基于突变理论的晋祠泉域岩溶水水质及其脆弱性评价

摘要

山西省作为我国北方岩溶分布最广的省份之一，岩溶水一直是其工农业生产和生活用水的重要供水水源。自20世纪80年代以来，岩溶地下水的开采强度随经济的发展逐年增大，岩溶水位不断下降，晋祠泉流量大幅衰减。同时因泉域内煤矿开采、废水排放等人类工程活动的加剧，泉域岩溶水环境受到严重威胁。因此，对泉域岩溶地下水环境进行评价及保护迫在眉睫。 首先本文在分析晋祠泉域自然地理概况、地质及水文地质条件基础上，重点分析了泉域内沿地下水流方向水温的变化趋势及其原因。水样资料显示：水温由泉域北部古交市娄子条村Q087的12℃逐渐升高到神堂沟地热井Q093的56℃。水温增高可能与因各类地质构造减缓岩溶水径流速度及奥灰岩埋深增大而使水岩之间较充分的热量交换导致的。 在阅读国内外文献基础上，采用可直接处理非连续性问题而不联系任何特殊内在机理的突变理论，基于其多准则评价方法，选取总硬度、溶解性总固体TDS、氯离子 Cl-、硫酸根离子 SO42-、硝酸根离子 NO3-、亚硝酸根离子 NO2-和氟离子F-共7项指标，构建了晋祠泉域岩溶水水质评价体系。采用2016年泉域岩溶水文地质调查的32个岩溶水水样分析资料，依据《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)，对泉域岩溶水水质进行了评价，并利用ArcGIS绘制了泉域岩溶水水质分区图。结果显示：晋祠泉域水质整体呈现出由北部补给区的I类、II类水，到中部径流区III类水，再到东南部排泄区IV类、V类水的逐渐恶化的变化规律。同时分析了泉域岩溶水主要阴离子SO42-的来源。本文认为其主要来源之一是奥陶系灰岩含水介质中所含石膏的溶解；二是可能来自上覆煤系地层的煤系水补给。 基于以上分析评价结果，以欧洲岩溶评价方法COP评价模型为基础，结合晋祠泉域地形地貌特征、地质与水文地质条件及人类活动情况，从固有（本质）脆弱性和特殊（人类活动）脆弱性两方面选取评价指标，构建晋祠泉域岩溶水脆弱性评价体系。应用基于突变理论的多准则评价方法，采用 Jenks 优化法、突变理论和模糊隶属度函数相结合的方法综合确定各评价指标的权重，利用ArcGIS将各指标叠加得到晋祠泉域岩溶水脆弱性分布图。结果表明：高脆弱性区主要分布在汾河河谷地区、少部分的北部灰岩裸露区以及泉域东北部和东部的边山断裂带排泄区，主要包括尖草坪区柴村街道南部、汇丰街道大部；万柏林区下元街道大部、兴华街道大部、万柏林街道大部、和平街道大部、长风西街大部、千峰街道大部、小井峪街道东部、南寒街道大部、神堂沟街道中东部；晋源区北部地区义井街道大部、金胜镇中部及万柏林区的部分煤矿采空区。低脆弱性区主要分布在泉域中部的部分地区及少量西部和西南部的部分地区。主要包括古交市刑家社乡中东部、河口镇中东部少部分地区、原相乡南部、东曲街道大部；清徐县马峪乡中北部、东于镇北部少部分地区。其它地区的脆弱性属于中等水平。主要分布在泉域北部的灰岩裸露区、少量浅层岩溶覆盖区、泉域西部、泉域中东部的部分煤矿地区、泉域南部以及东南部的部分地区。主要包括古交市嘉乐泉乡大部、阁上乡北部、梭峪乡大部、常安乡中东部、镇城底镇大部、原相乡西部、马兰镇中东部、桃源街道中西部大部、西曲街道南部和屯兰街道大部；万柏林区杜儿坪街道中西部、化客头街道中南部、神堂沟街道西部、白家庄街道大部和王封乡大部；晋源区晋祠镇大部、姚村镇东南部、罗城街道中西部、金胜镇西部和晋源街道西部；清徐县马峪乡南部、东于镇中南部和清源镇中部。评价结果可为晋祠泉域岩溶水的合理开发利用和保护提供依据。

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2015510439