淮北市供水水源地硫酸鹽升高原因淺析

楊世偉， 朱玲玲

(安徽省地質環境監測總站，安徽 合肥 230001)

淮北市位于安徽省北部，北與蕭縣相鄰，南與蒙城、懷遠接壤，西連渦陽縣、東鄰宿縣，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區。主要特征為：季風明顯，四季分明，春秋少雨，夏雨集中，冬季寒冷多風。多年平均降水量為842.7 mm。地表水系發育，屬淮河水系，河流流量、水位受降水和人工控制，枯水期流量極小甚至斷流。

區內地形東北高西南低，地貌類型較簡單，大部分為淮北沖積平原，地形平坦。大部均被第四系松散層覆蓋，第四系沉積以沖積為主，次為沖洪積、坡洪積等。厚度從北至南逐漸變厚，厚度10～100 m不等，主要巖性為亞黏土、黏土、粉細砂等。東南及北部為丘陵，廣泛出露寒武-奧陶系碳酸鹽巖地層，巖性主要為灰巖、白云質灰巖、白云巖、泥質灰巖等。在山前地帶，碳酸鹽巖直接隱伏于第四系之下。

淮北市區(含濉溪縣城)人口100余萬，是一座以煤炭、電力(火電)、紡織等為經濟支柱的工業城市。全市多年平均水資源可利用量4.082億立方米，其中巖溶裂隙水0.828億立方米。人均年占有水資源量僅為400 m3，為嚴重資源型缺水城市。城鎮生產生活供水主要巖溶裂隙水，日開采量約15萬立方米。地下水監測表明近年來巖溶水硫酸鹽有逐年升高的趨勢，需要引起足夠重視。

1 水文地質條件

根據地下水的賦存條件及含水介質的空隙類型，淮北市區地下水類型分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水及碎屑巖類基巖裂隙水三類。其中，碳酸鹽巖巖溶裂隙水為淮北市主要供水水源，水源地主要分布于城區中、南部。碳酸鹽巖巖溶裂隙水主要由奧陶系中統、寒武系、震旦系的碳酸鹽巖組成，埋深100 m以淺巖溶較發育，按埋藏條件，分為裸露型、覆蓋型。

裸露型：分布在市區東部及北丘陵區，地下水主要賦存在60 m以淺的巖溶裂隙中，主要接受大氣降水和地表水補給，地下水多流向隱伏區。單井涌水量多小于500 m3/d。

覆蓋型：分布于丘陵邊緣地帶的山前平原區，被松散巖層覆蓋，頂板埋深一般小于100 m，巖溶裂隙發育深度主要在150 m以淺，受構造影響可達200多m。單井涌水量多大于1 000 m3/d。水質類型為HCO3—Ca或HCO3—Ca·Mg型。

根據淮北市地下水多年監測(圖1)結果，碳酸鹽巖巖溶裂隙水受人為開采影響較大。巖溶水年平均水位埋深6.44～18.81 m，最高水位埋深3.59～17.08 m；高水位期主要出現在9～10月間；最低水位埋深7.73～23.92 m，低水位期在6～7月上旬，年變幅平均值5.21 m，水位變幅較大。

圖1 淮北市巖溶地下水監測網點布置圖

2 巖溶裂隙水水質及變化趨勢

根據2001～2017年地下水水質長期監測資料(數據均采用每年枯水期水樣測試成果)，淮北市巖溶裂隙水pH值7.01～9.01，總硬度為203～664.60 mg/L，溶解性總固體為463.00～1963.63 mg/L。水質類別主要為水質良好的Ⅱ類水，部分為水質較差的水(Ⅳ類水)。主要超標的組分有：pH值、總硬度、溶解性總固體、Fe、Mn、F、SO4、NO2等。水質總體尚穩定，但地下水多項組分有增高的趨勢，其中以硫酸根增高最為明顯(表1)。時間上以2012～2015年增加明顯，2016年以后較為平穩且略有下降趨勢(圖2)。空間上以市區南部的H162孔增加幅度最大，2006年以后超標嚴重，超過世界衛生組織國際飲用水衛生標準推薦值(250 mg/L)1～2倍。北部地勢高點P3-1孔變化不明顯，這與巖溶水流向相一致，即隨巖溶水流向硫酸根逐漸增高。

表1 淮北市巖溶裂隙水SO42-濃度統計表/(mg·L-1)

圖2 淮北市裂隙巖溶水SO42-歷年變化曲線圖

巖溶水賦水層位為震旦系-奧陶系碳酸鹽巖，上覆松散層厚度一般0～70 m，具雙層結構，孔隙水為潛水或微承壓水，裂隙巖溶水為承壓水，二者多以越流或“天窗”產生水力聯系，市區供水主要開采巖溶裂隙水。其水文地質模型可概化為隱伏型的雙層結構(圖3)：平面上為有限邊界，淺層孔隙含水層頂部為開放邊界，主要接受大氣降水補給，并以蒸發為其主要排泄途徑，淺層孔隙水與下部的裂隙巖溶水存在越流補排關系，裂隙巖溶水底部巖溶不發育段及側向分布的碎屑巖地層概化為隔水邊界。地下水資源量主要來自孔隙水的越流補給，亦即越流區孔隙水獲取的大氣降水補給，其次為地表水、灌溉回滲水補給。

