（水文学及水资源专业论文）延河泉域岩溶地下水资源数值模拟研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 延河泉域岩溶地下水资源数值模拟研究 摘要 随着社会的发展，晋城市的水资源情势及水环境都发生了 很大变化，中部地区水资源目渐短缺，工业布局由中部地区向 西部沁河沿岸转移成为经济发展的必然趋势。延河泉域作为沁 河沿岸的重要泉域，必将对晋城市未来的发展产生巨大的影响。 2 0 0 3 年底，根据山西省的统一部署，晋城市决定开展本市的第 二次水资源评价及水资源总体规划工作。为了确保晋城市经济 社会和环境的可持续发展，确保延河泉域岩溶地下水资源的可 持续利用，开展延河泉域岩溶地下水资源评价研究是非常必要 的，它不仅为晋城市合理开发利用和保护岩溶地下水资源提供 可靠的数据，而且对晋城市国民经济的发展具有重要的现实意 义和深远的历史意义。 本论文以延河泉域岩溶地下水资源为研究对象，进行了六 个方面的研究。首先，依据相关资料对泉域的边界条件进行了 界定；其次，根据泉域多年地下水位、降水量及泉流量进行了 地下水动态研究，包括岩溶地下水动态变化规律、岩溶泉流量 动态特征、大气降水对延河泉流量的延迟效应以及泉流量衰减 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 原因；第三，进行了岩溶地下水开发利用现状研究，指出了开 发利用过程中存在的问题；第四，根据泉域2 0 0 4 年4 月的水质 采样结果，进行了岩溶地下水水质评价研究，包括生活饮用水、 工业用水、农业用水及地下水环境质量评价四个方面；第五， 采用排泄量法和补给量法进行了泉域1 9 5 6 2 0 0 0 年系列和 1 9 8 0 2 0 0 0 年系列岩溶地下水资源量评价研究，得出两个系列 的岩溶地下水排泄量和补给量；最后，运用基于迦辽金 ( g a l e r k i n ) 有限单元法的地下水水流模型软件包a q u a 3 d 对 泉域的地下水进行了数值模拟研究，通过识别和检验，确定出 泉域的数学模型和水文地质参数，并且采用有限单元法进行了 泉域多年平均降水量和预测降水量两个降水方案岩溶地下水资 源可开采量的评价研究。 总之，通过对延河泉域岩溶地下水资源的研究，本论文取 得了可靠的评价成果，为延河泉域岩溶地下水资源的合理开发 和高效利用提供了科学依据。 关键词：泉域，地下水资源评价，岩溶，数值模拟，可开采量 h 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h es t u d yo nk a r s tg r o it n d w a t e rr e s o u r c e sn i 江e r i c a l s i n n ，a t i o n0 fy a n h es p r i n gb a s i n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h ew a t e rr e s o u r c e ss i t u a t i o n a n dw a t e re n v i r o n m e n to fj i n c h e n gc i t yh a v et a k e ng r e a tc h a n g e s ， t h ew a t e rr e s o u r c e so fi t sm i d d l ed i s t r i c ti sh a r du pd a yb yd a y , t h e l a y o u to fi n d u s t r yt r a n s f e r st oq i nr i v e rc o a s tf r o mm i d d l ed i s t r i c t i sa ni n e v i t a b l et r e n df o rt h ed e v e l o p m e n to fj i n c h e n g se c o n o m y a sa ni m p o r t a n ts p r i n gb a s i no fq i nr i v e rc o a s t ，y a n h es p r i n gb a s i n m u s th a sat r e m e n d o u se f f e c tt ot h ed e v e l o p m e n to fj i n c h e n gc i t y i nt h ef u t u r e a tt h ee n do f2 0 0 3 ，j i n c h e n gc i t yd e c i d e st oc a r r yi t s s e c o n dw a t e rr e s o u r c e sa p p r a i s a la n di t sw a t e rr e s o u r c e sg e n e r a l l a y o u ta c c o r d i n gt ot h eu n i t i v ed i s p o s e o fs h a n x ip r o v i n c e i n o r d e rt oi n s u r ei t sc o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n