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古堆-南梁泉域岩溶水环境问题现状与泉源区保护

王志恒 梁永平 史浙明 申豪勇 张松涛 赵一 谢浩 赵春红 唐春雷

王志恒, 梁永平, 史浙明, 申豪勇, 张松涛, 赵一, 谢浩, 赵春红, 唐春雷. 古堆-南梁泉域岩溶水环境问题现状与泉源区保护[J]. 地质科技通报, 2023, 42(5): 228-240. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20220352
引用本文: 王志恒, 梁永平, 史浙明, 申豪勇, 张松涛, 赵一, 谢浩, 赵春红, 唐春雷. 古堆-南梁泉域岩溶水环境问题现状与泉源区保护[J]. 地质科技通报, 2023, 42(5): 228-240. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20220352
Wang Zhiheng, Liang Yongping, Shi Zheming, Shen Haoyong, Zhang Songtao, Zhao Yi, Xie Hao, Zhao Chunhong, Tang Chunlei. Current situation of karst groundwater environmental problems and spring source protection in the Gudui-Nanliang spring basin[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2023, 42(5): 228-240. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20220352
Citation: Wang Zhiheng, Liang Yongping, Shi Zheming, Shen Haoyong, Zhang Songtao, Zhao Yi, Xie Hao, Zhao Chunhong, Tang Chunlei. Current situation of karst groundwater environmental problems and spring source protection in the Gudui-Nanliang spring basin[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2023, 42(5): 228-240. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20220352

古堆-南梁泉域岩溶水环境问题现状与泉源区保护

doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.tb20220352
基金项目: 

自然资源部中国地质调查项目 DD20230425

自然资源部中国地质调查项目 DD20221758

自然资源部中国地质调查项目 DD20190334

国家自然科学基金项目 41902256

中国地质科学院基本科研项目 2020010

中国地质科学院基本科研项目 JKYQN202370

中国地质科学院基本科研项目 2022007

详细信息
    作者简介:

    王志恒(1990-), 男, 助理研究员, 主要从事地下水资源评价及开发利用的研究工作。E-mail: wangzh_karst@163.com

    通讯作者:

    申豪勇(1988-), 男, 副研究员, 主要从事北方岩溶地下水资源调查与评价工作。E-mail: shaoyong@mail.cgs.gov.cn

  • 中图分类号: P642.25

Current situation of karst groundwater environmental problems and spring source protection in the Gudui-Nanliang spring basin

  • 摘要:

    古堆-南梁泉域位于山西省南部, 是一个深循环与浅循环共存、冷水系统与热水系统循环转化、多级次排泄的复合型岩溶水系统, 因长期不合理的开发利用, 泉域内出现了一系列岩溶水环境地质问题。以水文地质调查工作为基础, 综合采用地下水流场对比分析、水文地球化学及同位素分析、岩溶水资源评价等方法, 详细论述了古堆-南梁泉域内岩溶水环境问题现状及其成因, 并提出了泉源区生态修复与规划方案。结果表明: 受气候变化与人类活动的叠加影响, 系统内古堆泉、南梁泉、海头泉分别于1999年、1992年、2002年断流, 2013-2021年区域地下水位平均下降速度达2.53 m/a; 水化学、同位素分析结果指示了排泄区九原山附近松散岩类孔隙水越流补给量、三泉水库渗漏补给量对岩溶地下水的影响已不可忽略; 泉域内岩溶水超Ⅲ类水水质标准样品占比由2014年的62.5%升高至2021年的81.25%;泉源区0.904 km2范围可细分为核心保护区、水库蓄水区、一般保护区, 应分区进行生态保护与修复规划。研究结果可为山西省超采区综合治理、古堆泉水生态修复与保护工作提供基础依据。

     

  • 图 1  古堆泉域水文地质略图

    1.碳酸盐岩裸露区;2.碳酸盐岩覆盖区;3.碳酸盐岩浅埋藏区;4.碳酸盐岩深埋藏区;5.非碳酸盐岩区;6.早期泉域边界;7.新泉域边界(下部细线为子系统边界);8.控制性钻孔碳酸盐岩埋藏深度(m);9.岩溶泉水(蓝色为出流下降泉,红色为断流上升泉);10.地下水流向(左侧为浅循环流向,右侧为深循环流向);11.剖面线及起止点标注;12.长观孔位置及名称。Ar.新太古界; ∈.寒武系; O.奥陶系;C.石炭系;C-P.石炭系-二叠系;Q+N.第四系+新近系;Q.第四系; πδη.火成岩侵入体

