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本县位于大同盆地东北边缘，南北分别为六棱山，采凉山隆起，其间为新生代断陷盆地，这种地形为盆地地下水的汇集创造了有利条件。
全县地下水分布、埋藏及含水层发育、地下水运动等，明显地受地质、地貌条件所制约。
地下水的富集取决于含水层的空间分布，岩性所处的地貌部位，周围的构造条件，以及当地的水文气象等因素。
依据含水介质的岩性特征，地下水类型及赋存条件，将本区含水岩系划分为以下两大类六个亚类。
基岩裂隙水含水分组
变质岩类裂隙水含水岩组 主要分布在南部，北部（采凉山），东部（丰稔山）基岩山区，遇驾山、东坪山有其零星分布。含水岩组由太古界变质岩、麻粒岩等组成。地下水赋存在风化壳和构造裂隙中，径流运动方向一般和地形一致，并多呈泉水溢出，形成地表径流向盆地排泄，泉水流量一般在 0.03—0.25 升／秒之间，个别大者达 1.53 升／秒。如聚乐村西北 500 米，泉水流量 5.56 升／秒。
麻峪口东南 750 米片麻岩裂隙泉水流量为0.15 升／秒。
此外，变质岩含水岩组在阁老山、张庄一带松散覆盖层下也有分布，基岩埋深在 37—104 米之间，基岩风化壳厚度 18—66 米，是一个较富水的部位。该区地下水水化类型一般为HCO 3 —Ca、HCO 3 —Ca、Mg型，东后子口—金城口一带为HCO 3 .SO 4 —Ca型。矿化度 0.25—0.43 克／升，pH值 6.8—8.1。
碎屑岩孔隙裂隙水 主要分布在南山的东庄、窑子湾一带，地下水多储于石炭系砂岩及煤层裂隙中，富水性较差，泉水流量 0.15 升／秒。
岩浆岩孔隙裂隙水 主要是玄武岩裂隙水，分布于金山、阁老山、昊天寺、大同—阳原公路北侧及桑干河北岸的东、西沙窝一带，地下水储于火山锥裂隙之中，常以泉形式排泄，泉水流量西沙窝 2.0升／秒，肖家窑头 20 升／秒。
水化学类型为HCO 3 —Na、Mg型水，矿化度0.42—0.7 克／升，pH值为 8。
松散岩类孔隙水含水岩组 本县盆地内堆积了新生界巨厚的松散物，为孔隙水赋存提供了场所。但各地段所受的地质、新构造运动，古地理环境，成岩作用及水文气象诸因素的影响不同，在水平与垂直方向上，地下水的分布规律有一定的差异性。
火山丘陵孔隙裂隙含水岩组 富水区分布于贺店，艾家洼、大北庄一带。含水岩组主要为中—上更新统火山弹、火山砂、砂及粉细砂、粗中砂组成，厚 10—22 米，地下水埋深 24 米，单位涌水量1.30—1.61 公升／秒·米，降雨渗入补给玄武岩裂隙运移于火山沙砾中，以泉排泄和向下游潜流至区外。
弱富水区主要分布于瓜园—养老洼及沿桑干河北岸、南水地、于家寨、鱼儿涧一带。含水层均以层状或似层状玄武岩，裂隙发育及粗中粉细砂，厚65.3 米，地下水埋深 4—15 米，单位涌水量 0.8 公升／秒·米。
倾斜平原孔隙水 分布于北部采凉山前，包括周士庄、聚乐、中高庄、许堡四乡镇。南山前包括册田、徐町、峰峪、吉家庄、麻峪口 5 个乡镇，地下水常呈条带状分布。
本县洪积扇群主要分布于南山前小王—东后子口，北山前东水峪—上庄，丰稔山前浅井—上庄，该区面积为 119 平方千米，含水岩层为砾石、卵石、粗中砂，厚 7—54 米，地下水埋深 30 米，单位涌水量1.5—2.1 公升／秒·米。
