王焰新

（中國地質(zhì)大學(xué)(武漢), 湖北 武漢 430074）

0 引 言

我國北方巖溶分布面積廣，巖溶地下水存儲(chǔ)量大，巖溶泉水資源豐富，水質(zhì)良好，始終是巖溶區(qū)工農(nóng)業(yè)及居民生活的優(yōu)質(zhì)供水水源[1-6]。但北方巖溶區(qū)受天然地質(zhì)條件限定，第四系和煤系地層直接沉積在巖溶地層之上，呈現(xiàn)出一種“煤在樓上，水在樓下”的共生格局[7-9]。煤炭開采和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等強(qiáng)烈人類活動(dòng)，勢必對巖溶水系統(tǒng)和水環(huán)境產(chǎn)生強(qiáng)烈影響[10-13]。自20世紀(jì)50 年代以來，在全球氣候變化和采煤等強(qiáng)烈人類活動(dòng)的疊加作用下，我國北方巖溶泉水流量下降，水質(zhì)惡化，巖溶泉域生態(tài)環(huán)境功能下降[2-3,14-15]。因此如何采取合理的措施，通過適度的人工干預(yù)，強(qiáng)化巖溶大泉的自然恢復(fù)機(jī)能，并最終實(shí)現(xiàn)泉域生態(tài)環(huán)境修復(fù)，是當(dāng)前我國生態(tài)文明建設(shè)的先行區(qū)和重點(diǎn)領(lǐng)域。

我國巖溶面積較大，對巖溶水系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)識尚不完善，對巖溶水的開發(fā)利用、保護(hù)與巖溶環(huán)境生態(tài)修復(fù)往往會(huì)面臨科學(xué)依據(jù)缺乏的現(xiàn)狀。本文以我國北方晉祠泉域?yàn)榇恚ㄟ^有針對性地開展構(gòu)造地質(zhì)、勘查地球物理、水文地質(zhì)、環(huán)境水文地球化學(xué)、煤田水文地質(zhì)、地質(zhì)模型等調(diào)查研究工作，把握泉域巖溶地下水形成-運(yùn)移形成的宏觀、微觀地質(zhì)條件，查明晉祠泉流量衰減至斷流的成因機(jī)制，科學(xué)地評估多種生態(tài)修復(fù)措施對泉域巖溶水系統(tǒng)和泉域生態(tài)環(huán)境的修復(fù)效應(yīng)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，形成有效的工作指導(dǎo)方案，有望對我國北方巖溶大泉的生態(tài)修復(fù)形成示范效應(yīng)，為遏制我國巖溶區(qū)生態(tài)惡化現(xiàn)象提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

晉祠泉是我國北方著名的巖溶大泉，也是晉祠歷史文化名勝三絕之一，承擔(dān)著太原市部分縣區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市生活的供水保障任務(wù)。晉祠泉群出露于晉源區(qū)晉祠鎮(zhèn)西山懸甕山下，由難老泉、圣母泉、善利泉組成。晉祠泉域主體位于太原市西山地區(qū)，介于111°54′～112°33′E 和37°33′～38°19′N 之間。晉祠泉域東部邊界上段自沙溝村經(jīng)鄭家梁到昔湖洋村，中段沿柳林河谷自昔湖洋村經(jīng)紅咀上、下槐村到石馬村，下段自三給村到汾河二壩。南部與太原平原相接。西部以嶺底向斜軸部、狐堰山構(gòu)造隆起帶、西社-申堂溝斷裂帶、支家莊到胡家莊為邊界。北部以石嶺關(guān)-康家會(huì)斷裂帶為邊界。行政區(qū)劃以太原市的古交市、清徐縣、晉源區(qū)、萬柏林區(qū)所轄范圍為主，局部涉及尖草坪區(qū)、婁煩縣和交城、靜樂等九縣（區(qū)），總面積2 732.0 km2，其中裸露和淺覆蓋面積為953.4 km2，埋藏區(qū)面積1 472.4 km2，第四系平原區(qū)面積306.2 km2。

研究區(qū)屬典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，干旱多風(fēng)，雨量集中，蒸發(fā)強(qiáng)烈，四季分明，晝夜溫差大及無霜期短為其典型特征。區(qū)內(nèi)多年平均降雨量（1959-2018 年）為465.1 mm。（圖1），降雨時(shí)空分布極不均勻，年內(nèi)60%的雨量集中在汛期，6-9 月份。降水量的地域分布特征為山區(qū)大于盆地，西部大于東部，中部大于北部和南部。

區(qū)內(nèi)多年平均蒸發(fā)量1 871.8 mm（20 cm 觀測皿觀測值）。多年平均氣溫8.1 ℃，極端最高氣溫39.4 ℃，極端最低氣溫-25.5 ℃。平均相對濕度60%。

區(qū)內(nèi)地表水系均屬黃河流域汾河水系（圖2）。汾河為區(qū)內(nèi)主要河流，自汾河水庫至上蘭村注入太原盆地，流經(jīng)長度85.25 km，多年平均來流量9.16 m3·s-1。研究區(qū)內(nèi)分布有天池河、屯蘭川、獅子河、原平川、大川河、梵石溝、磨石溝、玉門溝、虎玉溝、冶峪溝、風(fēng)峪溝、柳子溝、白石溝等多條季節(jié)性河流，均為汾河一級支流。

