太原市三给地下水库库区水文地质条件调查分析

许杰民

（太原市水利技术推广服务站，太原 030002）

太原市位于汾河中游出山口以下的冲洪积盆地，一直以地下水为主要供水水源，地下水开采量占总供水量的80%以上，主要开采奥陶系岩溶地下水和第四系地下水。随着城市的高速发展，地下水开采量剧增，从而引发了一系列相关的水资源和环境问题。进入20世纪80年代，地下水持续超采，水位大幅下降，造成泉水断流、含水层疏干，形成区域性地下水降落漏斗，大批浅井报废及大面积地面沉降。漏斗中心水位以每年3.0m左右的速度下降，累计下降61.67m。

2003年，万家寨引黄工程建成供水，太原市开始实施关井压采，扭转了研究区地下水位持续下降的局面，地下水位逐渐得以回升。过量超采地下水形成巨大的地下水降落漏斗[2]，说明水库区为相对独立的蓄水空间。

笔者根据多年从事水利工作的实践，结合太原市水资源现状，提出了建设三给地下水库的设想。在水库区不产生地面沉降等地质灾害的条件下，适度增大地下水开采，适时回灌、补充地下水，达到地表水和地下水调节和联合利用。基本思路是：利用漏斗区含水层空间进行地下水库建设，对于严重缺水的太原市，增加了水资源战略储备，增强应对特大旱灾和其他突发事件的能力，确保水资源持续利用，具有重要的战略意义。

1 三给库区水文地质条件

地下水库不同于地下水人工补给，它不是地下水资源超采后的一种补救措施，而是一种有目的、主动性的储存、调节和利用地下水资源的一种工程措施。地下水库的建设需具备5个基本条件：

1）相对封闭的边界；

2）足够大的蓄水空间；

3）可供调蓄的水源；

许多研究证实峰值摄氧量随年龄而下降，但本组研究显示青年、中年、老年峰值摄氧量无明显差异，可能与老年患者的样本量太少相关，需进一步积累后进行研究。

4）库区内有良好的水力传导条件；

5）可行的开采条件。

三给地下水库区水文地质边界条件为：北起兰村及北部边山断裂带，东部和西部均有断层切割，断层将透水岩层错开，可视为相对隔水边界；南部边界为三给隐伏地垒。库区南北最大长15.85km，东西最大宽12.76km，总面积121km2。

三给地下水库储水空间为第四系松散堆积物中的孔隙，储水层具有厚度大、颗粒粗的特点。地下水径流基本是由盆地周边流向盆地中心，北、东、西部均为补给边界，向南为排泄边界。由于三给地垒具有一定的阻水作用，构成弱透水边界（参见图1）。

图1 三给地下水库平面示意图

三给地垒位于太原盆地北部的三给—赵庄一带，近EW向展布，隐伏于新生界地层之下，基底为残留的二叠系地层，基岩埋深110～133m。该地垒宽约4km，断距200～350m。地垒北侧为新城凹陷（地下水库区），南侧为城区凹陷。三给水库区是汾河、杨兴河古河道多次演变叠置的复合部位，两侧为基岩山地或黄土丘陵。汾河在发展过程中，侧蚀作用使其频繁改道，主流弯曲，摇摆不定，河床较宽，属于蜿蜒型游荡性河道，造成沉积不连续，形成透水层和隔水层凸镜状沉积。三给地下水库区地下水漏斗与水源地平面上重叠一致，反映了该区地下水赋存条件好，疏干的含水层及降落漏斗的形成反映了该区地下水力联系密切，含水层具有一定的连通性和传导能力，补给径流条件较好[3]。

按含水层水力性质及埋藏条件，该区孔隙水可分为浅层孔隙水和中深层承压水。浅层孔隙水含水层亦称上含水岩组，包括潜水和第一承压含水层组；含水层岩性为第四系全新统和上更新统冲洪积砂及砂砾石层，含水层底板埋深一般为32～69m，主要含水层有1～3层，河谷层数较少，两侧较多；含水层颗粒自上游向下游由粗变细、厚度变薄，厚度为20～30m。隔水层由亚粘土、亚砂土组成，厚度一般为7～20m，主要隔水层为1～3层，由北向南由西向东厚度增加。浅层孔隙水富水性自北向南，由汾河河谷向东西两侧由强变弱。据森林公园1号浅层孔隙水井资料，含水层位分别在23～31m，35～40 m，43～47m；岩性为砂和砂砾石层；单井出水量20 m3／h。中深层孔隙水含水层（亦称下含水岩组），为中、下更新统冲积、冲湖积和洪积砂卵石及砂层。观测孔J34资料揭露，新生界松散层，厚度414.6m；二叠系及石炭系砂页岩，厚度约215.0m；奥陶系中统峰峰组灰岩，厚度大于50m（见图2所示）。

图2 三给地下水库区地质剖面图

2 地下水库建设综合分析

2.1 调蓄空间（库容）估算

三给地下水库调蓄空间就是三给地垒上游地下水降落漏斗形成的储水空间，地下水库蓄水过程基本是一个减小、补平地下水降落漏斗的过程。采用容积法计算地下水库库容，公式为：

式中：V 为总库容，m3；μi为第i地层的给水度（无量纲）；Vi为第i地层的体积，m3；n为地层数量。给水度是度量含水层给水和储蓄能力的指标，参照太原地区太谷水均衡试验场试验成果确定，不同岩性给水度如表1所示。

表1 不同岩性给水度（μ）取值表

根据山西省第一水文地质队和太原市水利科学研究所编制的地下水水位下降幅度图和有关漏斗要素，以蓄水后不产生环境负效应的条件下，估算三给地下水库总库容为4.9×108m3。参照水利水电工程分等指标，该工程达到大Ⅱ型水库规模。