d e n v i r o n m e n ta n di t sc o n t i n u a b l eu t i l i z a t i o n o f s p r i n g k a r s t g i 太原理工大学硕士研究生学位论文 g r o u n d w a t e rr e s o u r c e s ，i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yt h es t u d yo nk a r s t g r o u n d w a t e rr e s o u r c e so fy a n h es p r i n gb a s i n ，t h i sc a nn o to n l y a f f o r dr e l i a b l ed a t a st ou t i l i z ea n dp r o t e c tt h ek a r s tg r o u n d w a t e r r e s o u r c e s r a t i o n a l l y , b u t a l s oh a s a n i m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ea n df a r - r e a c h i n gh i s t o r i c a ls e n s et o t h ed e v e l o p m e n t o fj i n c h e n g sc i v i le c o n o m y t h ep a p e rh a st r e a t e dt h ek a r s tg r o u n d w a t e rr e s o u r c e so f y a n h es p r i n gb a s i na sr e s e a r c ho b j e c t ，a n ds i xa s p e c t sh a v eb e e n r e s e a r c h e d f i r s t l y , t h eb o u n d a r y o fs p r i n gb a s i nh a v eb e e n c o n f i r m e di nt e r m so fc o r r e l a t i v em a t e r i a l s ；s e c o n d ，i nt e r m so fi t s w a t e rl e v e l ，p r e c i p i t a t i o na n ds p r i n gf l o wo fm a n yy e a r s ，t h et r e n d o fk a r s tg r o u n d w a t e rh a sb e e nr e s e a r c h e d ，i ti n c l u d et h ec h a n g e f u l w e n do fk a r s tg r o u n d w a t e r , t h ec h a r a c t e ro fk a r s ts p r i n g ，t h ed e l a y e f f e c to fp r e c i p i t a t i o nt oy a n h es p r i n gf l o wa n dt h ea t t e n u a t i o n r e a s o no fs p r i n gf l o w ；t h i r d ，t h es t a t u sq u oo fg r o u n d w a t e rh a s b e e nr e s e a r c h e d ，a n dw ep o i n t e d o u tt h e p r o b l e m sd u r i n g e x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o n ；f o u r t h ，i nt e r m so f t h ew a t e rs a m p l eo f s p r i n gb a s i ni na p r i l ，2 0 0 4 ，t h ek a r s tg r o u n d w a t e rq u a l i t yh a sb e e n a p p r a i s e d ，i ti n c l u d ef o u ra s p e c t s ，s u c ha st h ea p p r a i s a lo f d r i n k i n g i v 奎垦望三奎兰堡主堑塞尘堂堡垒奎 一一 w a t e r , i n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，e n v i r o n m e n t a lq u a l i t y ；f i f t h ，t h ep a p e r h a v er e s e a r c h e dt h ek a r s tg r o u n d w a t e rr e s o u r c e sq u a n t i t y o f 1 9 5 6 2 0 