晉祠泉域區(qū)大部分范圍屬于呂梁山山區(qū)，東部和南部的平川區(qū)屬于晉中盆地。山區(qū)一帶地勢一般較為陡峻，海拔高程在1 300～2 160 m。盆地區(qū)地勢較為平緩，海拔高程為752～850 m。

晉祠泉域區(qū)范圍內(nèi)地層以寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系和三疊系地層為主，主要地層單位為鳳山組、冶里組、亮甲山組、馬家溝組、峰峰組、太原組、山西組、下石盒子組和上石盒子組。第四系主要分布在太原盆地分山接觸帶。

晉祠泉域主體變形階段為燕山期和喜山期[16]，主要發(fā)育有NE-SW 向和NNW-SSE 向的正斷層及褶皺組合，大型正斷層多組合形成NE-SW 向的地塹與地壘。在構(gòu)造形跡上，西山地區(qū)表現(xiàn)為兩翼不對稱的復(fù)式向斜構(gòu)造，包括數(shù)個(gè)呈“S”型展布的大型向斜以及一系列小型褶皺。褶皺構(gòu)造主要由獅子河向斜、馬蘭向斜和東社向斜、水峪貫向斜等組成，其西翼多陡峭，東翼平緩開闊，多被NE-SW 向斷層所切割。斷裂主要分布在泉域區(qū)的SE 和SW 兩側(cè)，構(gòu)成西山地區(qū)天然邊界。

晉祠泉域地下水類型豐富[17]，根據(jù)含水介質(zhì)的巖性特征與地下水的賦存條件，研究區(qū)地下水類型可分為：碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、碎屑巖夾碳酸鹽巖類層間裂隙巖溶水、碎屑巖類裂隙水、松散巖類孔隙水和侵入巖類風(fēng)化裂隙水。其中碳酸鹽巖類裂隙巖溶水分布于整個(gè)研究區(qū)，為邊山斷裂帶晉祠泉、平泉等泉水的補(bǔ)給來源；碎屑巖夾碳酸鹽類層間裂隙巖溶水和碎屑巖類裂隙水廣泛分布于西山中部地區(qū)；松散巖類孔隙水廣泛分布于太原斷陷盆地區(qū)和山區(qū)的山間河谷地區(qū)；侵入巖類風(fēng)化裂隙水主要分布于西部以及北部邊界以外地區(qū)，區(qū)內(nèi)僅有零星分布。

泉域北部為灰?guī)r山區(qū)，南部為砂頁巖山區(qū)。在構(gòu)造方面，西山地區(qū)為一北端翹起，向南傾沒的簸箕狀向斜構(gòu)造，形成了一個(gè)三面封閉條件較好，一面排泄相對集中的巖溶水系統(tǒng)。區(qū)內(nèi)巖溶水地下水主要受汾河以北大氣降雨補(bǔ)給以及汾河滲漏段滲漏補(bǔ)給。巖溶水流向總趨勢由北西向南東徑流。巖溶水的排泄方式主要為：泉與自流井、人工開采井、煤礦開采、向太原盆地的側(cè)向排泄。泉域巖溶水從補(bǔ)給區(qū)到徑流排泄區(qū)，水溫、礦化度、水化學(xué)類型等呈現(xiàn)明顯的增加趨勢。水化學(xué)類型由重碳酸鹽型逐漸過渡為重碳酸鹽-硫酸鹽型、硫酸鹽-重碳酸鹽型、硫酸鹽型和硫酸鹽-氯化物型。

2 泉水?dāng)嗔髟蚍治?/h2>

為了查明晉祠泉域泉水?dāng)嗔鞯闹饕?，我們分析?jì)算了1960s（1959-1963 年）、1980s（1984-1988年）以及近年來（2013-2017 年）泉域巖溶水水均衡（表1）。其中，1960s 研究區(qū)巖溶水開采主要以泉水和淺井的形式加以利用，煤礦開采活動(dòng)也僅限于上組煤淺層開采，基本處于未擾動(dòng)的原始狀態(tài)。通過計(jì)算1960s 巖溶水水均衡能夠幫助我們?nèi)嬲J(rèn)識天然狀態(tài)下該研究區(qū)巖溶水系統(tǒng)水均衡和收支情況。研究區(qū)巖溶水和煤炭資源的大量開采主要發(fā)生于20世紀(jì)80 年代以后[18-19]。通過計(jì)算1980s 巖溶水系統(tǒng)水均衡，能夠直觀地展現(xiàn)出晉祠泉斷流之前研究區(qū)水均衡和巖溶水收支變化情況，從而為分析泉水?dāng)嗔髟蛱峁┮罁?jù)。近年來，在山西省各級政府部門的多項(xiàng)舉措下，晉祠泉域巖溶水水位持續(xù)回升[16,20-24]。因此，通過計(jì)算近幾年的巖溶水水均衡，可以有助于分析適度人工干預(yù)下該研究區(qū)巖溶水的收支變化情況，為進(jìn)一步開展泉域生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)。

