采煤驅(qū)動(dòng)下神東礦區(qū)地下水化學(xué)特征及成因

侯澤明,黃 磊*,韓 萱,許 磊,李鋼柱,劉志強(qiáng) ,張圣微,2

采煤驅(qū)動(dòng)下神東礦區(qū)地下水化學(xué)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(qiáng)1,張圣微1,2

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

為查明神東礦區(qū)地下水化學(xué)特征,使用Piper三線圖、Gibbs圖、主成分分析法、改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法等對(duì)23個(gè)地下水水樣進(jìn)行分析.結(jié)果表明,研究區(qū)地下水呈弱堿性,化學(xué)類型從上游HCO3--Na+為主導(dǎo)型,逐漸過(guò)渡為下游HCO3-·SO42--Na+·Ca2+主導(dǎo)、Cl--K+·Na+、F--K+·Na+等多種類型共同存在.地下水化學(xué)類型主要受蒸發(fā)濃縮和巖石風(fēng)化控制,HCO3-主要來(lái)源于碳酸鹽的溶解,Ca2+、Mg2+主要來(lái)源于硫酸鹽巖的溶解,Cl-來(lái)源于巖鹽的溶解和生活用水的污染,SO42來(lái)源于巖鹽溶解,NO3-主要來(lái)源于生活用水和人畜排便.整體水質(zhì)良好,個(gè)別地區(qū)存在一定程度的離子富集現(xiàn)象.研究成果可為當(dāng)?shù)厮Y源的高效利用,生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與恢復(fù)提供理論支撐與參考.

采煤驅(qū)動(dòng)；主成分分析；水化學(xué)特征；地下水類型；離子富集

神東礦區(qū)于內(nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗西南部,是我國(guó)主要的能源基地之一,主要流域?yàn)闉跆m木倫河,該流域是黃河流域重要的生態(tài)屏障.隨著煤礦資源過(guò)度開(kāi)發(fā),水資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化等因素已經(jīng)成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的突出問(wèn)題.如何將社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)相統(tǒng)一,高效合理的利用水資源,對(duì)我國(guó)西北地區(qū)的眾多能源基地有著極其重要的實(shí)際意義.

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同流域的地下水化學(xué)時(shí)空特征及環(huán)境影響因素進(jìn)行了研究,如內(nèi)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(xué)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(tài)與環(huán)境之間的相互作用機(jī)制[6].水化學(xué)組分特征是水體長(zhǎng)期與環(huán)境相互作用產(chǎn)生的結(jié)果[7],不同環(huán)境下產(chǎn)生的結(jié)果不同,利用這一特點(diǎn)有助于了解地下水水質(zhì)的成因、現(xiàn)狀和未來(lái)情況[8-11].目前對(duì)烏蘭木倫河流域的水化學(xué)研究多集中于對(duì)流域旱期徑流量、生態(tài)保護(hù)、富水性評(píng)價(jià)、氣候研究,而對(duì)地下水化學(xué)組分特征的研究相對(duì)較少,尤其缺乏對(duì)采煤驅(qū)動(dòng)下地下水化學(xué)特征的空間分布與演化規(guī)律的深入研究.

因此,本文采用對(duì)神東礦區(qū)水化學(xué)特征的空間分布與演變規(guī)律的方法進(jìn)行研究,旨在以神東礦區(qū)為窗口,揭示在采動(dòng)作用下烏蘭木倫河流域的地下水化學(xué)特征及演變規(guī)律,為該地區(qū)水資源合理開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

神東礦區(qū)(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(qū),無(wú)明顯的山地,地勢(shì)相對(duì)平坦,基本呈西高東低之勢(shì).貫穿礦區(qū)的主要河流為烏蘭木倫河,全長(zhǎng)132.5km,流域面積3837km2,海拔高度1015～ 1190m.處于干旱半干旱地區(qū),平均降雨量396.8mm,年蒸發(fā)量2772mm,降水少,蒸發(fā)量大,地下水主要來(lái)源于為大氣降水的滲入,因此區(qū)內(nèi)地下水比較貧乏,基巖淺層地下水徑流方向?yàn)槲鞅?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(jì)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(qū)概況

1.2 樣品處理與分析

表1 水樣測(cè)試結(jié)果(mg/L)

根據(jù)烏蘭木倫河水系特征和水文資料,于2020年8月進(jìn)行采樣,樣品的采取和處理過(guò)程均嚴(yán)格遵循《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范HJ/T164-2004》[13],以烏蘭木倫河及其支流河網(wǎng)為網(wǎng)格,進(jìn)行網(wǎng)格狀采樣,共有地下水采樣點(diǎn)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(nèi)蒙古環(huán)境科學(xué)研究所進(jìn)行測(cè)定.其中碳酸根和碳酸氫根采用酸堿滴定法進(jìn)行測(cè)定并分析12項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo):K+、Ca2+、Na+、Mg2+、SO42-、HCO3-、CO32-、NO3-、Cl-、TDS、TH、pH值.陽(yáng)離子采用瑞士萬(wàn)通940高壓分析型離子色譜儀進(jìn)行了測(cè)定;陰離子采用美國(guó)安捷倫ICP-MS7800型電感耦合等離子質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)定;pH值通過(guò)德國(guó)賽多利斯PB-21酸度儀進(jìn)行測(cè)定;陰、陽(yáng)離子最小監(jiān)測(cè)濃度分別為0.0002ug/L、1.7×10-6mg/L,根據(jù)陰、陽(yáng)離子平衡法,其相對(duì)誤差在±5%區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)可信[14-16],水樣測(cè)試結(jié)果如表1所示.