a.洪积扇区主要分布在南山前大王、西浮头、瓮城口、麻峪口、北山前聚乐。含水层岩性为卵石、砾石、粗砂，厚 13—38 米，地下水位埋深 16—65 米，单位涌水量 1—3 公升／秒·米。
b.扇间凹地分布于大王窑、盘道、南米窑、西安家堡、散岔一带。含水层岩性为砂砾石，厚 0.3—6.8 米，地下水位埋深 26—602 米，单位涌水量0.69—0.78 公升／秒·米。
c.西骆驼坊至任家小村、二十里铺、周士庄、下榆涧、聚乐堡、东西羊坊、五里台及桑干河南、郭家庄、施家会一带，面积为 206.05 平方千米，含水层为粉砂、细砂、中砂，厚为 8—34 米，地下水埋深 2—20米，单位涌水量为 1.1—7.8 公升／秒·米。
总之，倾斜平原区中的洪积扇区是地下水的富水区，具有广泛的开发前景。水化学类型为HCO 3 —Ca、Mg型及HCO 3 —Na.Mg型，矿化度0.3—0.46 克／升，pH值 7.7—8.5 间。
冲湖积平原孔隙水 分布于本区中部及桑干河、御河河谷地带，主要富水区分布于倍加造以西一带，含水层岩性为粗砂、中砂、细砂，厚 55—68 米，地下水位埋深 1.3—7 米，单位涌水量为 5.0—8.8公升／秒·米。
该类地下水水化学类型为HCO 3 —Ca、Mg型，HCO 3 —Na、Mg型。矿化度 0.45—0.98 克／升，pH值 7.8—8.2。
本县地下水的补给主要有降水垂直入渗，边山基岩裂隙水侧向径流，地表水径流沿破碎带下渗补给等。本区地下水的径流方向，即由山区向平原，自河流上游向下游流动，河床是地下水的强径流区，地下水总的流动方向是：自北向南，自南向北，最后通过桑干河河谷区向区外阳原盆地运动。
地下水的主要排泄方式有：潜水蒸发、泉水排泄、人工开采及地下水侧向迳流向阳高、御河、桑干河排泄地下水到区外。
大同县水系较为发达，多呈树枝状。境内河流主要有桑干河、御河、坊城河。桑干河属海河流域永定河水系。御河、坊城河属海河流域桑干河水系。
桑干河 发源于山西省宁武县管涔山，经朔城区、山阴县、应县、怀仁县在郭家庄村西 2.5 千米处流入本区，于鹅毛村东 2 千米附近出境，排向阳高及河北省。境内流长 58 千米，流域面积 1575.9 平方千米。桑干河河床宽阔，纵坡平缓，雨季河水暴涨暴落，旱季河水很少，虽然水流长年不断，但仍受季节控制，据古定桥水文站（1970—1980 年）测流资料，桑干河最大径流量 4.22 亿立方米（1970 年）最小年径流量为 0.93 亿立方米（1975 年），正常年径流量为 2.72 亿方（1973 年）。
桑干河水系的较大支流，有大王峪、小王峪、东浮头峪、麻峪口等，流域面积 160.5 平方千米，正常年径流量 685.0 亿立方米。
御河 发源于内蒙古丰镇县的北山，在罗庄村西 2 千米附近流入本区，于古定桥附近注入桑干河，境内流长 16 千米，据孤山水文站测流资料流域面积2619 平方千米。多年平均径流量 0.93 亿立方米，中等干旱年径流量 0.58 亿立方米。1965 年实测平均流量（枯季）0.39 亿立方米。1967 年 8 月 5 日最大洪峰量 2020 立方米／秒，近年来枯季出现断流。属于夏季型和山地型河流。
坊城河 发源于采凉山南麓。流长 30 千米，流域面积 343 平方千米，多年平均径流量 0.064 亿立方米，中等干旱年径流量为 0.03 亿立方米，在马家南坡注入桑干河。本河流发源境内，枯水季节处于干枯状态。
地下水类型及分布规律
