周秀艳，付建飞

（1.东北大学秦皇岛分校，河北 秦皇岛 066004；2.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819）

区域地下水演化过程既受地质特征和水文地质条件、地球化学系统及流动系统等因素的控制，也受人类活动的影响[1]。通过对地下水水化学的时空变异特征与演变规律的研究，可以更好地揭示地下水与环境的相互作用机制[2]。

煤矿开采对地下水的影响是一个动态且持续的过程，由于矿山开采引发的含水层疏干排水、采动破坏等因素，打破了地下水原有的补、径、排平衡状态，使地下水系统循环变得日益复杂。煤矿区地下水既是重要的地下水资源，又是一种安全隐患[3-4]，将给矿区地下水的农业－生态资源化利用带来风险。在调研抚顺西露天矿含水层地质条件、地表水与地下水系统循环关系的基础上，利用煤矸石的测试数据，结合实地疏干排水的采样与检测，分析采动条件下矿区地下水水化学的演变特征，为建立地表－地下水资源优化配置模式，实现分质协调的需水与供水决策方案提供重要依据。

1 研究区概况

抚顺西露天煤矿位于抚顺市南部丘陵山地和北面浑河所夹的狭长平原地带上，地形较缓，总趋势是东北略高，西南略低。矿区地处北温带，年平均降雨量为773.6 mm，平均蒸发量为945.5 mm。矿区地层由上而下为：第四纪冲积层及回填土、绿色泥岩系、油页岩系、主要含煤系、凝灰岩砂岩系和玄武岩系。地质构造复杂，多褶皱以及断层。

露天矿坑东西最长6.6 km，南北最宽2.2 km，面积10.86 km2，总汇水面积11.84 km2，最终开采深度－368 m[5]。由于矿坑北邻浑河、西靠古城子河、南靠杨柏人工河，3 面河床对露天矿坑形成了充分的地下水定水头补给条件，大规模边坡岩体内赋存丰富的地下水沿层面、结构面、构造面渗透至坑下。

矿区水资源来自于地下水和地表水。地下水主要包括第四系冲洪积孔隙潜水和基岩裂隙水，其中第四系含水层主要岩性为砾砂、角砾，厚度2～10 m，渗透性好，渗透系数K ＝70～100 m/d；基岩裂隙水包括了太古界鞍山群片麻岩、中生界白垩系砂岩－砂砾岩、下第三系抚顺群含煤、油页岩和绿色页岩中的裂隙水，渗透性较差，含水性也各有差异。地表水主要包括大气降水和第四系补给。矿区地下水的补给除大气降雨外，浑河和石油一厂污水是第四系含水层的常年补给源，第四系地下水又是白垩系、第三系绿色泥岩含水层主要补给源。

2 研究方法

1）样品采集与测试。为揭示影响地下水质演化的水－岩（土）作用、阳离子交换等水文化学过程，实现水源的多用途、分质需水与供水的决策方案，基于调研矿区水文地质条件和资源开发现状，于2019 年3 月在矿坑疏干排水泵站处共采取水样7 个，其中北帮采集3 个排水样、西端帮采集1 个、西南帮采集1 个、东端帮采集2 个水样，采样点位置图如图1。水样的测试项目包括：Cd、Pb、Cu、Ni、Cr（Ⅵ）、Zn、Mn、Fe、Al、Na、K、Ca、Mg、B、硝酸盐（以N 计）含量和pH等，其中pH 在现场采用电位法直接测定。每个采样点处以玻璃容器（至少采集0.5 L）分别采集3 瓶水样，其中1 瓶采样后以适量硝酸调至溶液pH≤2，用于测定Cd、Pb、Cu、Ni、Zn、Mn、Al 等元素，另外2 瓶原水样用于测定Fe、Na、Cr（Ⅵ）、B 和NO3－等。测试工作均在澳实分析检测（广州）有限公司进行，采用ICP－MS 和ICP－AES 等离子质谱法测定Cd、Pb、Cu、Ni、Cr、Zn、Mn 等元素含量，采用紫外分光光度法测定硝酸盐含量。

图1 采样点位置图

2）相关性分析。为了解煤矸石的风化淋滤作用对矿区地下水质的影响，调研煤矸石类型、煤矸石溢流泉及附近地下水的测试数据，利用SPSS 软件进行相关性分析。

3 矿区地下水水化学特征

3.1 矿区排水水化学统计分析

对研究区7 个地面泵站疏干排水的重金属元素测定，与GB/T 14848—2017 地下水质量标准相比，各泵站排水中Cd、Pb、Cu、Ni、Cr、Zn 元素含量均小于Ⅲ类水体标准，且多处水样中未检出Cd、Pb、Cr、Zn 元素。而北帮2 个疏干排水中Mn 超过Ⅲ类水体标准，其中北部疏干水超过Ⅴ类标准的1 倍。东端帮2 个泵站排水中Fe、Al 含量超过Ⅲ类水体标准，尤其15 段泵站排水Fe、Al 分别超过Ⅴ类标准的3.4、15.7 倍。疏干常量水化学参数统计特征值分析见表1，各泵站水样中Cu、Ni、Mn、Fe、Al 空间分布特征如图2。