表1 泉域巖溶地下水水均衡摘要表Table 1 Summary of karst groundwater balance in spring area

泉域巖溶水水均衡計(jì)算結(jié)果表明，20 世紀(jì)60 年代時(shí)泉域巖溶水資源表現(xiàn)為正均衡，水均衡收入項(xiàng)大于支出項(xiàng)。其中降雨入滲量占了收入項(xiàng)的絕大部分，為3.299 m3·s-1，泉（自流井）的流量與側(cè)向排泄占了支出項(xiàng)的很大一部分，此時(shí)開采量在支出項(xiàng)中的占比比較小。20 世紀(jì)80 年代泉域巖溶水資源表現(xiàn)為負(fù)均衡，支出項(xiàng)明顯大于收入項(xiàng)。但與60 年代相比，降雨入滲補(bǔ)給量顯著減小，為2.823 m3·s-1；人工開采量逐漸成為支出項(xiàng)中的主要影響因素，泉（自流井）流量明顯下降。近幾年泉域巖溶水資源表現(xiàn)為正均衡，泉域接受補(bǔ)給的水量在經(jīng)過人工開采、煤礦開采、向太原盆地孔隙水的側(cè)向排泄之后仍然有盈余。水量的連續(xù)盈余，必然使得排泄區(qū)巖溶地下水水位持續(xù)上升。

綜合影響晉祠泉流量與泉口水位動(dòng)態(tài)的各種因素，分析長時(shí)間序列泉域水資源要素變化特征，可生成以下要素變化圖（圖3）。由圖3 可知，晉祠泉自1950 年以來經(jīng)歷以下四個(gè)階段：

（1）高水位大流量階段（1970 年以前）：該階段泉域內(nèi)降雨量較大，煤礦排水量少，巖溶水開采量小并且主要以分散式開采為主，泉水水位較高。

（2）水位下降斷續(xù)出流階段（1970-1985 年）；該階段降雨量波動(dòng)較大，巖溶水分散式開采井不斷增加，城鎮(zhèn)集中供水水源地相繼建成，巖溶水開采量大大增加，泉水水位較之前有所下降。

（3）較低水位斷流階段（1985-2008 年）：該階段降雨量相對較少，煤礦抽排巖溶水量大，巖溶水開采量也增大，泉水水位持續(xù)下降。

（4）人工調(diào)控階段（2008-至今）：該階段降水量較大且存在一定波動(dòng)，煤礦排水量與巖溶水人工開采量在人為調(diào)控之下減少，泉水水位逐漸升高。

綜上所述，總結(jié)晉祠泉斷流的原因如下：

（1）降水頻率分析結(jié)果顯示，20 世紀(jì)60 年代-90 年代期間，晉祠泉域內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)枯水年或偏枯年，特別是1974-1994 這20 年間，只出現(xiàn)1 次豐水年和1 次偏豐年，其余多為偏枯年份，1990 年后更是連續(xù)偏枯年份。因此，可認(rèn)為，降雨補(bǔ)給減少是晉祠泉斷流的重要原因。

（2）對泉域不同歷史時(shí)期的水均衡計(jì)算結(jié)果表明，1960s 泉域巖溶地下水系統(tǒng)基本處于穩(wěn)定平衡階段，而到20 世紀(jì)80 年代，隨著巖溶水開采量和采煤排水的增加，泉流量減少，泉域巖溶地下水系統(tǒng)處于負(fù)均衡階段。到20 世紀(jì)90 年代，巖溶水總開采量進(jìn)一步增加，巖溶水系統(tǒng)負(fù)均衡加劇。由此可見，包括采煤排水在內(nèi)的巖溶水開發(fā)利用是晉祠泉斷流的直接原因。

3 泉域生態(tài)修復(fù)措施及成效分析

為了促進(jìn)晉祠泉域生態(tài)環(huán)境快速健康恢復(fù)，論文提出了汾河二庫強(qiáng)化滲漏補(bǔ)給、泉域巖溶水關(guān)井壓采、煤礦區(qū)禁采限采、近源和遠(yuǎn)源河道生態(tài)補(bǔ)給（地表水源置換地下水）等一系列措施，并預(yù)測評估了預(yù)期效果，以期推進(jìn)晉祠泉域巖溶地下水生態(tài)環(huán)境得到根本性改善。

3.1 汾河二庫加強(qiáng)滲漏補(bǔ)給成效分析

汾河二庫是一座以防洪、供水為主的大型水庫[25]。2010 年9 月汛限水位提高到895 m 左右，2014 年9 月水庫蓄水位達(dá)到900 m，此后保持在此高水位運(yùn)行。

