岩溶泉域及泉水成因

云台山泉域系指由双头泉－多孔泉－水帘洞泉－子房沟两侧小泉组成的泉水排泄带。
泉域的范围大致与子房沟流域中上游范围相当，面积约90km2（图54）。

图54 云台山泉域岩溶水文地质略图

泉域边界多由地表－地下分水岭组成。
西北部双头泉与三姑泉域的台北泉存在地表－地下分水岭，地表分水岭标高1450m，地下水的分水岭水位标高在900～950m，地下水分别流向分水岭北侧的台北泉及南侧的双头泉，流量不稳定，受降雨影响很大（图55）。
东北部云台山泉域与小磨河泉－大磨河泉域（峪河排泄带）之间存在地表－地下分水岭。地表分水岭标高1350～1400m，地下分水岭水位标高900m左右（图56）。
东南部与山门河排泄带之间也存在地下分水岭。山门河发源于青龙洞，是另外一个泉域。
泉域的含水层为奥陶系中统马家沟灰岩层（02）与寒武系中统张夏组 灰岩层。前者为岩溶孔洞含水介质，后者为岩溶裂隙含水介质。在上述两含水层之间的02— 白云岩层为弱岩溶化半隔水－透水层。
双头泉是O2含水层的排泄点，该泉出露标高850m，由两个溶洞流出，出露于O2与O1接触带上，显然与O1白云岩的相对阻隔水作用有关，其成因应定为接触－侵蚀溢流泉。
多孔泉、水帘洞等老潭沟、小寨沟两侧出露的泉水，标高在500～600m之间，多从张夏组灰岩岩溶裂隙中流出。泉点附近堆积大量泉华，说明从溶隙中渗流出地表后，水中CO2逸出，水中CaCO3沉淀。泉水主要沿张夏组灰岩 与徐庄组页岩 接触带流出，显然是由于 页岩阻隔水作用，使 含水地下排出，应定为接触－侵蚀溢流泉。

图55 云台山泉域西北部地下分水岭

1—奥陶系岩溶含水层；2—寒武系级夏组岩溶含水层；3—下奥陶—上寒武统弱岩溶透水层；4—下寒武流隔水层；5—地下水位及流向；6—导水裂隙；7—泉水；流量（m3/s）/标高（m）

图56 云台山泉域东北部地下分水岭

1—奥陶系岩溶含水层；2—寒武系级夏组岩溶含水层；3—下奥陶—上寒武统弱岩溶透水层；4—下寒武流隔水层；5—地下水位及流向；6—导水裂隙；7—泉水流量（m3/s）/标高（m）
在下寒武 及中元古界已不存在良好的岩溶含水层，因此，云台山岩溶泉，从总体上应为全排型泉水（图57）。

图57 云岩山泉域岩溶水文地质剖面略图

1—奥陶系岩溶含水层；2—下奥陶上寒武相对隔水－透水层；3—寒武系张夏组岩溶含水层；4—徐庄组隔水层；5—下寒武统隔水层；6—中元古界云梦山组石英砂岩底板；7—岩溶泉水；8—地下水位；9—导水裂隙；10—断层；11—渗漏河床

