周小平, 張春雷, 馬濟(jì)國(guó), 劉滿才, 馬 雷, 錢家忠

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所, 安徽 合肥 230001; 3.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,安徽 淮南 232001)

淮南巨厚新生界多含水層組地下水系統(tǒng)特征

周小平1, 張春雷2, 馬濟(jì)國(guó)3, 劉滿才3, 馬 雷1, 錢家忠1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所, 安徽 合肥 230001; 3.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,安徽 淮南 232001)

新生界地下水是淮南潘謝礦區(qū)的重要水源。為了查清新生界內(nèi)的地下水系統(tǒng),文章根據(jù)現(xiàn)有勘探資料,采用系統(tǒng)聚類和主成分分析方法對(duì)研究區(qū)新生界不同取樣深度的地下水水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行地下水系統(tǒng)的分析及劃分。分析結(jié)果表明:新生界地下水系統(tǒng)存在淺部循環(huán)系統(tǒng)和深部滯留系統(tǒng),分界線在深度100 m左右;新生界中含和下含屬于深部滯留系統(tǒng),且存在明顯的鹽化現(xiàn)象;煤礦開采導(dǎo)致淺部循環(huán)系統(tǒng)和深部滯留系統(tǒng)產(chǎn)生水力聯(lián)系。

潘謝礦區(qū);地下水;系統(tǒng)聚類;主成分分析;水化學(xué);新生界

淮南潘謝礦區(qū)是重要的產(chǎn)煤基地。隨著地表水污染的加劇,地下水已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)、工業(yè)及城市生活的重要水資源。近年來,對(duì)該區(qū)域地下水的研究主要集中在對(duì)煤礦突水水源識(shí)別[1-5]、礦區(qū)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)[6-7]、地下水水化學(xué)特征分析[8-10]等方面。地下水的流動(dòng)性決定了其水化學(xué)信息在整個(gè)地下水系統(tǒng)中具有連續(xù)性,本文根據(jù)已有勘探資料,系統(tǒng)分析了淮南潘謝礦區(qū)新生界地下水在垂向上的水化學(xué)特征及其體現(xiàn)出的地下水系統(tǒng)的特征。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省淮南市淮河以北,屬淮北平原,暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。區(qū)內(nèi)現(xiàn)代地貌景觀,由東南端基巖裸露的低山、丘陵向西北過渡到厚松散層覆蓋的黃淮沖積平原,地勢(shì)呈現(xiàn)西北高而東南略低。地表水系發(fā)育,淮河流經(jīng)煤田的東南緣,其支流主要有潁河、西淝河、崗河、濟(jì)河等,自西北流向東南,最后注入淮河。

潘謝礦區(qū)分布了10對(duì)正在開采的煤礦,煤系地層之上沉積了巨厚的第三系和第四系松散層。新生界厚度由東向西、由南向北逐漸增厚,厚度在50～700 m范圍變化,厚度變化受基巖面起伏控制。根據(jù)礦區(qū)勘探資料,松散層共劃分為3個(gè)含水巖組和3個(gè)隔水巖組,自上而下分別為上含、上隔,中含、中隔,下含、下隔,如圖1所示。

圖1 潘謝礦區(qū)新生界含、隔水層組分布示意圖

圖1中的含、隔水層組只是將各礦典型鉆孔含、隔水層組簡(jiǎn)單聯(lián)接起來,而事實(shí)上新生界含、隔水巖組由于地質(zhì)作用復(fù)雜性,并非是處處連續(xù)的。地下水可以通過這些天窗或者通過越流的方式在含水巖組之間發(fā)生垂向交換。另一方面,因?yàn)榈V井大規(guī)模排水,在水頭差的作用下地下水也能夠在不同含水層之間發(fā)生越流,所以地下水的流動(dòng)雖然受控于所處含水系統(tǒng)的性質(zhì),然而其流動(dòng)系統(tǒng)的界限與含水系統(tǒng)的界限并非一致。但是地下水化學(xué)特征與其流動(dòng)系統(tǒng)具有普遍的相關(guān)性。因此,本文從水文地球化學(xué)的角度,尋找新生界地下水流動(dòng)系統(tǒng)可能的界限。

