采煤驅動下神東礦區地下水化學特征及成因

侯澤明,黃 磊*,韓 萱,許 磊,李鋼柱,劉志強 ,張圣微,2

采煤驅動下神東礦區地下水化學特征及成因

侯澤明1,黃 磊1*,韓 萱1,許 磊1,李鋼柱1,劉志強1,張圣微1,2

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院,內蒙古自治區水資源保護與利用重點實驗室,內蒙古 呼和浩特 010018；2.內蒙古自治區農牧業大數據研究與應用重點實驗室,內蒙古 呼和浩特 010018)

為查明神東礦區地下水化學特征,使用Piper三線圖、Gibbs圖、主成分分析法、改進內梅羅指數法等對23個地下水水樣進行分析.結果表明,研究區地下水呈弱堿性,化學類型從上游HCO3--Na+為主導型,逐漸過渡為下游HCO3-·SO42--Na+·Ca2+主導、Cl--K+·Na+、F--K+·Na+等多種類型共同存在.地下水化學類型主要受蒸發濃縮和巖石風化控制,HCO3-主要來源于碳酸鹽的溶解,Ca2+、Mg2+主要來源于硫酸鹽巖的溶解,Cl-來源于巖鹽的溶解和生活用水的污染,SO42來源于巖鹽溶解,NO3-主要來源于生活用水和人畜排便.整體水質良好,個別地區存在一定程度的離子富集現象.研究成果可為當地水資源的高效利用,生態環境的保護與恢復提供理論支撐與參考.

采煤驅動；主成分分析；水化學特征；地下水類型；離子富集

神東礦區于內蒙古自治區伊金霍洛旗西南部,是我國主要的能源基地之一,主要流域為烏蘭木倫河,該流域是黃河流域重要的生態屏障.隨著煤礦資源過度開發,水資源短缺、生態環境惡化等因素已經成為制約當地經濟發展的突出問題.如何將社會經濟發展和生態環境保護相統一,高效合理的利用水資源,對我國西北地區的眾多能源基地有著極其重要的實際意義.

目前,國內外學者對不同流域的地下水化學時空特征及環境影響因素進行了研究,如內蒙古巴拉格爾河流域[1]、新疆塔里木河流域[2]、西藏年楚河流域[3]、山西汾河流域[4]、陜西黑河流域[5]等.基于水化學特征的地下水成因分析和控制因素分析,可以明確地下水的存在狀態與環境之間的相互作用機制[6].水化學組分特征是水體長期與環境相互作用產生的結果[7],不同環境下產生的結果不同,利用這一特點有助于了解地下水水質的成因、現狀和未來情況[8-11].目前對烏蘭木倫河流域的水化學研究多集中于對流域旱期徑流量、生態保護、富水性評價、氣候研究,而對地下水化學組分特征的研究相對較少,尤其缺乏對采煤驅動下地下水化學特征的空間分布與演化規律的深入研究.

因此,本文采用對神東礦區水化學特征的空間分布與演變規律的方法進行研究,旨在以神東礦區為窗口,揭示在采動作用下烏蘭木倫河流域的地下水化學特征及演變規律,為該地區水資源合理開發利用與生態環境保護提供理論支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

神東礦區(圖1)(110°4￠162～110°10￠182E, 390°18￠312～390°22￠432N),面積[12]約為3481km2,多為丘陵地區,無明顯的山地,地勢相對平坦,基本呈西高東低之勢.貫穿礦區的主要河流為烏蘭木倫河,全長132.5km,流域面積3837km2,海拔高度1015～ 1190m.處于干旱半干旱地區,平均降雨量396.8mm,年蒸發量2772mm,降水少,蒸發量大,地下水主要來源于為大氣降水的滲入,因此區內地下水比較貧乏,基巖淺層地下水徑流方向為西北-東南,烏蘭木倫河為最終的匯集地.煤層上覆主要含水層共有3層,分別為第四紀沉積、沖積物含水層(厚約15～40m);志丹群裂隙含水層(厚約30～ 50m);直羅組裂隙含水層(厚約25～150m)[12].

