秦文婧,宋獻(xiàn)方,谷洪彪

(1.中國科學(xué)院中丹學(xué)院,北京 100190; 2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101；3.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049；4.防災(zāi)科技學(xué)院,河北 三河 065201)

煤礦開采過程中的礦井涌水以及人為疏放水均不同程度地影響或破壞含水層,從而改變區(qū)域地下水循環(huán)模式,地下水化學(xué)場因而也隨之改變。地下水水流系統(tǒng)的破壞主要體現(xiàn)在由復(fù)雜化水流系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱我凰飨到y(tǒng),強(qiáng)徑流帶消失,中等、弱徑流帶發(fā)育,水流速率減緩,礦物溶解能力,尤其是白云巖的溶解增強(qiáng)[1]。采礦揭露礦體使得有害元素直接進(jìn)入礦井水中造成污染,同時(shí)，礦水與各天然水體混合進(jìn)一步污染當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)水源,廢礦渣淋濾水也會(huì)成為富含有害物質(zhì)的污染源。這使得礦區(qū)地下水具有與區(qū)域地下水化學(xué)成分不同的特點(diǎn)。而地下水水化學(xué)的演化機(jī)制主要體現(xiàn)在采礦區(qū)地下水水化學(xué)類型由碳酸型向硫酸型過渡,其主要原因是采礦導(dǎo)致含水層逐漸開放從而使得脫碳酸作用增強(qiáng),另外,煤系地層中黃鐵礦的氧化是硫酸根離子增加的主要來源[2～7]。“脫硫酸”、“硬化”與“咸化”作用是煤礦地下水水化學(xué)演化的主要原因[3]。

柳江煤礦始建于1914年,開采歷史悠久。到二十世紀(jì)八十年代末九十年代初,柳江煤礦下轄長城礦、義院口礦、馬蹄嶺礦、曹山礦、老柳江礦、大槽溝礦,自南向北分布于柳江盆地東翼煤系地層出露沿線。近年來，隨著煤礦的開發(fā)以及其他人類活動(dòng)的干擾,當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)趨于惡化。前人利用主成分分析與相關(guān)系數(shù)分析確定了柳江盆地淺層地下水污染物的三個(gè)主要來源：(1)礦物的溶解與礦水混合；(2)生活廢水；(3)農(nóng)業(yè)化肥污染[4]。利用水化學(xué)方法識(shí)別柳江盆地人類活動(dòng)對地下水水質(zhì)影響程度的結(jié)果表明,盆地南部受人類活動(dòng)影響程度較大,且空間上與人口密集區(qū)、煤礦分布區(qū)較為一致。硝酸鹽作為人類活動(dòng)對地下水水質(zhì)影響程度的有效指標(biāo),其在柳江盆地的背景值、分布特征及影響因素也備受關(guān)注[5～14]。目前，區(qū)域地下水水質(zhì)受煤礦開采影響程度尚不明確。本文基于煤礦地下水水化學(xué)的演化過程，揭示了煤礦開采對水質(zhì)的影響作用，對于煤礦地下水防治與生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。

傳統(tǒng)的水化學(xué)方法考慮的變量有限,例如Piper三線圖(僅為主要水化學(xué)離子)。層次聚類分析在全面考慮各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，將水樣分類并量化各類之間的相似程度[15～18]。目前該方法已成功應(yīng)用到水文地球化學(xué)分類、礦井突水水源判別以及水質(zhì)評價(jià)等領(lǐng)域[19～24]。

本研究通過現(xiàn)場調(diào)查,采集地下水和地表水水樣，測試其主要水化學(xué)組分，將層次聚類分析結(jié)果與水文地質(zhì)條件結(jié)合,利用離子比例查明柳江盆地地下水水化學(xué)特征，從而分析柳江煤礦采礦活動(dòng)對區(qū)域地下水水質(zhì)造成的影響。

1 研究區(qū)概況

柳江盆地位于秦皇島市撫寧縣境內(nèi),地處燕山山脈東部,屬于暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候。歷年平均氣溫為15 ℃，夏季平均氣溫25.7 ℃；年平均降水量744.7 mm,主要集中于7—8月,占全年降水量的70%～75%；平均蒸發(fā)量1 646.8 mm。盆地南北長約20 km,東西寬約12 km,總面積約400 km2,北、東、西三面為陡峻高山,南面向渤海開口。北部、西部海拔在200～300 m,東部海拔為160～300 m。大石河是縱貫盆地的主要河流,出盆地后注入渤海。東宮河為大石河?xùn)|側(cè)支流,發(fā)源于盆地東北部,向南于蟠桃峪匯入大石河(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of the study area, lithology, sampled points and spatial distribution of cluster analysis

