河南永城市日月湖治理區(qū)水化學和氘氧同位素特征

韓國童，李再興，楊盼瑞

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，河南 鄭州 450000；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院，河南 鄭州 450006；3.中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢 430074)

河南永城屬于永夏煤田礦區(qū)范圍內(nèi)，由于多年地下采煤活動造成地面塌陷等地質(zhì)環(huán)境問題，地面塌陷后形成積水，不僅破壞農(nóng)田和房屋，塌陷區(qū)范圍的生態(tài)系統(tǒng)也遭到破壞，造成了一定的經(jīng)濟和環(huán)境損失。日月湖生態(tài)景區(qū)是永成礦山環(huán)境綜合治理的重要成果，治理區(qū)形成的水域景觀、生態(tài)綠地、建設(shè)用地及高效農(nóng)業(yè)用地對于改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境具有重要的意義。但治理工程在給永城市人民帶來優(yōu)美生態(tài)環(huán)境的同時，也導致研究治理區(qū)地形、微地貌、水文及水文地質(zhì)條件發(fā)生了變化[1]，如開挖后淺層地下水直接出露地表形成湖水，人造湖主要靠淺層地下水補給，淺層地下水與區(qū)內(nèi)的地表水(沱河)關(guān)系復(fù)雜，開挖后沱河與地下水、湖水的關(guān)系直接決定了人造湖的水量水質(zhì)以及周邊靠地下水涵養(yǎng)的生態(tài)系統(tǒng)。研究日月湖生態(tài)景區(qū)各種水體的水化學[2-3]及氘氧同位素特征[4-7]，及其反映水質(zhì)變化趨勢和補給條件對于永城地區(qū)的水資源利用及水環(huán)境生態(tài)保護具有重要的指導意義[8]。

1 研究區(qū)概況

永城市位于河南省最東部，地處河南和與安徽兩省交界處，屬于黃淮平原地區(qū)，地形平緩且開闊，平均海拔31.9 m，地勢呈現(xiàn)西北略高東南略低的態(tài)勢，高差僅9 m。東北方向的芒碭山群為永城的最高峰，主峰高度159 m，其余基本為平原地區(qū)(圖1)。

圖1 區(qū)域地貌及水系發(fā)育圖

治理區(qū)位于永城東城區(qū)和西城區(qū)之間，屬于永夏煤田永城礦區(qū)范圍內(nèi)，由于地下采煤活動強烈，地表自然環(huán)境破壞嚴重，其中最典型的地質(zhì)災(zāi)害類型就是地面塌陷。目前，研究區(qū)塌陷區(qū)域中心深度為0.5～4 m不等，平均為2.25 m，地面標高多為29～31 m。

研究區(qū)為暖溫帶半濕潤季風氣候，一般春旱秋雨，夏熱冬寒，干濕明顯，四季分明。降水量年際變幅大，年內(nèi)分配不均，降水量多年平均為836.3 mm，年最小降水量為235.4 mm，年最大降水量為1 518.6 mm。蒸發(fā)量多年平均為1 656.1 mm，年最大蒸發(fā)量為2 087 mm，最小蒸發(fā)量為1 349.1 mm。

研究區(qū)內(nèi)水系發(fā)育較好，溝渠縱橫，區(qū)內(nèi)主要河流為沱河，由西北流向東南，屬淮河水系，河床深度5 m左右。沱河補給來源主要為大氣降水，其流量隨季節(jié)性變化較大，在汛期對地下水有少量的補給，河流最高水位標高34.79 m(1963年)，最大流量671 m3/s(1982年)，最低水位27.64 m(1882年)，常年流量2～3 m3/s。

本區(qū)地層屬于華北地層區(qū)魯西分區(qū)徐州小區(qū)，根據(jù)鉆孔揭露資料，區(qū)域地層主要有：中奧陶統(tǒng)(O2)、中上石炭統(tǒng)(C2、C3)、二疊系(P)、新近系(N)和第四系(Q)地層，整個研究區(qū)地表為第四系松散地層覆蓋，其中更新統(tǒng)(Qp)巖性以淺黃、灰黃、灰色、棕褐色亞粘土、粘土為主，夾有亞砂土、粉細砂層。屬河流沖積相沉積，結(jié)構(gòu)松散。上部夾有3～4層粉細砂，厚20～30 m，中部2～3層細砂，厚10～20 m，下部含有鈣質(zhì)結(jié)核，厚度120～140 m。全新統(tǒng)(Qh)巖性上部為淺黃、淺灰黃色亞砂土、亞粘土，局部見淺灰、灰黑色淤泥質(zhì)亞粘土及粉砂層；下部為淺黃、淺灰色粉砂、細砂、中砂，屬河流相沉積，具上細下粗的“二元結(jié)構(gòu)”特征，厚度15～20 m。