圖3 淮北市巖溶水水文地質概化模型圖(隱伏型)

3 巖溶水水質影響因素分析

地下水中的硫酸鹽來源主要有三種：礦物溶解、大氣沉降和污染物輸入(馬燕華等 2016)。影響硫酸鹽變化的化學反應主要包括礦物的溶解、氧化還原和生物等作用。

礦物溶解主要為膏鹽溶解，淮北市巖溶水圍巖為震旦、寒武、奧陶紀碳酸鹽巖，在喀斯特環境中，隨地下水埋藏深度增加，含石膏的巖層中SO42-將優先溶解出來，然后很快再與碳酸鹽礦物反應，而使硫酸鹽離子與Ca2+、Mg2+以及HCO3-同時增加，這與地下水溶解性總固體隨深度增加相一致。說明巖溶水硫酸鹽含量受其原生環境制約如(電3、P86孔)，但其濃度不會隨時間推移出現較大變化。

大氣沉降指工業廢氣排放硫化物通過雨水等降落地表進入水體形成硫酸鹽。工業廢氣一般以二氧化硫為主，在氧氣充足和光照等條件下可形成高價的三氧化硫，三氧化硫遇水變為硫酸，并隨降水回歸地面，形成酸雨，從而污染地表水和地下水。淮北在1985～2000年間酸雨時有發生，2000年以后由于采取了一系列的環保措施，工業廢氣中排放的二氧化硫含量已由1989年的0.166 mg/m3降至2009年的0.035 mg/m3，目前酸雨已很少見。

淮北市以產煤著稱于世，煤礦產業是全市支柱行業，原煤中含部分硫化物，易氧化而對水體造成污染。淮北煤系地層主要賦存于二疊系石盒子組地層中，與碳酸鹽巖多呈斷層接觸，含水層間有良好隔水，礦山疏干排水對巖溶水水位不產生影響，也就是說，煤系地層基層裂隙水不會與巖溶水形成補給關系，原生煤系地層中基巖裂隙水中硫酸鹽不會直接進入巖溶水中，不會對巖溶水水質構成影響。巖溶水硫酸鹽升高由人工輸入造成，其可能途徑主要有兩個：一是礦山疏干排水，二是洗精煤產生的含硫酸鹽廢水排放。廢水通過溝渠滲流進入淺層地下水，后通過溶蝕裂隙或孔隙水“天窗”越流進入巖溶水，造成巖溶水硫酸鹽升高。順地下水流向，不斷有淺層地下水硫酸根補給巖溶水，硫酸根含量會逐步升高，這與實際情況相吻合。市區南部硫酸根含量增高最嚴重便是最好的例證。

煤中硫大部以無機的黃鐵礦(FeS2)硫存在，約占全煤硫的60%(劉學全等 2008)，多以結核狀、浸染狀產出；煤礦開采增大了黃鐵礦與空氣接觸面積，在硫化菌的作用下快速發生氧化：

生成的硫酸和硫酸鹽隨礦坑排水滲入污染淺層孔隙水，在第四系厚度小的區域則直接越流進入巖溶水，造成巖溶水礦化度(溶解性總固體)升高，水中總鐵含量也相應升高，其趨勢與硫酸根深度一致(圖4)。

圖4 淮北市裂隙巖溶水總鐵含歷年變化曲線圖

巖溶水硫酸根的含量變化與采煤量(或洗精煤產量)(如圖5)呈正相關，采煤量越大，疏干排水量越大，煤中硫化物轉化為硫酸的量越大；洗精煤量越大，脫硫產生的硫化物越多，廢水含硫量越高，處理不完全的含硫酸鹽廢水排放進入地下水進而影響巖溶水的量越多。

圖5 淮北市(2003～2017年)煤炭開采量統計折線圖

淮北市供水的巖溶水為同層位水，與監測孔層位部署相一致，為減少硫酸根測試樣品的取樣和分析誤差，將各監測孔巖溶水硫酸根含量進行算術平均，以其平均值為淮北供水水源地近似水質。考慮到地下水入滲和越流需要一個較長的時間過程，本次所采用的樣品均為枯水期(6月份)測試樣，故將其與上一年采煤量進行相關性分析。硫酸根濃度采用2004～2018年監測成果，采煤量依據2003～2017年統計年鑒數據，利用數據統計軟件SPSS(IBM SPSS Statistics)進行數據相關分析，得出相關系數達0.815(表2)，為顯著相關，充分說明淮北市巖溶水硫酸根含量升高是當地采煤過量排放硫化物的必然結果。

表2 淮北市巖溶水硫酸根與采煤量相關性分析結果表

4 結語

淮北市巖溶裂隙水供水水源地的硫酸鹽升高主要分布于市區南部，人為輸入是硫酸根升高的主要因素。城區內煤礦企業、熱電公司、洗煤廠等排污通過松散孔隙及溶蝕裂隙下滲，提供了硫酸鹽的主要來源，含硫酸鹽污水的排放是造成巖溶水硫酸鹽升高的主要原因。