蔚縣礦區(qū)地下水水化學(xué)特征及巖溶水演變規(guī)律

宮萍萍，許超，陳峰，吳濤

（中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘查院，河北邯鄲056004）

蔚縣礦區(qū)地下水水化學(xué)特征及巖溶水演變規(guī)律

宮萍萍，許超，陳峰，吳濤

（中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘查院，河北邯鄲056004）

蔚縣礦區(qū)地處蔚縣七里河泉巖溶水系統(tǒng)的中北部，主采煤層為中侏羅統(tǒng)下花園組1#、5#煤，煤炭資源的開采已破壞了礦區(qū)第四系砂礫石孔隙水、煤系砂礫巖裂隙水及下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水的賦存條件。本文重點對地下水水化學(xué)開展研究，分析地下水中的主要離子含量和水化學(xué)特征，初步探討了20世紀80年代以來巖溶地下水化學(xué)組分的演變規(guī)律。研究結(jié)果表明：礦區(qū)第四系砂礫石孔隙水主要陰離子為HCO3-，含量相對較為穩(wěn)定，陽離子變化幅度均較大；煤系砂礫巖裂隙水中主要離子為K++Na+與HCO3-，含量相對較為穩(wěn)定；下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水中主要離子為K++Na+與HCO3-，K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-變異系數(shù)相對較小，表明它們在巖溶水中的含量相對較為穩(wěn)定。通過相關(guān)分析，下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水K++Na+與TDS成負相關(guān)，Ca2+、Mg2+與TDS成正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)高。第四系孔隙水化學(xué)組分與下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水巖溶水相差較大，且局部受到污染；裂隙水化學(xué)組分與巖溶水相差較小。礦區(qū)巖溶水現(xiàn)階段與1984年相比，水化學(xué)類型趨于多樣化，TDS整體有所升高，水質(zhì)變差。

水質(zhì)分析；相關(guān)分析；演變規(guī)律；蔚縣礦區(qū)

蔚縣礦區(qū)位于河北省張家口市蔚縣西北部，是冀中大型煤炭基地重要煤礦區(qū)，開采歷史悠久，煤炭資源長期開采已對地下水環(huán)境造成了嚴重影響［1］。

煤炭資源的開采破壞了礦區(qū)第四系砂礫石孔隙水、侏羅系中統(tǒng)后城組礫巖裂隙水、侏羅系中下統(tǒng)下花園組砂巖裂隙水及下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水的賦存條件，尤其下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水既是礦區(qū)的主要飲用水及工業(yè)用水資源，又是威脅煤礦安全開采的重要因素，采煤過程的強力疏排已造成了大量的水資源浪費。本研究分析了2014年蔚縣礦區(qū)地下水中的主要離子含量和水化學(xué)特征，重點探討20世紀80年代以來巖溶地下水化學(xué)組分的演變規(guī)律。

1研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

蔚縣礦區(qū)面積為778 km2，地處蔚縣七里河泉巖溶水系統(tǒng)的中北部，地貌形態(tài)復(fù)雜多樣，地形起伏變化較大，地勢西高東低，北高南低［2-3］。屬典型的大陸性氣候，降水主要集中在每年的7～9月，年平均降水量為425 mm。地下水補給以降水入滲為主，排泄以人工開采及煤礦疏排為主。

1.1地質(zhì)條件

蔚縣礦區(qū)大部為第四系覆蓋，西部及北部局部地區(qū)出露侏羅系，并伴有細晶輝長閃長巖侵入。根據(jù)井田鉆孔揭露的地質(zhì)資料，本井田內(nèi)發(fā)育的地層由老至新依次為：古生界寒武系上統(tǒng)（Э3）；奧陶系下統(tǒng)（O1）；中生界侏羅系中下統(tǒng)下花園組（J1-2x），侏羅系中統(tǒng)九龍山組（J2j）、后城組（J2h）及新生界第四系（Q）。其中，奧陶系下統(tǒng)為煤系基底，由灰白色薄層、中厚層灰?guī)r，夾有竹葉狀灰?guī)r組成，巖溶不發(fā)育，厚0～72 m。

侏羅系中下統(tǒng)下花園組為煤系，由灰色中粗粒砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層組成，厚3～229m。下花園組共含煤8層，可采煤層主要為1#、5#、6#煤，目前各煤礦主采煤層為5#煤。蔚縣礦區(qū)可采儲量9.13億t，其中受奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r高壓巖溶水威脅的煤炭資源量達2.07億t?，F(xiàn)礦區(qū)內(nèi)共有生產(chǎn)礦井9處，在建礦井1處。目前，煤炭核定年生產(chǎn)能力為600萬t/a［4-5］。