大同县地下水资源流域分区为永定河和洋河两区。
依据地质地貌和含水岩组的特点，将永定河区划分为六个水文地质类型区：一般山丘裂隙水区、一般山丘黄土层孔隙水区、一般山丘裸露型岩溶水区、倾斜平原孔隙水区、冲积平原孔隙水区、洪积扇群区。洋河区为山前倾斜平原孔隙区。
一般山丘裂隙水区 主要分布在南部，北部（采凉山）、东部（丰稔山）基岩山区，涉及许堡乡、峰峪乡、吉家庄乡、周士庄镇、聚乐乡，地下水赋存在风化壳和构造裂隙中，径流运动方向一般和地表水一致，并多呈泉水溢出，形成地表迳流向盆地排泄，泉水流量一般在 0.03 ～ 0.25 升／秒之间。
一般山丘黄土层孔隙水区 主要分布于聚乐乡（8 个村）、许堡乡（8 个村）、西坪镇（7 个村）、瓜园乡（6 个村），面积 241 平方千米，地下水资源量802.9 万立方米，贺店、艾家洼、大北庄一带，含水岩组由火山弹、火山砂、砂及粉细砂、粗中砂组成，厚10—20 米，单位涌水量 1.30 ～ 1.61 公升／秒·米，降雨渗入补给玄武岩裂隙，运移于火山沙砾中排泄成泉出露或汇集成地下潜流。瓜园——养老洼及沿桑干河北岸南水地、于家寨、鱼儿涧一带，含水层均以层状或似层状玄武岩。裂隙发育及粗、中、粉细砂，厚 65.3 米，单位涌水量 0.8 公升／秒·米。
一般山丘裸露型岩溶水区 该区碳酸盐岩类主要分布在南山、大梁草帽山、大王村东侧，由寒武系、奥陶系灰岩组成，岩石裂隙不发育，本区无泉水出露，面积 18.5 平方千米。
洪积扇群区 主要分布在南山前小王—东后子口一带，涉及峰峪乡面积 59.5 平方千米，地下水资源量为 297.5 万立方米。地表岩性为全新统砂卵石、砾石，含水层为砾石、卵石、粗中砂，厚 7—54 米。单位涌水量 1.5—2.1 公升／秒·米。
倾斜平原孔隙水区 分布于北部采凉山前，南部马头山、东部丰稔山前，含水层埋深、厚度、岩性、富水性及水位埋深在不同地段差异性较大，该区涉及周士庄镇、倍加造镇、西坪镇、聚乐乡、许堡乡，面积 480 平方千米，地下水资源量为 2954 万立方米。西骆驼坊至任家小村一带，地表岩性多为上更新统冲洪积物。含水岩性为粉砂、粗砂、中砂，厚 8—11米，单位涌水量 7.8 公升／秒·米。二十里铺、周士庄、下榆涧、聚乐堡及桑干河南岸郭家庄、施家会一带，地表岩性为上更新统亚砂土、砂砾石。含水层岩性为中粗砂、砂含砾石，厚 10～ 69 米，单位涌水量1.1 ～ 2.38 公升／秒·米。
冲积平原孔隙水区 主要分布在本区中部及桑干河、御河河谷地带，各地段岩性及富水性均有差异。该区涉及党留庄乡、杜庄乡、倍加造镇（5 个村）、大同市经济开发区、瓜园乡（12 个村）、西坪镇（4 个村），面积 376 平方千米，地下水资源量为2837.6 万立方米。
樊庄、蔡庄、解庄、独树、营坊沟一带，地表岩性为上更新统冲积堆积亚砂土，含水层岩性为粗砂、中砂、粉细砂，厚 5.5—68 米，单位涌水量 5.0—8.8公升／秒·米。桑干河北侧的利仁皂、邢庄、党留庄、马连庄、官堡、陈庄、郭家庄至旧桥一带。地表岩性为亚砂土、亚黏土，含水层岩性为粗中细粉砂，厚 3.5—78 米，单位涌水量 1.65—2.9 公升／秒·米。常家堡、千千村、西紫峰、东水地一带。地表岩性为亚砂土、亚黏土，含水层岩性为粉细砂，厚 8—40 米，单位涌水量 0.4—0.6 公升／秒·米。