0 0s e r i e sa n d1 9 8 0 2 0 0 0s e r i e sw i t hd i s c h a r g em e t h o d a n d r e c h a r g em e t h o d ，i t o b t a i n e dt h ed i s c h a r g ea n dr e c h a r g e q u a n t i t yo ft h ek a r s tg r o u n d w a t e ro ft w os e r i e s ；l a s t ，t h ep a p e r h a v es i m u l a t e dt h eg r o u n d w a t e ra tt h eu s eo fa q u a 3 d s o f t w a r e b a gw h i c hi sb a s e do i lg a l e r k i nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f r o m i d e n t i f ya n dv e r i f y , t h em a t h e m a t i cm o d e la n dh y d r o g e o l o g i c a l p a r a m e t e r so fy a n h es p r i n gb a s i n h a v eb e e nc o n f i r m e d ，i ta l s o h a v er e s e a r c h e dt h ea l l o w a b l ee x p l o i t a t i o no fk a r s tg r o u n d w a t e r r e s o u r c e sw i t ht h ea v e r a g ep r e c i p i t a t i o ns c h e m ea n dt h ef o r c a s t p r e c i p i t a t i o ns c h e m ea tt h eu s eo f f i n i t ee l e m e n tm e t h o d t os u mu p ，t h ep a p e rg a i n e dc r e d i b l er e s u l t sf r o mt h es t u d yo i l k a r s tg r o u n d w a t e rr e s o u r c e so f y a n h es p r i n gb a s i n ，t h i sc a na f f o r d s s c i e n t i f i cb a s i so nr e a s o n a b l ee x p l o i t a t i o na n dh i 【g h e f f e c t i v e u t i l i z a t i o na tk a r s tg r o u n d w a t e rr e s o u r c e so f y a n h es p r i n gb a s i n k e yw o r d s ：s p r i n gb a s i n ，g r o u n d w a t e rr e s o u r c e sa p p r a i s a l ， k a r s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a l l o w a b l ee x p l o i t a t i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 水是地球上生命的来源，具有滋生万物的能力，也是人类的生命之源。 自古以来，水被认为是一种人类生存不可缺少的自然资源。我们知道，世 界上人均水资源量为7 3 4 2 m 3 ，远在每人3 0 0 0 m 3 的缺水上限之上。虽然 总体而言世界上是不缺水的，但是因世界上水资源分布极不均匀，许多重 要的地区和国家是缺水的。随着城市化和工业化的发展，人类大规模超强 度开采地下水，导致区域性的地下水位普遍下降。同时，随着废污水进入 地下水，引起地下水水质下降，导致全球地下水资源短缺问题越来越突出。 据美国地质调查局统计资料，全美有5 2 5 的人依赖地下水作为饮用水【2 】， 我国的情况大致与此相当。国际上有“1 9 世纪争煤，2 0 世纪争石油，2 l 世纪争水”和“2 1 世纪国际投资与经济发展，一看人，二看水”的说法，说 明水可能成为各国可持续发展的最大资源制约因素。展望未来，水资源正 日益影响全球的环境和社会经济发展，甚至可能导致国家或地区之间的冲 突。因此，探讨水资源的国家战略极其相关科学问题，是全球关注和各国 政府的主要议题之- - 1 3 1 。 根据水利部和国家计委联合发出的关于开展全国水资源综合规划编 制工作的通知和山西省水资委2 0 0 1 年工作会议精神，山西省从2 0 0 1 年起开始了省级第二次水资源评价及水资源总体规划工作。到2 0 0 3 年底， 第一阶段工作即全省各市地、各流域分区水资源量、开发利用现状调查评 价工作已全面完成，省水资委已正式下达了“各市地水资源量控制数据”。 