1.2水文地質(zhì)條件

根據(jù)礦區(qū)內(nèi)鉆孔揭露的地層時代、巖性特征、富水性，自上而下劃分為4個含水層，分別為：第四系砂礫石孔隙含水層、侏羅系中統(tǒng)后城組礫巖裂隙含水層、侏羅系中下統(tǒng)下花園組砂巖裂隙含水層、下奧陶統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。

目前，礦區(qū)內(nèi)各礦井井下涌水構(gòu)成較為復(fù)雜，主要為第四系砂礫石孔隙水、侏羅系中統(tǒng)后城組礫巖裂隙水、侏羅系中下統(tǒng)下花園組砂巖裂隙水。對煤炭開采影響較大的地下水體主要為：第四系砂礫石孔隙水及下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水，其中下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水井下突水事故時有發(fā)生。

第四系砂礫石孔隙含水層：巖性為砂、砂礫石，厚度5～55 m，富水性弱-極強，一般中等—強，單位涌水量為0.007 39～8.455L/（s·m），滲透系數(shù)為0.452～3.38 m/d，水化學(xué)類型為HCO3-Na·Mg型，礦化度441～1555 mg/L。

下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層：巖性為灰白色薄層-中厚層灰?guī)r，巖溶裂隙不發(fā)育，富水性弱—強，單位涌水量為0.0128～3.86 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.00388～14.06 m/d，水化學(xué)類型為HCO3-Na·Ca型，礦化度為514～883 mg/L。

礦區(qū)地下水以大氣降水補給為主，以側(cè)向徑流補給為輔，西北部基巖裸露區(qū)為地下水的主要補給區(qū)，自然條件下地下水徑流方向為由北西流向南東，由于區(qū)域地下水位下降，地下水排泄目前以人工排泄為主。

2采樣及測試方法

2.1采樣及測試

為了研究當(dāng)前第四系砂礫石孔隙水、下花園組砂巖裂隙水及下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水的水化學(xué)特征，分析煤炭開采對地下水的影響，2014年9月，在研究區(qū)內(nèi)共布置了29個地下水取樣點，其中第四系砂礫石孔隙水取樣點17個，下花園組砂巖裂隙水取樣點7個，下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水取樣點5個。共計取樣29組。樣品取樣后及時送交室內(nèi)進行測試分析。

測試項目包括：Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、NO3-，pH值、總?cè)芙夤腆w（TDS）。

2.2數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用了統(tǒng)計分析軟件SPSS17.0對地下水中的主要離子含量進行了統(tǒng)計學(xué)和相關(guān)性分析，同時繪制了下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水TDS與主要離子的相關(guān)分析折線圖（圖1）。

圖1　2014年蔚縣礦區(qū)地下水水化學(xué)三線圖Figure 1 Groundwater hydrochemical trilinear chart of Yuxian mining area 2014

3結(jié)果分析

3.1統(tǒng)計分析

3.1.1第四系砂礫石孔隙水

對研究區(qū)內(nèi)17個取樣點第四系砂礫石孔隙水水樣的有關(guān)化學(xué)參數(shù)進行統(tǒng)計分析，得到地下水主要離子特征，見表1。

從表中可以看出，陽離子K++Na+、Ca2+、Mg2+中K++Na+含量相對較高，平均為107.3835 mg/L；陰離子Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-中HCO3-含量最高，平均值達到374.0276 mg/L，標(biāo)準差為115.8729，兩值均較大，變異系數(shù)較小，反映了其在孔隙水中的絕對含量較高，為地下水中的主要陰離子，NO3-含量最低。所有樣品pH值在7.51～8.25，為弱堿性，K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-的變異系數(shù)均較大，表明其在孔隙水中的含量變化幅度較大，它們是地下水中隨環(huán)境變化的敏感因子。HCO3-變異系數(shù)相對較小，表明它在孔隙水中的含量相對較為穩(wěn)定。

表1　第四系砂礫石孔隙水水化學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計特征值Table 1 Statistical eigenvalue of Quaternary sand gravel pore water hydrochemical parameters

3.1.2煤系砂礫巖裂隙水

對研究區(qū)內(nèi)7個取樣點煤系砂礫巖裂隙水水樣的有關(guān)化學(xué)參數(shù)進行統(tǒng)計分析，得到地下水主要離子特征，見表2。

表2　煤系砂礫巖裂隙水水化學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計特征值Table 2 Statistical eigenvalue of coal measures sandy conglomerate fracture water hydrochemical parameters

