秦文婧,宋献方,谷洪彪

(1.中国科学院中丹学院,北京 100190; 2.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,北京 100101；3.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049；4.防灾科技学院,河北 三河 065201)

煤矿开采过程中的矿井涌水以及人为疏放水均不同程度地影响或破坏含水层,从而改变区域地下水循环模式,地下水化学场因而也随之改变。地下水水流系统的破坏主要体现在由复杂化水流系统转变为单一水流系统,强径流带消失,中等、弱径流带发育,水流速率减缓,矿物溶解能力,尤其是白云岩的溶解增强[1]。采矿揭露矿体使得有害元素直接进入矿井水中造成污染,同时，矿水与各天然水体混合进一步污染当地优质水源,废矿渣淋滤水也会成为富含有害物质的污染源。这使得矿区地下水具有与区域地下水化学成分不同的特点。而地下水水化学的演化机制主要体现在采矿区地下水水化学类型由碳酸型向硫酸型过渡,其主要原因是采矿导致含水层逐渐开放从而使得脱碳酸作用增强,另外,煤系地层中黄铁矿的氧化是硫酸根离子增加的主要来源[2～7]。“脱硫酸”、“硬化”与“咸化”作用是煤矿地下水水化学演化的主要原因[3]。

柳江煤矿始建于1914年,开采历史悠久。到二十世纪八十年代末九十年代初,柳江煤矿下辖长城矿、义院口矿、马蹄岭矿、曹山矿、老柳江矿、大槽沟矿,自南向北分布于柳江盆地东翼煤系地层出露沿线。近年来，随着煤矿的开发以及其他人类活动的干扰,当地地下水水质趋于恶化。前人利用主成分分析与相关系数分析确定了柳江盆地浅层地下水污染物的三个主要来源：(1)矿物的溶解与矿水混合；(2)生活废水；(3)农业化肥污染[4]。利用水化学方法识别柳江盆地人类活动对地下水水质影响程度的结果表明,盆地南部受人类活动影响程度较大,且空间上与人口密集区、煤矿分布区较为一致。硝酸盐作为人类活动对地下水水质影响程度的有效指标,其在柳江盆地的背景值、分布特征及影响因素也备受关注[5～14]。目前，区域地下水水质受煤矿开采影响程度尚不明确。本文基于煤矿地下水水化学的演化过程，揭示了煤矿开采对水质的影响作用，对于煤矿地下水防治与生态环境的保护具有重要意义。

传统的水化学方法考虑的变量有限,例如Piper三线图(仅为主要水化学离子)。层次聚类分析在全面考虑各项水质指标的基础上，将水样分类并量化各类之间的相似程度[15～18]。目前该方法已成功应用到水文地球化学分类、矿井突水水源判别以及水质评价等领域[19～24]。

本研究通过现场调查,采集地下水和地表水水样，测试其主要水化学组分，将层次聚类分析结果与水文地质条件结合,利用离子比例查明柳江盆地地下水水化学特征，从而分析柳江煤矿采矿活动对区域地下水水质造成的影响。

1 研究区概况

柳江盆地位于秦皇岛市抚宁县境内,地处燕山山脉东部,属于暖温带半湿润大陆季风气候。历年平均气温为15 ℃，夏季平均气温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%；平均蒸发量1 646.8 mm。盆地南北长约20 km,东西宽约12 km,总面积约400 km2,北、东、西三面为陡峻高山,南面向渤海开口。北部、西部海拔在200～300 m,东部海拔为160～300 m。大石河是纵贯盆地的主要河流,出盆地后注入渤海。东宫河为大石河东侧支流,发源于盆地东北部,向南于蟠桃峪汇入大石河(图1)。

图1 研究区地理位置图Fig.1 Location of the study area, lithology, sampled points and spatial distribution of cluster analysis

柳江盆地地下水系统补给、径流、排泄过程完整,含水介质丰富。隔水底板为山海关变质花岗岩,东、西、南三面为大片燕山期花岗岩和山海关变质花岗岩,裂隙发育程度较低,形成了天然隔水边界。盆地东、西两侧出露寒武-奥陶系碳酸盐岩，岩溶发育强烈,为裂隙-溶洞水含水层,厚约200 m[8]。其内部发育的溶洞、纵横交错的裂隙为地下水的赋存与运移提供了有利条件。大石河沿岸的第四系堆积物尽管厚度较薄,但结构松散,局部位置孔隙大，因而也具有一定富水性。第四系孔隙水与裂隙-溶洞水之间无连续有效隔水层,因而两者之间具有密切的水力联系。盆地东北部地势较高,含水层出露接受大气降水补给,为主要补给边界。地下水自北向南流动，经过盆地东南部蟠桃峪一带受弱透水的均质混合岩及火山岩阻隔,补给石河。旱季实测排泄量(1975—1983年)最大为6.22×104m3/d,最小为3.4×104m3/d。至盆地西南下平山,鸡冠山和代庄一代,受相对不透水的均质混合岩阻隔,以泉的形式排泄(黑山咀、平山营、代庄、王庄等泉)。其中黑山咀泉流量14 L/s，王庄泉流量7.5 L/s[9]。