水资源保护是为防止水资源因不恰当的人类各种活动引发各种环境水文地质问题，而采取的法律、行政、经济、技术等措施的总和。岩溶地下水的保护与管理是一项综合性强而又复杂的工作，它不仅需要明确管理目标和任务，建立有权威性管理机构，而且还需要有先进的管理技术和法律法规，否则对岩溶地下水复杂的环境水文地质问题是无法管理好的。为此，必须通过对水文地质、陆地水文、水利工程、污水处理利用、生态学、经济发展、法律及政治方面的因素综合分析研究。与此同时，在我国现今的管理体制下，水资源管理决不是某一部门的事，必须要求水利、环保、国土、煤炭、城建等部门密切配合，明确职责，齐心协力来开展。从技术方面来看，北方岩溶地下水保护应遵循以下原则。
一、以系统思想为指导，兼顾全局，突出重点的原则
北方岩溶地下水以相对独立的系统进行循环。系统的地质、水资源、环境要素是一个有机整体，因此在水资源保护中要以系统论的科学方法为指导，强调系统的整体性，确定系统范围、边界条件、功能以及水煤资源相互依存和制约的关系，树立岩溶地下水以及泉域内各种类型的地下水、地表水、大气降水统一保护的思想。同时，由于北方岩溶泉域在系统结构、泉水形成条件、水文地质环境问题及成因具有突出的特点，有的放矢地开展岩溶地下水保护能够起到事半功倍的效果。岩溶水资源保护要从岩溶基础水文地质条件出发，根据岩溶水环境问题的成因，有重点地开展诸如水量、水质、泉水排泄区环境的保护工作。
1.水量保护
水量保护要遵循水量均衡的原则。针对北方岩溶水多以泉水形式集中排泄，在不增加岩溶水资源补给情况下，岩溶水系统内以任何方式开采岩溶水都将削减泉水流量的特点。因此要做到地域间的取水平衡、系统内打井取水量与泉口直接取水量间的平衡，在控制安全开采总量前提下，合理布局取水工程，统筹规划岩溶地下水利用量。特别要加强与泉水流量敏感地区的开采量管理，实施严格的取水量许可制度。
同时，水量保护应包括开源与节流两个方面。在控制取水许可制的同时，利用岩溶水系统的高度开放和巨大调蓄空间，积极开展岩溶地下水增补措施论证，包括直接修建漏库、利用水库放水（维持一定流量下的稳定放水）进行渗漏补给、在上游碎屑岩区植树造林、涵养水源，恢复浅层地下水循环系统，建设和完善雨洪利用体系并尽力发挥防洪、补源、改善生态环境等多项功效。岩溶地下水的人工补给，是一项系统的水资源管理工程，德国汉诺威、澳大利亚Mount Gambier市，我国济南、琉球群岛的宫古岛，前苏联、以色列、英国、美国等国家或地区已经实施并取得了显著成效。岩溶地下水的人工补给与实施应作为岩溶地下水水量保护的一项重要内容。
2.水质保护
水质保护必须要从大气、地表水、地下水整体出发，从三水的循环转化机制来研究防治岩溶地下水污染的对策，根据岩溶地下水循环机制，从治理污染源和污染途径两方面着手开展岩溶地下水水质保护。各部门间应密切配合，特别要在燃煤产业生产工艺的改进方面、地面污水的处理方面、重点点污染源的治理方面采取齐抓共管的措施，使岩溶地下水循环的每个环节形成良好的质量环境。
我国北方煤矿“老窑水”对岩溶水潜在的污染问题必须引起足够的重视，在煤矿闭坑前采取必要措施进行处置或闭坑后补救性处置应该作为岩溶水水质保护的一项重要内容来抓。
3.岩溶大泉排泄区保护
北方很多岩溶大泉集供水、旅游、生态多种功能于一体，应尽量保持其自然状态，其自然景观的和古建筑物都应得到保护。提倡先观后用的开采方式，尽量不采用泉口直接打井取水的杀鸡取卵式的开采。
二、以科学为依据的原则
北方岩溶系统是庞大的多要素构成的复杂水资源系统，引发岩溶环境水文地质问题根源多样。开展岩溶地下水保护必须以科学为依据，查清每一个岩溶水系统的环境条件。主要内容包括：
1）系统地质结构特征（包括系统组成，含水层、隔水层和包气带结构、空间分布，系统边界特征及形成演化等）。