圖1 研究區概況

1.2 樣品處理與分析

表1 水樣測試結果(mg/L)

根據烏蘭木倫河水系特征和水文資料,于2020年8月進行采樣,樣品的采取和處理過程均嚴格遵循《地下水環境監測技術規范HJ/T164-2004》[13],以烏蘭木倫河及其支流河網為網格,進行網格狀采樣,共有地下水采樣點23處,如圖1所示.將水樣裝于500mL聚乙烯瓶中,加入硝酸保存劑后,用Parafilm封口膜密封,均送于內蒙古環境科學研究所進行測定.其中碳酸根和碳酸氫根采用酸堿滴定法進行測定并分析12項關鍵指標:K+、Ca2+、Na+、Mg2+、SO42-、HCO3-、CO32-、NO3-、Cl-、TDS、TH、pH值.陽離子采用瑞士萬通940高壓分析型離子色譜儀進行了測定;陰離子采用美國安捷倫ICP-MS7800型電感耦合等離子質譜儀進行測定;pH值通過德國賽多利斯PB-21酸度儀進行測定;陰、陽離子最小監測濃度分別為0.0002ug/L、1.7×10-6mg/L,根據陰、陽離子平衡法,其相對誤差在±5%區間內的數據可信[14-16],水樣測試結果如表1所示.

1.3 數據分析與處理

對各個化學組分進行主成分分析[17]、相關性分析[18-19],同時進行離子比分析[20]、Gibbs圖及Piper三線圖分析[21],繪制各化學組分在空間上的分布特征圖.

烏蘭木倫河流域地下水各化學組分含量以《地下水質量標準》GB T 14848-2017[22]為標準(選取地下水質量標準Ⅲ類水為標準值),各組分所占權重使用改進內梅羅指數法進行評價,該方法[23-24]通過引入權重的概念,在一定程度上消除極大值對計算結果的影響,

其計算公式如下:

式中:N為第項影響因子的污染指數;C為第項影響因子的實測含量;0為第項影響因子的標準值;max為各類影響因子在水樣測試中獲得的最大值;W為各類影響因子的權重值;為影響因子數.各指標權重計算結果見表2.

由表2可知:Na+、NO3、Ca2+、HCO3-、Cl-這5種離子所占權重較大,說明水質受這5種離子的影響程度較大,其中Na+的權重值最高為0.1664,說明水質受Na+的影響程度最大,計算下面的得分值時,應重點考慮Na+帶來的影響.

表2 各測試指標的權重

計算公式如下:

表3 各采樣點得分

根據得分值將采樣點水質劃分為I-V類,當<0.59時,水質極好(I);當0.59<<0.75時,水質較好(II);當0.75<<1時,水質一般(III);當1<<3.96時,水質較差(IV);當>3.96時,水質極差(V).

2 結果與分析

2.1 地下水化學特征與評價

2.1.1 地下水組分特征 通過對12項測試指標進行數理分析統計[25],結果見表4,因子的變異系數越接近0,說明該因子在環境中穩定存在,為環境不敏感因子.反之,該因子為環境敏感因子.由表5可知,研究區地下水的平均pH值為7.40,變異系數0.05,說明該區域的地下水長期處于穩定的弱堿性環境;Na+,SO42-含量大,變異系數高,說明研究區地下水中含有大量Na+、SO42-離子,且易受到自然或人為因素的影響而發生變化;Mg2+、HCO3-、CO32-雖然含量較大,但變異系數均接近1,說明這些離子在地下水環境中較為穩定的存在;K+、F-、Cl-這3種離子的平均含量較小,但變異系數較高,說明這3種離子隨自然或人為影響出現局部富集現象,且Cl-濃度為56.69mg/L,小于250mg/L[26],說明地下水為淡水環境.

表4 地下水化學成分統計

表5 地下水水化學組分指標評分等級

2.1.2 水化學組分評價 由表5可知,烏蘭木倫河流域整體水質較好,絕大多數地區水質優于《地下水質量標準》中Ⅲ類水標準,1-2、2-2、bu-2 3個采樣點的評分結果較差,推測原因, 1-1、1-2這2個采樣點為礦區監測井水樣,深度達到延安組含水層,同時延安組含水層也是神東礦區主要的煤炭開采層,受采煤驅動作用的影響最為直接,地下水與圍巖的溶濾作用更為強烈,同時因采空區冒落帶導致的上覆含水層的貫通,上覆含水層的地下水通過裂隙直達延安組含水層中,使該層含水層的化學特征更為復雜.bu-2采樣點為地表水采樣點,推測地表水的形成原因是降雪融水補給第四紀含水層后,通過構造產生的切口流出,采樣點北側800m處為神東礦區下屬的補連塔礦煤矸石的煤灰渣堆放點,降雪融水與煤灰渣發生溶濾作用后,將煤灰渣中所含元素帶入第四紀含水層,導致水質評價較差.