柳江煤田地层序列自上到下为：第四系冲、洪积层、白垩-侏罗系、侏罗系、二叠系、石炭系、奥陶系。侏罗系地层以砾岩为主,夹粉砂岩、页岩以及煤层,为典型的陆相含煤地层,具有层位不稳定,多相变的特征。共含煤11层,其中煤3为全区主采煤层,煤2、煤5为局部可采煤层。侏罗系砾岩、砂岩受冲刷作用角度不整合于煤层之上,成为直接顶板。煤系地层受脉状或床状火成岩侵蚀严重,受不透水侵入体的影响,将地层中的裂隙填充、压实,因而煤系地层各层含水性较弱[8, 10]。

奥陶系灰岩顶面与最下可采煤层间距为90～120 m,底部常有厚数米至20 m的鲕状黏土层,隔绝了灰岩与煤系地层间的水力联系。根据调查,灰岩中溶隙、落水洞、溶洞十分发育,涌水量为15～200 m3/h。当开采区持续向下,或遇断裂时,一方面增大的矿井涌水量为采矿带来巨大的安全隐患,另一方面灰岩含水层水质带来潜在的威胁[8]。

研究区内经济支柱产业为农业、工业。柳江煤矿于清末时期便在老柳江井口建成开采,直到1957年恢复重建后矿址设在曹山井口。到20世纪八九十年代,柳江煤矿下辖曹山矿(石门寨北)、大槽沟矿(黑山窑)、老柳江矿(石门寨西),长城矿(半壁店)、马蹄岭矿(石岭村),义院口矿(义院口)。其中开采时间最长的是老柳江和长城两矿,分别位于盆地中部与北部(图 1),除煤矿外,还有相关矿产加工、石灰矿等工矿企业。

2 样品采集与测试

3 结果分析

3.1 主要离子分布特征

对比研究区地下水中硫酸盐浓度与TDS空间分布(图 2)表明,自北向南硫酸盐与TDS呈升高趋势。这与在自然条件下的山间堆积盆地地下水的统一分带性规律相符,即随着径流路径的延长,伴随着以溶滤作用为主的多种水-岩相互作用的发生，使得地下水溶解各种水化学组分增多，形成典型的水化学分带：从盆地边缘的低TDS重碳酸盐水带到过渡地带的中等TDS硫酸盐水，具有高硫酸盐特征的地下水沿煤系地层南北条带状分布(图 1),并在局部地区出现峰值,其中以老柳江矿最为显著。总溶解固体(TDS)沿地下水流向呈增加趋势,与硫酸盐空间分布相似,以煤矿分布沿线为最高值,在马蹄岭矿、老柳江矿、大曹沟矿等地均出现峰值(图2)。

图2 地下水硫酸盐总溶解固体(TDS,(b))含量等值线图Fig.2 Contour map of groundwater sulfate and total dissolved solids (TDS,(b))

3.2 聚类分析结果及其空间分布特征

表1 柳江盆地浅层地下水化学特征统计表Table 1 Descriptive hydrochemical features of groundwater in the Liuiiang Basin

图3 柳江盆地水样Q型聚类分析Fig.3 Q mode hierarchical cluster analysis of the water samples

图4 主要离子平均百分含量柱状图(meq%)Fig.4 Histogram of percentage of major ions (meq%)

图5 水化学组成Durov图Fig.5 Durov diagram showing hydrochemical compositions of the water samples

硫酸盐与总溶解固体在马蹄岭矿、老柳江矿、大曹沟矿等地含量出现峰值表明,区内煤矿开采导致煤系地层的揭露加剧了地下水由低TDS重碳酸盐型(B类水)到中等TDS硫酸盐型(A类水)的化学演化过程。

4 讨论

4.1 煤矿开采对地下水水质影响

在地下水样品中,有13%的水样硫酸盐含量超出地下水质量标准(GB/T 14848—93)中三类水标准250 mg/L。前人的研究也得出类似结果：2012年7月,老柳江采样点的地下水中硫酸盐含量高达904 mg/L,TDS 高达1 420 mg/L[4]。

