基于GIS和相關(guān)性分析峰峰礦區(qū)巖溶水水化學(xué)特征

賈亞琳 邊 凱 李 沖 白 曉 白峰青

(1. 河北工程大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北省邯鄲市，056038；2.中國煤炭地質(zhì)總局第三水文地質(zhì)隊(duì)，河北省邯鄲市，056038)

地下水化學(xué)成分是特定地質(zhì)環(huán)境下地下水與巖石長(zhǎng)期相互作用的綜合表現(xiàn)。含水層的巖性組合特征、水文地質(zhì)條件(補(bǔ)給、徑流、排泄條件)以及賦存環(huán)境等對(duì)地下水化學(xué)成分的形成產(chǎn)生重要影響。因此，可通過水化學(xué)檢測(cè)資料科學(xué)地分析地下水的賦存環(huán)境、徑流條件、物質(zhì)交換等重要信息。截至目前，許多專家學(xué)者在不同地區(qū)開展了相關(guān)水文地球化學(xué)研究工作，積累了大量寶貴經(jīng)驗(yàn)。

峰峰礦區(qū)是我國典型的華北巖溶大水礦區(qū)，煤礦開采歷史久遠(yuǎn)。奧灰?guī)r溶含水層是邯鄲地區(qū)重要的引用水水源地，也是影響峰峰礦區(qū)下組煤安全開采的重要因素。已有研究成果表明，峰峰礦區(qū)近30年的煤礦開采使得礦區(qū)內(nèi)巖溶水的水化學(xué)特征發(fā)生了較大程度的變化?？紤]到巖溶含水層埋深較大、富水性極不均一、地質(zhì)鉆探成本高且風(fēng)險(xiǎn)大、地球物理勘探精度低等因素的限制，開展深部巖溶地下水水文地球化學(xué)特征對(duì)經(jīng)濟(jì)、有效地揭示含水層水文地質(zhì)特征以及防治下組煤開采過程中可能遇到的水害有著重要的意義。

基于此，此次研究在依據(jù)峰峰礦區(qū)水利局提供的近10年水質(zhì)調(diào)查資料的基礎(chǔ)上結(jié)合前人的研究調(diào)查，利用Arc-GIS、離子相關(guān)性以及比例系數(shù)法等方法對(duì)礦區(qū)的地下水水化學(xué)特征和來源進(jìn)行研究分析。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

峰峰礦區(qū)位于邯鄲市西南部，地處太行山東坡邊緣。礦區(qū)西鄰太行山，東為華北平原。在行政區(qū)劃上隸屬于河北省邯鄲市，北與武安接壤，東南西三面與磁縣為鄰。

礦區(qū)屬溫帶大陸性氣候，以少雨、干旱、多風(fēng)為主要特征。降雨年內(nèi)分布不均，主要集中在7～9月，多年平均降雨量542.01 mm，年最大降雨量1210.8 mm，最小降雨量202.6 mm。多年平均氣溫13℃，年最高氣溫43℃，最低-15.7℃，最大風(fēng)速為21.7 m/s。

1.2 地質(zhì)條件

峰峰礦區(qū)屬半掩蓋區(qū)，基巖多出露在鼓山、九山山區(qū)及邊緣地區(qū)和丘陵地區(qū)的沖溝內(nèi)，出露地層包括震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系，其他地區(qū)則被0～40 m左右的第四系所覆蓋。

礦區(qū)內(nèi)的構(gòu)造類型主要分為斷層和褶皺兩大類，主體構(gòu)造線方向呈NNE～NE展布。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造密集，以NNE及NE走向斷層最為發(fā)育，NWW向次之，NW向僅以小斷裂形式出現(xiàn)。不同走向的斷層相互切錯(cuò)，將區(qū)內(nèi)的煤系分割成若干小型地壘、地塹及階梯狀單斜斷塊組合等構(gòu)造形態(tài)。此外，控制礦區(qū)構(gòu)造格架的大型褶皺為鼓山—紫山背斜。該背斜將礦區(qū)分為東西兩部分，西側(cè)為武安—和村向斜，東側(cè)為SEE向緩傾的單斜構(gòu)造，并在此基礎(chǔ)上發(fā)育極為寬緩的小型褶曲。

1.3 水文地質(zhì)條件

按巖溶水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件進(jìn)行水文地質(zhì)分區(qū)，峰峰礦區(qū)屬于邯邢水文地質(zhì)單元的南單元，即峰峰水文地質(zhì)單元。區(qū)內(nèi)含水層分為第四系含水層、砂巖裂隙含水層、灰?guī)r裂隙含水層以及灰?guī)r巖溶裂隙含水層4類，其中奧陶系巖溶裂隙含水層水量最大。