洋河流域倾斜平原区 该区涉及巨乐乡，面积18 平方千米，地下水资源量为 110.7 万立方米。地表岩性为上更新统粗砂、砂卵石，含水层岩性为卵砾石、粗中砂，厚 14—34 米，单位涌水量 1.2—1.5公升／秒·米。
各水文地质类型区地下水补、径、排条件。
本县地下水的补给、径流、排泄其影响因素很多，主要有水文气象、地质地貌、开采及边界条件等。
本区地下水的补给来源主要有降水垂直入渗、边山基岩裂隙水侧向径流，地表水沿破碎带或沿途下渗向盆地补给，以及御河灌渠灌溉渗入等。
降水入渗补给，山区基岩裸露，风化裂隙发育，玄武岩孔洞及柱状节理发育为降水入渗创造了良好条件。山前倾斜平原及冲洪积扇区，多为粗粒相物质堆积，降水入渗能力甚强，有利于边山基岩裂隙水以地下径流方式侧向补给。
本区地下水运动受地形地貌控制，其径流方向由山区向平原，自河流上游向下游流动，河床为地下水的强径流区，本区地下水总的运动方向是自南、北向桑干河径流，最后通过桑干河河谷向阳原盆地运动。
地下水的主要排泄方式有潜水蒸发、泉水排泄、人工开采及地下侧向径流排泄。以蒸发方式排泄地下水全区普遍存在，尤以地下水位埋藏较浅的各河谷，如御河、坊城河的下游及桑干河两岸。河谷是地下水排泄场所，各河地表径流除短时间洪水外，都是由地下水转化而来的，侧向径流主要是桑干河两岸松散堆积物以地下水径流向阳原盆地排泄。
地下水动态特征
地下水动态包括地下水位，地下水开采量、水质、水温的时空变化，其变化受气象水文、水文地质条件，人类活动等因素的影响，不同的自然地理条件，地下水的动态变化也各不相同，平原区年内动态变化主要受降水、蒸发、开采因素所控制，地下水垂直交替频繁，水平补给和排泄不稳定。20 世纪 80年代以来随着工农业生产的发展地下水资源的需求量促年增长。盆地平原区地下水位从 20 世纪 90年代起至今呈下降趋势，工业排污，农业施用农药和化肥已造成局部地区地下水的水质污染。
地下水位年内动态变化 地下水位变化主要是受气候的制约，每年春季解冻后，其包气带岩层的解冻水补给地下水，此时水位略有上升，峰值多出现在 4 月初，5 月以后受降水、开采、蒸发的控制，地下水位上下波动。6—10 月主要受开采蒸发的影响，地下水位呈“V”字形低谷。10 月以后，地下水开采量减少，水位逐渐回升，如果年内降雨量大，水位可恢复。
本县山前倾斜平原分布于南北两山向平原的过渡地带，其主要补给源是山前侧向径流和大气降水，开采及水平径流为主要排泄方式，据大同县独树村观测孔年内水位变幅在 2—7 米，水位波动与开采情况相吻合，4—10 月水位变幅较大，10 月以后，自然因素和人类活动影响较小，基本成平稳恢复趋势，地下水动态特征渗入——开采型。
本县冲积平原分布于中部盆地，主要补给源是山前侧向径流和降雨入渗补给，据大同县党留庄观测井，年内水位变幅 1.2—1.8 米，6—8 月水位下降最大，10 月以后开始回升，特别是农业灌溉集中期，自然因素和人类活动影响较大，地下水动态特征为降水—蒸发型。
本县黄土层火山丘陵区分布于县城东部。据下甘庄观测井年内水位变幅 0.2—1.1 米，变化不大。2—5 月水位下降，10 月以后开始回升。地下水动态特征为渗入—径流—开采型。
地下水位年际动态变化 大同县地下水监测从 20 世纪 80 年代初开始建立，地下水监测网本次整理分析了 21 年的水位动态资料及机井普查水位资料。根据资料分析，全县地下水位呈下降趋势，地下水开采量较少的地区，地下水位的年降率也较小。