根據(jù)庫區(qū)地質(zhì)條件，當(dāng)水庫蓄水位達(dá)到正常蓄水位（905 m）時(shí)，庫區(qū)地表水可以通過下馬家溝組灰?guī)r向太原西邊山一帶滲漏[26]，且補(bǔ)給量隨著水位的升高呈增加趨勢。如圖4 所示，汾河二庫區(qū)地表水滲漏量與蓄水水位大致呈線性關(guān)系：2001-2008 年，汾河二庫蓄水水位上升緩慢，泉域內(nèi)庫區(qū)地表水滲漏量穩(wěn)定在0.46 m3·s-1左右；2008 年之后庫區(qū)蓄水位開始快速增加，地表水滲漏補(bǔ)給量同步增加，至2017 年12 月，庫區(qū)地表水水滲漏補(bǔ)給量達(dá)到了1.54 m3·s-1。如下圖所示，若無二庫蓄水，汾河寨上-掃石段河道滲漏量在0.4 m3·s-1左右波動(dòng)?？梢姺诤佣煨钏坏闹鸩教岣撸瑯O大增加了庫區(qū)地表水滲漏量，是晉祠泉域巖溶水系統(tǒng)的重要補(bǔ)給項(xiàng)。

水化學(xué)和同位素證據(jù)也進(jìn)一步證明了汾河二庫對晉祠泉域巖溶水的顯著補(bǔ)給效應(yīng)（圖5）。如圖5a所示，在汾河二庫周邊巖溶水δD-Na 散點(diǎn)圖中，吾兒峁和解家塔組成的區(qū)域代表了汾河二庫北側(cè)巖溶地下水特征，即δD 值和Na+偏低，汾河二庫1 和汾河二庫2 水樣點(diǎn)的區(qū)域代表了二庫水的特征。由圖可以發(fā)現(xiàn)，二庫周邊的巖溶水樣點(diǎn)落在了二庫北側(cè)補(bǔ)給區(qū)端元和二庫地表水端元之間的混合線附近，該特征進(jìn)一步說明了二庫周邊的巖溶水受到了二庫水的滲漏補(bǔ)給影響。其中冀家溝、銀角村、掃石村等處更為靠近二庫地表水端元，表明其受到二庫水滲漏補(bǔ)給的影響較大。同時(shí)，銀角村的巖溶水樣點(diǎn)呈現(xiàn)較高δD 值，表明其可能受到了更加強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用的影響。而掃石村巖溶水中更高的Na+含量，表明其除了接受汾河二庫的補(bǔ)給外，還可能受到了地表近源生活污水的滲漏影響。

針對放射性同位素14C 和主量元素Cl-的聯(lián)合分析也進(jìn)一步確認(rèn)了汾河二庫水對晉祠泉域巖溶水的滲漏補(bǔ)給效應(yīng)（圖5b）。研究區(qū)巖溶水14C 年齡大部分均在4000 年以上，表明其經(jīng)歷了較長的運(yùn)移時(shí)間。而汾河二庫庫水的年齡則在60-100 年之間，說明二庫水體中有一大部分來自于巖溶地下水的補(bǔ)給。比較特別的是，冀家溝、銀角村、掃石村處的巖溶水遠(yuǎn)高其它巖溶水樣點(diǎn)，更為靠近汾河二庫地表水。結(jié)合前述分析，判定上述處于地表水和巖溶水混合線中央的三處巖溶水受到了二庫年輕、高氯離子濃度地表水的滲漏補(bǔ)給。

3.1.2 二庫滲漏影響模擬與預(yù)測

通過構(gòu)建晉祠泉巖溶水系統(tǒng)流場演化模型，改變模型中汾河二庫回水區(qū)長時(shí)間序列入滲量，我們利用數(shù)值模擬的方法開展了汾河二庫滲漏對晉祠泉域巖溶水流場演化的影響（圖6）。

圖6 展示了二庫蓄水影響下晉祠泉域巖溶水系統(tǒng)流場演化過程。在補(bǔ)給區(qū)，由于汾河二庫蓄水抬升了地表水水面高程，增大了對相鄰巖溶地下水的滲漏補(bǔ)給，減小了該區(qū)與補(bǔ)給區(qū)地下水位的相對差值，補(bǔ)給區(qū)地下水流失量減小，加之其含水層本身儲(chǔ)水系數(shù)較低，從而使補(bǔ)給區(qū)對下水位得到了明顯抬升。2014 年之后二庫蓄水高程持續(xù)抬升，并保持高水位運(yùn)行，地表水滲漏補(bǔ)給量增加，對比2014 年和2018 年排泄區(qū)地下水位，發(fā)現(xiàn)地下水位進(jìn)一步回升，同時(shí)二庫作用下的地下水位相比自然滲漏時(shí)差值顯著增大，說明二庫滲漏對于巖溶水的補(bǔ)給起到了非常積極的強(qiáng)化作用。