地下水的主要補(bǔ)給來源是大氣降水和局部地區(qū)溝谷河床滲漏。其中，奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層的大氣降水入滲補(bǔ)給區(qū)主要位于鼓山、九山露頭和西部及西北部巖溶發(fā)育的灰?guī)r裸露區(qū)，除接受地區(qū)降雨入滲補(bǔ)給外，還接受西部、西北部山區(qū)巖溶裂隙地下水的側(cè)向補(bǔ)給。地下水徑流主要受地層產(chǎn)狀、構(gòu)造和地形因素的控制，局部范圍受水動(dòng)力條件的影響，區(qū)域奧灰水總體流向?yàn)樽晕飨驏|或略向東南。此外，排泄方式主要包括泉群自然排泄和人工排泄(礦區(qū)內(nèi)工、農(nóng)業(yè)用水和礦山排水)兩種排泄方式。

圖1 黑龍洞泉域水文地質(zhì)圖

2 樣品采集和檢測(cè)情況

本次試驗(yàn)共采集14組樣品。根據(jù)相關(guān)檢驗(yàn)，其數(shù)據(jù)可靠且采集位置覆蓋全區(qū)具有一定的代表性。采樣點(diǎn)位置分布見圖2，樣品水化學(xué)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖2 采樣點(diǎn)位置分布示意圖

3 地下水化學(xué)特征分析

3.1 水化學(xué)組分特征和分析

3.1.1 水化學(xué)組分檢測(cè)數(shù)據(jù)特征

結(jié)合研究區(qū)水樣化驗(yàn)結(jié)果(表1)分析，巖溶水為中性或偏堿性，pH值在7.45～7.86之間。地下水中陽離子以Ca2+為主，Mg2+次之；陰離子以HCO3-為主，SO42-次之。區(qū)域內(nèi)TDS范圍變化為264.3～806.2 mg/L，總硬度為205.3～574.9 mg/L。

3.1.2 水化學(xué)類型

通過實(shí)例驗(yàn)證劃分研究，基于Arc-GIS中DTM的方法可以很好地反映數(shù)據(jù)在空間上的變化特征以及對(duì)地下水化學(xué)類型進(jìn)行劃分。

表1 研究區(qū)巖溶水樣水化學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 mg/L

備注：pH無單位

利用Arc-GIS中的DTM分析功能利用樣品檢測(cè)結(jié)果對(duì)奧灰含水層水樣點(diǎn)進(jìn)行空間插值計(jì)算，得到研究區(qū)奧灰?guī)r溶水水化學(xué)類型分區(qū)圖，見圖3。由圖3可以看出，研究區(qū)巖溶地下水類型主要為HCO3·SO4-Ca·Mg型水，部分為HCO3·SO4-Ca型水。

根據(jù)以上水化學(xué)組分特征及水化學(xué)類型的劃分分析，水—巖作用是研究區(qū)水化學(xué)成分形成的基礎(chǔ)，地質(zhì)環(huán)境是主控因素。

3.1.3 主要離子含量特征及分析

研究區(qū)巖溶地下水離子含量特征統(tǒng)計(jì)見表2。以2016年巖溶地下水監(jiān)測(cè)結(jié)果為例，利用巖溶水中的主要陰陽離子含量特征(表2)對(duì)巖溶水中的離子含量、敏感因子以及水流系統(tǒng)等進(jìn)行分析。

從表2中可以看出，主要陰離子中HCO3-溶度均值最高，為255.91 mg/L，其次是SO42-，溶度均值為126.63 mg/L，Cl-、NO3-的溶度均值相差不大，分別是31.19 mg/L和19.39 mg/L；陽離子中Ca2+溶度均值明顯高于其他陽離子，為98.15 mg/L，其次是Mg2+溶度均值含量為26.47 mg/L，Na+、K+為21.33 mg/L和1.46 mg/L。由此可見，地下水中Ca2+、SO42-和HCO3-的絕對(duì)含量較大，是地下水中的主要離子。

圖3 基于DTM的奧灰?guī)r溶水化學(xué)類型分區(qū)

從標(biāo)準(zhǔn)偏差來看，陽離子的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于20%，尤以K+偏差最小，為0.51%。因此，各陽離子的含量與其均值相比浮動(dòng)變化很小。而陰離子中SO42-溶度的偏差最大即各樣品中SO42-的溶度與均值相差較大，由此表明局部地區(qū)之間相比徑流條件有所差別。