2 水文地質(zhì)條件

區(qū)域地下水主要類型有第四系全新統(tǒng)淺層孔隙水、第四系更新統(tǒng)及新近系深部孔隙承壓水、二疊系砂巖裂隙承壓水、太原組灰?guī)r裂隙巖溶承壓水。其中淺部第四系含水層直接接受大氣降水的入滲補給，在干旱季節(jié)亦接受地表水體的少量補給；下部第四系更新統(tǒng)及新近系砂粒含水層則主要接受側(cè)向徑流補給，亦會接受上部全新統(tǒng)沖積含水層的下滲補給，其補給量隨著含水層埋深增加逐漸減少。孔隙地下水主要依地勢自西北向東南方徑流，徑流條件和水交替的速度自淺入深逐漸減弱。頂部第四系淺層水排泄方式為生活和農(nóng)業(yè)灌溉開采、豐水季節(jié)亦有部分地下水排入地表水、蒸發(fā)排泄等；深層孔隙承壓水除少部分為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)抽排外，大部分自西北向東南徑流排出界外。下部二疊系砂巖裂隙水、太原組灰?guī)r裂隙水主要補給源為上覆孔隙水的垂向下滲補給，但補給量較弱。各含水層地下水主要沿斷層裂隙帶向各主要可采煤層的頂?shù)装辶严逗畬訌搅?，徑流方向?fù)雜，徑流條件微弱。砂巖裂隙水大部分通過可采煤層的頂?shù)装逯苯映渌畬优湃肟拥?，亦有少量地下水?cè)向徑流出界外。井下大量排泄灰?guī)r巖溶裂隙水，各礦井下大量疏排是灰?guī)r巖溶裂隙水的主要排泄途徑。

日月湖治理區(qū)表層土壤為粉質(zhì)粘土，厚度約0～4 m；下伏粘土，厚度約2～5 m；粘土下部為粉砂土，厚度為4～18 m。淺層地下水主要賦存在第四系全新統(tǒng)孔隙潛水含水層中，含水層以粉細砂為主，厚度1.2～19.59 m，平均8.27 m，呈北西～南東向帶狀分布，單層厚度變化大，分布不穩(wěn)定，在治理區(qū)呈現(xiàn)中間厚、向東、西兩側(cè)逐漸變薄，具明顯的似曲流沙壩特征，剖面上為似透鏡狀。隔水層為致密的粘性土、夾亞砂土，與砂層交互沉積。底部粘性土厚度為1.1～44.24 m，平均為12.56 m，與下部含水層相隔。開挖的湖底深約5～6 m，大部分開挖到第二層粘性土層，少部分開挖到粉質(zhì)粘土，個別地方直接揭露粉砂含水層(圖2和圖3)。淺層地下水水位標高為27.05～29.99 m，地下水位埋深1～4 m，含水層參數(shù)：q=1.58～2.55 L/s·m，k=6.36～11.88 m/d，富水性較強。

圖2 日月湖治理區(qū)東西向水文地質(zhì)剖面圖

圖3 日月湖治理區(qū)南北向水文地質(zhì)剖面圖

淺層地下水直接受大氣降水補給，與沱河互為補排關(guān)系，平水期與枯水期時地表水受到淺層地下水的補給，在洪水期地下水受到地表水的補給。地下水循環(huán)交替條件好，動態(tài)受季節(jié)影響變化明顯，水位年變化幅度2.22～2.67m，動態(tài)變化幅度較大。由于變化幅度受到大氣降水的直接影響，且近年干旱天氣偏多，地下水位呈明顯的下降趨勢。地下水除了向河流排泄外，主要以蒸發(fā)排泄及少量人工開采排泄為主。人工湖主要開挖到粘土或粉質(zhì)粘土，地下水從透水性較強的下伏粉砂土向透水性較弱的粘土及粉質(zhì)粘土進行滲透，出露地表形成人工湖，開挖后的湖底全部位于下伏粉砂土層之上。日月湖的補給來源為大氣降水和地下水補給，排泄以蒸發(fā)排泄為主。

3 水化學特征

為了解研究區(qū)淺層地下水及地表水水化學特征，分別采集淺層地下水水樣8個、湖水樣和沱河水樣各3個，共計14個水樣。淺層地下水主要采自日月湖周邊機井，井深在20 m以內(nèi)。具體的取樣點分布位置如圖4。