圖6 模擬預(yù)測了汾河二庫高位蓄水情況下晉祠泉域巖溶水系統(tǒng)流場演化過程圖。模擬預(yù)測考慮了有汾河二庫滲漏補(bǔ)給和沒有二庫滲漏補(bǔ)給兩種情景：當(dāng)汾河二庫不發(fā)生滲漏補(bǔ)給時(shí)，晉祠泉域巖溶水水位在2023 年整體呈降低態(tài)勢。分析原因?yàn)?，在不考慮二庫滲漏補(bǔ)給時(shí)，庫區(qū)地下水因下游消耗而水位降低，從而加大了與補(bǔ)給區(qū)地下水間的水力梯度，進(jìn)而造成上游補(bǔ)給區(qū)地下水流動(dòng)加快，水位相應(yīng)降低。對于排泄區(qū)，不考慮上游二庫滲漏補(bǔ)給會(huì)使補(bǔ)給量減少，在排泄量持續(xù)的條件下必然造成區(qū)域地下水水位下降。對比2023、2028、2033、2040 年模擬預(yù)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在考慮二庫滲漏時(shí)地下水位則處于持續(xù)回升狀態(tài)，地下水位開始持續(xù)回升，其中排泄區(qū)最為顯著；排泄區(qū)水位降落漏斗在緩慢減小。所以，汾河二庫滲漏在未來晉祠泉流場演化和泉域漏斗區(qū)生態(tài)恢復(fù)中起到了重要的補(bǔ)給作用。

3.2 河道滲漏（遠(yuǎn)源）補(bǔ)水成效分析

3.2.1 河道滲漏補(bǔ)水適宜段確認(rèn)

農(nóng)藥在噴施過程中的霧滴飄移是造成環(huán)境污染、農(nóng)藥流失和農(nóng)藥有效利用率低的重要原因。常規(guī)噴霧方式下，減小霧滴直徑可以提供良好的覆蓋率，卻增大了飄移；而粗霧滴降低飄移的同時(shí)，也降低了霧滴的附著率。風(fēng)助式噴霧是一種利用專用設(shè)施產(chǎn)生定向氣流輔助的噴霧方式，能夠在霧滴直徑較小的情況下提高霧滴在靶標(biāo)上的沉積率，減少霧滴飄移。風(fēng)助式噴霧技術(shù)的應(yīng)用提高了農(nóng)藥的生物效果、拓寬了噴霧設(shè)備的應(yīng)用條件，有利于提高農(nóng)藥有效利用率，減少化學(xué)污染[1-3]。

根據(jù)野外調(diào)查和區(qū)域水文地質(zhì)條件分析，羅家曲村至龍尾頭村巖溶滲漏段，長約13.0 km 的汾河碳酸鹽巖裸露，部分地段構(gòu)造強(qiáng)烈，段內(nèi)及上游河段污染少，水質(zhì)較好，汾河水庫不放水時(shí)河內(nèi)基本無水，河段內(nèi)滲漏明顯，為補(bǔ)水有利地段。通過修建攔河壩和滲水井進(jìn)行蓄水，抬升地下水位，加大晉祠泉域入滲補(bǔ)給，促進(jìn)晉祠泉域巖溶生態(tài)系統(tǒng)早日恢復(fù)。

為進(jìn)一步查明典型滲漏段點(diǎn)及補(bǔ)水適宜性，我們采用特征離子組分和環(huán)境同位素示蹤手段來加以研究[9,27-28]。從圖7 可以看出，泉域巖溶地下水中Na+含量均較低，一般低于20 mg·L-1。在泉域北部巖溶裸露補(bǔ)給區(qū)，地下水直接接受降雨入滲補(bǔ)給，水巖作用主要以碳酸鹽巖的風(fēng)化溶蝕為主，硅酸鹽礦物風(fēng)化程度低，人類活動(dòng)影響強(qiáng)度較弱，因此巖溶水中Na+含量較低。如位于補(bǔ)給區(qū)的婁子條村和冶元村等地，巖溶水中Na+含量只有9.19 mg·L-1和14.48 mg·L-1。沿地下水流徑，巖溶水中Na+含量略有上升，在嘉樂泉、白家溝、李家溝以及漢道巖等地，達(dá)到了20 mg·L-1左右。說明在巖溶地下水向下徑流過程中，受巖溶含水層中微量鹽巖礦物溶解和地表徑流入滲補(bǔ)給的影響，其鈉離子含量也存在一定程度的緩慢的上升。比較而言，由于受表生帶硅酸鹽類礦物風(fēng)化溶濾作用以及人類活動(dòng)的共同影響，汾河水中Na+含量均較高，介于67.2～108.5 mg·L-1之間。采自于泉域滲漏區(qū)段（強(qiáng)家莊、策馬、掃石村）的巖溶水中Na+含量則表現(xiàn)出異常的高值，均大于30 mg·L-1。據(jù)此，可以推斷，滲漏段巖溶水中Na+含量值升高，可能是受地表河水入滲補(bǔ)給影響所致。而采自于汾河滲漏區(qū)段的巖溶水中Na+含量較大的波動(dòng)范圍表明，滲漏段各處巖溶水受汾河水入滲補(bǔ)給的程度不均一。鑒于Na+較為穩(wěn)定的化學(xué)活性，以其含量作為評估指標(biāo)，可以發(fā)現(xiàn)在各滲漏段點(diǎn)，汾河水入滲對巖溶水的補(bǔ)給程度大小依次為：河口鎮(zhèn)＞強(qiáng)家莊＞策馬村＞掃石村。