柳江盆地地下水系統(tǒng)補(bǔ)給、徑流、排泄過程完整,含水介質(zhì)豐富。隔水底板為山海關(guān)變質(zhì)花崗巖,東、西、南三面為大片燕山期花崗巖和山海關(guān)變質(zhì)花崗巖,裂隙發(fā)育程度較低,形成了天然隔水邊界。盆地東、西兩側(cè)出露寒武-奧陶系碳酸鹽巖，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,為裂隙-溶洞水含水層,厚約200 m[8]。其內(nèi)部發(fā)育的溶洞、縱橫交錯(cuò)的裂隙為地下水的賦存與運(yùn)移提供了有利條件。大石河沿岸的第四系堆積物盡管厚度較薄,但結(jié)構(gòu)松散,局部位置孔隙大，因而也具有一定富水性。第四系孔隙水與裂隙-溶洞水之間無連續(xù)有效隔水層,因而兩者之間具有密切的水力聯(lián)系。盆地東北部地勢較高,含水層出露接受大氣降水補(bǔ)給,為主要補(bǔ)給邊界。地下水自北向南流動(dòng)，經(jīng)過盆地東南部蟠桃峪一帶受弱透水的均質(zhì)混合巖及火山巖阻隔,補(bǔ)給石河。旱季實(shí)測排泄量(1975—1983年)最大為6.22×104m3/d,最小為3.4×104m3/d。至盆地西南下平山,雞冠山和代莊一代,受相對不透水的均質(zhì)混合巖阻隔,以泉的形式排泄(黑山咀、平山營、代莊、王莊等泉)。其中黑山咀泉流量14 L/s，王莊泉流量7.5 L/s[9]。

柳江煤田地層序列自上到下為：第四系沖、洪積層、白堊-侏羅系、侏羅系、二疊系、石炭系、奧陶系。侏羅系地層以礫巖為主,夾粉砂巖、頁巖以及煤層,為典型的陸相含煤地層,具有層位不穩(wěn)定,多相變的特征。共含煤11層,其中煤3為全區(qū)主采煤層,煤2、煤5為局部可采煤層。侏羅系礫巖、砂巖受沖刷作用角度不整合于煤層之上,成為直接頂板。煤系地層受脈狀或床狀火成巖侵蝕嚴(yán)重,受不透水侵入體的影響,將地層中的裂隙填充、壓實(shí),因而煤系地層各層含水性較弱[8, 10]。

奧陶系灰?guī)r頂面與最下可采煤層間距為90～120 m,底部常有厚數(shù)米至20 m的鮞狀黏土層,隔絕了灰?guī)r與煤系地層間的水力聯(lián)系。根據(jù)調(diào)查,灰?guī)r中溶隙、落水洞、溶洞十分發(fā)育,涌水量為15～200 m3/h。當(dāng)開采區(qū)持續(xù)向下,或遇斷裂時(shí),一方面增大的礦井涌水量為采礦帶來巨大的安全隱患,另一方面灰?guī)r含水層水質(zhì)帶來潛在的威脅[8]。

研究區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)為農(nóng)業(yè)、工業(yè)。柳江煤礦于清末時(shí)期便在老柳江井口建成開采,直到1957年恢復(fù)重建后礦址設(shè)在曹山井口。到20世紀(jì)八九十年代,柳江煤礦下轄曹山礦(石門寨北)、大槽溝礦(黑山窯)、老柳江礦(石門寨西),長城礦(半壁店)、馬蹄嶺礦(石嶺村),義院口礦(義院口)。其中開采時(shí)間最長的是老柳江和長城兩礦,分別位于盆地中部與北部(圖 1),除煤礦外,還有相關(guān)礦產(chǎn)加工、石灰礦等工礦企業(yè)。

