泉域环境水文地质分析
(河南水文地质工程地质研究所，新乡，453002)
本文在分析大量前人相关资料的基础上，通过1∶5万的综合水文地质调查、地下水动态场调查、物探、抽水试验和水质测试，基本摸清了泉域水文地质条件，确定了泉域边界和性质，摸清了泉水的补径和排泄条件，着重分析了影响小南海泉流量减少的自然和人为因素。
关键词:红旗渠地下水开采，小南海泉域，泉流降水
安阳市位于豫北洹河冲积扇中上部，是豫北重要的工业城市。目前已形成了冶金、电力、电子、轻工、纺织、医药等完整的工业体系。随着经济的发展，对水资源的需求越来越大。小南海泉作为安阳市主要供水水源之一，经彰武水库调节后，供给安钢、电厂、化肥厂等企业及万金灌区。也是城市生活用水的主要规划水源。泉域由于打井、采煤、采矿现象严重，水文地质条件发生重大变化，植被遭到破坏，生态环境恶化，泉水产量逐年减少。70年代为8.03立方米/年。80年代为5.62立方米/秒，90年代为4.48立方米/秒。2000年7月以前，天气持续干旱，南海泉水流量仅为1.95m3/s，造成安阳市严重缺水，对安阳市工农业生产构成严重威胁。
1区域水文地质条件概述
小南海泉位于太行山隆起带与华北平原沉降带的过渡带，西起林州西山断裂，东至汤溪断裂，中间夹着的地块是自西向东逐级下降的构造断块。自西向东，大致可分为三个相对独立的水文地质单元；以林州西山断裂为界，断裂以西是由太古代变质岩和震旦系石英岩砂岩组成的基岩区水文地质单元。基岩区水文地质单元东侧是由寒武系和奥陶系碳酸盐岩组成的岩溶水文地质单元。该单元在林州盆地和坳陷带局部出露侵入闪长岩，并被新生界沉积物覆盖。以近南北向延伸的奥陶系与石炭系、二叠系地层接触为界，划分为由石炭系、二叠系、第三系地层中的砾岩、砂岩、灰岩、泥岩、页岩组成的碎屑沉积水文地质单元。
区域性深大断裂不仅控制着水文地质单元的分布，还控制着岩溶地下水泉系统的边界，将岩溶地下水系统分成若干个系统。如林州西山断裂，东起寒武系、奥陶系，西至太古界，形成岩溶水的隔水边界，将这一岩溶水系统与山西长治新安泉域岩溶水系统分隔开来。本工区东部的断层束是西盘区奥陶系与东盘区石炭、二叠系的交汇处，形成岩溶水东部的阻水边界。来自西部的岩溶水被砂岩、泥岩阻隔，集中在山谷低洼处排出地层形成岩溶泉。从南到北，工作区可划分为石门寺泉域、徐家沟泉域和珍珠泉域四个岩溶水子系统，大部分泉域被地下水分水岭边界、地表水分水岭边界和地层阻水边界隔开。
据调查，小南海泉域面积934.6km2，北部为侵入岩隔水边界，东部为地层隔水边界，南部为地下水山脊边界，西部为地表分水岭(断层隔水边界)。
泉水流量的分析与确定
小南海的泉水全部流入彰武水库，供安阳钢铁厂和电厂工业生产和农业灌溉。根据现有资料分析，泉流量有明显减少的趋势。这些数据是根据南海水库的出流量、彰武水库的进出流量、水库水位与流量的关系曲线得出的。根据水平衡原理，减少并计算流入量。由于难以准确计算库区的渗漏、淤积和闸门控制误差，计算精度受到限制。在分析整理原始资料时还发现，当彰武水库出库流量较大时，入库流量的计算偏差较大。综合考虑上述因素，采用最小二乘法剔除数据利用中的异常值，对两个水库的出流量和降水量进行逐日对比。泉水日流量选取两库出库流量相对稳定或无放水、无降雨时期的彰武水库入库流量，月流量取彰武水库平均入库流量值。由于影响流量数值的因素较多，计算的泉流量值与实际值之间难免有差异，但总体变化趋势与实际情况一致。
3.影响泉水流量的因素分析
经过本次调查和对以往资料的综合分析，影响泉水流量的主要控制因素如下。
3.1自然因素
3.1.1降水
降水对泉流量的影响主要表现在两个方面。一种是通过下渗的方式回灌泉域地下水，再通过地下径流汇集在小南海泉群中溢出；二是通过地表径流汇集到洹河，并通过渗漏补给泉域地下水。
由于降水量的年际和年内变化，对泉水流量的影响也不同。降水量的年际变化，由于泉域地下水的调蓄，主要影响小南海泉的年平均变化，年内降水量的变化导致泉流量的年内差异。
3.1.2洹河
洹河流经本区约50km，水磨石至谢家坪漏水严重，洹河漏水是南海泉水地下水的主要补给来源。洹河有两个源头:一是下降水流；二是接收红旗渠回水，不断补充泉域地下水。根据前人和本次调查的实测资料，推测洹河渗漏也是南海泉水流量的主要因素。
3.2人为因素
3.2.1地下水开采
随着泉域社会经济的发展，人工开采地下水的量逐年增加，特别是90年代以后，必然会抢占一部分泉流。南海泉流量呈现三个台阶，相应地，地下水的人工开采也呈现三个台阶。具体数据见表1。
表1泉水流量与人工开采地下水对应表
