我國北方巖溶泉域生態修復策略研究
——以晉祠泉為例

王焰新

（中國地質大學(武漢), 湖北 武漢 430074）

0 引 言

我國北方巖溶分布面積廣，巖溶地下水存儲量大，巖溶泉水資源豐富，水質良好，始終是巖溶區工農業及居民生活的優質供水水源[1-6]。但北方巖溶區受天然地質條件限定，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]。煤炭開采和工農業生產等強烈人類活動，勢必對巖溶水系統和水環境產生強烈影響[10-13]。自20世紀50 年代以來，在全球氣候變化和采煤等強烈人類活動的疊加作用下，我國北方巖溶泉水流量下降，水質惡化，巖溶泉域生態環境功能下降[2-3,14-15]。因此如何采取合理的措施，通過適度的人工干預，強化巖溶大泉的自然恢復機能，并最終實現泉域生態環境修復，是當前我國生態文明建設的先行區和重點領域。

我國巖溶面積較大，對巖溶水系統的科學認識尚不完善，對巖溶水的開發利用、保護與巖溶環境生態修復往往會面臨科學依據缺乏的現狀。本文以我國北方晉祠泉域為代表，通過有針對性地開展構造地質、勘查地球物理、水文地質、環境水文地球化學、煤田水文地質、地質模型等調查研究工作，把握泉域巖溶地下水形成-運移形成的宏觀、微觀地質條件，查明晉祠泉流量衰減至斷流的成因機制，科學地評估多種生態修復措施對泉域巖溶水系統和泉域生態環境的修復效應，總結經驗，形成有效的工作指導方案，有望對我國北方巖溶大泉的生態修復形成示范效應，為遏制我國巖溶區生態惡化現象提供科學依據。

1 研究區概況

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，承擔著太原市部分縣區工農業生產和城市生活的供水保障任務。晉祠泉群出露于晉源區晉祠鎮西山懸甕山下，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，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鄭家梁到昔湖洋村，中段沿柳林河谷自昔湖洋村經紅咀上、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-康家會斷裂帶為邊界。行政區劃以太原市的古交市、清徐縣、晉源區、萬柏林區所轄范圍為主，局部涉及尖草坪區、婁煩縣和交城、靜樂等九縣（區），總面積2 732.0 km2，其中裸露和淺覆蓋面積為953.4 km2，埋藏區面積1 472.4 km2，第四系平原區面積306.2 km2。

研究區屬典型的溫帶半干旱大陸性季風氣候，干旱多風，雨量集中，蒸發強烈，四季分明，晝夜溫差大及無霜期短為其典型特征。區內多年平均降雨量（1959-2018 年）為465.1 mm。（圖1），降雨時空分布極不均勻，年內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大于盆地，西部大于東部，中部大于北部和南部。

區內多年平均蒸發量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%。

區內地表水系均屬黃河流域汾河水系（圖2）。汾河為區內主要河流，自汾河水庫至上蘭村注入太原盆地，流經長度85.25 km，多年平均來流量9.16 m3·s-1。研究區內分布有天池河、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、風峪溝、柳子溝、白石溝等多條季節性河流，均為汾河一級支流。

晉祠泉域區大部分范圍屬于呂梁山山區，東部和南部的平川區屬于晉中盆地。山區一帶地勢一般較為陡峻，海拔高程在1 300～2 160 m。盆地區地勢較為平緩，海拔高程為752～850 m。

晉祠泉域區范圍內地層以寒武系、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。在構造形跡上，西山地區表現為兩翼不對稱的復式向斜構造，包括數個呈“S”型展布的大型向斜以及一系列小型褶皺。褶皺構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的SE 和SW 兩側，構成西山地區天然邊界。

晉祠泉域地下水類型豐富[17]，根據含水介質的巖性特征與地下水的賦存條件，研究區地下水類型可分為：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化裂隙水。其中碳酸鹽巖類裂隙巖溶水分布于整個研究區，為邊山斷裂帶晉祠泉、平泉等泉水的補給來源；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；松散巖類孔隙水廣泛分布于太原斷陷盆地區和山區的山間河谷地區；侵入巖類風化裂隙水主要分布于西部以及北部邊界以外地區，區內僅有零星分布。