2.2 地下水組分特征的源解析與演變規律

2.2.1 地下水化學組分的源解析 通過對大氣降水、江河水、湖泊水進行分析,將地表水體化學組分特征的成因分為3類,分別為:巖石風化型、蒸發濃縮型和降水蒸發型.本文采用Gibbs圖宏觀反應地下水化學組分的控制因素,判斷地下水化學組分的來源.由圖2可以看出:流域的地下水TDS普遍較高; (Na+/Na++ Ca2+)的比值介于0～0.9之間; Cl-/(Cl-+ HCO3-)的比值介于0～0.5之間,大部分樣點位于濃縮蒸發與巖石風化控制帶內,說明烏蘭木倫河流域水化學組分特征主要受巖石風化作用和濃縮蒸發作用的控制.有少量點落到了區域外,這可能和人類活動有關[28].

圖2 地下水水樣Gibbs圖

研究區處于干旱半干旱地區,冬季寒冷,夏季高溫,多大風天氣,巖石的風化嚴重,年蒸發量是年降水量的7倍左右,Gibbs圖反映的情況與研究區氣候、水文環境相吻合,同時也為下文Piper三線圖分析地下水化學組分的來源提供了理論依據.

通過Piper三線圖對水樣進行分析(圖3),可以更加深入地了解研究區地下水組分特征和控制單元.神東礦區淺水含水層的化學類型由2012年較為簡單的HCO3--Na+主導型,逐漸過渡為HCO3-·SO42---Na+·Ca2+主導、Cl--K+·Na+、F--K+·Na+等多種類型共同存在,分析結果,其中Na+主要由鹽巖水解生成,采煤驅動下,溶濾作用加強.濃縮蒸發和巖石風化作用又進一步提高了Na+濃度,并置換出一定量的Ca2+、Mg2+;而廣泛存在于自然界中的硫酸鹽巖溶滲于水中后帶來一定量的Ca2+、Na+、Mg2+、SO42-,通常情況下,NaSO4、MgSO4為石膏石的次生鹽分;從礦區上游樣點到礦區下游樣點,地下水化學類型逐漸由重碳酸型向鹽酸型轉變,這是由于含水層顆粒自上而下逐漸由粗變細[29],地下水從受強烈的溶濾作用變化為受蒸發濃縮作用.

2.2.2 地下水化學組分的空間分布特征 相關性分析是研究地下水化學組分之間的相互關系和影響程度,從而判斷地下水各組分的來源,通過對樣品數據進行相關性分析[30],得到13項測試指標之間的相關性(表6),TDS濃度與SO42-濃度相關性顯著,說明TDS主要受到SO42-影響,Cl-、Na+、K+和Ca2+、Mg2+具有顯著相關系,說明這兩對離子間具有一定同源性.

圖3 地下水水樣Piper三線圖

表6 各指標之間的相關性

注:**表示在0.01級別(雙尾檢驗),相關性顯著.

對數據進行KMO檢驗和Bartlett球形度檢驗,通常認為KMO值大于0.5時,數據適合進行主成分分析[31],檢驗結果:KMO檢驗值為0.645,表明數據可以進行主成分分析;Bartlett球形度檢驗自由度為36,顯著性水平Sig為0,表明各項化學組分具有一定的相關性,可以通過因子分析對數據進行降維,降維后得到的數據見表8;通常認為主因子的累計貢獻方差大于80%[32],則對整體數據具有較可靠的代表性,由表7可知,主因子F1、F2、F3的累計方差貢獻率為82.798%,提取主因子F1、F2、F3來表示研究區地下水化學組分的富集情況是合理的.

為突顯地下水化學組分的富集情況,可通過因子得分矩陣(表8)來分析主因子F1、F2、F3的組分特征,將因子載荷大于0.5的因子作為主要關聯因子.由表8可知,主因子F1的主要關聯因子為Na+、K+、Cl-、SO42-;主因子F2的主要關聯因子為Mg2+、NO3-、HCO3-;主因子F3的主要關聯因子為Ca2+、CO32-、TDS.為了進一步闡明地下水不同化學組分的空間分布規律,將3個主因子中主要關聯因子的得分作為權重,與改進的內梅羅指數法所得的評分進行加權平均,再利用 ARCGIS對計算結果進行IDW線性插值[33-35],得到3個主因子在研究區的化學組分分布情況(圖5).