根据全省的统一部署，晋城市决定开展本市第二次水资源评价及水资源总 太原理t 大学硕士研究生学位论文 体规划工作。本论文就是其专题研究延河泉岩溶地下水资源评价、开发 利用与优化配置研究中的予项目，对延河泉域岩溶地下水资源进行评价 研究。 山西省作为我国北方岩溶分布最广泛的省份【4 5 】，形成了众多流量相 对稳定的岩溶泉及相应的泉域，岩溶水系统已成为山西省最重要的供水来 源【6 】o 作为山西省能源墓化工基地的晋城市，拥有延河泉和三姑泉两个泉 域，其第一次水资源评价是1 9 8 5 年完成的，该成果在指导晋城市水资源 开发利用以及促进该市国民经济持续发展等方面发挥了重要的作用。随着 时间的推移、气候条件的变迁、人类活动的加剧和经济社会的发展，该市 的水资源情势、丌发利用状况以及水环境等方面发生了很大变化，水已经 成为严重制约其经济发展的重要因素。岩溶地下水作为晋城市主要的供水 水源，以其流量稳定、水质良好，对该市经济社会的发展起到了举足轻重 的作用，但近年来，岩溶泉流量持续下降，部分地区岩溶水水质遭受污染， 泉域水环境发生了很大变化。中部地区( 丹河流域) 地下水资源r 渐短缺， 而晋城市境内的主要城市和较大型工业企业均分布在中部地区，严重制约 了其经济的发展。目前晋城市的经济结构正处于具有重大影响的战略性调 整阶段，为了大力发展地面企业，逐步实现经济的转轨变型，工业布局由 中部地区向西部沁河沿岸转移成为必然趋势。延河泉域作为沁河沿岸的重 要泉域，必将对晋城市未来的发展产生巨大的影响。为了确保晋城市经济 社会和环境的可持续发展，确保延河泉域岩溶地下水资源的可持续利用， 以地下水资源的可持续利用保障可持续发展，开展延河泉域岩溶地下水资 源研究是非常必要的，它不仅为晋城市合理开发利用和保护岩溶地下水资 源提供可靠的数据，而且对晋城市国民经济的发展无疑具有重要的现实意 义和深远的历史意义，同时也为各级水行政主管部门加强地下水资源的监 督管理，保护地下水资源、指导地下水资源开发利用提供科学依据。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 地下水资源评价国内外研究现状 1 2 1 地下水资源评价现状 “水资源”一词，人们都十分熟悉，但对其内涵，不同的人有不同的 见解。目前被普遍接受的水资源定义是在一定时段内被人们直接开发与利 用的那一部分水体，这种开发利用不仅在技术上可行、经济上合理，而且 不会导致生态环境问题口1 8 】。评价地下水资源主要是在计算地下水的补给 量、排泄量和开采量的基础上，对地下水资源的质和量进行评价，为地下 水资源的合理开发和高效利用提供科学依据。早期的水资源评价没有现在 的认识，只局限于水文观测资料的系统整理。美国从1 8 4 0 年就对密西西 比河进行过水量统计。前苏联1 9 3 0 年开始编制国家水资源编目，它是 对天然条件下地表水数量和水化学成分的观测资料进行整理。我国也于 1 9 6 3 年出版了水利水电科学研究院编制的全国水文图集，详细记录了 各河流域降水、河川径流、蒸散发、水质、泥沙等各水文要素的天然情况 统计特征。 最早进行全国水资源评价的是美国，1 9 6 5 年美国成立了水资源理事 会，开始进行水资源评价工作，并于1 9 6 8 年完成了第一次水资源评价， 进行了水资源分区，讨论了水资源缺乏问题。1 9 7 7 年联合国在阿根廷m a r d e l p l a t a 召开的世界水会议决议指出：没有对水资源的综合评价，就谈不 上对水资源的合理规划和管理，并提出“水资源评价是保证水资源持续开 发和管理的前提，是进行与水有关活动的基础，任何国家都应把对国家范 围内水资源的评价看作是国家的责任，并应关心这种评价的深度是否能适 应国家的要求”1 9 。美国于1 9 7 8 年又完成了本国的第二次水资源评价工作， 重点为可供水量的分析和用水要求，评价也对水资源的关键问题( 如地下 水超采等) 进行了专项研究。我国于1 9 8 0 年开始进行全国第一次水资源 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 评价工作，由于受当时条件的限制，水利电力部、地质矿产部等与水有关 的部门分别独立地进行了评价工作，没有一致的成果，暴露出我国学科专 业设置和水资源管理体制不尽合理等问题，人为地将地表水资源和地下水 资源割裂开来，难以进行整体水资源的评价和丌发利用规划。1 9 8 5 年国 务院批准建立全国水资源协调小组，1 9 8 7 年在各部门成果的基础上完成 了中国水资源评价，这一成果对地表水资源和地下水资源的质和量进 行了评价，为我国的宏观决策提供了依据。1 9 9 8 年我国进行了全国性的 学科调整，将水文地质学划归水文学与水资源学科，这标志着我国的水资 源研究己进入了一个新阶段，开始朝着地表水、地下水一体化的方向发展。 2 0 0 1 年我国开始了第二次水资源评价工作，并于2 0 0 3 年完成了全国的水 资源评价，这一重大成果对我国新世纪社会经济可持续发展中合理利用水 资源具有重要的现实意义。 1 2 2 地下水资源评价阶段和方法 十九世纪五十年代以前是地下水资源评价的早期阶段，当时对地下水 资源的数量、质量的认识局限于粗略的定性描述，只有相对多少、淡水、 成水等概念。1 8 5 6 年至1 9 3 5 年是地下水资源评价的中期阶段。法国水力 学家d a r c y 于1 8 5 6 年通过试验发现了地下水的渗透定律【m 】。