從表中可以看出，陽離子K++Na+、Ca2+、Mg2+中K++Na+含量相對較高，平均為72.4429 mg/L，其次為Ca2+，平均為61.79 mg/L；陰離子Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-中HCO3-含量最高，平均值達到291.3386 mg/L，標(biāo)準差為36.2437，兩值均較大，變異系數(shù)較小，反映了其在裂隙水中的絕對含量較高，為地下水中的主要陰離子，NO3-含量最低。所有樣品pH值在7.58～7.94，為弱堿性，Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-的變異系數(shù)均較大，表明其在孔隙水中的含量變化幅度較大，它們是地下水中隨環(huán)境變化的敏感因子。K++ Na+、HCO3-變異系數(shù)相對較小，表明它在裂隙水中的含量相對較為穩(wěn)定。

3.1.3下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水

對研究區(qū)內(nèi)5個取樣點下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水水樣的有關(guān)化學(xué)參數(shù)進行統(tǒng)計分析，得到地下水主要離子特征，見表3。

從表中可以看出，陽離子K++Na+、Ca2+、Mg2+中K++Na+含量相對較高，平均為77.256 mg/L，其次為Ca2+，平均為67.004 mg/L；陰離子Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-中HCO3-含量最高，平均值達到323.37 mg/L，標(biāo)準差為13.7028，變異系數(shù)較小，反映了其在巖溶水中的絕對含量較高，為地下水中的主要陰離子，NO3-含量最低。所有樣品pH值在7.59～8.08，為弱堿性，SO42-、NO3-的變異系數(shù)均較大，表明其在孔隙水中的含量變化幅度較大，它們是地下水中隨環(huán)境變化的敏感因子。K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-變異系數(shù)相對較小，表明它們在巖溶水中的含量相對較為穩(wěn)定。

表3　下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水水化學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計特征值Table 3 Statistical eigenvalue of lower Ordovician limestone karst fracture water hydrochemical parameters

3.2相關(guān)分析

相關(guān)分析可揭示地下水水化學(xué)參數(shù)的相似相異性及地下水來源的一致性和差異性［6］。相關(guān)分析表明，奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水TDS與Ca2+和SO42-相關(guān)性好，R2＞0.95（圖2）。隨著礦化度的增加，地下水滯留時間的增長，Na+開始與含水層中礦物吸附的Ca+、Mg+進行離子交換，導(dǎo)致地下水中的Na+濃度減小，Ca2+、Mg2+濃度增大，因此，K++Na+與TDS成負相關(guān)，Ca2+、Mg2+與TDS成正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)高。

下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶水與煤系砂巖裂隙水相比，巖溶水的TDS值、陽離子K++Na+、Ca2+、Mg2+濃度和陰離子Cl-、SO42-、HCO3-濃度均高于裂隙水，NO3-濃度略低于裂隙水，在國家地下水飲用水標(biāo)準Ⅲ類NO3-濃度≤20 mg/L（GB/T14848-93）之內(nèi)，未出現(xiàn)異常點。

圖2　蔚縣礦區(qū)巖溶水TDS與主要離子成分相關(guān)分析Figure 2 Yuxian mining area karst water TDS and main ion constituents correlation analysis

下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶水與第四系水相比，巖溶水的TDS值、陽離子K++Na+濃度低于第四系水，Ca2+、Mg2+濃度略高于第四系水，陰離子Cl-、HCO3-、NO3-濃度低于第四系水，SO42-濃度明顯高于第四系水，局部地區(qū)第四系NO3-濃度達到了130 mg/L，反映該地區(qū)第四系水受到污染的影響。

3.3下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水水化學(xué)演變規(guī)律

1984年蔚縣礦區(qū)內(nèi)巖溶地下水的水化學(xué)資料有限，共收集到5個地點的化驗測試結(jié)果，而且主要集中在壺流河斷層以北，南留莊一帶，總體顯示，巖溶地下水水質(zhì)優(yōu)良，水化學(xué)類型多為HCO3-Ca·Na、HCO3-Na·Ca·Mg型，TDS小于500 mg/L［7］。

2014年蔚縣礦區(qū)巖溶裂隙水水化學(xué)特征及分布見圖3。由圖可知，陽眷鎮(zhèn)西師家窯村一帶水化學(xué)類型多為SO4·HCO3-Ca·Mg型，礦化度為730 mg/ L左右，其周邊及向東至崔家寨礦、興源礦、南留莊礦西部一帶水化學(xué)類型多為HCO3·SO4-Ca·Mg型，TDS＜1000 mg/L，其他地區(qū)水化學(xué)類型多為HCO3-Na·Ca·Mg型或HCO3-Na·Ca型，TDS多＜1000 mg/ L。