2 樣品采集與測試

3 結(jié)果分析

3.1 主要離子分布特征

對比研究區(qū)地下水中硫酸鹽濃度與TDS空間分布(圖 2)表明,自北向南硫酸鹽與TDS呈升高趨勢。這與在自然條件下的山間堆積盆地地下水的統(tǒng)一分帶性規(guī)律相符,即隨著徑流路徑的延長,伴隨著以溶濾作用為主的多種水-巖相互作用的發(fā)生，使得地下水溶解各種水化學(xué)組分增多，形成典型的水化學(xué)分帶：從盆地邊緣的低TDS重碳酸鹽水帶到過渡地帶的中等TDS硫酸鹽水，具有高硫酸鹽特征的地下水沿煤系地層南北條帶狀分布(圖 1),并在局部地區(qū)出現(xiàn)峰值,其中以老柳江礦最為顯著?？?cè)芙夤腆w(TDS)沿地下水流向呈增加趨勢,與硫酸鹽空間分布相似,以煤礦分布沿線為最高值,在馬蹄嶺礦、老柳江礦、大曹溝礦等地均出現(xiàn)峰值(圖2)。

圖2 地下水硫酸鹽總?cè)芙夤腆w(TDS,(b))含量等值線圖Fig.2 Contour map of groundwater sulfate and total dissolved solids (TDS,(b))

3.2 聚類分析結(jié)果及其空間分布特征

表1 柳江盆地淺層地下水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)表Table 1 Descriptive hydrochemical features of groundwater in the Liuiiang Basin

圖3 柳江盆地水樣Q型聚類分析Fig.3 Q mode hierarchical cluster analysis of the water samples

圖4 主要離子平均百分含量柱狀圖(meq%)Fig.4 Histogram of percentage of major ions (meq%)

圖5 水化學(xué)組成Durov圖Fig.5 Durov diagram showing hydrochemical compositions of the water samples

硫酸鹽與總?cè)芙夤腆w在馬蹄嶺礦、老柳江礦、大曹溝礦等地含量出現(xiàn)峰值表明,區(qū)內(nèi)煤礦開采導(dǎo)致煤系地層的揭露加劇了地下水由低TDS重碳酸鹽型(B類水)到中等TDS硫酸鹽型(A類水)的化學(xué)演化過程。

4 討論

4.1 煤礦開采對地下水水質(zhì)影響

在地下水樣品中,有13%的水樣硫酸鹽含量超出地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848—93)中三類水標(biāo)準(zhǔn)250 mg/L。前人的研究也得出類似結(jié)果：2012年7月,老柳江采樣點(diǎn)的地下水中硫酸鹽含量高達(dá)904 mg/L,TDS 高達(dá)1 420 mg/L[4]。

據(jù)現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查以及前人的研究表明,由于柳江煤礦的長期開采，在柳江村,瓦山村及夏家峪等村莊形成采空區(qū),圍巖巖土體在內(nèi)、外營力的作用下發(fā)生變形,進(jìn)而破裂形成裂隙,伴隨不均勻沉降形成地裂縫。通過地震勘察發(fā)現(xiàn),柳江村南山地裂縫達(dá)10余處,主裂縫走向近南北,最長可達(dá)90 m、最寬可達(dá)50 cm,向下延伸可達(dá)16～41 m不等,向北延伸至柳江村，未見封閉[20]。全區(qū)第四系厚度較薄,最厚為30 m,因而發(fā)育較深的地裂縫存在貫通第四系地層的可能性。煤層下伏的奧陶系灰?guī)r含水層巖溶發(fā)育程度也較高。據(jù)調(diào)查,45個(gè)勘探孔中有33個(gè)見溶洞,孔見率73%。另據(jù)25個(gè)鉆孔統(tǒng)計(jì)資料,有大小不同規(guī)模溶洞47個(gè),全區(qū)平均巖溶裂隙率1.73%。區(qū)內(nèi)溶蝕裂隙發(fā)育廣泛,鉆孔普遍能見率95%以上,發(fā)育深度比巖溶深[21]。具有高硫酸鹽特征的礦井水通過頂?shù)装鍖?dǎo)水裂隙、斷層、陷落柱或是封閉不良的鉆孔進(jìn)入其他含水層[18],從而導(dǎo)致區(qū)域地下水中硫酸鹽含量的升高。