2 數(shù)據(jù)處理

在研究區(qū)共收集了250個(gè)新生界地下水水樣和6個(gè)地表水水樣。礦區(qū)水質(zhì)檢驗(yàn)部門對(duì)各水樣進(jìn)行了簡(jiǎn)分析。為了盡量減小由于簡(jiǎn)分析忽略的一些含量比較高的主要離子對(duì)多元分析結(jié)果可能造成的影響,首先需要對(duì)所有水樣水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行電中性檢驗(yàn)。對(duì)電中性誤差小于5%的直接接受[11],誤差大于10%的直接剔除,誤差在5%～10%之間的,需進(jìn)一步核對(duì)后接受。最終通過檢驗(yàn)的水樣為233個(gè)新生界地下水水樣和5個(gè)地表水水樣。研究區(qū)水樣統(tǒng)計(jì)信息見表1所列。潘謝礦區(qū)構(gòu)造綱要圖與取樣點(diǎn)分布如圖2所示。

表1 研究區(qū)水樣統(tǒng)計(jì)概況 mg/L

注:本文K+和Na+合并測(cè)量,Na+代表K++Na+。

圖2 潘謝礦區(qū)構(gòu)造綱要圖及取樣點(diǎn)分布圖

3 系統(tǒng)聚類分析

利用SPSS軟件對(duì)新生界水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類,采用Ward聯(lián)接方法和平方Euclidean距離測(cè)量得到系統(tǒng)聚類樹狀圖,如圖3所示。由圖3可見,以距離25為界限,水樣很明顯分成了2個(gè)大類(以A和C表示),A類共115個(gè)水樣,水質(zhì)類型主要為HCO3-Na和HCO3-Ca·Na型。C類又以細(xì)小的差別分成2個(gè)小類(C1和C2)。C1共23個(gè)水樣,水質(zhì)類型主要為Cl·SO4-Na型;C2共100個(gè)水樣,水質(zhì)類型主要為Cl-Na型。

從聚類結(jié)果和水質(zhì)類型分析,新生界地下水系統(tǒng)分為2類,A類屬于淺部循環(huán)系統(tǒng),C類屬于深部滯留系統(tǒng)。A類包括107個(gè)上含水、5個(gè)地表水和3個(gè)下含水，其中5個(gè)地表水和新生界上含水聚為一類,說明新生界上含和地表水聯(lián)系緊密。C1類包括2個(gè)上含水、6個(gè)中含水、15個(gè)下含水,2個(gè)上含水均屬于潘集。C2類包括5個(gè)上含水、37個(gè)中含水、56個(gè)下含水、2個(gè)上含和中含混合水,其中4個(gè)上含水均屬于潘集,另一個(gè)上含水為顧北風(fēng)井井筒水樣。

為了進(jìn)一步分析新生界地下水系統(tǒng)在垂向上的聯(lián)系,將聚類結(jié)果和取樣深度繪制散點(diǎn)圖,Na+、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、TDS與取樣深度關(guān)系如圖4、圖5所示,其中TDS表示總?cè)芙夤绦挝?total dissolved solids)。

從圖4、圖5能夠明顯地看出,C類水樣的Na+、Cl-、SO42-和TDS在100 m左右突然上升,與A類差別非常大。

圖3 系統(tǒng)聚類結(jié)果

圖4 Na+、Cl-、SO42-與取樣深度散點(diǎn)圖

圖5 TDS、Ca2+、Mg2+與取樣深度散點(diǎn)圖

A類水樣和C類水樣的Na+、Cl-、SO42-和TDS平均值見表2 所列。

表2 A類和C類水樣部分指標(biāo)平均值 mg/L

2類水樣Na+、Cl-、SO42-和TDS平均值差異巨大,可見淺部循環(huán)系統(tǒng)和深部滯留系統(tǒng)的界限在100 m左右。B1、Z38和G15取樣點(diǎn)指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了A類水樣,其取樣深度位于深部滯留系統(tǒng),而水質(zhì)卻與淺部循環(huán)系統(tǒng)接近,其原因可能是取樣時(shí)封孔不嚴(yán)造成的串層。