泉域北部為灰巖山區，南部為砂頁巖山區。在構造方面，西山地區為一北端翹起，向南傾沒的簸箕狀向斜構造，形成了一個三面封閉條件較好，一面排泄相對集中的巖溶水系統。區內巖溶水地下水主要受汾河以北大氣降雨補給以及汾河滲漏段滲漏補給。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、向太原盆地的側向排泄。泉域巖溶水從補給區到徑流排泄區，水溫、礦化度、水化學類型等呈現明顯的增加趨勢。水化學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 泉水斷流原因分析

為了查明晉祠泉域泉水斷流的主要原因，我們分析計算了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，煤礦開采活動也僅限于上組煤淺層開采，基本處于未擾動的原始狀態。通過計算1960s 巖溶水水均衡能夠幫助我們全面認識天然狀態下該研究區巖溶水系統水均衡和收支情況。研究區巖溶水和煤炭資源的大量開采主要發生于20世紀80 年代以后[18-19]。通過計算1980s 巖溶水系統水均衡，能夠直觀地展現出晉祠泉斷流之前研究區水均衡和巖溶水收支變化情況，從而為分析泉水斷流原因提供依據。近年來，在山西省各級政府部門的多項舉措下，晉祠泉域巖溶水水位持續回升[16,20-24]。因此，通過計算近幾年的巖溶水水均衡，可以有助于分析適度人工干預下該研究區巖溶水的收支變化情況，為進一步開展泉域生態修復提供依據。

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

綜合影響晉祠泉流量與泉口水位動態的各種因素，分析長時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 年以來經歷以下四個階段：

（1）高水位大流量階段（1970 年以前）：該階段泉域內降雨量較大，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）水位下降斷續出流階段（1970-1985 年）；該階段降雨量波動較大，巖溶水分散式開采井不斷增加，城鎮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，泉水水位持續下降。

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

綜上所述，總結晉祠泉斷流的原因如下：

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

（2）對泉域不同歷史時期的水均衡計算結果表明，1960s 泉域巖溶地下水系統基本處于穩定平衡階段，而到20 世紀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處于負均衡階段。到20 世紀90 年代，巖溶水總開采量進一步增加，巖溶水系統負均衡加劇。由此可見，包括采煤排水在內的巖溶水開發利用是晉祠泉斷流的直接原因。

3 泉域生態修復措施及成效分析

為了促進晉祠泉域生態環境快速健康恢復，論文提出了汾河二庫強化滲漏補給、泉域巖溶水關井壓采、煤礦區禁采限采、近源和遠源河道生態補給（地表水源置換地下水）等一系列措施，并預測評估了預期效果，以期推進晉祠泉域巖溶地下水生態環境得到根本性改善。

3.1 汾河二庫加強滲漏補給成效分析

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 月水庫蓄水位達到900 m，此后保持在此高水位運行。

根據庫區地質條件，當水庫蓄水位達到正常蓄水位（905 m）時，庫區地表水可以通過下馬家溝組灰巖向太原西邊山一帶滲漏[26]，且補給量隨著水位的升高呈增加趨勢。如圖4 所示，汾河二庫區地表水滲漏量與蓄水水位大致呈線性關系：2001-2008 年，汾河二庫蓄水水位上升緩慢，泉域內庫區地表水滲漏量穩定在0.46 m3·s-1左右；2008 年之后庫區蓄水位開始快速增加，地表水滲漏補給量同步增加，至2017 年12 月，庫區地表水水滲漏補給量達到了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?？梢姺诤佣煨钏坏闹鸩教岣?，極大增加了庫區地表水滲漏量，是晉祠泉域巖溶水系統的重要補給項。