d u p u i t 于 1 8 6 3 年用达西定律推导了地下水向井的流动公式【n 1 。t h e i s 于1 9 3 5 年提 出了地下水向承压水井的非稳定流公式，开创了现代地下水运动理论的新 纪元i 翻。1 9 6 1 年w a l t o n 和n e i l 把计算机技术引进了地下水计算，利用 计算机分析、模拟地下水渗流问题。1 9 6 4 年t y s a i l 和w e b e r 应用数学模 拟技术模拟具有二维流的地下水贫地。二十世纪六十年代中期，托司和弗 里茨研究了区域地下水系统的理论解和数值解。对于区域水资源的联合评 价是从七十年代才开始的。1 9 7 1 年美国的s m i t h 和w o o l h i s e r 提出了山坡 水文联合模型，它是把描述山坡的地下水流模型和坡面的漫流模型进行了 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 联合评价1 4 】。1 9 7 2 年p i n d e r 和s a v e r 以及f r e e z e 提出了以地下水动力 学模型为主的联合模型。都是研究含水层系统与河流系统的联合评价f 1 5 】。 二十世纪八十年代以后，应用数值法进行地下水资源评价得到了广泛应 用，开发了地下水数值计算商业软件，如m o d f l o w 、f m w a t e r 、f e m a 、 a q u a 3 d 等。 目前对于地下水资源评价。国内外研究技术、水平相差不大。国内外 地下水资源评价方法有区域均衡法、丌采试验法、相关分析法、解析法、 数值法、模拟法等二十多种。现在我国主要采用区域均衡法、相关分析法、 解析法及数值法。区域均衡法主要适用于水文与水文地质参数和开发程度 比较均匀的地区，因其结果反映了全区的平均情况，故适用性受到了一定 限制，对不同部位地下水的变化存在显著差异的区域会出现较大误差。相 关分析法是基于数理统计原理的方法，定量地建立一个变量与另一个变量 或几个变量之间的关系数学表达式，在地下水资源评价中，只要具备多年 的观测资料，无论水文地质条件多么复杂，都可以通过对大量的观测数据 进行分析计算，建立回归方程进行预报。解析法和数值法是基于动力学的 稳定流和非稳定流的方法，但解析法难以解决大面积复杂条件下的非稳定 流水资源问题，应用数值法却能在计算机上得到较好的模拟，且数值法具 有明显的通用性。数值法是随着计算机的出现而发展起来的，理论上看它 是对渗流偏微分方程的一种近似解，但实际上完全可以满足精度要求，它 可以解决许多复杂条件下的水资源评价问题。随着计算机技术的迅猛发 展，地下水资源评价多采用数值方法。运用数值法描述地下水运动特征的 数学模型包括确定性模型和随机模型。确定性模型的发展渐臻成熟，其应 用最为广泛【1 61 7 限1 9 2 0 2 1 - 2 2 1 。随机模型在我国还处于起步阶段，而在 国外发展很快口3 2 4 、25 1 。利用数值方法进行地下水资源评价通常分两个阶 段进行。第一阶段为解逆i 1 题，即模型参数识别：第二阶段为解正问题， 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 进行地下水资源评价。在模型的实际应用中，y e h 【2 6 将参数识别概括为两 种方法：分区法和插值法。分区法较为简单实用，在我国广为应用【2 72 8 1 。 插值法要求资料丰富，而且计算量较大。c l i r o n 等人首先将k r i g i n g 方法运用于南亚利桑那州的a v r av a l t y 含水层的模拟；陈余道【3 0 1 也运用 k r i g i n g 插值方法成功地模拟了齐鲁石化地区裂隙岩溶含水层中地下水流 的运动。有限差分法和有限单元法是数值法中两种主要的且比较成熟的方 法。有限单元法网格和节点布置灵活，适用于复杂形状边界和介质分区的 问题，对定流量边界自动满足不需要另作特殊处理，对含水层非均质变化 平缓的要求也不象有限差分法严格，因此有限单元法在含水层介质变化比 较复杂地区的地下水渗流计算中得到广泛应用，在国内外地下水资源评价 中已成为主要趋势。 地下水资源评价数值计算的可视化有限元自动剖分软件，国外以冰岛 大学研制的a q u a 3 d 为代表，国内以m v c r o s s 为代表。a q u a 3 d 是 基于迦辽金( g a l e r k i n ) 有限元方法的地下水流模型软件包，它求解均质、 各相同性或非均质、各相异性含水层中的水流方程。m v c r o s s 是长春 科技大学林学钰院士的博士生扬松弄开发的可视化自动剖分软件，扬松弄 在他的博士论文中，详细地介绍了可视化有限元自动剖分技术等内容。 1 2 3 延河泉域地质、水文地质研究程度 自1 9 6 9 年以来，地质、城建、煤炭、水利及电力等部门，围绕能源 基地建设、城市规划和供水以及农田水利建设对延河泉域地质和水文地质 作了大量不同程度的勘察与研究工作，具有代表性的工作成果主要有： 1 1 9 6 9 年，山西省地矿局2 1 2 地质队提交了阳城纺织厂供水水文地 质及厂房工程地质勘察报告，为在八甲口设立取水点，提供了系统的资 料。 2 1 9 7 6 年3 月，山西省地矿局第二水文队提交了山西省阳城县地下 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 水源勘察报告。 