2）系统水资源组成要素及其相互转化关系（包括大气降水、地表水、包气带水、岩溶地下水及与其密切相关的其他类型地下水）。
3）各水资源要素的分布、循环、演化规律（水质、水量）。
4）系统内岩溶地下水的天然资源量、可开采资源量、水质质量状况以及影响因素。
5）系统与外界环境的关系。
6）系统内水资源的开发利用状况（取水工程规模、布局、取水量及相关的环境水文地质问题）。
7）岩溶水环境问题、成因及发展演化趋势。
只有在全面掌握泉域系统水资源、系统环境及相互间关系基础上，才能够有针对性地提出岩溶水资源保护与治理措施。因此，采用必要的技术手段，建立监测体系，加强基础数据的监测（气候、水文、地下水水位、水质、泉水流量、岩溶地下水开采量等）、持续开展岩溶地下水环境问题、成因机制与对策研究，以此为基础，制定切实可行的保护目标，开展水资源开发利用的规划与保护。
三、实现经济效益、社会效益、环境效益三统一的原则
发展经济，提高人民生活水平，促进社会和谐发展是各级政府的主要任务。水资源是参与人类活动各个环节的必需资源，在发展经济与水资源环境出现矛盾时，不能一味以追求经济利益而牺牲水环境为代价，一时的经济繁荣掩盖不了长期积累的水环境问题，由人类引起的各种环境欠账终究是要由自己来偿还。在北方能源基地，坚持与煤炭资源相关的一切活动对水资源影响的论证管理是非常必要的。水资源保护是一项长期艰苦的工作，是一项保证国民经济长期、稳定健康发展的必需工作，是以持续利用为目的，实现经济效益、社会效益、环境效益三统一，以促进人与自然和谐发展的工作。
四、依法开展水资源保护的原则
《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国水污染防治法》以及地方性的如《山西省泉域水资源保护条例》、《太原市晋祠泉域水资源保护条例》、《徐州市地下水资源管理条例》、《辽宁省地下水资源保护条例》等法律、法规是开展岩溶地下水资源保护的重要依据。煤炭资源开发及相关产业在北方工业结构中占重要地位，采煤、洗煤、焦化、发电、煤化工等工业具有高耗水、高污染的特点，依法开展水资源的管理与保护就凸显其重要性。在一些地区污染气体任意排放、未经处理的工业废水、生活污水放任自流，固体垃圾随处堆积的现象比较普遍。擅自打井的现象；取水不计量、少报、瞒报现象；为工程上马，领导批条子超量审批开采量的现象时有发生。无法可依、有法不依、执法不严的状况是在很大程度上造成北方岩溶地下水环境问题突出的原因。再严格的法律、法规，再好的保护管理措施如不能严格执行，也不能起到作用。
鉴于北方岩溶水资源重要地位和岩溶水系统环境质量的脆弱性及环境问题成因的复杂性，有针对性地制定岩溶水系统保护的法律法规是非常必要的，但目前在不少地区还是空白，一些突出的问题还存在无法可依的问题。这方面山西省做了大量工作，早在1987年山西省人大第十三次会议就通过了《山西省泉域水资源保护条例》，1998年11月，山西省人民省政府以晋政函〔1998〕137号文批复了山西省水利厅《关于山西省泉域边界范围及重点保护区划分成果审批的请示》并对岩溶泉域水资源开展了有效的管理与保护。2010年11月，针对泉域岩溶水资源保护中出现的新问题，省人大又对《山西省泉域水资源保护条例》进行了修改，2011年，中共山西省委、山西省人民政府在《中共山西省委、山西省人民政府关于加快水利改革发展的实施意见》（晋发【2011】21号文件）中提出关于“调整泉域保护区范围”的要求，并组织山西省水利厅、国土资源厅和岩溶地质研究所等单位对重点保护区进行了重新划定。与此同时，针对岩溶水系统跨越不同行政区的特点，建立了以岩溶水系统（泉域）为单位的专门水资源管理机构，依法开展水资源管理与保护。