表1 疏干水常量水化学参数的统计特征值分析

各泵站排水中K、Ba 含量变化较小，Ca、Na 和硝酸盐含量介于5.0～296.0 mg/L、34.3～379.0 mg/L和1.94～14.40 mg/L，其变异系数分别为73.48%、82.68%、73.99%，Mg、B、S 的变异系数分别为98.65%、136.14%、99.01%，各样点间变异较大。北帮和西端帮泵站排水中各水质参数均达到地下水Ⅲ类标准；仅东端帮2 个泵站水样中Na、B 含量超过Ⅲ类水体标准（200、0.50 mg/L），硝酸盐含量虽较高但低于Ⅲ类标准限值（20 mg/L），除了源自含氮的有机矿物分解释放外，还与地表污水入渗、含高硝酸盐浓度河水的侧向补给有关；西端帮排水中Ca、S 含量相对较高，运修厂处最高分别为296.0、419.0 mg/L。

3.2 相关性分析

相关性分析可揭示地下水水化学参数的相似相异性及来源的一致性和差异性。分别计算各泵站疏干排水间及其与煤矸石浸出液、西舍场溢流水[6]间相关系数，疏干水水化学参数相关系数见表2、疏干水与煤矸石浸出液水化学参数的相关性见表3。

图2 不同水化学参数的空间变化

表2 疏干水水化学参数相关系数

表3 疏干水与煤矸石浸出液水化学参数的相关性

从表2 泵站排水水化学参数间相关性来看，Na、Fe、Al、B、NO3－之间显著相关（相关系数多在0.9以上），尤其Fe、Al 间呈极显著相关。Ca 与Mg、S 之间显著相关，Mn 与Ba 的相关性也较好。主要源于矿坑边坡裸露的绿页岩、碳质页岩、凝灰岩和褐页岩中含有的Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO、Na2O 等风化淋滤作用。但不同泵站排水水化学参数与泥质岩类型间相关性差异较大，东端帮2 个泵站排水与绿页岩、煤、风化混合岩、碳质页岩和褐页岩的水化学参数间相关性好，相关系数均在0.9 以上，和西舍场溢流水的相关系数变化趋势一致，其中15 段泵站排水与溢流水的相关系数值相近；西端帮泵站排水与风化绿页岩、过火矸石和风化混合岩显著相关，与其它岩类相关性次之；而北帮泵站排水和马架子南排水与凝灰岩间显著相关，与过火的矸石和风化绿页岩相关性次之。

3.3 矿区地下水水化学演变特征

矿区地层是地下水中Na、Ca、K、Mg、Fe、Al、Mn的主要来源，含水地层中水的pH 值和氧化环境环境是影响其溶解－解析的外界条件，地下水补径排条件是影响其在地下水中迁移与富集的重要因素。

矿区第四系地下水流向受基岩控制，总的趋势向南，由于基岩标高在东西方向上呈凹形展布，流向有所改变。第四系冲积层向北、向西与浑河河床和古城子河河床相毗邻，其中古城子河距离西帮最近处为150 m，含水层连续分布，河水沿第四系侧向补给，河水－地下水交互带在地下水生态和水质的保护方面具有作用[7-8]。北帮上部工业区、生活区排放含有机质的工业废水和生活污水，入渗补给第四系潜水和绿页岩中裂隙水。在富含有机质的岩石和地下水中，有机质在微生物作用下不断发生生理生化作用，消耗了溶解氧呈现还原状态，因溶解氧得不到补充，保持在相对的还原环境。区内地下水的pH 值为弱碱性，介于7.40～8.26 之间。在弱还原条件下，易溶性元素被还原为可溶性Na、Ca、K、Mg、Fe、Al、Mn等，并达到相对稳定平衡状态。在地下水弱还原环境中金属元素可抑制硝化作用的发生，促进反硝化作用的发生。厌氧条件下的反硝化过程消耗了大量硝酸盐[9]，导致硝酸盐含量较低，低于10 年前矿区地下水的最高值[10]。

矿区地下水沿边坡岩体层面、结构面、构造面渗透排泄至矿坑过程中，地下岩体由原来的弱还原环境逐渐过渡为氧化环境，发生更为强烈的水岩作用。矿坑台阶边坡上为大量泥质岩的风化堆积和剥落物，且西端帮和北帮为排弃油页岩贫矿、绿页岩和凝灰岩的内排土场。其中绿色页岩和碳质页岩以伊利石－蒙脱石的混层矿物为主，且绿页岩中含有方解石。油页岩和硬质凝灰岩以高岭石矿物为主，半软质凝灰岩为含有大量蒙脱石的膨润土。这些黏土矿物（以SiO2、Al2O3、Fe2O3为主）和石英（SiO2）、黄铁矿（FeS2）和方解石（CaCO3）等，在长期风化、氧化、降水和自身所载水分的作用下，发生一系列的物理化学变化，使矿物晶格中的Na、Ca、K、Mg、Fe、Al、Mn、B等分解游离出来，由原来的化合态转化为游离态，使水溶液pH 值变化。主要发生的反应如下：