柳江盆地沿煤礦分布區(qū)硫酸鹽含量(圖 1 A類水,圖2)和TDS(圖2)值均較高,表明A類水受煤礦開采影響明顯。不同成因條件下形成的地下水其水化學(xué)組分之間比例系數(shù)在數(shù)值上具有比較明顯的差異,因此可借助這類系數(shù)判斷硫酸鹽和其他離子的來源及其相關(guān)水-巖相互作用。

受煤系地層揭露導(dǎo)致的硫化礦物氧化不僅會(huì)引起地下水中硫酸鹽含量升高,同時(shí)產(chǎn)生的氫離子使得地下水侵蝕性增強(qiáng),從而加劇了對石灰?guī)r的溶解作用。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)中各物質(zhì)間的計(jì)量比,通過圖 7 (e) 中水化學(xué)組成可以推斷各項(xiàng)反應(yīng)物[19]：

圖6 各離子比例系數(shù)(meq/L)Fig.6 Ratio coefficient of main ions (meq/L)

Na/Cl(meq/L)值是表征鈉離子富集程度的水文地球化學(xué)參數(shù),若地下水中Na+主要由鹽巖(NaCl)的溶解或者蒸散發(fā)所致,則Na+/Cl-的值將接近1∶1[13],如圖 7 (a) B,C類水；若Na+/Cl-大于1,如圖 7 (a) A類水,則表明Na+來自于硅酸鹽風(fēng)化溶解[11]或陽離子交替吸附作用[12～13]。陽離子交替吸附作用使得圍巖中的Na+將水中Ca2+交替取代,導(dǎo)致水中Na+濃度的增加,在這個(gè)反應(yīng)中Na+的增加則伴隨著Ca2+的減少,圖 7 (c)中Ca2+隨Na+的變化趨勢表現(xiàn)為A類水中Na+大于3 meq/L之后便伴隨著Ca2+的升高而降低,說明A類水中存在陽離子交替吸附作用,而在B、C類水中該趨勢不明顯。這說明,隨著煤礦開采導(dǎo)致地下水的“硬化作用”增強(qiáng),水中增加的Ca2+置換巖土中吸附的Na+,從而使得水中Na+增多而Ca2+減少。

綜上所述,受煤礦開采揭露含硫的煤系地層,在氧化條件下產(chǎn)生高硫酸鹽,高礦化度水,并通過頂?shù)装鍖?dǎo)水裂隙進(jìn)入相鄰含水層,使得礦區(qū)周圍地下水具有較高的硫酸鹽濃度、礦化度。同時(shí)產(chǎn)生的氫離子促進(jìn)了地下水對灰?guī)r的侵蝕作用,而隨著煤礦開采導(dǎo)致地下水的“硬化作用”增強(qiáng),促進(jìn)了含水層圍巖與地下水之間陽離子交替吸附作用的發(fā)生。而部分地區(qū)地下水(C類水)硝酸鹽含量較高說明該地區(qū)水質(zhì)受到除采礦外其他人類活動(dòng)影響。

圖7 水樣指標(biāo)R型聚類分析(a)柳江煤礦區(qū)域地=下水(b)顧北煤礦礦井水[16]Fig.7 R mode cluster analysis of the water samples. =(a) Groundwater in the Liujiang coal mine; =(b) mine drainage of the Gubei coal mine [16]

4.2 其他人類活動(dòng)的影響

這一過程不僅使得地下水中硫酸鹽含量升高,同時(shí)還可能釋放一系列有毒重金屬離子，使地下水水質(zhì)惡化。煤礦開采與生活垃圾、廢水、農(nóng)業(yè)等其他人類活動(dòng)之間密切的相互作用，存在進(jìn)一步威脅到當(dāng)?shù)氐叵滤目赡堋?/p>

5 結(jié)論

(3)而C類水受到生活污水、農(nóng)田化肥、畜牧養(yǎng)殖及生活垃圾等影響產(chǎn)生大量硝酸鹽并沿程累積在盆地南部受相對不透水的花崗巖體阻隔。攜帶大量硝酸鹽的地下水除了其本身引起的水質(zhì)惡化以外,一旦進(jìn)入封閉含水層,在還原狀態(tài)下作為氧化劑將進(jìn)一步促進(jìn)硫化礦物的氧化作用,從而進(jìn)一步引起地下水水質(zhì)的惡化。

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