据现场实地调查以及前人的研究表明,由于柳江煤矿的长期开采，在柳江村,瓦山村及夏家峪等村庄形成采空区,围岩岩土体在内、外营力的作用下发生变形,进而破裂形成裂隙,伴随不均匀沉降形成地裂缝。通过地震勘察发现,柳江村南山地裂缝达10余处,主裂缝走向近南北,最长可达90 m、最宽可达50 cm,向下延伸可达16～41 m不等,向北延伸至柳江村，未见封闭[20]。全区第四系厚度较薄,最厚为30 m,因而发育较深的地裂缝存在贯通第四系地层的可能性。煤层下伏的奥陶系灰岩含水层岩溶发育程度也较高。据调查,45个勘探孔中有33个见溶洞,孔见率73%。另据25个钻孔统计资料,有大小不同规模溶洞47个,全区平均岩溶裂隙率1.73%。区内溶蚀裂隙发育广泛,钻孔普遍能见率95%以上,发育深度比岩溶深[21]。具有高硫酸盐特征的矿井水通过顶底板导水裂隙、断层、陷落柱或是封闭不良的钻孔进入其他含水层[18],从而导致区域地下水中硫酸盐含量的升高。

柳江盆地沿煤矿分布区硫酸盐含量(图 1 A类水,图2)和TDS(图2)值均较高,表明A类水受煤矿开采影响明显。不同成因条件下形成的地下水其水化学组分之间比例系数在数值上具有比较明显的差异,因此可借助这类系数判断硫酸盐和其他离子的来源及其相关水-岩相互作用。

受煤系地层揭露导致的硫化矿物氧化不仅会引起地下水中硫酸盐含量升高,同时产生的氢离子使得地下水侵蚀性增强,从而加剧了对石灰岩的溶解作用。根据化学反应中各物质间的计量比,通过图 7 (e) 中水化学组成可以推断各项反应物[19]：

图6 各离子比例系数(meq/L)Fig.6 Ratio coefficient of main ions (meq/L)

Na/Cl(meq/L)值是表征钠离子富集程度的水文地球化学参数,若地下水中Na+主要由盐岩(NaCl)的溶解或者蒸散发所致,则Na+/Cl-的值将接近1∶1[13],如图 7 (a) B,C类水；若Na+/Cl-大于1,如图 7 (a) A类水,则表明Na+来自于硅酸盐风化溶解[11]或阳离子交替吸附作用[12～13]。阳离子交替吸附作用使得围岩中的Na+将水中Ca2+交替取代,导致水中Na+浓度的增加,在这个反应中Na+的增加则伴随着Ca2+的减少,图 7 (c)中Ca2+随Na+的变化趋势表现为A类水中Na+大于3 meq/L之后便伴随着Ca2+的升高而降低,说明A类水中存在阳离子交替吸附作用,而在B、C类水中该趋势不明显。这说明,随着煤矿开采导致地下水的“硬化作用”增强,水中增加的Ca2+置换岩土中吸附的Na+,从而使得水中Na+增多而Ca2+减少。

综上所述,受煤矿开采揭露含硫的煤系地层,在氧化条件下产生高硫酸盐,高矿化度水,并通过顶底板导水裂隙进入相邻含水层,使得矿区周围地下水具有较高的硫酸盐浓度、矿化度。同时产生的氢离子促进了地下水对灰岩的侵蚀作用,而随着煤矿开采导致地下水的“硬化作用”增强,促进了含水层围岩与地下水之间阳离子交替吸附作用的发生。而部分地区地下水(C类水)硝酸盐含量较高说明该地区水质受到除采矿外其他人类活动影响。

图7 水样指标R型聚类分析(a)柳江煤矿区域地=下水(b)顾北煤矿矿井水[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 其他人类活动的影响

这一过程不仅使得地下水中硫酸盐含量升高,同时还可能释放一系列有毒重金属离子，使地下水水质恶化。煤矿开采与生活垃圾、废水、农业等其他人类活动之间密切的相互作用，存在进一步威胁到当地地下水的可能。

5 结论

(3)而C类水受到生活污水、农田化肥、畜牧养殖及生活垃圾等影响产生大量硝酸盐并沿程累积在盆地南部受相对不透水的花岗岩体阻隔。携带大量硝酸盐的地下水除了其本身引起的水质恶化以外,一旦进入封闭含水层,在还原状态下作为氧化剂将进一步促进硫化矿物的氧化作用,从而进一步引起地下水水质的恶化。

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