表7 因子初始特征值和方差

表8 因子得分矩陣

主因子F1(Na+、K+、Cl-、SO42-)與Na+的相關性最大,由圖4(a)可知,以Na+為主導在神東礦區廣泛富集,且呈現出以礦區上游到礦區下游逐漸遞增的趨勢.導致這種情況的可能原因是:河流兩岸聚集著大量煤礦,在采煤驅動作用下,上覆巖層發生塌陷,導水裂隙發育,含水層滲透性增強,巖土中的礦物鹽類與水的接觸溶解加強;采動下,煤層頂板上覆含水層整體向下沉降,上覆巖層發生破裂,打破了原有的水巖平衡條件.地下水流經這些裂隙時,鈉長石、伊利石、高嶺石等礦物中Na+發生溶解[36].

圖4(b),表明,主因子F2(Mg2+、NO3-、HCO3-)主要富集在河流西岸,推測其原因:富集區域為神東礦區下屬的布爾臺煤礦采空區,采煤驅動下,上覆含水層的地質結構發生變異,產生大量張拉裂隙,且在重力作用下向下塌陷,從而加劇溶濾作用.Na+離子在流經該區域時,從含Ca2+、Mg2+的礦物中競爭置換出大量Ca2+、Mg2+離子,而Ca2+又被較高濃度的Na+、HCO3-去除(前人研究表明HCO3-對Ca2+的去除率是Cl-、SO42-的2倍以上)[36],最終表現為Mg2+、NO3-、HCO3-的富集,其次是受到巖石風化和濃縮蒸發等自然作用的影響.

圖4(c)表明:主因子F3(TDS、Ca2+、CO32-)主要反映了TDS在空間上的數值分布,地下水的TDS分布特點通常是由濃度低的地方到濃度高的地方,所以TDS的濃度分布可以表示地下水的大致流向.通過觀察主因子F3的空間分布特征,可以看出TDS整體由低向高的方向與烏蘭木倫河流向一致,并在采煤集中區出現3處異常,推測產生異常的位置可能是采煤疏干形成的降滲漏斗.

2.2.3 地下水的成因分析 離子比分析法可以反映出地下水化學組分的來源和成因,Cl-/(Na++K+)的毫克當量比大于1時表示發生巖鹽的溶解,小于1時表示硅酸鹽的溶解.由圖5(a)可知,研究區地下水的大部分Na+和Cl-來自巖鹽溶解.我國鹽巖主要產于白堊系、三疊系、第三系[37],這也符合研究區含水層包含白堊系志丹群裂隙含水層的實際情況.

(HCO3-+SO42-)/(Ca2++Mg2+)的毫克當量比值大于1時表示Ca2+、Mg2+離子主要來源于碳酸鹽巖的溶解,小于1時主要來源于硅酸鹽的溶解.由圖5(b)可知,采樣點分布在1:1等值線下方,說明研究區地下水的Ca2+、Mg2+離子主要來源于石英石、長石等硅酸鹽巖的溶解,或受到陽離子吸附作用的影響.有小部分點位于等值線上方,水樣離子主要來源于泥灰巖、白云巖等碳酸鹽巖溶解.位于等值線附近的點存在硫酸鹽巖和碳酸鹽巖的溶解.

(SO42-+Cl-)/HCO3-的毫克當量比值大于1時表示地下水中的SO42-、Cl-離子來自巖鹽溶解,小于1時表示HCO3-來自碳酸鹽溶解.由圖5(c)可知,研究區地下水中的HCO3-離子主要來自于鹽酸鹽的溶解.

圖5 離子比分析

(Ca2++Mg2+)-(SO42-+HCO3-)/(Na+-Cl-)的毫克當量比值通常反映研究區地下水陽離子是否發生了置換作用.呈負相關時,發生陽離子置換作用,反之不發生.由圖5(d)可知,存在陽離子置換作用,在巖鹽溶解過程中,Ca2+、Mg2+離子的濃度隨著Na+離子的濃度增高而降低.

NO3-/Cl-的毫克當量比值通常用來反映地下水中硝酸鹽的來源[38],二者呈正相關時,說明硝酸鹽主要來源于農業生產.當二者呈負相關時,硝酸鹽主要來源于生活用水和人畜糞便,由圖5(e)可知,二者呈現負相關,由此判斷: NO3-可能主要來源于城鎮人口聚集區、工業區與村落排放的糞肥污水、人工植被、莊稼所施氮肥及硝化反應.

