便。其中，济源市水利局作为水行政主管部门，对全市水资源的开发利用行使监督和管理职能，负责权属管理、水行政执法、取水许可审批、水资源税征收、水资源规划、水资源保护、计划用水和节约用水等工作。济源市自来水公司和济源市污水处理厂均隶属济源市城建部门，自来水公司负责水厂建设与运营，污水处理厂负责污水处理厂的建设和运营。引沁灌区管理局和广利灌区管理局均隶属焦作市水利局，负责各自灌区的水资源管理。河口村水库工程建设管理局隶属河南省水利厅，负责河口村水库的建设和运营管理。小浪底水利枢纽管理中心隶属水利部，负责小浪底水利枢纽的建设和运营管理。

随着人口的增长、工农业和城市建设的发展，水的供需矛盾日趋尖锐，加之“多龙管水”体制的束缚和对水资源的分割管理，使水资源得不到合理利用，造成很大浪费，严重阻碍水资源的统一管理、优化配置和高效利用。

水务一体化管理必须依靠政府的领导，依靠公众的支持，依靠相关部门的配合，建立良好的水务一体化管理外部环境，而更重要的是加强自身建设，提高管理水平和综合素质，实施水务一体化内部环境建设规划，开创济源市水务机制改革新局面。