水化學和同位素證據也進一步證明了汾河二庫對晉祠泉域巖溶水的顯著補給效應（圖5）。如圖5a所示，在汾河二庫周邊巖溶水δD-Na 散點圖中，吾兒峁和解家塔組成的區域代表了汾河二庫北側巖溶地下水特征，即δD 值和Na+偏低，汾河二庫1 和汾河二庫2 水樣點的區域代表了二庫水的特征。由圖可以發現，二庫周邊的巖溶水樣點落在了二庫北側補給區端元和二庫地表水端元之間的混合線附近，該特征進一步說明了二庫周邊的巖溶水受到了二庫水的滲漏補給影響。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給的影響較大。同時，銀角村的巖溶水樣點呈現較高δD 值，表明其可能受到了更加強烈的蒸發作用的影響。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-的聯合分析也進一步確認了汾河二庫水對晉祠泉域巖溶水的滲漏補給效應（圖5b）。研究區巖溶水14C 年齡大部分均在4000 年以上，表明其經歷了較長的運移時間。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給。比較特別的是，冀家溝、銀角村、掃石村處的巖溶水遠高其它巖溶水樣點，更為靠近汾河二庫地表水。結合前述分析，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給。

3.1.2 二庫滲漏影響模擬與預測

通過構建晉祠泉巖溶水系統流場演化模型，改變模型中汾河二庫回水區長時間序列入滲量，我們利用數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流場演化過程。在補給區，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給，減小了該區與補給區地下水位的相對差值，補給區地下水流失量減小，加之其含水層本身儲水系數較低，從而使補給區對下水位得到了明顯抬升。2014 年之后二庫蓄水高程持續抬升，并保持高水位運行，地表水滲漏補給量增加，對比2014 年和2018 年排泄區地下水位，發現地下水位進一步回升，同時二庫作用下的地下水位相比自然滲漏時差值顯著增大，說明二庫滲漏對于巖溶水的補給起到了非常積極的強化作用。

圖6 模擬預測了汾河二庫高位蓄水情況下晉祠泉域巖溶水系統流場演化過程圖。模擬預測考慮了有汾河二庫滲漏補給和沒有二庫滲漏補給兩種情景：當汾河二庫不發生滲漏補給時，晉祠泉域巖溶水水位在2023 年整體呈降低態勢。分析原因為，在不考慮二庫滲漏補給時，庫區地下水因下游消耗而水位降低，從而加大了與補給區地下水間的水力梯度，進而造成上游補給區地下水流動加快，水位相應降低。對于排泄區，不考慮上游二庫滲漏補給會使補給量減少，在排泄量持續的條件下必然造成區域地下水水位下降。對比2023、2028、2033、2040 年模擬預測結果發現，在考慮二庫滲漏時地下水位則處于持續回升狀態，地下水位開始持續回升，其中排泄區最為顯著；排泄區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生態恢復中起到了重要的補給作用。

3.2 河道滲漏（遠源）補水成效分析

3.2.1 河道滲漏補水適宜段確認

農藥在噴施過程中的霧滴飄移是造成環境污染、農藥流失和農藥有效利用率低的重要原因。常規噴霧方式下，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，也降低了霧滴的附著率。風助式噴霧是一種利用專用設施產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上的沉積率，減少霧滴飄移。風助式噴霧技術的應用提高了農藥的生物效果、拓寬了噴霧設備的應用條件，有利于提高農藥有效利用率，減少化學污染[1-3]。

根據野外調查和區域水文地質條件分析，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，部分地段構造強烈，段內及上游河段污染少，水質較好，汾河水庫不放水時河內基本無水，河段內滲漏明顯，為補水有利地段。通過修建攔河壩和滲水井進行蓄水，抬升地下水位，加大晉祠泉域入滲補給，促進晉祠泉域巖溶生態系統早日恢復。

為進一步查明典型滲漏段點及補水適宜性，我們采用特征離子組分和環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給區，地下水直接接受降雨入滲補給，水巖作用主要以碳酸鹽巖的風化溶蝕為主，硅酸鹽礦物風化程度低，人類活動影響強度較弱，因此巖溶水中Na+含量較低。如位于補給區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化溶濾作用以及人類活動的共同影響，汾河水中Na+含量均較高，介于67.2～108.5 mg·L-1之間。采自于泉域滲漏區段（強家莊、策馬、掃石村）的巖溶水中Na+含量則表現出異常的高值，均大于30 mg·L-1。據此，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給影響所致。而采自于汾河滲漏區段的巖溶水中Na+含量較大的波動范圍表明，滲漏段各處巖溶水受汾河水入滲補給的程度不均一。鑒于Na+較為穩定的化學活性，以其含量作為評估指標，可以發現在各滲漏段點，汾河水入滲對巖溶水的補給程度大小依次為：河口鎮＞強家莊＞策馬村＞掃石村。