圖3　2014年蔚縣礦區(qū)奧陶系巖溶水水化學(xué)圖Figure 3 2014 Yuxian mining area Ordovician karst water hydrochemical chart

從1984年到2014年兩個時段來看，蔚縣礦區(qū)下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水水化學(xué)類型趨于多樣化，TDS在358～730 mg/L，整體上有所升高，水質(zhì)變差。

4結(jié)論

（1）蔚縣礦區(qū)第四系砂礫石孔隙水主要陰離子為HCO3-，含量相對較為穩(wěn)定，陽離子變化幅度均較大；煤系砂礫巖裂隙水中主要離子為K++Na+與HCO3-，含量相對較為穩(wěn)定；下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水中主要離子為K++Na+與HCO3-，K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-變異系數(shù)相對較小，表明它們在巖溶水中的含量相對較為穩(wěn)定。

（2）通過相關(guān)分析，下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水K++Na+與TDS成負相關(guān)，Ca2+、Mg2+與TDS成正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)高。第四系孔隙水化學(xué)組分與下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙水巖溶水相差較大，且局部受到污染；裂隙水化學(xué)組分與巖溶水相差較小。

（3）現(xiàn)階段蔚縣礦區(qū)下奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶水主要以HCO3-Na·Ca·Mg（Na·Ca）和HCO3·SO4-Ca·Mg型水為主，與1984年相比，水化學(xué)類型趨于多樣化，TDS整體有所升高，水質(zhì)變差。

［1］中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局.冀中能源基地水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查報告［R］.河北邯鄲：中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，2015.

［2］占文峰.河北蔚縣煤田構(gòu)造沉降與構(gòu)造演化分析［J］.中國煤炭地質(zhì)，2009，（9）.

［3］范和平，張新生.河北省蔚縣煤田構(gòu)造特征再認識［J］.中國煤炭地質(zhì)，2006，18（S1）.

［4］王桂臣.蔚縣礦區(qū)北陽莊井田地質(zhì)構(gòu)造分析［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)旬刊，2015，3（8）.

［5］吳順福.北陽莊井田構(gòu)造發(fā)育規(guī)律探析［J］.中國煤炭地質(zhì)，2006，18（4）：22-24.

［6］華興國.四川成都紅層區(qū)淺層地下水水化學(xué)特征分析［J］.地下水，2015，37（1）：26.

［7］開灤礦務(wù)局地質(zhì)勘探隊.蔚縣礦區(qū)專門水文地質(zhì)勘探報告鉆孔抽水試驗綜合成果表［R］.河北唐山：開灤礦務(wù)局地質(zhì)勘探隊，1985.

Ground Water Hydrochemical Features and Karst Water Evolution Pattern in Yuxian Mining Area

Gong Pingping，Xu Chao，Chen Feng and Wu Tao
（Hydrogeological，Engineering Geological and Environment Geological Exploration Institute，CNACG，Handan，Hebei 056004）

The Yuxian mining area is situated in north-central part of the Qilihe springs karst water system.Main mineable coal seams have coal Nos.1 and 5 in middle Jurassic Xiahuayuan Formation.The exploitation of coal resources has destroyed mining area hosting conditions of Quaternary sand gravel pore water，coal measures sandy conglomerate fracture water and lower Ordovician limestone karst fracture water.The paper has focused on groundwater hydrochemical study，analyzed main ion contents and hydrochemical features；initially discussed karst groundwater chemical constituents’evolution since 1980s.The result has shown that mining area Quaternary sand gravel pore water main anion is HCO3-，the content is relatively stable，while content of cations variable.Coal measures sandy conglomerate fracture water main ions have K++Na+and HCO3-，content is relatively stable.Ions in lower Ordovician limestone karst fracture water have mainly K++Na+and HCO3-；variation coefficient of K++Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-and HCO3-is relatively small，indicated their content in karst water is relatively stable.Through the correlation analysis，K++Na+and TDS in lower Ordovician limestone karst fracture water are negatively correlated；while Ca2+，Mg2+and TDS positively correlated with high correlation coefficient.Chemical constituents of Quaternary pore water and lower Ordovician limestone karst fracture water have large difference；while difference between karst fracture water and other fracture water is rather small.Compared to 1984，present stage karst water hydrochemical types in mining area tend to be diversified；TDS has gone up somewhat as a whole，water quality poorer.

water quality analysis；correlation analysis；evolution pattern；Yuxian mining area

P641.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.08.12

1674-1803（2016）08-0058-05

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目——冀中能源基地水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查

宮萍萍（1983—），女，山東威海人，工程師，從事工程地質(zhì)、水文地質(zhì)工作。

2016-03-17

責(zé)任編輯：樊小舟