淮北臨渙礦采煤沉陷區(qū)不同水體水化學(xué)特征及其影響因素

孔令健，姜春露，鄭劉根，程 樺，任夢(mèng)溪，閔飛虎，方劉兵

(安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院礦山環(huán)境修復(fù)與濕地生態(tài)安全協(xié)同創(chuàng)新中心，合肥 230601)

淮北臨渙礦采煤沉陷區(qū)不同水體水化學(xué)特征及其影響因素

孔令健，姜春露，鄭劉根，程 樺，任夢(mèng)溪，閔飛虎，方劉兵

(安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院礦山環(huán)境修復(fù)與濕地生態(tài)安全協(xié)同創(chuàng)新中心，合肥 230601)

采煤沉陷區(qū)；地表水；淺層地下水；水化學(xué)特征；Gibbs圖；因子分析

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭資源大規(guī)模高強(qiáng)度的開(kāi)采形成大面積的采煤沉陷區(qū). 在我國(guó)東部，由于降水較為豐富，加之高潛水位的水文地質(zhì)條件，采煤沉陷區(qū)往往積水，形成人工沉陷水域. 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2015年，僅兩淮礦區(qū)采煤沉陷面積達(dá)508 km2[1]. 近幾年，為配合國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)和安徽省生態(tài)強(qiáng)省戰(zhàn)略的實(shí)施，有研究者提出將采煤沉陷區(qū)打造為“平原水庫(kù)”的設(shè)想[2]. 這樣不僅可以提高地處淮河中段的兩淮地區(qū)的防洪能力，還能解決周邊地區(qū)因降水時(shí)間分配不均造成的干旱缺水問(wèn)題，同時(shí)還能建設(shè)人工濕地公園，發(fā)揮其生態(tài)功能.

要建設(shè)“平原水庫(kù)”，水資源評(píng)價(jià)是首要問(wèn)題，而水化學(xué)特征是水資源評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一. 水體的水化學(xué)組成特征在很大程度上表征水體環(huán)境質(zhì)量狀況、區(qū)域環(huán)境化學(xué)特征、水體元素分布及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律[3]. 水體主要離子是其常量元素的主要存在形式，被廣泛應(yīng)用于識(shí)別水體化學(xué)組成的基本過(guò)程，如流域巖石風(fēng)化、水體蒸發(fā)/結(jié)晶作用、大氣沉降及人為輸入的相互聯(lián)系等[4]. 國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)長(zhǎng)江、黃河、大型湖泊[5-8]等地表主要水體的常量離子組成、來(lái)源及影響因素等開(kāi)展了大量研究. 對(duì)于地下水水化學(xué)特征的研究，主要集中在地下不同含水層水體[9-12]，這些研究為地下含水層水源識(shí)別提供了科學(xué)依據(jù). 近年來(lái)，已有相關(guān)學(xué)者開(kāi)始關(guān)注沉陷區(qū)積水水環(huán)境問(wèn)題. 如孫鵬飛等[13]對(duì)兩淮礦區(qū)沉陷積水水化學(xué)特征及其影響因素進(jìn)行探討，王婷婷等[14]、易齊濤等[15]對(duì)淮南采煤沉陷區(qū)沉陷積水水體富營(yíng)養(yǎng)化等開(kāi)展了研究，鄭劉根等[16]研究了非穩(wěn)沉采煤沉陷區(qū)沉積物-水體界面氮磷分布及遷移轉(zhuǎn)化特征. 雖然前人已對(duì)地下含水層水和采煤沉陷區(qū)地表水開(kāi)展了較多研究，但多數(shù)都是從地下工程水害防治和地表水環(huán)境特征兩個(gè)角度，把地表水和地下水分開(kāi)考慮，二者的綜合考慮較少. 對(duì)于兩淮采煤沉陷區(qū)，由于地下水埋藏淺、水位高，地表水和淺層地下水可能存在較大的水力聯(lián)系，尤其需要把二者綜合起來(lái)研究. 為此，本研究以淮北臨渙礦采煤沉陷區(qū)為研究區(qū)域，采集沉陷積水、地表河(渠)水和淺層地下水進(jìn)行測(cè)試分析，研究不同水體常規(guī)水化學(xué)特征，并探討其主要溶質(zhì)來(lái)源及影響因素，以期為采煤沉陷區(qū)水資源評(píng)價(jià)和“平原水庫(kù)”建設(shè)提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

臨渙礦采煤沉陷區(qū)位于淮北市南部，其中澮河是流經(jīng)該區(qū)的最大河流，自西北向東南流入洪澤湖，夏季7-9月份雨水多，水位上漲，冬季11月份到次年3月份降雨量減小，水位降低. 沉陷區(qū)地表積水主要集中在臨渙工業(yè)園以北，澮河以南，韓村鎮(zhèn)以西(圖1). 沉陷區(qū)積水面積隨沉陷年份逐漸增加. 目前，沉陷區(qū)積水主體部分近似為矩形，東西長(zhǎng)約1.5 km，南北寬約1.0 km，面積約1.5 km2，積水區(qū)域最深達(dá)9.6 m. 沉陷區(qū)東面為粉煤灰場(chǎng)和矸石山，沉陷區(qū)西南方向?yàn)榕R渙工業(yè)園和小型矸石山堆積，北部有香順溝與澮河相連. 該區(qū)屬黃淮海沖積平原，區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，標(biāo)高為26.5～28.5 m.

