娘子關(guān)泉群水文地質(zhì)問題分析

周和平 谷珍耀

1 泉群出露的自然環(huán)境

1.1 泉群出露的地理、地貌位置

娘子關(guān)泉群位于太行山中段，晉、冀兩省交界之山西省平定縣娘子關(guān)公社境內(nèi)，地處構(gòu)造剝蝕中等切割巖溶中低山區(qū)內(nèi)，奧陶系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r裸露廣布，溝谷縱橫，山峰疊嶂，形態(tài)多姿。海拔標(biāo)高在 360m～900m之間，相對(duì)高差 200m～400m?？偟牡貏?shì)是西高東低。泉群出露于整個(gè)泉域地勢(shì)最低洼的部位，海拔標(biāo)高在 360m～400m之間。桃河、溫河均為旱枯雨旺的季節(jié)性河流，兩河于坡底、坡西附近的桃河大橋匯流向東改稱錦河，因接受泉群排洩的大量地下水補(bǔ)給常年不渴，年平均流量約 110m3/s。

泉群由十一個(gè)主要泉組成，總流量達(dá) 10.2m3/s～16.0m3/s，多年平均流量為13.7m3/s。

1959年～1977年主要泉口西從南石橋，南自西塔崖，東至葦澤關(guān)，分別沿溫河、桃河和錦河河谷分布，縱長(zhǎng)約5 km～6 km，尤其是從坡底到葦澤關(guān) 2.5 km范圍內(nèi)更為集中，約占總?cè)M的80%，流量的90%。除靠近東部的水簾洞泉河葦澤關(guān)的梁家泉、龍王廟泉出露在Ⅱ級(jí)基座階地之上以外，絕大部分都分布在河谷的底部，河漫灘和Ⅰ級(jí)階地上。

泉組出露的絕對(duì)高程以最南部的程家泉(海拔 400m)，東部的水簾洞泉(海拔387.7m)為最高;以禁區(qū)泉和葦澤關(guān)坎下泉最低(前者360m，后者348.1m)，其他主要泉口均在370m上下。從相對(duì)高差來看，以水簾洞出露位置與當(dāng)?shù)睾恿髑治g基準(zhǔn)面高差最大達(dá)30.7m，其次是葦澤關(guān)泉組，高差為24.6m，其他泉組則與當(dāng)?shù)睾哟哺卟詈苄　２浑y看出，河流的下蝕切割作用是泉群形成的重要因素，系屬典型的河流侵蝕型泉群。

1.2 泉群出露的構(gòu)造部位

娘子關(guān)泉群在大地構(gòu)造上位于新華夏系第三隆起帶太行山中段復(fù)背斜近軸部之西側(cè)，沁水向斜的東北部。泉群東側(cè)發(fā)育葦澤關(guān)斷層呈近南北向延伸達(dá) 7 km。斷層以西奧陶系灰?guī)r巖層產(chǎn)狀平緩，地層層位穩(wěn)定，為一微向南西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角一般在 4°～10°之間。區(qū)內(nèi)小型平緩褶曲眾多，NE，NW兩組節(jié)理十分發(fā)育，裂隙率一般在1%～2%之間。

主要泉組均分布在葦澤關(guān)斷層以西。泉口出露點(diǎn)一般都與局部小構(gòu)造有關(guān)。例如:葦澤關(guān)泉組正位于一張性斷層西端。該斷層呈東西向，破碎帶寬約 2m～4m，梁家泉、龍王廟泉正出露在斷層帶上。水簾洞泉的形成與一近南北走向的小斷層有關(guān)。該斷層出露于錦河北岸，斷層破碎帶寬約 1m為一張性小斷裂，向南延伸正對(duì)該泉口，此外，其他泉口多位于小型褶曲的軸部(如關(guān)下泉)或出露于構(gòu)造節(jié)理發(fā)育地段，如坡底泉、五龍泉均沿 340°，40°兩組寬大溶隙涌水。

1.3 泉群出露的地層巖性

除西部南石橋泉出露于中奧陶系第二段(Ox-22)質(zhì)純灰?guī)r中以外，其他全部泉組均在下奧陶系(O1)白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖之中。最南部的程家泉出露層位于已深入 O1地層數(shù)米，向河流下游泉口出露層位逐漸向O1地層深入，在娘子關(guān)、葦澤關(guān)一帶各泉組已深入O地層達(dá) 30m～50m。巖性為薄層狀白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖夾泥質(zhì)白云巖，巖層溶孔、孔槽十分發(fā)育，形成蜂窩狀，泉口附近溶洞發(fā)育。