由變異系數(shù)的角度分析，陰離子中Cl-的變異系數(shù)為54.6%，說明隨著空間變化其含量變化較大，是隨環(huán)境變化的敏感因子。陽離子中Na+變異系數(shù)為53.0%，受環(huán)境因素影響較大。其他離子變異系數(shù)較小，說明其含量隨環(huán)境變化相對(duì)穩(wěn)定。

TDS可以用來指示區(qū)域、局部地下水水流系統(tǒng)發(fā)育狀況。從表2可以看出，TDS含量的偏差程度明顯，即數(shù)據(jù)分散，表明研究區(qū)內(nèi)地下水水流系統(tǒng)較為復(fù)雜，存在局部和區(qū)域巖溶水水流系統(tǒng)混合現(xiàn)象。此外，地下水總硬度的變化與區(qū)域地下水不合理開發(fā)利用有著密切的關(guān)系。區(qū)內(nèi)地下水總硬度的偏差也較大，說明各局部地區(qū)之間的地下水受人類活動(dòng)影響程度有較大差異。

3.2 離子來源判別

地下水化學(xué)成分的形成與組成巖石的礦物成分有著密切的關(guān)系。本次通過綜合分析離子相關(guān)性和比例系數(shù)的方法對(duì)研究區(qū)奧灰?guī)r溶水離子來源進(jìn)行判別。

3.2.1 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析可揭示地下水水化學(xué)組分的相似相異性及來源的一致性和差異性。利用SPSS軟件對(duì)礦區(qū)2016年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析整理，得到表征地下水中各主要陰陽離子之間相關(guān)程度高低的相關(guān)系數(shù)，見表3。由表3可以看出，Ca2+和Cl-、SO42-、HCO3-的相關(guān)性較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)大于0.7；Na+與Cl-、SO42-的相關(guān)性極強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)大于0.9；Mg2+與K+、Cl-、SO42-的相關(guān)性較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)大于0.8，Na+還與Ca2+、Mg2+相關(guān)性較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)大于0.7。

表2 研究區(qū)巖溶地下水離子含量特征統(tǒng)計(jì)表

表3 水樣水化學(xué)參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

另一方面，除NO3-外，地下水中的主要陰陽離子均與TDS之間有較強(qiáng)的相關(guān)性，這也說明了地下水TDS的大小主要取決于水中Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、SO42-、Cl-。

3.2.2 比例系數(shù)法

在地下水流場(chǎng)中，由于地下水中的各化學(xué)組分存在著有機(jī)聯(lián)系，因此可根據(jù)地下水各種組分之間的含量比例系數(shù)來研究某些水文地球化學(xué)問題。

奧陶系灰?guī)r含水層主要由碳酸鹽巖組成，其主要礦物成分由沉積的碳酸鹽礦物(方解石CaCO3、白云石CaMg[CO3]2等)以及少量的石膏(CaSO4)、巖鹽(NaCl)等組成。由此，根據(jù)礦物的化學(xué)組分有針對(duì)性地選取以下比例系數(shù)對(duì)地下水中化學(xué)組分的來源做進(jìn)一步判別。

(1)γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)和γ(Ca2+)/γ(SO42-)等相關(guān)比例系數(shù)。根據(jù)方解石(CaCO3)、白云石(CaMg[CO3]2)、石膏(CaSO4)的溶解反應(yīng)過程，γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)和γ(Ca2+)/γ(SO42-)等相關(guān)比例系數(shù)可以用來確定Ca2+、Mg2+的來源。其中，γ表示離子的毫克當(dāng)量溶度。巖溶水中γ(Ca2++Mg2+)與γ(HCO3-)關(guān)系圖見圖4。

圖4 巖溶水中γ(Ca2++Mg2+)與γ(HCO3-)關(guān)系圖

根據(jù)水化學(xué)組分檢測(cè)結(jié)果來看，地下水中陽離子以Ca2+為主，陰離子以HCO3-為主，因此地下水中化學(xué)反應(yīng)以碳酸鹽巖(方解石、白云石)的溶解為主。綜合上述離子相關(guān)性分析，Ca2+與HCO3-的相關(guān)性(r=0.802)大于Mg2+與HCO3-的相關(guān)性(r=0.598)，但兩者又都小于Ca2++Mg2+和HCO3-的相關(guān)性(r=0.827)。故碳酸巖鹽中方解石溶解多于白云石。