由圖7 可見，泉域北部補給區巖溶水（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-含量呈持續微弱上升趨勢，代表了天然水巖作用和入滲補給情況下的離子濃度富集效應。而在汾河典型滲漏區段巖溶水中Cl-含量則發生顯著上升，強家莊、策馬村和河口鎮的巖溶水中Cl-含量達到了70～80 mg·L-1，與地表水呈現高度的相擬性。但在非滲漏區段，無論是補給區、徑流區還是排泄區，巖溶地下水中Cl-含量均呈現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給。以Cl-為參考，判斷汾河滲漏段地表河水的滲漏影響強度順序為河口鎮＞強家莊＞策馬村＞掃石村＞東曲煤礦。這一結果與前述認識基本一致。

環境穩定同位素鍶與主量元素（Na）的聯用，有助于更深入地剖析地表水等與巖溶水的滲漏作用關系[9]。受硅酸鹽巖風化、生活污水和工農業廢水排放的影響，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到了100 mg·L-1以上。此外，由于地表水主要經區域水系匯流成河，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中，與硅酸鹽巖風化水解作用強度大，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。北部補給區和一部分徑流區巖溶水因接受地表降雨徑流的快速入滲而呈現出中等的87Sr/86Sr 值。特別值得關注的是，先前識別出的幾處受汾河水滲漏嚴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。

盡管在整個晉祠泉域，從補給區到排泄區，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年齡來看，在汾河以北的廣泛的碳酸鹽裸露補給區，大多數巖溶地下水的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移時間較長。在靠近汾河的強家莊村一帶，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 年齡檢測結果已經是現代碳，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烈滲漏而補給，成為了現代水。此外，該處較為年輕的巖溶地下水在往徑流區流動的過程中，向汾河南岸巖溶含水層擴散流動，與汾河附近的巖溶地下水充分混合從而導致其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。

3.2.2 河道滲漏補水成效分析

以現狀開采模型為基礎，分別模擬滲漏補水量為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）時晉祠泉巖溶地下水系統流場演化過程（圖）。如圖8 所示，在方案3 補水條件下，遠源補水對于古交地區巖溶地下水流場演化影響最大，其原因一方面為遠源補水--采用的是大流量補水，另一方面為汾河沿岸地下水徑流區雖然裂隙發育但是儲水系數較小，因此當采用大流量持續補水使地下水響應便會很顯著。當補給、徑流區地下水位抬升時，排泄區接收上游補給量增多，水位也隨之上升，水位響應的時間及變化值主要受遠源補水量及徑流區滲透系數及排泄區儲水系數影響。所以，當遠源補水維持在2 000 萬m3·a-1時泉域巖溶水水位可快速上升，預測晉祠泉域地下水生態環境將在數年內得到顯著改善。

3.3 近源補水成效分析

3.3.1 近源補水通道識別

在晉祠泉域水文地質條件調查分析的基礎上，進一步通過地下水NaCl 示蹤試驗和地球物理勘查以探明晉祠附近明仙溝近源補水的可能性以及相關的水文地質參數。本次試驗以明仙溝內鉆孔（ZK17）為投源點投放NaCl，在下游布置電導率監測井和物探測線的方法來識別巖溶水流向和連通性（圖9）。

此次示蹤試驗在赤橋村監測井監測到顯著的電導率變化。從5 月29 日開始投鹽，經過10.3 d 之后，電導率開始上升，在10.9 d 后達到峰值電導率，之后電導率值開始衰減，并于13.5 d 后基本恢復至初始背景值。以電導率值開始上升時的地下水流速為最快流速，出現峰值電導率時的流速為峰值平均流速，電導率開始恢復為初始值的流速為最慢流速，此次試驗投源井與赤橋村監測井的直線距離約為1035 m，由此計算出該區間內地下水平均流速：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。