岩溶泉域与岩溶水流域具有大体一致的概念。中国北方裸露岩溶区往往形成一些封闭的或半封闭的岩溶泉域。所谓岩溶泉域是指岩溶泉的补给和汇流、储集范围，不仅包括地下补给、汇流范围，而且包括地表补给、汇流范围，即岩溶水系统的总汇水区。大的岩溶泉域往往包括两部分，一是非可溶岩间接补给区，二是可溶岩汇流及储集区。有时泉域仅为可溶岩区，这样补给汇流储集均在岩溶区。

岩溶地下水盆地及岩溶地下水域具有相同的概念，均指岩溶泉域中的可溶岩汇流及储集区。岩溶地下水盆地中的地下水有统一的水力联系，有独立的补排途径，是独立的水文地质单元。

构成一个岩溶水盆地必须具备如下条件：

（1）介质条件，指导水的岩溶化碳酸盐岩体。

（2）隔水的边界条件，指隔水的非岩溶或弱岩溶岩层隔水结构面、地下分水岭等。

（3）补给条件，大的泉域，补给来源往往有两部分，一是岩溶水盆地范围内的大气降水直接入渗补给，在山西的大面积裸露岩溶区，入渗系数为0.2～0.3，在有较厚黄土覆盖的半裸露区为0.15～0.2；二是来自泉域内上游非可溶岩区的地表水或过境河流的入渗，这种补给有时可占岩溶水盆地补给的1/4～1/2。

（4）在天然条件下，岩溶水盆地是一个完整的岩溶地下水运动场、水化学场。

（5）岩溶泉域是一个完整的独立岩溶水系统，大多数的泉域都是地表水—地下水联合系统（图40）。

总之，岩溶泉域和岩溶水盆地的概念是对岩溶水资源系统的初步概化，为研究岩溶水奠定了基础。

图40 泉域与岩溶水盆地示意剖面图

1—可溶岩；2—非可溶岩；3—阻水岩层；4—大气降水；5—地下水流向；6—地下水位；7—岩溶泉；8—断层

泉是北方岩溶水盆地排泄地下水的最主要方式。应当指出，研究岩溶泉的成因是指研究泉水的出露条件，而不是研究泉域的构成条件。

泉水的出露是受多种地质－地貌及水文地质因素控制的。大多数泉的出露与泉口下游的阻水构造有关。这种阻水构造使地下水流汇集并使之产生地下壅水溢出地表成泉，因而多数具有溢流泉的性质。

考查世界上一些岩溶大泉也有类似情况，如土耳其马纳夫益特河畔的达里曼泉，单泉最枯流量为23m³/s，最大70m³/s，是由于不透水的磨拉石建造在泉下游阻水而出露地表，而不是在地中海边出露（图41）。

南斯拉夫最大的泉奥姆勒拉泉，最小流量为4.1m³/s，最大为165m³/s，含水层为侏罗－白垩系灰岩，南部由于断层作用使含水层与隔水的三叠系白云岩和磨拉石建造接触，由于后者的阻水作用溢流成泉（图42）。

图41 土耳其达里曼泉平面图

图42 南斯拉夫奥姆勃拉泉

总的来看，岩溶大泉的出露是地质、地貌、水文地质综合因素确定的：

（1）岩溶大泉是岩溶水盆地的排水点，在地貌上均出露在整个泉域隔水边界上最低点；如主干河流切割边界的河谷中，断陷盆地边缘及山麓地带。

（2）向南方的暗河不同，山西岩溶大泉在排泄区或泉口下游有阻水构造，如阻水地层、阻水断层等，其作用是将岩溶水盆地中的来水汇集，形成壅水，使地下水溢出地表而成泉，这是形成稳定的岩溶大泉的重要条件之一。

关于泉水的分类，不同的研究者采用了不同的方法。韩行瑞等认为阻水构造的存在是泉水形成的主要因素，因而大多数泉水是溢流泉。并进一步根据阻水构造的差异和其他地质作用将山西岩溶大泉作了如下分类（图43）。

图43 山西岩溶大泉成因分类图