2.2 补给水源

建设地下水库的目的是补给持续消耗的含水层，水源是地下水库建设的关键因素。充分利用汛期雨洪资源是增加地下水库水源总量的有效方法。补给水源主要包括上游河水补给、上游水库弃水补给、引黄水补给、降水入渗补给、集雨回收系统及回灌补给等。一方面在库区直接引洪回灌，另一方面在库区上游支流上建坝拦洪蓄水，改变雨洪水的时空分布，使所蓄雨洪自然渗入补充地下水库。

1）建坝拦洪蓄水。三给地下水库上游的汾河支流凌井河、泥屯河和阳兴河属于季节性河流，水量季节分配极不均匀，河流来水和用水在时间配置上极不统一，致使大部分过境水流失。在这些支流和汾河主流兰村至汾河二库段建坝拦洪蓄水，通过库水下渗和渠道输送至地下水库补给区补充地下水库。

2）水库弃水补给。汾河水库、汾河二库每到汛期到来前都要按防汛要求下泄汛限水位以上的库水，腾空库容，将库水位降低至汛限水位以下形成弃水。将汛前弃水和发电尾水存入地下水库，作为地下水库的补给源。

3）降水入渗补给。降水入渗补给为面状补给，主要受降水特征、地表岩性及地下水位埋深等控制，难以人工调控。集雨回收是对降雨进行收集、汇流和进行回收利用的一套系统。选择具有一定的产流面积作为集雨场收集雨水。

4）回灌补给。回灌补给主要是利用机渗井、人工渗井和回灌池将上游河水、水库弃水和集雨水渗入地下水库。机渗井可重新利用西张地区已封闭的穿透松散含水层的滤水管井，共有49眼；人工渗井为挖穿表层弱透水层的浅井；回灌池可利用补给区废弃的砂石坑。在利用已有滤水管井和砂石坑的基础上，根据来水量增设回灌设施。

2.3 水力传导条件

三给地下水库区位于汾河中游出山口下游的冲洪积平原，岩性以砂卵石、砂及粉土、粉质粘土为主，厚度410m。由上游向下游颗粒由粗变细，渗透性由强变弱。含水层渗透性较强，具有一定的连通性和传导能力。库区内分布着穿透松散含水层的封闭的滤水管井，在进行地下水回灌中也能起到一定的水力传导作用。根据太原市水利、地质部门抽水试验成果，确定的不同岩性透水层渗透系数（K）范围值见表2所示。

表2 太原不同岩性透水层渗透系数（K）

2.4 地下水库开采条件

开采系统是地下水库的重要组成部分，在地下水资源基本保持采补平衡的前提下，合理的开采地下水，以实现地下水库的供水功能。三给地下水库库区分布有太原自来水公司西张水厂以及太钢等大型企业水厂，区内提水、用水管网设施齐全，建库后不用专门再建管网。现区内共有水井275眼，开采能力为5047.5万m3／a。因此，在利用原有取水设施的基础上，再适当增加部分取水设施，可将库水采出，而不必为开采地下库水而投入大量取水设施。

2.5 地下挡水坝

考虑地下水库含水层岩性、地下水降落漏斗深度和施工设备能力，建议地下挡水坝的施工采用悬挂式高压喷射注浆防渗墙[4]。高压喷射注浆是利用专用设备，通过高压射流冲切土体，用浆液置换部分土体，形成水泥土防渗墙。悬挂式地下挡水坝不能完全截断渗流，主要依靠延长渗径达到防渗效果。地下坝长度10.8km，厚0.8m。地下挡水坝穿过主要透水层，插入其下的相对隔水层，根据不同地段主要透水层埋深在40～76m范围内确定。

2.6 地下水库监测

地下水库较地表水资源复杂，具有流动、置换慢的特点，地下水本身质和量的变化以及引起地下水变化的环境条件和地下水的运移规律不能直接观察。同时，地下水的污染以及地下水超采引起的地面沉降是缓慢变形的，是不可逆的。因此开发保护地下水就必须依靠长期的地下水监测，及时掌握动态变化情况。在水源地原有地下水监测设施的基础上，针对地下水库的特点增设、完善地下水库监测系统。目前已有新的地下水监测的先进技术，具有测量水位、孔隙压力、渗透性和取水样等多重功能[5]。地下水监测系统由监测中心、通信网络、测控终端、水位监测记录仪等组成。

3 结束语

1）三给地下水库利用逐渐恢复的地下水降落漏斗作为储水空间，四周有近封闭的边界，适合修建地下水库。

2）三给地下水库总库容可达4.9×108m3，该工程达到大Ⅱ型水库规模。

3）三给地下水库上游的凌井河、泥屯河和阳兴河建坝拦洪蓄水，通过库水下渗和渠道输送至地下水库补给区补充地下水库。利用汾河水库、汾河二库汛前弃水和发电尾水，以及降水入渗和集雨回收补给作为地下水库的补给源，在这些水源不能满足时增加引黄水补给。

[1]杜新强，李砚阁.地下水库的概念、分类和分级问题研究[J].地下空间与工程学报，2008，14（4）：209-214.

[2]文佩仙，李京生.太原市兰村泉域地下水的利用与管理[J].地下水，2002，24（1）：16-18.

[3]孙中惠.对太原岩溶地下水的一些初浅看法[J].山西水利科技，1996（4）：20-24.

[4]张增勤，崔秋平.滹沱河地下水库建设条件分析[J].水文地质工程地质，2011，38（3）：19-23.

[5]叶勇，谢民.沈阳市地下水库建设的技术可行性分析[J].中国水利水电科学研究院学报，2010，8（1）：66-70.