充電法勘探解譯結果如圖10 所示，其中藍色虛線區域為鹽分隨地下水流動路徑。由解譯結果來看，鹽分從明仙溝投源井沿北西-南東向流向赤橋村井。相較該區構造情況而言，在明仙溝SE 段的監測井-養殖場一帶，由于受到鄰近溝口的邊山斷裂（晉祠斷裂）活動影響，該區間的次級斷裂較為發育，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模的地壘。該區域的南北向斷裂及次級裂隙對于明仙溝溝口地下水運移具有明顯控制作用，而東西向隱伏斷裂導水性相對較弱，該區間地下水流動方向應當以向南或向SE 為主。由此可以看出，充電法探測的結果與該區構造情況相符，該段地下水流向以南東向沿山谷地形流至明仙溝口。綜合以上認識，認為明仙溝是晉祠泉附近比較適宜的近源補給區，且滲水池或滲井壩應該盡量修建在明仙溝后部，即ZK17 孔西北部比較開闊的區域。

3.3.2 補水成效分析

近源補水工程為促進晉祠泉域生態修復的有力措施之一。為此我們模擬預測了明仙溝生態滲水、開化溝補水和兩地同時補水三種方案下，晉祠泉域局部巖溶地下水流場的演變。各方案模擬結果輸出的研究區巖溶地下水流場演化如圖11 所示：3 種近源補水方案均顯示出良好的修復效果。其中，同時在明仙溝和開化溝補水時補水效果最佳，地下水水位整體回升明顯，區域生態環境有望迅速改觀。單獨補水時，在明仙溝滲漏補水也極其有利于補給區的水資源補充，可以使晉祠泉域巖溶地下水大幅縮短維持現狀開采條件下的恢復時間。

3.4 煤礦區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巖溶水超采是晉祠泉域巖溶生態環境的主要影響因素之一[29-31]。經調查，2017 年泉域煤礦排放巖溶水量約1 003.68 萬m3·a-1。泉域范圍內取用巖溶水較大的煤礦有5 個，年開采巖溶水量約756.09 萬m3·a-1。若采用替代水源，壓采煤礦區巖溶水，有望持續恢復礦區及周邊巖溶水位。根據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、爐峪口礦關井壓采，西峪礦、東于煤礦、鎮城底礦、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），相比維持現狀開采條件，對實施煤礦區保水限排和關井壓采可以有效地消除采礦活動造成的礦區周邊巖溶地下水降落漏斗。當降落漏斗逐漸被填平后，排泄區上游來水中途消耗量減少，有利于排泄區巖溶地下水資源的補充和地下水水位持續回升。方案3 中對多個煤礦進行關井壓采、保水限排，使巖溶水資源的減排數量最大，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間僅相差2 個月，說明在短期內方案2 具有成本低、效益好的優勢。方案1 對巖溶水資源的恢復效果有限，對區域水資源保護和生態環境修復的效果不顯著，明顯劣于方案2 和3。

4 結 論

本文以收集的大量資料和野外地質、水文地質調查，監測、試驗、測試等方法獲得的豐富數據為基礎，綜合運用構造水文地質分析、水文地球物理勘查、水文地質鉆探、水文地質試驗、水文地球化學研究、水文地質模擬等多種手段，查明了晉祠泉重點補給區段水文地質條件，系統地研究了在人類強烈活動影響下，晉祠泉巖溶水系統地下水補給、賦存與運動規律，探討了晉祠泉域巖溶水系統生態修復補水方案，開展了不同補水工況下泉巖溶水系統補水效果的模擬與預測研究，為科學規劃、可持續開發利用巖溶水資源和盡快實現晉祠泉復流，提供了重要的科學依據和關鍵技術支撐。

本文還系統地研究了多年時間序列泉域巖溶水系統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，總結出晉祠泉動態變化的四個階段特征，并識別了影響泉動態的關鍵因子，認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，控制泉域內巖溶水開采（含采煤排巖溶水）是能否實現巖溶泉域生態修復的關鍵。近年來，在降雨持續偏豐的有利形勢下，加上穩定運行汾河二庫，以及在主要河流滲漏段筑壩遠源補水和在晉祠泉鄰近合適地段人工近源補水等“組合拳”措施的實施，進一步改善泉域生態環境，有效地加大了泉域入滲補給量，將會加快實現晉祠泉域巖溶水系統和生態環境恢復。因此，建議在加強二庫滲漏補給的前提下，同時實施巖溶水壓采，輔以煤礦區保水限采等多種措施，以實現晉祠泉域巖溶水和生態環境的快速健康恢復。