因此，目前地下水开采是泉水流量的主要控制因素，从发展趋势看，地下水开采对泉水流量的影响将越来越严重。
红旗渠引水
红旗渠将浑浊的张江引入林州。一方面通过渠道渗漏和渠灌下渗直接补给泉域地下水；另一方面向洹河回水，通过河流渗漏间接补给地下水。从表2可以看出，在春流的三个平台中，红旗渠引水量的变化趋势也很明显。
3.2.3沿泉群溢流区采石也会对泉群溢流产生一定影响。
4影响泉水流量因素的权重分析
4.1选择影响泉水流量的因素
从以上分析不难看出，影响泉流量的主要因素有四个:降水、地下水开采、红旗渠引水和洹河渗漏。其中，洹河的渗漏主要是由红旗渠的径流(洪水)和回水造成的，并且与它们有着密切的关系。相对而言，洹河渗漏只是一个间接影响因素，因此降水、地下水开采和红旗渠引水可以作为影响泉流量的控制因素。
4.2春流期选择
从表1可以清楚地看到，春季流量呈现三个台阶，分别对应三个时间段，即1976前、1977 ~ 1989后和1990后。为了便于下面的计算，数据时间段选择为1976544。各时期泉流量、降水量、地下水人工开采量、红旗渠引水量数据见表2。
表2各时间段数据列表
4.3泉流量影响因素的权重分析
将灰色系统理论应用于泉水流量影响因素的权重分析中进行多元相关分析，是水文地质分析中常见的问题，其目的是从多个因素中找出它们与因素相关的优劣。灰色系统理论在研究事物之间的相关性时，以事物(因素)过去和现在的行为效应作为分析的基础，从中挖掘规律性。为了判断主要因素，提出了“关联度”的变值，以确定不同时间、不同因素对泉流量影响的权重。
4.3.1关联度分析方法和原理
有m个子因子(X1，X2、...，Xm)，它们与母因子(X0)有一定的相关性，并且在同一时期都至少有n个动态观测值，其值缩写为序列。
父序列:{x0 (i)} i = 1，2，...，n
子序列:{xk (I)} k = 1，2，…，m
i=1，2，…，n
为了便于比较，将其标准化并制作成:
X0 (I)和xk (I)是标准化的，所以在t0X坐标系中有折线，{x0 (I)}，{XL (I)}，...，{xk (I)}...，都在L轴上有一定的长度。如果这些多段线有一个共同的* * *交点(称为参考点)，则同一时刻第k个子线L与公交车的距离δ0k(L)= { | x0(L)-xk(L)| }就是衡量该时刻它们相关性的基本依据。显然，δ 0k (L)越小，L时刻子线与母线的相关性越好，从t=l时刻到t=n时刻序列的相关性用相关系数表示:
地质学、环境和经济学论文集。系列2
ξ0k(i)——第k条子线和母线x . I时刻的相关系数满足0≤ξ0k≤1的值，ξ0k越接近1，它们的相关性越好。
min，δmax-区间[1，n]中第m个子线的距离δ0k(I)的最小值和最大值。
显然，如果在某一时刻(1)选取参考点，则有δ min = 0，其中δ 0k (min) = min {| x0 (i)-xk (i) |)。
δ0k(max)= max { | X0(I)—Xk(I)|)
δmin = min {δ0k(min)}
δmax = max {δ0k(max)}
ξ ——正实数，取经验数，其值影响[1，n]相关系数在各时刻的阶数。本文ξ = 0.5，所以[l，n]中第k个子线与母线的相关度记为G0k和∈[0，1]。
应用数据
根据现有资料，有三个因素:第一个因素是红旗渠取水，第二个因素是泉域地下水开采，第三个因素是泉域降雨量。
现在设置矩阵[xij]i=1，2，3，4。
j=1，2，…，13
[xij]-母因子，历年春流；
[xki]-分项系数，k=2为红旗渠年引水量。
K=3为泉域地下水年开采量。
K=4为泉域年降雨量。
计算结果
产品计算结果见表3。
表3各时间段相关系数表
注:X2——指红旗渠引水，X3——指地下水开采，X4——指降水量。
泉水流量减少原因的综合分析
从上述泉流量影响因素的权重分析结果可以看出，在第一期和第二期，泉流量的大小与其正相关因素——降水量和红旗渠引水量密切相关，负相关因素——人工开采仅占次要地位。结合表2，第二期泉流量变化的原因主要是人工开采的增加和引水量的减少。
第三期(1990 ~ 2003年)与第二期相比，降水量差别不大，但随着人工开采的增加，红旗渠引水量明显减少，但两者都成为这一时期泉水流量的主要影响因素。所以泉水流量减少是必然的后果。在开采量中，矿井排水对泉水涌水量减少的影响更为明显。
6结论
综合以上分析结果，目前，泉水流量减少的主要原因是人工开采地下水增加和红旗渠引水量减少。近年来，随着地下水人工开采的增加，它已成为影响泉流量大小的主要因素。