3 討論

因為研究區處于干旱半干旱地區,且烏蘭木倫河流域兩側煤礦眾多,導致烏蘭木倫河上游已斷流15年,長期的煤炭開采導致當地地下水位嚴重下降.當地村民的生活用水以接入自來水或從其他地區拉水為主,水井大多已經荒廢,導致水樣采集困難.下一步將繼續補充水樣,對研究區的F-情況進行分析,從采煤驅動下含水層結構變異的角度解析F-整體范圍濃度偏高的現象,并在目前的范圍上進一步縮小研究區范圍,以補連塔礦區為研究對象建立地下水數值模擬模型,并設置彌散實驗獲取相關彌散參數建立溶質運移模型,為當地協調人畜生存、經濟發展、環境保護之間的關系提供可視化模型.

4 結論

4.1 烏蘭木倫河流域地下水水化學類型由簡單的HCO3--Na+逐漸過渡為以HCO3-·SO42--Na+·Ca2+為主導,Cl--K+·Na+、F--K+·Na+等共同存在的復雜類型.主導陽離子為Na+,主導陰離子為HCO3-.

4.2 地下水化學組分的主要受到巖石風化作用的驅動,濃縮蒸發作用也在同時進行,二者相互影響;離子交換作用是影響研究區地下水化學組分的一個重要作用;人類活動一定程度上也影響著研究區地下水化學組分的特征.

4.3 烏蘭木倫河流域水質總體良好地表徑流為西北到東南,上下游孔隙顆粒差異導致溶濾作用隨孔隙變小而逐漸強烈.研究區地下水礦化度偏高、呈弱堿性淡水環境.

4.4巖鹽溶解和濃縮蒸發是Na+離子富集的主要原因(K+與Na+同源);HCO3-主要來源于碳酸鹽的溶解;Ca2+、Mg2+主要來源于硅酸鹽巖的溶解;Cl-來源于巖鹽的溶解和生活用水的污染;SO42來源于巖鹽溶解;NO3-主要來源于生活用水和人畜排便;構成含水層的主要巖石種類以:石膏、長石、硫酸鎂石、螢石為主.

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Hydrochemical characteristics and controlling factors of groundwater driven by coal mining in Shendong mining area.

HOU Ze-ming1, HUANG Lei1*, HAN Xuan1, XU Lei1, LI Gang-zhu1, LIU Zhi-qiang1, ZHANG Sheng-wei1,2

(1.Water Conservancy and Civil Engineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Inner Mongolia Water Resource Protection and Utilization Key Laboratory, Hohhot 010018, China；2.Inner Mongolia Autonomous Region Key Laboratory of Big Data Research and Application of Agriculture and Animal Husbandry, Hohhot 010018, China)., 2022,42(5)：2250～2259

In order to find out the hydrochemical characteristics and controlling factors of groundwater in Shendong mining area, 23groundwater samples were analyzed by Piper trigram, Gibbs graph, principal component analysis and improved Nemerow index method. The results showed that the groundwater was weakly alkaline, and its hydrochemical types gradually changed from HCO3--Na+to HCO3-·SO42--Na+·Ca2+, Cl--K+·Na+, and F--K+·Na+along with the river; the hydrochemical types were mainly affected by evaporation concentration and rock weathering; HCO3-, Ca2+and Mg2+, Cl?and SO42+came from the dissolution of carbonate, sulfate, and rock salt separately, and Cl?was affected the pollution of domestic water; NO3-mainly came from domestic water and defecation; overall,the groundwater quality was good, although there was a certain degree of ion enrichment in some regions. The research results could be taken as theoretical support and reference for exploitation and utilization of water resources and water environment protection in mining area.

coal mining driving；principal component analysis；hydrochemical characteristics；groundwater type；ion enrichment

X131.2

A

1000-6923(2022)05-2250-10

侯澤明(1997-)男,內蒙古自治區包頭市人,內蒙古農業大學碩士研究生.主要從事水文地質與環境地質的學習與研究.發表論文3篇.

2021-10-21

內蒙古自治區科技計劃項目(2020GG0076);國家自然科學基金資助項目(51969023)

* 責任作者, 副教授, lei_huang@yeah.net