3 1 9 7 9 年9 月，山西省地矿局第二水文队提交了山西省晋城县农田 供水水文地质详查报告。 4 1 9 8 t 年，山西省地矿局2 1 2 地质队编制了1 2 0 0 0 0 0 比例尺山西省 东南部地质图和说明书，为研究区域地质条件提供了主要基础资料。 5 1 9 8 2 年1 2 月，山西省勘察院提交了山西省晋城市地下水资源调 查报告。 6 1 9 8 2 1 9 8 5 年，华北电力设计院设立了延河泉流量观测站，已有三 年半的观测记录，为延河泉水量的分析提供了比较系统的观测资料。 7 1 9 8 4 1 9 8 5 年华北电力设计院提交了山西省阳城电厂可行性研究 水源勘察报告。于1 9 8 6 年经全国储委审查，该报告采用了水文分析方法 和频率分析法计算延河泉水量，勘探质量较高。 8 1 9 9 2 年，山西省煤田水文地质2 2 9 队提交了山西省晋城市五龙沟、 成庄、望川水源地勘探报告，通过全国储委审查，勘探质量较好。 9 1 9 9 6 年，山西省地矿局2 1 2 地质队编制了1 1 0 0 0 0 0 比例尺山西 省晋城市地质图。 1 0 1 9 9 6 年7 月，华北电力设计院提交了山西省晋城市阳城电厂延 河泉水源地水文地质勘探报告。 1 1 1 9 9 7 年7 月，华北电力设计院提交了山西省晋城市地下水资源 开发利用规划报告。 1 2 1 9 8 6 年至今，山西省地勘局2 1 2 地质队设立了下河泉群流量、水 位观测站，已有】9 年的长期观测资料，为下河泉群水量的分析提供了比 较系统的观测资料。 1 3 1 9 5 3 2 0 0 4 年，黄河水利委员会在沁河河道设立山西省阳城县润 城和河南省济源市五龙1 2 1 水文观测站积累了5 2 年的水文观测资料。为 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 研究泉域水资源和泉水动态提供了系统的流量观测资料。 1 4 李振栓于2 0 0 0 年出版了中国北方喀斯特水源地勘探方法研究 一书，详细地介绍了对延河泉域的研究工作。 1 5 2 0 0 2 年6 月，晋城市水利局和晋城市水利勘测设计院提交了晋 城市水利发展“十五”计划和2 0 1 5 年规划。 1 6 2 0 0 3 年6 月，晋城市水资源管理委员会和晋城市水利局提交了晋 城市水资源开发利用规划。 1 7 2 0 0 3 年8 月，晋城市水资源管理委员会办公室和山西省第四地质 工程勘察院共同对下河泉水源地进行了水资源论证及开发利用勘察设计 工作。 以上成果为本次延河泉域岩溶地下水资源评价研究提供了比较详细 和可靠的基础资料。 1 3 本课题研究的技术路线 1 全面收集已有成果和资料，调查、整理自然地理、水文气象、区域 地质、水文地质条件、社会经济及水资源开发利用等方面的资料，并补充 进行泉域水位统测工作、水质取样化验工作以及重要水源地的实地调查工 作。 2 对泉域的边界重新进行界定，并进行泉域岩溶地下水动态分析，包 括地下水动态变化规律和泉流量动态特征，在泉流量动态特征中进行延河 泉流量和下河泉流量的动态研究、大气降水对延河泉的延迟效应以及泉流 量衰减原因的研究。 3 根据整理和收集的资料，对泉域的岩溶地下水开发利用现状进行研 究，分析岩溶地下水开发利用过程中存在的问题。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 根据泉域2 0 0 4 年4 月的水质监测结果，进行生活饮用水水质评价、 工业用水水质评价、农业用水水质评价及地下水环境质量评价研究。 5 用排泄量法进行泉域1 9 5 6 2 0 0 0 年系列和1 9 8 0 2 0 0 0 年系列的岩 溶地下水资源量评价研究，并采用补给量法进行复核。 6 运用基于迦辽余( o a l e r k i n ) 有限单元方法的地下水水流模型软件 包a q u a 3 d 对延河泉域地下水进行数值模拟研究，确定泉域的数学模型 和水文地质参数，并且采用有限单元法进行泉域岩溶地下水资源可开采量 的评价研究。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 地理位置与交通 第二章泉域概况 延河泉域地处太行山南段西麓，行政区划上跨越阳城县、泽州县、高 平市和沁水县，总面积2 8 4 0k m 2 。地理坐标为东经1 1 1 。4 0 1 1 2 。4 0 7 ，北纬3 5 。1 57 3 5 。5 0 。延河泉又名马山泉，位于山西省阳城县 东冶乡延河村东北的沁河西岸。沿沁河润城到五龙口长4 0 k m 的河谷中还 分布有八家口泉、下河泉、晋圪坨泉、赵良泉、磨滩泉、黑水泉等泉群， 构成了沁河岩溶水排泄带。延河泉是沁河泉群排泄带中最大的单泉，呈股 状流出，其余泉水呈散泉或泉群沿沁河河谷及其两岸出露。 区内交通方便，候( 马) 一月( 山) 铁路从境内中部通过。设有磨滩、 八家口、嘉峰车站。公路四通八达，有晋( 城) 一阳( 城) 高速公路，晋 城一候马和阳城济源高等级公路，乡村之间基本都有公路相通。区内交通 如图2 l 所示。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 uip警ijdoo导g u匠暑o；卜叮儡匠 咀埘犁斟科碟_【赔 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 气象和水文 2 2 1 气象 延河泉域属于温暖带大陆性季风气候，四季较为分明。