圖4 永城日月湖景區(qū)采樣點分布圖

取樣過程中現(xiàn)場測試溫度、pH和HCO3-濃度，水樣取回后做水質(zhì)簡分析和氘氧同位素分析測試。水質(zhì)簡分析測試儀器采用的是高效液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用儀(AGILENT 1200 HPLC6460A)，測試指標包括陰離子：F-、Cl-、NO2-、Br-、NO3-、SO42-、HCO3-；陽離子測試的指標包括：Na++K+、Ca2+、Mg2+。氘氧同位素分析測試采用的儀器是氣體穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀MAT253。

根據(jù)水化學分析測試結(jié)果(表1)可知，三種水體中，湖水pH值最低，其pH范圍是5.40～6.56，說明湖水呈酸性；沱河水除一個水樣的pH值是6.80，呈弱酸性，其他2個水樣的pH值分別為7.69和7.96，呈弱堿性。8個淺層地下水的PH值范圍為7.07～7.35，均為弱堿性。日月湖湖水之所以呈現(xiàn)弱酸性，是由于日月湖位于礦區(qū)采煤塌陷區(qū)的中心，受煤礦開采影響，深部的酸性礦井水與塌陷區(qū)的地表水有一定的水力聯(lián)系，從而導致湖水呈弱酸性[9-10]。

表1 研究區(qū)各種水體代表性取樣點的水化學測試結(jié)果

選取不同水樣中主要離子的平均含量及平均TDS值做柱狀對比圖(圖5)，在圖中比較三種水樣的礦化度可以發(fā)現(xiàn)：湖水礦化度最低，三個水樣的礦化度范圍為474～647 mg/L。，平均值為544 mg/L；河水中TDS最高，TDS范圍為1 160～1 110 mg/L，平均為1 143 mg/L；淺層地下水的礦化度介于二者之間，除一個水樣的TDS為1 090 mg/L外，其他7個水樣的礦化度為590～775 mg/L，平均值為782 mg/L。究其原因，湖水由于是人工開挖導致地下水出露地表所形成的，地下水和湖水水力聯(lián)系密切，且湖水水域面積較大，與外界直接溝通，水交替作用較快，故TDS較低；相比而言，淺層地下水埋藏地下，水循環(huán)路徑長，循環(huán)交替慢些，因此TDS比湖水高；對于河水，由于周邊地下水向河流排泄，加上河水受到人為因素影響和蒸發(fā)作用影響大，導致其陰陽離子總量較高，三種水樣類型中TDS最高。隨著湖水長期出露地表，必然像河水一樣受蒸發(fā)作用和人為作用影響較大，礦化度會逐漸增加，如果保護不力，水質(zhì)也會有惡化的趨勢[11]。

圖5 三種水樣主要陰陽離子含量及TDS柱狀對比圖

根據(jù)水化學分析測試結(jié)果繪制PIPER三線圖(圖6)。從圖中可以看出，湖水的各離子含量在三種水樣中最低，其水化學類型均為HCO3-SO4-Na(Mg)型；河水中SO42-含量較高，接近HCO3-含量，水化學類型為SO4-HCO3-Na型或HCO3-SO4-Cl-Na型；淺層地下水中HCO3-含量最高，SO42-含量較低，和湖水接近，水化學類型大多數(shù)為HCO3-Na(Mg)型，其中YC-10G和YC-13G水樣中Cl-含量較高，水化學類型為HCO3-Cl-Na(Mg)型。兩采樣點均位于居民點旁，Cl-濃度高可能是由于人為污染。

圖6 采樣點水化學分析PIPER三線圖

由于研究區(qū)位于采煤塌陷區(qū)，煤系地層中含有很多黃鐵礦，因此三種水體中均含有一定量的SO42-。河水SO42-濃度最高，主要原因是煤礦開采后的含硫廢渣隨降雨淋濾進入河水中。沱河水樣20S位于小青溝南端交叉口，水樣中NO3-含量異常，原因為該處為居民生活垃圾堆放點，受此影響NO3-濃度較大。