由圖7 可見，泉域北部補(bǔ)給區(qū)巖溶水（婁子條）中Cl-含量較低，僅為5.56 mg·L-1；而沿巖溶地下水流徑方向，嘉樂泉、白家溝、李家溝、漢道巖等地巖溶水中Cl-含量呈持續(xù)微弱上升趨勢，代表了天然水巖作用和入滲補(bǔ)給情況下的離子濃度富集效應(yīng)。而在汾河典型滲漏區(qū)段巖溶水中Cl-含量則發(fā)生顯著上升，強(qiáng)家莊、策馬村和河口鎮(zhèn)的巖溶水中Cl-含量達(dá)到了70～80 mg·L-1，與地表水呈現(xiàn)高度的相擬性。但在非滲漏區(qū)段，無論是補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)還是排泄區(qū)，巖溶地下水中Cl-含量均呈現(xiàn)出較低的離子濃度水平（＜ 20 mg·L-1）。因此，我們有理由相信，汾河滲漏段巖溶地下水中較高的Cl-含量主要來自于河水滲漏補(bǔ)給。以Cl-為參考，判斷汾河滲漏段地表河水的滲漏影響強(qiáng)度順序?yàn)楹涌阪?zhèn)＞強(qiáng)家莊＞策馬村＞掃石村＞東曲煤礦。這一結(jié)果與前述認(rèn)識基本一致。

環(huán)境穩(wěn)定同位素鍶與主量元素（Na）的聯(lián)用，有助于更深入地剖析地表水等與巖溶水的滲漏作用關(guān)系[9]。受硅酸鹽巖風(fēng)化、生活污水和工農(nóng)業(yè)廢水排放的影響，汾河地表水的鈉離子含量均較孔隙水和巖溶水有顯著升高（圖7）如汾河古交段河水中鈉離子含量達(dá)到了100 mg·L-1以上。此外，由于地表水主要經(jīng)區(qū)域水系匯流成河，其在與硅酸鹽巖下墊面相互作用的過程中獲得了較高的鍶同位素值，因此主要坐落在圖中的右上端。相對地表水而言，孔隙水受到的污廢水影響會(huì)小一些，因此其鈉離子含量也較低；但孔隙水因賦存于松散介質(zhì)中，與硅酸鹽巖風(fēng)化水解作用強(qiáng)度大，因而其87Sr/86Sr 同位素值較高而位于左上角。大部分的巖溶水中鈉離子含量較低，而落在了圖中左側(cè)。北部補(bǔ)給區(qū)和一部分徑流區(qū)巖溶水因接受地表降雨徑流的快速入滲而呈現(xiàn)出中等的87Sr/86Sr 值。特別值得關(guān)注的是，先前識別出的幾處受汾河水滲漏嚴(yán)重影響的巖溶地下水，由于受地表河水中較高的鈉離子含量和87Sr/86Sr 值影響，其Na 含量值和87Sr/86Sr 值均有顯著上升而落在地表水-巖溶水混合線上。

盡管在整個(gè)晉祠泉域，從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)，巖溶水的14C 年齡是逐漸增大的，但是在汾河兩岸其變化趨勢完全不同，越靠近汾河主河道，巖溶水的14C 年齡就越年輕。從具體的巖溶水樣點(diǎn)年齡來看，在汾河以北的廣泛的碳酸鹽裸露補(bǔ)給區(qū)，大多數(shù)巖溶地下水的14C 年齡在3000 年左右，例如冶元村為3720年，嘉樂泉為3100 年，白家溝為3080 年，巖溶地下水的平均運(yùn)移時(shí)間較長。在靠近汾河的強(qiáng)家莊村一帶，巖溶水14C 年齡下降為1200 年，是較為年輕的巖溶水；而在策馬村附近，14C 年齡檢測結(jié)果已經(jīng)是現(xiàn)代碳，其地下水年齡小于60 年，表明在該處巖溶地下水受到汾河河水的強(qiáng)烈滲漏而補(bǔ)給，成為了現(xiàn)代水。此外，該處較為年輕的巖溶地下水在往徑流區(qū)流動(dòng)的過程中，向汾河南岸巖溶含水層擴(kuò)散流動(dòng)，與汾河附近的巖溶地下水充分混合從而導(dǎo)致其14C 年齡變年輕，如主河道以南、靠近汾河支流天池河的義里溝等處的巖溶地下水14C 年齡低至2300 年，反映出顯著的地表河水滲漏混合效應(yīng)。