研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫15.2℃，年平均降水量為842.7 mm，年平均蒸發(fā)量為1045.2 mm. 夏季以東南風(fēng)為主，雨水充足，歷年平均降水量為473.5 mm，超過(guò)全年降水量的一半以上；冬季以西北風(fēng)為主，干燥寒冷，歷年平均降水量為50.7 mm[17].

煤系地層上部普遍沉積了巨厚新生界松散層，從上至下共分為4個(gè)含水層和3個(gè)隔水層. 本次研究采集淺層地下水位于第1含水層，該含水層一般自地表垂深3.0～5.0 m起，底界深度為27.9～42.8 m，主要由細(xì)砂夾薄層砂質(zhì)黏土組成，有砂層3～7層，總厚度一般在20.0 m左右，分布穩(wěn)定. 第4含水層直接覆蓋在煤層之上，第3隔水層厚度分布穩(wěn)定, 有效地阻隔了1、2、3含水層與下伏各含水層的水力聯(lián)系[17].

1.2 樣品采集與測(cè)試

本研究結(jié)合水文條件和季節(jié)變化，分別于2015年4月(平水期)、7月(豐水期)，2016年1月(枯水期)，在淮北市臨渙礦采煤沉陷區(qū)各布置了27個(gè)采樣點(diǎn)(包括10個(gè)地表水和17個(gè)地下水)(圖1). 地表水采集澮河河水(采樣點(diǎn)S1～S4)、香順溝水(采樣點(diǎn)S5～S7)和沉陷區(qū)積水(采樣點(diǎn)S8～S10)；地下水采集第一含水層水(采樣點(diǎn)D1～D17)，取樣點(diǎn)來(lái)自居民長(zhǎng)期使用的壓水井，埋深為10～20 m. 地下水采樣點(diǎn)選取地表水附近以及沉陷區(qū)其他區(qū)域，依據(jù)地下水系統(tǒng)特征和交通條件確定，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，以期反映研究區(qū)不同位置地下水特點(diǎn). 所有樣品取樣均采用500 ml高密度聚乙烯塑料瓶，預(yù)先用原水反復(fù)沖洗樣瓶，并于0～4℃保存水樣.

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

統(tǒng)計(jì)地表水和地下水不同季節(jié)各離子指標(biāo)的最小值、最大值和平均值，地下水和地表水Piper三線圖、Gibbs圖分別采用AquaChem 3.7和Origin 8.5繪制，離子來(lái)源解析采用SPSS 19.0中“因子分析”模塊進(jìn)行.

圖1 臨渙礦采煤沉陷區(qū)地表水和地下水采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of surface water and groundwater sampling sites in the Linhuan coal mining subsidence area

2 結(jié)果與討論

經(jīng)實(shí)地考察和研究發(fā)現(xiàn)，沉陷區(qū)積水和地表河(渠)水為連通水域，水化學(xué)組成及離子質(zhì)量濃度無(wú)明顯差異，因此放在一起合稱為地表水，與淺層地下水對(duì)比分析.

2.1 水化學(xué)特征分析

表1 采煤沉陷區(qū)不同時(shí)期地表水水化學(xué)統(tǒng)計(jì)特征(mg/L)

表2 采煤沉陷區(qū)不同時(shí)期地下水水化學(xué)統(tǒng)計(jì)特征(mg/L)

圖2 不同時(shí)期地表水和地下水Piper三線圖Fig.2 Piper diagrams in different periods of surface water and groundwater