而黄铁矿（FeS2）具有较强的还原性，与空气中的氧气发生一系列的氧化还原反应，并放出大量的热量，生成大量的H＋，使水溶液pH 值下降。其氧化反应过程为：

同时，方解石在酸性环境中发生如下反应：

可以看出，矿坑边坡岩石风化、氧化作用释放大量的Na、Ca、K、Mg、Fe 等离子，且Na、Ca、K、Mg 等迁移能力强，随着降水向矿坑排泄，并下渗进入地下含水层，使得矿坑排水中Na、Ca 等浓度较高，为Na－SO4型地下水。而Fe、Al、Mn 等在边坡渗出或入渗到绿页岩含水岩系过程中，易被蒙脱石等黏土矿物、有机质吸附固滞而降低其浓度。

由于矿坑西端帮和北帮因有浑河、古城子河的定水头补给，对地下水水质有一定的稀释作用，加上设置的内排土场，向矿坑排泄地下水时流经泥质岩的距离较长，在氧化环境中Fe、Mn、Al 易形成难溶的化合物，且北帮半软质凝灰岩中蒙脱石含量高达52.75%，具有较强的吸附固滞作用，但因岩石中Fe、Al、Mn 等含量差异的影响，5 个泵站排水中Fe、Al等含量较低，均低于地下水Ⅲ类标准。北帮泵站排水中Mn 浓度超过Ⅲ类标准限值，除与原生岩石中Mn含量高有关外，还与风化时间有关，4 年前风化矸石中MnO 含量（0.13%）高于绿页岩和褐页岩（0.10%），表明在相同氧化环境中Mn 比Fe 易富集，因而Mn 分解释放到地下水中可能要比Fe 滞后几年，致使该区域疏干地下水中Mn 较高。东端帮矿坑边坡岩体主要为绿页岩和碳质页岩，其中Fe2O3含量在11%以上，远高于MnO 含量，风化氧化作用进入地下水中Fe 含量较大，相比软质凝灰岩而言，蒙脱石含量约在13%左右，表现为抗风化能力较强，地下水在向坑体排泄时，大量的易溶性物质未被吸附固滞直接进入疏干水，因此该泵站排水中Na、Fe、Al、B 等浓度较高，超过Ⅲ类标准限值。

4 结论

1）与地下水Ⅲ类水体标准相比，矿坑排水中超标的水质参数为Mn、Fe、Al、Na 和B。其中北帮2 个疏干排水中Mn 超过Ⅲ类水体标准，最高超过Ⅴ类标准的1 倍；东端帮2 个水样中Fe、Al、Na 和B 含量均超过Ⅲ类水体标准，其中Fe、Al 最高分别超过Ⅴ类标准的3.4、15.7 倍；各水样中硝酸盐含量均低于Ⅲ类标准限值。

2）Na、Fe、Al、B、硝酸盐之间显著相关，尤其Fe、Al 间呈极显著相关，具有同源性。Ca 与Mg、S 之间显著相关，Mn、Ba 间相关性较好。矿坑北帮和西南帮排水参数与凝灰岩间显著相关，与风化绿页岩相关性中等。东端帮和西帮与绿页岩、褐页岩间显著相关，而与凝灰岩相关性差。

3）矿坑边坡岩体具有源和汇的作用。边坡地层岩石从弱还原环境向风化、氧化环境过渡时释放大量的Na、Ca、K、Mg、Fe、Al 等离子，Na、Ca、K、Mg 等迁移能力强的离子随水直接排泄至坑下，而氧化环境中Fe、Al、Mn 被富集吸附－解吸能力有所差异。由于原生沉积岩层中组成矿物及元素含量的差异，各泵站排水水质不同。北帮和西南帮凝灰岩中蒙脱石含量高，对Fe、Al 等吸附作用强，随着风化氧化时间的推移，释放出Mn 离子，使疏干排水中Mn 超标；东端帮绿页岩中蒙脱石含量低，吸附固滞作用较弱，且含有大量的Fe2O3等元素，使疏干水中Na、Fe、Al 等离子超标。各泵站疏干水中硝酸盐含量均较低，可能是弱还原环境中金属元素抑制了硝化作用所致。

4）矿坑排水可实现分水质协调需水的资源化利用。西端帮疏干水可作为工业用水、农业灌溉、矿区及园林绿化用水，北帮和东端帮疏干水可以适当方法降低Fe、Mn、Al 含量，达标后进行资源化利用。