2 泉水動(dòng)態(tài)與水化學(xué)特性

據(jù)多年觀測(cè)資料，整個(gè)泉群的泉水動(dòng)態(tài)是比較穩(wěn)定的，特別是出露位置較低的城西、坡底、娘子關(guān)和葦澤關(guān)等地段的諸泉組更是如此，泉群總流量變化在10.2m3/s～16.0m3/s之間，不穩(wěn)定系數(shù)為0.64。五龍泉流量為1.7m3/s～2.1m3/s之間，不穩(wěn)定系數(shù)為0.81，滾泉為0.857，石板磨泉為0.81，城西泉為0.73，坡底泉、葦澤關(guān)泉為0.66。

處于位置較高的泉組如水簾洞泉、程家泉和南石橋泉在歷史上都曾出現(xiàn)過斷流現(xiàn)象。水簾洞泉現(xiàn)今流量雖然比較大(3.0m3/s左右)，但是在 20世紀(jì) 10年代和 30年代曾兩次斷流，南石橋泉在前幾年已知降至地表以下。

根據(jù)二十幾個(gè)泉水水樣分析，泉群各泉組水的物理性質(zhì)和水化學(xué)特征基本是一致的，水溫在 18℃左右，總礦化度約0.7 g/L，水化學(xué)類型為HCO3SO4—Ca?Mg型。但是從上游程家泉到下游葦澤關(guān)泉，水質(zhì)仍有一定規(guī)律的變化，即泉水的總礦化度由低變高:程家泉0.44 g/L→坡底泉0.63 g/L→五龍泉0.68 g/L→禁區(qū)泉0.7 g/L→水簾洞泉0.71g/L→葦澤關(guān)泉0.72 g/L。

3 關(guān)于含水巖系的分析

娘子關(guān)域廣泛分布著奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r，面積達(dá) 1 800 km2，占泉域總面積的 56%。陽泉以東石灰?guī)r裸露、節(jié)理裂隙和巖溶均較發(fā)育，為泉域的主要含水巖系。奧陶系下統(tǒng)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r因埋藏較深(陽泉一亂流段大于500m)，巖溶不發(fā)育，構(gòu)成了區(qū)域性良好的隔水層。但是，沿桃河向東，因其地質(zhì)、地貌和水文條件的變化，在靠近泉群出露區(qū)，含水巖系也相應(yīng)發(fā)生了變化。

1)泉群發(fā)育于沁水向斜的東北部、葦澤關(guān)斷層的西側(cè)。由于葦澤關(guān)斷層的作用，使斷層以西的整套地層上升翹起，并使平緩的巖層微微向西傾斜。而地表水和地下水反其巖層傾向隨著地勢(shì)的西高東低由西向東徑流，河流下蝕作用增強(qiáng)，形成了泉群出露區(qū)深切的峽谷地貌景觀，同時(shí)，奧陶紀(jì)地層被相對(duì)抬高。在西武莊附近奧陶紀(jì)中統(tǒng)地層已全部出露于侵蝕基準(zhǔn)面以上，至娘子關(guān)、葦澤關(guān)一帶已高出錦河河床 30m～50m。奧陶系中統(tǒng)厚層質(zhì)純灰?guī)r在泉群附近為一良好透水而不含水的巖系;角礫狀、灰?guī)r可視為弱透水層。

2)奧陶系下統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖自西武莊附近出露地表后，沿桃河向下游逐漸被“抬高”，出露的相對(duì)厚度逐漸增大。但就其出露的海拔標(biāo)高均在425m左右，因河流下切在娘子關(guān)附近已高出錦河河床58m。

奧陶系下統(tǒng)中上部在泉群附近和泉群之內(nèi)應(yīng)是主要含水巖系。這一事實(shí)再一次證明，O1白云灰質(zhì)巖和白云巖，只有處于適當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造、地貌和水動(dòng)力條件下巖溶可以得到很好發(fā)育成為良好的含水巖系，這與在區(qū)域上O1為穩(wěn)定隔水層的概念并不矛盾。