此外，巖溶水中γ(Ca2++Mg2+)與γ(HCO3-+SO42-)、γ(Ca2+)與γ(SO42-)的關(guān)系分別如圖5、6所示。由圖4可知，γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-)中樣品點(diǎn)全部偏離參考線y=x，另一方面結(jié)合相關(guān)系數(shù)分析中Ca2+和SO42-的相關(guān)性(r=0.737)、Mg2+和SO42-的相關(guān)性(r=0.885)均非常明顯。同時(shí)結(jié)合圖5和圖6來看，Ca2+和Mg2+還存在除碳酸巖鹽溶解外與SO42-有關(guān)的水化學(xué)反應(yīng)，其中對(duì)于Ca2+離子而言是石膏的溶解。

圖5 巖溶水中γ(Ca2++Mg2+)與γ(HCO3-+SO42-)關(guān)系圖

圖6 巖溶水中γ(Ca2+)與γ(SO42-)關(guān)系圖

此外，從圖5還可以看出，γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)的值絕大部分處于參考線上方，表明碳酸巖鹽、石膏的溶解不能完全解釋Ca2+、Mg2+的組成。

(2)γ(Na++K+)/γ(SO42-)、γ(Na++K+)/γ(Cl-)相關(guān)系數(shù)。根據(jù)巖鹽的溶解反應(yīng)NaCl=Na++Cl-和KCl=K++Cl-可知，理論上，巖鹽的溶解會(huì)產(chǎn)生等量的Na++K+和Cl-。

巖溶水中γ(Na++K+)與γ(Cl-)、γ(Na++K+)與γ(SO42-)的關(guān)系分別如圖7、8所示，γ(Na++K+)與γ(Cl-)的值嚴(yán)格來說是稍大于1，說明巖鹽溶解并非是Na++K+的單一來源。根據(jù)圖8可以看出，Na++K+與SO42-存在明顯相關(guān)性(r2=0.83646)，推測(cè)地下水中硫酸鹽礦物溶解的Ca2+、Mg2+同含水層礦物中的Na++K+進(jìn)行和置換作用，使得地下水中的Na++K+含量增加。

圖7 巖溶水中γ(Na++K+)與γ(Cl-)關(guān)系圖

圖8 巖溶水中γ(Na++K+)與γ(SO42-)關(guān)系圖

3.2.3 陰陽離子組分與TDS關(guān)系分析

由巖溶水中主要陽離子和陰離子隨TDS含量變化圖見圖9、圖10所示，由圖中可以看出，地下水中主要陽離子的含量隨著TDS的增加而增加。其中Ca2+的含量最大且增加幅度與Mg2+、Na++K+相比較大，即陽離子中Ca2+對(duì)TDS的貢獻(xiàn)最大。因此，巖溶水中發(fā)生的水—巖作用以含Ca2+的礦物溶解為主。

圖9 巖溶水中主要陽離子與TDS的關(guān)系圖

地下水中主要陰離子的含量也隨著TDS的提高而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。其中，相比HCO3-和Cl-平緩的增加幅度，SO42-隨TDS的提高變化幅度最大，說明含有SO42-的礦物溶解速率較大；但HCO3-的含量高于SO42-。因此，水—巖作用以含有HCO3-的礦物溶解為主，并伴有含SO42-和Cl-的礦物溶解作用。

圖10 巖溶水中主要陰離子與TDS的關(guān)系圖

綜合上述特征以及離子相關(guān)性分析，研究區(qū)巖溶水中發(fā)生的水—巖作用以含有Ca2+和HCO3-的礦物為主，即方解石和白云石，并伴有石膏、巖鹽、硫酸鹽的溶解反應(yīng)。

4 結(jié)論

(1)峰峰礦區(qū)奧灰?guī)r溶水為中性或偏堿性，pH值在7.45～7.86之間。研究區(qū)巖溶地下水類型主要為HCO3·SO4-Ca·Mg型水，部分為HCO3·SO4-Ca型水。表明水—巖作用是地下水化學(xué)成分形成的基礎(chǔ)，地質(zhì)環(huán)境是主控因素。

(2)Cl-的變異系數(shù)最大，說明隨著空間變化其含量變化較大，是隨環(huán)境變化的敏感因子。

(3)區(qū)內(nèi)地下水TDS含量的偏差程度明顯，即數(shù)據(jù)分散，表明研究區(qū)內(nèi)地下水水流系統(tǒng)較為復(fù)雜，存在局部和區(qū)域巖溶水水流系統(tǒng)混合現(xiàn)象。

(4)地下水在流動(dòng)過程中發(fā)生的水—巖作用以碳酸鹽巖溶解作用為主，其中方解石的溶解貢獻(xiàn)率大于白云石；此外還伴有石膏、巖鹽、硫酸鹽的溶解反應(yīng)以及陽離子置換作用。