柳林泉域岩溶水系统特征及泉流量动态模拟研究

摘要

柳林泉是山西省吕梁市最大的岩溶泉，也是区域内生活生产的重要供水水源。然而，近年来随着人类活动的加剧，泉流量持续衰减，局部区域水质污染，对区域生活生产供水安全构成一定的威胁。因此，加强对柳林泉域岩溶水系统的研究对保障泉域内各县区城乡居民饮水安全、生态环境平衡、经济平稳快速发展、社会全面进步等意义重大。
　　 本文在充分收集已有的勘察、试验资料及前人研究成果的基础上，系统分析了柳林泉域地质结构及地层岩性特征；通过绘制水文地质剖面图并结合理论分析，确定了柳林泉域的边界性质并科学划定了泉域的边界范围；研究了柳林泉域岩溶地下水系统的储存条件和循环条件；对泉域岩溶地下水水化学特征、水质污染状况及地下水动态特征进行了分析。
　　 应用灰色斜率相似关联度计算模型，并结合区域水文地质条件，对泉域内降水对泉水的影响时滞进行了研究。研究结果表明：泉域内不同区域接受的降水对泉流量的影响时滞存在差异。补给区Ⅰ接受的降水在1 a之内对泉流量产生影响，补给区Ⅱ的降水影响时滞为1-2 a，补给区Ⅲ为4-5 a，补给区Ⅳ为8-9 a。当年的泉流量同时受到Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区所接受降水的共同影响。探讨了大气降水、河道渗漏以及岩溶水开采对泉流量的影响机制，并通过对加权降水量序列p(t)、泉流量序列Q(t)以及开采量序列E(t)的对比研究，阐述了不同时段影响泉流量衰减的主导因素。研究结果表明：1983-1989年大气降水的减少对泉流量的衰减起主导作用；1990-1999年泉流量的衰减主要是由不断增加的开采量导致的；2000-2005年持续衰减的大气降水和不断增加的开采量均对泉流量衰减产生了较大的影响；2006-2009年不断增加的开采量对泉流量衰减起到了决定性作用。
　　 建立了偏最小二乘回归模型，对泉流量进行模拟预测，并根据实际物理意义对该模型进行了校核。修正后的偏最小二乘回归模型拟合的平均残差为0.05 m3/s，平均残差率为2.05％；模型检验期的平均残差为0.12 m3/s，平均残差率为5.8％。表明该校核偏最小二乘回归模型拟合效果好，可以用于柳林泉流量的模拟预测。研究结果可为柳林泉岩溶水系统的合理开发利用提供一定的理论依据。利用上述模型预报的2010-2012年柳林泉流量分别为2.13 m3/s、1.99 m3/s和2.03 m3/s。
　　 通过补给量法和排泄量法对柳林泉域岩溶水系统的天然资源量进行了估算。补给量法与排泄量法计算的天然资源量分别为：2.44 m3/s和2.76 m3/s，平均排泄量大于平均补给量，以上现象主要是由于岩溶水过量开采导致的。为了保障柳林泉的可持续利用，必须采取强有力的措施，对柳林泉岩溶水系统实施保护。