    Figure 1.  Hydrogeological sketch of the Gudui spring basin

    图 2  南梁泉流量衰减过程曲线

    Figure 2.  Flow attenuation process curve of Nanliang spring

    图 3  古堆泉域地下水流场与取样点位置图

    1.碳酸盐岩裸露区;2.碳酸盐岩覆盖区;3.碳酸盐岩浅埋藏区;4.碳酸盐岩深埋藏区;5.非碳酸盐岩区;6.早期泉域边界;7.新泉域边界(下部细线为子系统边界);8.岩溶泉水(蓝色为出流下降泉,红色为断流上升泉);9.地下水流向(左侧为浅循环流向,右侧为深循环流向);10.地下水位统测点及水位(上部深蓝色为2021年水位标高,下部浅蓝色为2013年水位标高, 单位m);11.水质取样点及编号;12.岩溶水等水位线(红色表示2021年等水位线,蓝色表示2013年等水位线)

    Figure 3.  Groundwater flow field and sampling point locations in the Gudui spring basin

    图 4  古堆泉域长系列观测孔地下水位动态曲线

    Figure 4.  Dynamic curve of groundwater level in the long series observation holes in the Gudui spring basin

    图 5  排泄区岩溶水位与孔隙水位对比图

    1.碳酸盐岩裸露区;2.碳酸盐岩覆盖区;3.碳酸盐岩浅埋藏区;4.碳酸盐岩深埋藏区;5.地下水流向(右侧为浅循环流向,左侧为深循环流向);6.断流泉水位置及名称;7.泉域边界(下部细线为子系统边界);8.断层;9.乡镇位置及名称;10.等水位线与水位标高(m);11.岩溶水孔位及水位标高(m);12.浅层孔隙水孔位及水位标高(m);13.中深层孔隙水孔位及水位标高(m)

    Figure 5.  Comparison of the karst groundwater level and pore groundwater level in the discharge area

    图 6  排泄区岩溶水温度与电导率分布

    1.碳酸盐岩裸露区;2.碳酸盐岩覆盖区;3.碳酸盐岩浅埋藏区;4.碳酸盐岩深埋藏区;5.地下水流向(右侧为浅循环流向,左侧为深循环流向);6.断流泉水位置及名称;7.泉域边界(下部细线为子系统边界);8.断层;9.乡镇位置及名称;10.岩溶水孔位(分子表示温度(℃),分母表示电导率(S/m))

    Figure 6.  Temperature and conductivity distribution of karst water in the discharge area

    图 7  古堆泉岩溶水化学Piper三线图

    Figure 7.  Piper diagram of karst water in the Gudui spring

    图 8  岩溶水与三泉水库水δD、δ18O关系图

    Figure 8.  δD and δ18O relationship plot for karst water and Sanquan Reservoir water

    图 9  两期水质评价结果对比图

    Figure 9.  Comparison of the water quality assessment results between the two periods

    图 10  古堆泉源保护区分布图

    Figure 10.  Map of Gudui spring source protection area division

    图 11  古堆泉泉源保护区环境修复规划图

    1.旅游服务区;2.泉水排泄区;3.三泉水库区;4.文物修复与商业开发区;5.九原山森林公园区;6.古堆村住宅区;7.基本农田区;8.深水库区水上游览区;9.浅水库区水上乐园区;10.特色花卉种植区;11.观赏树林;12.瓜果采摘园;13.特色花卉园;14.休闲垂钓场;15.泉水位置及名称;16.文物庙宇;17.库区码头;18.新苏公路;19.观光小路

    Figure 11.  Environmental restoration planning of the Gudui spring source protection area

    表  1  古堆泉水流量观测统计

    Table  1.   Statistical table of Gudui spring flow observations

    观测时间(年) 1956以前 1964-1968 1974-1978 1979-1982 1983-1986 1987-1988 1989-1990 1991-1993 1999
    泉流量/(m3·s-1) 1.3 1.2 0.9 0.715 0.618 0.495 0.715 0.532 断流
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    表  2  海头泉水流量观测统计

    Table  2.   Statistical table of Haitou spring flow observations

    时间 泉流量/(m3·s-1) 时间 泉流量/(m3·s-1)
    1949年以前 0.137 1975年 0.163
    1949年 0.154 1976年 0.157
    1950年 0.154 1978年 0.116
    1951年 0.154 1986年 0.155
    1960年 0.168 八十年代 0.120
    1961年 0.170 1997-2001年 0.049
    1968年 0.158 2002年1月 0.049
    1974年 0.154 2002年3月20日泉、自流井
    全部断流
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    表  3  两期水位统测统计对比分析

    Table  3.   Statistical comparative analysis of water level measurements for the two periods 地下水位/m

    统计结果 2013年 2021年 水位变差
    最小值 393.17 364.60 28.57
    最大值 1 026.04 944.80 81.24
    平均 520.87 500.66 20.21
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    表  4  各子系统内两期水位变差统计