實(shí)際上O2石灰?guī)r和O1白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖均系可溶性碳酸鹽巖，它們的主要區(qū)別在于石灰?guī)r的溶解速度比白云巖約大 3倍～4倍，但是其溶解度卻大大小于白云巖。由于自然界水對(duì)可溶巖的溶蝕作用常常是在水交替活躍的條件下進(jìn)行的，溶解速度起到了主導(dǎo)作用，因此在同一自然條件下，石灰?guī)r的巖溶發(fā)育程度一般都比白云巖強(qiáng)，一旦白云巖處在良好的水動(dòng)力條件下巖溶仍可以得到很好的發(fā)育。據(jù)此，筆者認(rèn)為，在娘子關(guān)泉域內(nèi)，O2與O1之間并不存在一個(gè)截然的隔水界面。在廣大泉域的補(bǔ)給—徑流區(qū)，O1地層埋藏很深(300m～700m)，地下水徑流隨深度增加而迅速減弱。事實(shí)證明，即使O2石灰?guī)r層在如此深度范圍內(nèi)巖溶發(fā)育也是十分微弱的，同樣起著相對(duì)隔水作用。隨著地勢(shì)由補(bǔ)給區(qū)徑流區(qū)最后到排泄區(qū)的逐漸降低，河水切割深度加大，奧陶紀(jì)地層順次被相對(duì)抬升，各巖層所處的水動(dòng)力條件也相應(yīng)發(fā)生了變化，透水層、含水層和隔水層也是隨之轉(zhuǎn)化的。

4 泉群的水動(dòng)力特征及泉的類型分析

通過對(duì)陽泉—娘子關(guān)沿桃河三十幾個(gè)占孔資料的綜合分析，由西向東隨著地勢(shì)的降低地下水靜止水位由 430 m降為 370m，區(qū)域性地下水位是下降的。但是，由于巖溶發(fā)育的不均勻性，特別是奧陶系中統(tǒng)在厚層質(zhì)純石灰?guī)r中夾有三層厚層角礫狀泥灰?guī)r，使區(qū)域性地下水具有微承壓性質(zhì)，局部地段顯示了明顯的承壓特性。

在泉群泄水區(qū)，多數(shù)占孔資料表明，O1中地下水靜止水位高出地表，在孔深小于百米的占孔中，水位高出地表1.5m～2.0m，隨著孔深加大，地下水水位上升，娘子關(guān)磨河灘號(hào)孔，孔深434.79m，上部O1白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖含水層(埋深113.31m)中的水位高于地表3.70m。由此可見，在葦澤關(guān)附近，地下水受阻(原因后敘)，水循環(huán)深度加大，進(jìn)水壓力增強(qiáng)產(chǎn)生較大的水頭，使地下水具有明顯的承壓性。

從各主要泉口泉水出露的動(dòng)態(tài)得知絕大多數(shù)泉水均沿溶洞、溶隙上涌而出，其水溫、流量穩(wěn)定。從泉口分布位置來看，靠近下游的泉組出露的相對(duì)高差有加大的趨勢(shì)。如上游的陳家泉、城西泉均出露于河漫灘;位于下游的五龍泉、滾泉、河坡泉等均出露于Ⅰ級(jí)階地上;最下游的水簾洞泉和葦澤關(guān)泉出露于Ⅱ級(jí)階地上，相對(duì)當(dāng)?shù)睾哟哺卟钸_(dá) 25m～32m。

沿桃河、錦河由補(bǔ)給、徑流區(qū)到排泄區(qū)地下水力坡度由大變小，小盤石—程家泉段水力坡度為 0.005 4，程家泉以下變?yōu)?.002～0.001。

綜上所述不難看出，泉群應(yīng)屬上升泉類型。

據(jù)上分析，娘子關(guān)泉群的形成主要是由于葦澤關(guān)斷層的阻擋，使其上游的地下水在娘子關(guān)內(nèi)、葦澤關(guān)一帶受阻，水力坡度降低，由水平徑流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏蠌搅?，加上河流深切O1含水層使地下水呈上升泉的形式出露成泉。

[1] 姜 磊，李澤琴，劉 東.四川省蒼溪縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查分析[J].山西建筑，2010，36(8):106-107.