分析研究區(qū)前人的水化學資料，該區(qū)淺層地下水水化學類型2012年為HCO3-Ca型，2014年為HCO3-Ca-Mg型，2016年為HCO3-Na-Mg型；從礦化度來看，2012年所測樣品平均值為474 mg/L，2014年為565 mg/L，2016年為782 mg/L。從時間尺度上看，TDS不斷增大，濃縮作用增強。原因是礦區(qū)開采導致地面塌陷，淺層地下水相對抬升，蒸發(fā)濃縮作用加強，故礦化度逐年增加。湖水的重要補給來源為地下水，且二者在水化學類型上較相似，地下水水質(zhì)的動態(tài)變化勢必會影響湖水，使得湖水的TDS也可能逐年升高。另外，湖水是開挖導致淺層地下水直接出露，湖水蒸發(fā)濃縮作用相比淺層地下水更強，勢必導致湖水的礦化度會有逐年增加的趨勢。因此對各水體類型的水化學特征進行動態(tài)監(jiān)測，對于該區(qū)水環(huán)境管理與保護具有重要意義。

4 氘氧同位素特征分析

本次共選取7組水樣進行氘氧同位素測試，其中含5個淺層地下水水樣、1個河水水樣和1個湖水水樣。為了減少誤差，為每個水樣設(shè)置了平行樣，即有14個水樣的氘氧同位素測試結(jié)果，如表2所示。為了分析地下水的補給來源，選取離永城較近且氣候條件類似的鄭州地區(qū)大氣降水線方程來分析不同水體與大氣降雨的關(guān)系[12-13]。由于取樣在秋季，將在野外測得各水樣點的氘氧含量與秋季降水線方程δD=5.827δ18O-9.306 (R2=0.919)進行比較發(fā)現(xiàn)：地下水和河水樣的氘氧值落在大氣降水線附近，說明河水(沱河)和淺層地下水的補給來源均來自大氣降水。

表2 氘氧同位素測試結(jié)果

由于大氣降水的氘氧同位素具有高程效應(yīng)，δD和δ18O會隨著高度的增加而逐漸降低，加速了水汽冷凝成雨和同位素的分餾，減少了雨滴的蒸發(fā)[14-15]。因此利用水體中的氘氧同位素可推測水體的補給來源。

從圖7中可以看出：湖水的穩(wěn)定同位素與河水、地下水明顯不同，其同位素組成最為富集，說明湖水以蒸發(fā)排泄為主，蒸發(fā)濃縮作用使得重同位素發(fā)生富集；地下水和河水相似，代表了大氣降水的來源；河水代表了區(qū)域大氣降水的平均同位素組成，而地下水隨著水巖相互作用尤其是溶濾作用的不斷發(fā)生，使得同位素組成比較貧化，代表了河流上游更遠山區(qū)的補給。

圖7 湖水、河水和地下水三種水體及區(qū)域大氣降水的氘氧同位素關(guān)系圖

結(jié)合實際的水文地質(zhì)條件分析，開挖后湖水主要是淺層地下水直接出露地表，在一定條件下，蒸發(fā)作用強烈。河水氘氧同位素與降水和地下水比較接近，其補給來源為大氣降水和淺層地下水。地下水除接受大氣降水補給及雨季受河水補給外，還接受區(qū)域較高處的側(cè)向徑流補給，既有近源補給，也有遠源較高處的補給。

5 結(jié)語

本文對日月湖治理區(qū)的湖水、河水和淺層地下水的水化學和氘氧同位素特征進行分析，得出以下結(jié)論：

湖水偏酸性，其水化學類型為HCO3-SO4-Na(Mg)型，TDS值最低；沱河水以SO4-HCO3-Na型為主，TDS最高；淺層地下水的水化學類型為HCO3-Na-Mg型或HCO3-Mg-Na型，TDS略高于湖水，介于湖水和沱河水之間。

日月湖為開挖后地下水出露地表所形成的人工湖，由于補給排泄條件好，水域面積大，TDS較低。淺層地下水的位置較淺，水循環(huán)交替條件好，多形成中等TDS的重碳酸型水，湖水和地下水的水化學類型更接近，說明淺層地下水是湖水的重要補給來源。沱河水長時間暴露于地表，隨著時間的延續(xù)，受人為影響及蒸發(fā)作用強烈，TDS不斷增大。且由于研究區(qū)位于采煤區(qū)，含硫礦物經(jīng)溶濾作用行程硫酸鹽礦物進入地表水中，使得河水中SO42-含量高。參考前人的水化學資料，淺層地下水的TDS隨時間呈增大趨勢。

不同水體的氘氧同位素的分析結(jié)果說明，湖水受蒸發(fā)作用影響同位素富集；河水氘氧同位素與降水和地下水比較接近，其補給來源為大氣降水和地下水；地下水除接受大氣降水補給及雨季受河水補給外，還接受區(qū)域較高處的側(cè)向徑流補給，既有近源補給，也有遠源補給。