夏热多雨，冬 寒少雪，春旱多风，秋季温和。夏季受东南亚季风影响，暖湿气团北移， 气候湿润，降雨集中，盛行东南风：冬季受西伯利亚高压气候控制，气候 寒冷，雨雪稀少，盛行西北风。根据阳城、泽州、沁水、高平四县市气象 站资料，区内多年平均气温1 1 7 。c 。一月最冷，平均气温一3o c ；七月最热， 平均气温2 4 6 。c 。霜冻期为十月中旬至次年三月下旬，无霜期1 8 0 天左右； 冻土期为l 2 月份，历年最大冻土深度为4 1 e m 。平均相对湿度为6 0 。 平均年日照量为2 5 7 1 3 h ，占可照时数的5 3 。年主导风向为西北风，年 平均风速为2 m s ，最大风速为2 4 m s ( 九级) ，年平均出现八级以上大风 日数达3 2 天左右。 泉域降水的年内变化规律是：春季( 3 5 月) 占全年降水量的1 5 ， 夏季( 6 8 月) 占6 0 ，秋季( 9 1 1 月) 占2 2 ，冬季( 1 2 2 月) 仅 占3 ，汛期最大四个月( 6 9 月) 降水量占全年总降水量的7 0 以上。 多年平均降水量为6 3 5 ，1 7 7 m m ( 1 9 5 6 - 2 0 0 0 年) ，历年最大降水量为 8 7 6 4 4 7 m m ( 1 9 5 8 年) ，最小降水量为3 2 6 5 0 3 m m ( 1 9 9 7 年) 。泉域年际 降水量及多年平均月降水量变化如图2 - 2 及图2 - 3 所示。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 匡 v 删 * 蛙 图2 - 2 年际降水量变化图 f i 9 2 - 2t h ec h a n g f u lc h a r to f a n n u a lp r e c i p i t a t i o n 喜1 2 0 删i 0 0 【蠢8 0 。盂6 0 一一一4 0 2 0 ，_ ，一 。 1 1 i圈hj j斗斗+ j血血洫洳扫泣血血 未蛊 图2 - 3 多年平均月降水量变化图 f i 9 2 3t h ec h a n g e f u lc h a r to f t h ea v e r a g em o n t hp r e c i p i t a t i o no f m a n yy e a r s 泉域年蒸发量在1 4 6 2 2 4 0 8i l l m 之间，1 9 5 9 2 0 0 0 年多年平均蒸发 量为1 7 9 9 6 0 2m m 。1 9 8 0 2 0 0 0 年多年平均蒸发量为1 6 5 3 0 3 lm m 。泉域 内5 - - 6 月份蒸发最强烈，1 2 月、1 月蒸发量最小。1 9 5 9 2 0 0 0 年5 6 月多年平均蒸发量为2 4 9 7 m m ，1 2 1 月为5 6 8 m m - t 9 8 0 2 0 0 0 年5 6 月多年平均蒸发量为2 3 4 9 m r n ，1 2 - - 1 月为5 7 7 m m 。泉域年际蒸发量变 化如图2 - 4 所示。 1 3 喜湖耋蝴湖伽湖啪m o 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 0 0 0 i 童2 5 0 0 f 磊2 0 0 0 慧巧 1 0 0 0 5 0 0 0 图2 4 年际蒸发量变化图 f i 9 2 4t h ec h a n g e f u lc h a r to fa n n u a le v a p o r a t i o n 2 2 ，2 水文 2 2 2 1 河流 区内所有河流均属黄河流域。以南部地形分水岭为界，其北部为沁河 水系，主要支流有固县河、芦苇河、获泽河、涧河、长河等。南部有次滩 河、盘亭河、南门河、秋川河、石圈河、漭河等六条小河直接流出省界， 汇入黄河( 图2 5 ) 。泉域内沁河及主要支流概述如下： 1 沁河 发源于沁源县北绵山东泉岭，自北向南蜿蜒曲折，流经安泽、沁水、 阳城等县，于泽州栓驴泉入河南省境内，出太行山转向东流经济源、沁阳， 于武陟县南贾村汇入黄河，沿途发育龙渠河、固县河、沁水河、芦苇河、 获泽河、涧河、长河等较大支流。北部流经砂页岩区，呈树枝状分布，河 谷宽阔，断面呈“u ”字型，宽度7 0 0 1 2 0 0 m 。于润城进入灰岩山区， 河谷深切，两岸陡立，断面呈“v ”字型，谷底宽仅1 0 0 1 8 0ma 沁河在 穿越太行山区时河谷蛇曲地形显著，弯曲系数2 3 ，平均纵坡降5 6 。沁 河全长4 5 0 k m ，其中山西省境内有3 2 6 k m 。流域总面积1 2 1 5 0k m a 。延河 泉岩溶水系统境内设有润城水文站( 控制面积7 2 6 7 k m 2 ) ，出口处设有五 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 龙口水文站( 控制面积9 2 4 5 k m 2 ) 。 沁河水量充沛，据1 9 5 7 1 9 9 0 五龙1 3 观测资料，多年平均径流量 1 2 7 1 1 0 9 m 3 ，多年平均径流模数为1 3 7 6 1 0 5 m 3 k m 2 ；润城水文站多年平 均径流量为8 5 1 1 0 s m 3 ，多年平均径流模数为1 1 7 x 1 0 5 m 3 k m 2 ：润城至 五龙口站区间多年平均径流量4 2 1 0 8 m 3 ( 控制流域面积1 9 7 2k m 2 ) ，多 年平均径流模数为2 1 3 x 1 0 6 m 3 ，k m 2 。 