    Table  4.   Statistics on the variation of groundwater levels between the two periods with each subsystem

    子系统名称 统测点数 2013年平均水位/m 2021年平均水位/m 水位变差/m 下降速度/(m·a-1)
    古堆泉 5 399.43 367.98 31.45 3.93
    海头泉 7 534.63 520.14 14.49 1.81
    南梁泉 5 682.83 656.76 26.07 3.26
    侯马深循环 4 455.94 427.53 28.41 3.55
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    表  5  古堆泉、三泉水库多年水化学、同位素特征对比

    Table  5.   Comparison of hydrochemical and isotopic characteristics of Gudui spring and Sanquan Reservoir over the years

    取样位置 取样
    年份
    pH 温度/℃ Ca2+ SO42- HCO3- HB TDS NO3- F- δD/‰ δ18O/‰
    ρB/(mg·L-1)
    古堆泉 1986 7.44 22.50 109.82 270.53 256.28 437.55 790.27 4.00 2.00 -76.00 -10.30
    古堆泉 2000 7.66 22.50 102.20 266.57 268.82 430.21 777.38 8.00 1.44 未采样 未采样
    古堆泉 2004 8.03 22.50 105.20 290.60 238.00 430.08 787.00 2.50 1.30 未采样 未采样
    古堆泉 2008 6.88 21.70 114.52 308.26 256.38 457.72 819.90 2.54 2.00 未采样 未采样
    古堆泉 2014 7.96 23.80 101.00 239.00 282.00 417.50 747.00 8.92 0.93 -71.00 -9.80
    古堆泉 2019 7.53 21.85 92.00 218.63 261.32 385.00 688.00 7.34 0.75 -63.80 -8.50
    古堆泉 2020 8.06 21.64 63.26 154.52 208.53 275.32 528.00 6.18 0.60 -58.20 -7.64
    古堆泉 2021 7.68 20.20 85.50 175.36 307.99 364.00 696.00 7.20 0.96 -60.80 -7.81
    三泉水库 2014 7.49 30.10 51.90 149.00 168.00 230.00 500.00 0.79 0.35 -59.00 -7.70
    三泉水库 2021 7.74 30.40 49.97 167.00 203.94 263.86 658.00 1.17 0.32 -62.10 -8.08
    注:表中1986、2000、2004年数据详见参考文献[9],2008年数据详见参考文献[4],2014年及以后数据为笔者及团队实测。水化学组分由PHS-3CpH计、可见光光度计和离子色谱仪等测定。氢氧同位素利用稳定同位素质谱仪MAT253测定,氢同位素采用Pt水平衡法测定,氧同位素采用CO2-H2O水平衡法测定,以上均由国土资源部岩溶地质资源环境监督检测中心测试。HB.总硬度; TDS.溶解性总固体
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    表  6  古堆泉域岩溶水两期水化学质量浓度对比统计

    Table  6.   Comparative statistics of water chemistry of karst groundwater in the Gudui spring basin between the two periods

    取样时间 项目 pH K+ Na+ Ca2+ Mg2+ SO42- Cl-
    ρB/(mg·L-1)
    2014年 最小值 7.49 0.80 8.15 37.70 15.30 21.10 7.66
    最大值 8.23 13.00 479.00 152.00 58.60 868.00 488.00
    平均 7.83 5.31 108.32 97.05 34.57 279.62 91.62
    2021年 最小值 7.48 1.13 4.29 49.97 17.54 31.36 5.89
    最大值 8.03 22.33 454.09 148.40 82.99 703.39 606.55
    平均 7.68 5.80 125.52 97.27 38.34 300.60 92.29
    单项指标变化率 -1.92% +9.19% +15.88% +0.23% +10.92% +7.51% +0.73%
    取样时间 项目 HCO3- HB TDS NO3- F- Sr2+
    ρB/(mg·L-1)
    2014年 最小值 168.00 171.00 298.00 0.00 0.20 0.22
    最大值 298.00 622.00 2265.00 8.92 2.58 3.14
    平均 257.12 384.65 786.76 3.58 1.07 1.24
    2021年 最小值 203.94 247.06 278.00 0.05 0.09 0.17
    最大值 472.39 619.42 1854.00 25.53 2.62 4.30
    平均 281.42 402.93 828.47 6.83 1.28 1.72
    单项指标变化率 +9.45% +4.75% +5.30% +90.86% +19.06% +37.94%
    注:水化学组分由PHS-3CpH计、可见光光度计和离子色谱仪等测定,由国土资源部岩溶地质资源环境监督检测中心测试
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  • 收稿日期:  2022-07-14
  • 录用日期:  2023-02-27
  • 修回日期:  2023-01-28

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