部分A類和C類水樣混合主要集中在潘集,說明在潘集區(qū)局部和區(qū)域流動(dòng)系統(tǒng)存在水力聯(lián)系。其原因?yàn)榕思瘏^(qū)域新生界地層厚度在150～380 m之間(圖1),越往東南方向,新生界地層越薄;加之煤礦開采進(jìn)行的下含疏水工程,破壞了地下水的天然狀態(tài),導(dǎo)致在潘集局部區(qū)域淺層循環(huán)系統(tǒng)與深部滯留系統(tǒng)產(chǎn)生水力聯(lián)系。另外,Na+、Cl-、SO42-的質(zhì)量濃度從100 m處突然增大,C類Ca2+、Mg2+的質(zhì)量濃度隨著深度的增加逐漸減小,其原因可能是陽(yáng)離子交替吸附作用導(dǎo)致的,即

4 主成分分析

利用SPSS軟件對(duì)水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,采用最大方差正交旋轉(zhuǎn)法。主成分荷載及解釋變異量見表3所列。水樣點(diǎn)主成分得分散點(diǎn)分析如圖6所示。

表3 主成分載荷及解釋變異量

從表3可知，主成分1為Na+、Cl-和SO42-,解釋變異量為47.160%；主成分2為Ca2+和Mg2+,解釋變異量為29.634%。2個(gè)主成分累積解釋變異量為76.794%。將主成分1定義為鹽化指數(shù),主成分2定義為硬化指數(shù)。結(jié)合圖4～圖6可知,A類鹽化指數(shù)為負(fù),但是Na+、Cl-隨著深度增加而增大,故鹽化指數(shù)隨著深度的增加而增大。C類主要表現(xiàn)為鹽化現(xiàn)象,硬化指數(shù)隨著深度的增加而逐漸減小。

圖6 水樣點(diǎn)主成分得分散點(diǎn)分析

5 結(jié) 論

水文地質(zhì)勘探對(duì)區(qū)域新生界含水巖組的劃分主要是利用鉆孔取芯資料進(jìn)行簡(jiǎn)單插值得到。由于自然界隔水巖組的不連續(xù)性,實(shí)際上這種方法準(zhǔn)確性比較低。地下水的流動(dòng)不僅受控于含水系統(tǒng)的性質(zhì),還受控于水動(dòng)力條件。本文基于地下水系統(tǒng)的觀點(diǎn),利用地下水的流動(dòng)性與水文地球化學(xué)的關(guān)系,運(yùn)用系統(tǒng)聚類和主成分分析方法,結(jié)合淮南潘謝礦區(qū)已有的勘探資料,對(duì)新生界地下水水樣水化學(xué)資料進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

(1) 研究區(qū)新生界地下水存在淺部循環(huán)系統(tǒng)和深部滯留系統(tǒng),其界限在100 m左右。

(2) 勘探資料中的新生界中含和下含含水層均為深部滯留系統(tǒng)。

(3) 煤礦開采導(dǎo)致潘集部分區(qū)域淺部循環(huán)系統(tǒng)和深部滯留系統(tǒng)產(chǎn)生水力聯(lián)系。

(4) 深部滯留系統(tǒng)中地下水存在非常明顯的鹽化現(xiàn)象。

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(責(zé)任編輯 張淑艷)

Characteristics of multiple aquifers groundwater system in hugely thick Cenozoic stratum in Huainan

ZHOU Xiaoping1, ZHANG Chunlei2, MA Jiguo3, LIU Mancai3, MA Lei1, QIAN Jiazhong1

(1.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Institute of Geoanalysis of Anhui Province, Hefei 230001, China; 3.Huainan Mining Industry(Group) Co., Ltd., Huainan 232001, China)

Cenozoic groundwater is important water resources in Panxie mine area in Huainan. In order to find out the new division of the groundwater system, the Cenozoic water samples with different depth were analyzed by using hierarchical cluster analysis and principal components analysis based on the existing exploration data. It is found that there are shallow circulating system and deep retention system with an obvious boundary at the depth about 100 m. The middle and bottom aquifers of Cenozoic belong to deep retention system, and have the obvious phenomena of salinization. There is hydraulic connection between shallow circulating system and deep retention system because of coal mining.

Panxie mine area; groundwater; hierarchical cluster analysis; principal components analysis; hydrochemistry; Cenozoic

2015-12-22；

2016-02-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272251);淮南礦業(yè)集團(tuán)公司科研資助項(xiàng)目(HNKY-JT-JS-2010)

周小平(1985-),男,江西吉安人,合肥工業(yè)大學(xué)博士生; 錢家忠(1968-),男,安徽鳳陽(yáng)人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.12.020

P641.3

A

1003-5060(2016)12-1693-05