山前倾斜平原区独树村地下水位从 1983 年起至2000 年 18 年累计下降 4.3 米，年下降率 0.24 米。
冲积平原区营坊沟地下水位从 1983 年起至2000 年 18 年下降了 13.29 米，年下降率 0.74 米。火山丘陵黄土层孔隙水区下甘庄地下水位从 1983年至 2000 年，18 年累计下降 8.6 米，年下降率为0.25 米。
上述区域地下水下降的原因主要由于降水量少，潜水蒸发量较大所致，通过对不同类型区分析，全县地下水位变化总体呈下降趋势。
地下水采补关系
本县一般山丘裂隙水，地下水补给主要来源为大气降水入渗补给，由于开采难度较大，现状未开采，所以地下水主要受降雨量多少控制，一般变化不大。
一般山丘黄土层孔隙水区，主要补给来源：大气降水入渗补给和山区裂隙侧向补给，由于基岩埋藏浅，不易开采，现状开采量较少，地下水受弱开采和降雨补给控制，变化不大。
盆地山前倾斜平原区、冲积平原区、洪积扇区，主要补给来源有大气降雨入渗补给，其次为山区基岩裂隙侧向补给、河道入渗补给、渠道入渗补给、农田灌溉补给等，山前倾斜平原区、洪积扇区多为粗粒物质堆积，降水入渗能力强，且为地下水运移通道。山前倾斜平源孔隙水向冲积平原区运移。本区现状开采量较大，且部分区域集中开采，地下水变化主要受开采控制，区域地段开采量大于补给量，地下水位呈下降趋势。
地下水可持续利用
大同县永定河一般山丘区裂隙地下水可开采量为 90 万立方米，其中：北部采凉山一般山丘区裂隙地下水可开采量为 26.2 万立方米，南部马头山一般山丘区裂隙地下水可开采量为 52.9 万立方米，南部马头山裸露型岩溶山地下水可开采量为 5.6 万立方米，东部丰稔山一般山丘区裂隙地下水可开采量为 5.3 万立方米。
永定河一般山丘区黄土层孔隙地下水可开采量为 212 万立方米。
永定河盆地平原区山前倾斜平原孔隙地下水可开采量为 2631.3 万立方米，其中：采凉山前倾斜平原孔隙地下水可开采量为 1601.4 万立方米，丰稔山前倾斜平原孔隙地下水可开采量为 132 万立方米，马头山前倾斜平原孔隙地下水可开采量为 645万立方米，东后口洪积扇群孔隙地下水可开采量为252.9 万立方米。
永定河盆地平原区杜庄冲积平原孔隙地下水可开采量为 2246.7 万立方米。
洋河盆地平原区山前倾斜平原孔隙地下水可开采量为 65 万立方米。
本县基岩山区的地下水开发利用，主要是充分利用泉水为主。在条件许可的情况下，如较大的河谷中，也可以打大口井或机井，主要用于解决人畜缺水的困难。
火山丘陵区，在充分利用泉水的前提下，仍以开采地下水为主。从目前钻孔揭露地层，本区富水不均。主要含水层为火山砂，火山砾及蜂窝状玄武岩，是今后的主要开采层。钻进难度大，应改为钻机钻进。开采地下水发展水浇地是本区的长远之计。
总之，大同县开发利用地下水的主要部位在盆地，其中储藏着丰富的地下水资源，但分布不均，从长远工农业发展区划，及本区的综合利用条件出发，地下水的开发利用方案为互济余缺。南山前、大王、小王、徐家堡、东后口、西浮头、瓮城口、麻峪口、北山前、聚乐、上庄、东水峪、陈家堡以地表水解决边山及扇间洼地农田灌溉。洪积倾斜平原区则应开发利用地下水为农田灌溉的主要用水来源。冲积平原区，地下水与地表水兼用。按现有农田水利工程及地下水开发利用现状，边山地带在充分利用地面水资源的基础上，尽量开发利用地下水是大同县水利化建设扩大水浇地面积，保证灌溉效益的重要发展方向。