3.2.2 河道滲漏補(bǔ)水成效分析

以現(xiàn)狀開采模型為基礎(chǔ)，分別模擬滲漏補(bǔ)水量為839.92 萬m3·a-1（方案1）、1 128.90 萬m3·a-1（方案2）和2 000 萬m3·a-1（方案3）時(shí)晉祠泉巖溶地下水系統(tǒng)流場演化過程（圖）。如圖8 所示，在方案3 補(bǔ)水條件下，遠(yuǎn)源補(bǔ)水對于古交地區(qū)巖溶地下水流場演化影響最大，其原因一方面為遠(yuǎn)源補(bǔ)水--采用的是大流量補(bǔ)水，另一方面為汾河沿岸地下水徑流區(qū)雖然裂隙發(fā)育但是儲(chǔ)水系數(shù)較小，因此當(dāng)采用大流量持續(xù)補(bǔ)水使地下水響應(yīng)便會(huì)很顯著。當(dāng)補(bǔ)給、徑流區(qū)地下水位抬升時(shí)，排泄區(qū)接收上游補(bǔ)給量增多，水位也隨之上升，水位響應(yīng)的時(shí)間及變化值主要受遠(yuǎn)源補(bǔ)水量及徑流區(qū)滲透系數(shù)及排泄區(qū)儲(chǔ)水系數(shù)影響。所以，當(dāng)遠(yuǎn)源補(bǔ)水維持在2 000 萬m3·a-1時(shí)泉域巖溶水水位可快速上升，預(yù)測晉祠泉域地下水生態(tài)環(huán)境將在數(shù)年內(nèi)得到顯著改善。

3.3 近源補(bǔ)水成效分析

3.3.1 近源補(bǔ)水通道識別

在晉祠泉域水文地質(zhì)條件調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過地下水NaCl 示蹤試驗(yàn)和地球物理勘查以探明晉祠附近明仙溝近源補(bǔ)水的可能性以及相關(guān)的水文地質(zhì)參數(shù)。本次試驗(yàn)以明仙溝內(nèi)鉆孔（ZK17）為投源點(diǎn)投放NaCl，在下游布置電導(dǎo)率監(jiān)測井和物探測線的方法來識別巖溶水流向和連通性（圖9）。

此次示蹤試驗(yàn)在赤橋村監(jiān)測井監(jiān)測到顯著的電導(dǎo)率變化。從5 月29 日開始投鹽，經(jīng)過10.3 d 之后，電導(dǎo)率開始上升，在10.9 d 后達(dá)到峰值電導(dǎo)率，之后電導(dǎo)率值開始衰減，并于13.5 d 后基本恢復(fù)至初始背景值。以電導(dǎo)率值開始上升時(shí)的地下水流速為最快流速，出現(xiàn)峰值電導(dǎo)率時(shí)的流速為峰值平均流速，電導(dǎo)率開始恢復(fù)為初始值的流速為最慢流速，此次試驗(yàn)投源井與赤橋村監(jiān)測井的直線距離約為1035 m，由此計(jì)算出該區(qū)間內(nèi)地下水平均流速：最快流速為100.98 m·d-1；最慢流速為76.89 m·d-1；峰值平均流速為95.39 m·d-1。

充電法勘探解譯結(jié)果如圖10 所示，其中藍(lán)色虛線區(qū)域?yàn)辂}分隨地下水流動(dòng)路徑。由解譯結(jié)果來看，鹽分從明仙溝投源井沿北西-南東向流向赤橋村井。相較該區(qū)構(gòu)造情況而言，在明仙溝SE 段的監(jiān)測井-養(yǎng)殖場一帶，由于受到鄰近溝口的邊山斷裂（晉祠斷裂）活動(dòng)影響，該區(qū)間的次級斷裂較為發(fā)育，主要形成以階梯狀斷層組合為主的正斷層組合以及一些小規(guī)模的地壘。該區(qū)域的南北向斷裂及次級裂隙對于明仙溝溝口地下水運(yùn)移具有明顯控制作用，而東西向隱伏斷裂導(dǎo)水性相對較弱，該區(qū)間地下水流動(dòng)方向應(yīng)當(dāng)以向南或向SE 為主。由此可以看出，充電法探測的結(jié)果與該區(qū)構(gòu)造情況相符，該段地下水流向以南東向沿山谷地形流至明仙溝口。綜合以上認(rèn)識，認(rèn)為明仙溝是晉祠泉附近比較適宜的近源補(bǔ)給區(qū)，且滲水池或滲井壩應(yīng)該盡量修建在明仙溝后部，即ZK17 孔西北部比較開闊的區(qū)域。

3.3.2 補(bǔ)水成效分析

近源補(bǔ)水工程為促進(jìn)晉祠泉域生態(tài)修復(fù)的有力措施之一。為此我們模擬預(yù)測了明仙溝生態(tài)滲水、開化溝補(bǔ)水和兩地同時(shí)補(bǔ)水三種方案下，晉祠泉域局部巖溶地下水流場的演變。各方案模擬結(jié)果輸出的研究區(qū)巖溶地下水流場演化如圖11 所示：3 種近源補(bǔ)水方案均顯示出良好的修復(fù)效果。其中，同時(shí)在明仙溝和開化溝補(bǔ)水時(shí)補(bǔ)水效果最佳，地下水水位整體回升明顯，區(qū)域生態(tài)環(huán)境有望迅速改觀。單獨(dú)補(bǔ)水時(shí)，在明仙溝滲漏補(bǔ)水也極其有利于補(bǔ)給區(qū)的水資源補(bǔ)充，可以使晉祠泉域巖溶地下水大幅縮短維持現(xiàn)狀開采條件下的恢復(fù)時(shí)間。