水化學(xué)組成反映了該區(qū)域水文地質(zhì)條件與生態(tài)環(huán)境的相關(guān)特征. 從水化學(xué)主要離子質(zhì)量濃度和Piper三線圖中地表水和地下水的離子組成來(lái)看，地表水(澮河水、香順溝水及沉陷積水)和地下水水化學(xué)特征差異較大，地表水與周邊地下水水力聯(lián)系不明顯. 造成地表水與淺層地下水水化學(xué)特征差異較大的原因分析如下：(1)地表沉陷并未改變?cè)斜韺油恋慕M成，因此沉陷積水區(qū)底部仍為黏土、砂質(zhì)黏土組成[17]；澮河河床也由黏土、淤泥質(zhì)黏土組成，二者均具有一定的隔水作用，影響地表水和淺層地下水之間的聯(lián)系. (2)研究區(qū)9個(gè)地下水位高程為22.6～25.8 m，地下水水力梯度平緩，徑流較弱；另外，沉陷區(qū)積水作為臨渙水廠取水源，水位高程常年控制在24.2 m，澮河臨渙段受臨渙閘控制，水位一般在24.6 m左右，地表水與地下水水位差較小，導(dǎo)致二者之間循環(huán)交替速度緩慢. (3)經(jīng)調(diào)查，沉陷區(qū)積水總蓄水量為4.2×106m3，臨渙水廠對(duì)沉陷區(qū)積水年取水量為1.2×107～1.5×107m3[1]，沉陷區(qū)積水受澮河河水和大氣降水補(bǔ)給，更新速度快，因此與地下水水力聯(lián)系程度變?nèi)?

2.2 水化學(xué)特征形成原因

圖3 采煤沉陷區(qū)不同時(shí)期水化學(xué)吉布斯分布模式Fig.3 Plots of the major ions within the Gibbs boomerang envelope for surface water and shallow groundwater in different periods in the coal mining subsidence area

2.2.2 水化學(xué)因子分析 按豐水期、平水期、枯水期對(duì)離子質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)和Bartlett球形度檢驗(yàn)，3個(gè)時(shí)期地表水和地下水的KMO統(tǒng)計(jì)均值分別為0.85和0.79，均大于0.50，Bartlett球形度檢驗(yàn)概率均為0，表明在99%的置信區(qū)間內(nèi)顯著相關(guān). 因此，數(shù)據(jù)適合作因子分析. 因子分析中抽取方法選擇主成分法，采用Varimax(最大正交旋轉(zhuǎn)法)對(duì)因子載荷進(jìn)行旋轉(zhuǎn). 本研究的旋轉(zhuǎn)載荷矩陣和貢獻(xiàn)率見(jiàn)表3、4.

表3 采煤沉陷區(qū)地表水水化學(xué)因子分析的旋轉(zhuǎn)載荷矩陣和貢獻(xiàn)率

F1、F2、F3分別表示第1、2、3因子；*表示變量的旋轉(zhuǎn)公因子載荷值<0.5，下同.

表4 采煤沉陷區(qū)地下水水化學(xué)因子分析的旋轉(zhuǎn)載荷矩陣和貢獻(xiàn)率

綜上所述，地表水和淺層地下水離子組成反映出該區(qū)域地質(zhì)條件和氣候的特點(diǎn)，大氣降水為主要補(bǔ)給來(lái)源. 地表水離子組成來(lái)源主要為巖石風(fēng)化和水巖相互作用，表現(xiàn)出受蒸發(fā)作用及采煤活動(dòng)影響的特征；淺層地下水離子組成主要來(lái)自于碳酸鹽巖等巖石風(fēng)化作用，表現(xiàn)出受水體中易溶鹽以及人類活動(dòng)影響的特點(diǎn).

3 結(jié)論

1)臨渙礦采煤沉陷區(qū)地表水體礦化度較高，地表水豐水期、平水期、枯水期TDS平均質(zhì)量濃度分別為1170.6、1301.5和1562.9 mg/L，是地下水的3倍左右，其主要原因是蒸發(fā)作用以及工、農(nóng)業(yè)用水的影響.

3)因子分析結(jié)果顯示，地表水和淺層地下水相互補(bǔ)給較弱，二者主要離子來(lái)源為水巖相互作用產(chǎn)生的溶蝕作用，均體現(xiàn)出受大氣降水補(bǔ)給的特點(diǎn). 地表水離子組成受蒸發(fā)作用、地表徑流以及采煤活動(dòng)等因素影響，淺層地下水主要受水體易溶鹽的影響.

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Characters of hydrochemistry and their influenced factors of different waters in the Linhuan coal mining subsidence area of Huaibei City

KONG Lingjian, JIANG Chunlu**, ZHENG Liugen, CHENG Hua, REN Mengxi, MIN Feihu & FANG Liubing

(CollaborativeInnovationCenterforMinesEnvironmentalRemediationandWetlandEcologicalSecurity,SchoolofResourceandEnvironmentEngineering,AnhuiUniversity,Hefei230601,P.R.China)

Coal mining subsidence area; surface water; shallow groundwater; characters of hydrochemistry; Gibbs graph; factor analysis

安徽省國(guó)土資源科技項(xiàng)目(2013-K-07)、安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1408085QD70)和安徽省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2014A018)聯(lián)合資助. 2016-08-23收稿；2016-11-16收修改稿. 孔令健(1990～), 男, 碩士； E-mail: timingkong@163.com.

; E-mail: cumtclj@cumt.edu.cn.

DOI 10.18307/2017.0513