圉2 - 5 水系图 f i 9 2 - 5t h em a po f w a t e rs y s t e m 2 芦苇河 发源于沁水县陈家山芦坡，自西向东经过张村、羊泉、芹池、町店、 八家口等乡镇，在八家口镇下河村北汇入沁河，全长5 1 7 k m ，流域面积 】5 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 5 9k m 2 ，落差9 8 4 m ，河谷开阔，两岸地势南陡北缓，支流发育南疏北密， 平均纵坡降8 1 3 o 。受流域地形地貌条件的控制，汛期水量较大，据阳城 水利局观测资料，最高洪峰流量为1 6 0 0 m 3 s ( 1 9 8 2 年8 月2 日) 。枯水期 接受浅层地下水和小泉水的补给，水量较小。蒿峪上游为砂页岩区，河道 一般常年有水，蒿峪下游灰岩出露，干旱季节河水流至五龙沟一带垒部渗 漏。到八甲口一带，因下河泉出露，河流常年有水。据阳城县水利局1 9 6 5 年1 2 月2 6 日、1 9 7 1 年1 1 月2 4 日、1 9 8 5 年6 月2 8 日的实测资料，其流 量分别为1 + 0 4 m 3 s 、0 4 1 m 3 s 、o 6 9 7 m 3 s 。 3 获泽河 发源于沁水县下川乡小河湾村汗家沟，自西向东经董封、次营、城关、 白桑于平头庄东山脚下注入沁河，河流全长4 5 k m ，流域面积8 3 9 k m 2 ，平 均纵坡降5 0 7 。主河谷主要发育在石灰岩她层中，除上河、封头两处泉 水补给和董封水库、辽河水库局部有水外，其余河道均为于谷。汛期河水 暴涨暴落。据阳城水利局观测资料，最高洪峰流量为1 8 0 0m 3 s ( 1 9 8 2 年 8 月2 日) ，同日上游董封水库最大入库量为1 0 0 2 m 3 s 。 4 长河 发源于泽州县下村乡北武神山南麓，自东北向西南流经东沟、川底、 周村，于西陇村流入沁河，其下段称疙老河。干流全长4 5 k m ，流域面积 3 9 4 k m z 。平均纵坡降5 0 7 。川底以北为砂页岩区，河道开阔，受地下 水补给，常年有水；川底以南为灰岩区，河道弯曲狭窄，除雨季有水外， 常年为干谷。1 9 9 1 年8 月9 日在川底村旁实测流量为o 0 3 7 1 m 3 s ，进入 灰岩区全漏。 5 涧河 发源于阳城县西交乡扬树沟，由西南向东北蜿蜒曲折至延河村汇入沁 河，全长5 4 3 k m ，流域面积2 5 9 k m 2 ，河谷狭窄呈“v ”字型，平均纵坡 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 降5 4 2 。流域内全部为狄岩出露区，除西冶咀上河道接受泉水补给常年 有水外，其余河谷均为干谷，属季节性河流。汛期则洪水暴涨，但由于河 谷深切，缀难排入沁河，尚不构成太大洪水危害。 6 南部独立水系 区内南部受地形控制，形成各自独立的水系，其中较大河流依次为次 滩河、盘亭河、南f 1 河、秋川河、石圈河和蟒河。区内多为弱透水层，山 大沟深，森林茂盛，植被发育。河谷狭窄，纵坡降大，受地下水补给，常 年有水。 2 2 2 2 泉水 延河泉域内泉水出露众多，按其流量大小、分布特点，可分为延河泉 组、下河泉组及南部散泉。泉点均分布在沁河两岸，尤以西侧为甚。延河 泉组为本泉域内第一岩溶大泉，出露于沁河下游马山村旁沁河西岸。下河 泉组分布于阳城县东部的八甲口一带，主要出露点有八甲口泉( 下孔泉、 小庄泉、清水磨泉、河头泉) 、下河泉等。南部散泉的排泄点为晋圪坨泉、 赵良泉、磨滩泉、黑水泉。各主要泉特征见表2 - 1 。 表2 - 1 主要泉特征表 t a b l e 2 1t h ec h a r a c t e ro f t h em a i ns p r i n g 编弓泉名标高 流量( r r l 3 s )出露层位 l延河泉4 6 37 8 2 9 6 0 2 s 2八家口泉 4 7 6 4 7 905 0 2 f 3下河泉 4 8 0 - 4 8 51 6 0 2 f 4晋圪坨泉4 3 50 5 0 2 s 5赵良泉4 2 0 0 s 0 2 x 6磨滩泉3 8 68 7o3 0 2 x 7黑求泉3 8 0o s - 0 ，82 2 2 2 3 水库 延河泉域水库众多。据阳城县水利局资料，其中阳城县境内就有中小 型水库2 0 余座( 表2 - 2 ) 。一般修建于碳酸盐岩上的水库均有渗漏，有的 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 水库建成后一直蓄不住水。水库渗漏是岩溶地下水的补给源之一。 表2 - 2 阳城县水库统计表 t a b l e 2 2t h er e s e r v i o ro f y a n g c h e n gc o u n t y 陴容流域面积 名称 位置修建“期露地层 ( 万m )( k m 2 ) 董封水库 董封乡董封村 2 2 6 03 3 81 9 6 0 正扶岩 红卫水库董封西枣州村 2 2 51 4 31 9 7 8 年灰岩 小沟水库北留镇小沟村1 3 82 1 1 9 6 0 芷 砂页岩 沙坡水库 演礼乡沙坡村1 0