3.4 煤礦區(qū)保水限排及巖溶水壓采成效分析

煤礦開采排放巖溶水和礦區(qū)巖溶水超采是晉祠泉域巖溶生態(tài)環(huán)境的主要影響因素之一[29-31]。經(jīng)調(diào)查，2017 年泉域煤礦排放巖溶水量約1 003.68 萬m3·a-1。泉域范圍內(nèi)取用巖溶水較大的煤礦有5 個(gè)，年開采巖溶水量約756.09 萬m3·a-1。若采用替代水源，壓采煤礦區(qū)巖溶水，有望持續(xù)恢復(fù)礦區(qū)及周邊巖溶水位。根據(jù)煤礦巖溶水開采量及控制開采的難易程度，提出方案1：官地礦、白家莊礦關(guān)井壓采，西峪礦保水限排；方案2：官地礦、白家莊礦、西銘礦、杜兒坪礦關(guān)井壓采，西峪礦和東于礦保水限排；方案3：官地礦、白家莊礦、西銘礦、杜兒坪礦、爐峪口礦關(guān)井壓采，西峪礦、東于煤礦、鎮(zhèn)城底礦、屯蘭礦、馬蘭礦、東曲礦、西曲礦、原相礦和福昌礦保水限排。

依據(jù)方案1-3，模擬晉祠泉域巖溶地下水流場演化（圖12），相比維持現(xiàn)狀開采條件，對實(shí)施煤礦區(qū)保水限排和關(guān)井壓采可以有效地消除采礦活動(dòng)造成的礦區(qū)周邊巖溶地下水降落漏斗。當(dāng)降落漏斗逐漸被填平后，排泄區(qū)上游來水中途消耗量減少，有利于排泄區(qū)巖溶地下水資源的補(bǔ)充和地下水水位持續(xù)回升。方案3 中對多個(gè)煤礦進(jìn)行關(guān)井壓采、保水限排，使巖溶水資源的減排數(shù)量最大，水位回升效果也最佳。方案2 相比方案3 保水量減少了830.66 萬m3·a-1，但模擬得到的晉祠泉水位回升時(shí)間僅相差2 個(gè)月，說明在短期內(nèi)方案2 具有成本低、效益好的優(yōu)勢。方案1 對巖溶水資源的恢復(fù)效果有限，對區(qū)域水資源保護(hù)和生態(tài)環(huán)境修復(fù)的效果不顯著，明顯劣于方案2 和3。

4 結(jié) 論

本文以收集的大量資料和野外地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查，監(jiān)測、試驗(yàn)、測試等方法獲得的豐富數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用構(gòu)造水文地質(zhì)分析、水文地球物理勘查、水文地質(zhì)鉆探、水文地質(zhì)試驗(yàn)、水文地球化學(xué)研究、水文地質(zhì)模擬等多種手段，查明了晉祠泉重點(diǎn)補(bǔ)給區(qū)段水文地質(zhì)條件，系統(tǒng)地研究了在人類強(qiáng)烈活動(dòng)影響下，晉祠泉巖溶水系統(tǒng)地下水補(bǔ)給、賦存與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探討了晉祠泉域巖溶水系統(tǒng)生態(tài)修復(fù)補(bǔ)水方案，開展了不同補(bǔ)水工況下泉巖溶水系統(tǒng)補(bǔ)水效果的模擬與預(yù)測研究，為科學(xué)規(guī)劃、可持續(xù)開發(fā)利用巖溶水資源和盡快實(shí)現(xiàn)晉祠泉復(fù)流，提供了重要的科學(xué)依據(jù)和關(guān)鍵技術(shù)支撐。

本文還系統(tǒng)地研究了多年時(shí)間序列泉域巖溶水系統(tǒng)流場的演化特征及形成原因，從多年序列泉域水資源要素變化出發(fā)，總結(jié)出晉祠泉?jiǎng)討B(tài)變化的四個(gè)階段特征，并識別了影響泉?jiǎng)討B(tài)的關(guān)鍵因子，認(rèn)為造成晉祠泉斷流的原因依次為：過量巖溶水開采（含采煤排出巖溶水）＞降雨減少＞汾河滲漏減少。因此，控制泉域內(nèi)巖溶水開采（含采煤排巖溶水）是能否實(shí)現(xiàn)巖溶泉域生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵。近年來，在降雨持續(xù)偏豐的有利形勢下，加上穩(wěn)定運(yùn)行汾河二庫，以及在主要河流滲漏段筑壩遠(yuǎn)源補(bǔ)水和在晉祠泉鄰近合適地段人工近源補(bǔ)水等“組合拳”措施的實(shí)施，進(jìn)一步改善泉域生態(tài)環(huán)境，有效地加大了泉域入滲補(bǔ)給量，將會(huì)加快實(shí)現(xiàn)晉祠泉域巖溶水系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)。因此，建議在加強(qiáng)二庫滲漏補(bǔ)給的前提下，同時(shí)實(shí)施巖溶水壓采，輔以煤礦區(qū)保水限采等多種措施，以實(shí)現(xiàn)晉祠泉域巖溶水和生態(tài)環(huán)境的快速健康恢復(fù)。