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

對(duì)各個(gè)化學(xué)組分進(jìn)行主成分分析[17]、相關(guān)性分析[18-19],同時(shí)進(jìn)行離子比分析[20]、Gibbs圖及Piper三線圖分析[21],繪制各化學(xué)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(xué)組分含量以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB T 14848-2017[22]為標(biāo)準(zhǔn)(選取地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水為標(biāo)準(zhǔn)值),各組分所占權(quán)重使用改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià),該方法[23-24]通過(guò)引入權(quán)重的概念,在一定程度上消除極大值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,

其計(jì)算公式如下:

式中:N為第項(xiàng)影響因子的污染指數(shù);C為第項(xiàng)影響因子的實(shí)測(cè)含量;0為第項(xiàng)影響因子的標(biāo)準(zhǔn)值;max為各類影響因子在水樣測(cè)試中獲得的最大值;W為各類影響因子的權(quán)重值;為影響因子數(shù).各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

由表2可知:Na+、NO3、Ca2+、HCO3-、Cl-這5種離子所占權(quán)重較大,說(shuō)明水質(zhì)受這5種離子的影響程度較大,其中Na+的權(quán)重值最高為0.1664,說(shuō)明水質(zhì)受Na+的影響程度最大,計(jì)算下面的得分值時(shí),應(yīng)重點(diǎn)考慮Na+帶來(lái)的影響.

表2 各測(cè)試指標(biāo)的權(quán)重

計(jì)算公式如下:

表3 各采樣點(diǎn)得分

根據(jù)得分值將采樣點(diǎn)水質(zhì)劃分為I-V類,當(dāng)<0.59時(shí),水質(zhì)極好(I);當(dāng)0.59<<0.75時(shí),水質(zhì)較好(II);當(dāng)0.75<<1時(shí),水質(zhì)一般(III);當(dāng)1<<3.96時(shí),水質(zhì)較差(IV);當(dāng)>3.96時(shí),水質(zhì)極差(V).

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水化學(xué)特征與評(píng)價(jià)

2.1.1 地下水組分特征 通過(guò)對(duì)12項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行數(shù)理分析統(tǒng)計(jì)[25],結(jié)果見(jiàn)表4,因子的變異系數(shù)越接近0,說(shuō)明該因子在環(huán)境中穩(wěn)定存在,為環(huán)境不敏感因子.反之,該因子為環(huán)境敏感因子.由表5可知,研究區(qū)地下水的平均pH值為7.40,變異系數(shù)0.05,說(shuō)明該區(qū)域的地下水長(zhǎng)期處于穩(wěn)定的弱堿性環(huán)境;Na+,SO42-含量大,變異系數(shù)高,說(shuō)明研究區(qū)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(fā)生變化;Mg2+、HCO3-、CO32-雖然含量較大,但變異系數(shù)均接近1,說(shuō)明這些離子在地下水環(huán)境中較為穩(wěn)定的存在;K+、F-、Cl-這3種離子的平均含量較小,但變異系數(shù)較高,說(shuō)明這3種離子隨自然或人為影響出現(xiàn)局部富集現(xiàn)象,且Cl-濃度為56.69mg/L,小于250mg/L[26],說(shuō)明地下水為淡水環(huán)境.

表4 地下水化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)

表5 地下水水化學(xué)組分指標(biāo)評(píng)分等級(jí)

2.1.2 水化學(xué)組分評(píng)價(jià) 由表5可知,烏蘭木倫河流域整體水質(zhì)較好,絕大多數(shù)地區(qū)水質(zhì)優(yōu)于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn),1-2、2-2、bu-2 3個(gè)采樣點(diǎn)的評(píng)分結(jié)果較差,推測(cè)原因, 1-1、1-2這2個(gè)采樣點(diǎn)為礦區(qū)監(jiān)測(cè)井水樣,深度達(dá)到延安組含水層,同時(shí)延安組含水層也是神東礦區(qū)主要的煤炭開(kāi)采層,受采煤驅(qū)動(dòng)作用的影響最為直接,地下水與圍巖的溶濾作用更為強(qiáng)烈,同時(shí)因采空區(qū)冒落帶導(dǎo)致的上覆含水層的貫通,上覆含水層的地下水通過(guò)裂隙直達(dá)延安組含水層中,使該層含水層的化學(xué)特征更為復(fù)雜.bu-2采樣點(diǎn)為地表水采樣點(diǎn),推測(cè)地表水的形成原因是降雪融水補(bǔ)給第四紀(jì)含水層后,通過(guò)構(gòu)造產(chǎn)生的切口流出,采樣點(diǎn)北側(cè)800m處為神東礦區(qū)下屬的補(bǔ)連塔礦煤矸石的煤灰渣堆放點(diǎn),降雪融水與煤灰渣發(fā)生溶濾作用后,將煤灰渣中所含元素帶入第四紀(jì)含水層,導(dǎo)致水質(zhì)評(píng)價(jià)較差.

2.2 地下水組分特征的源解析與演變規(guī)律

2.2.1 地下水化學(xué)組分的源解析 通過(guò)對(duì)大氣降水、江河水、湖泊水進(jìn)行分析,將地表水體化學(xué)組分特征的成因分為3類,分別為:巖石風(fēng)化型、蒸發(fā)濃縮型和降水蒸發(fā)型.本文采用Gibbs圖宏觀反應(yīng)地下水化學(xué)組分的控制因素,判斷地下水化學(xué)組分的來(lái)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(diǎn)位于濃縮蒸發(fā)與巖石風(fēng)化控制帶內(nèi),說(shuō)明烏蘭木倫河流域水化學(xué)組分特征主要受巖石風(fēng)化作用和濃縮蒸發(fā)作用的控制.有少量點(diǎn)落到了區(qū)域外,這可能和人類活動(dòng)有關(guān)[28].

圖2 地下水水樣Gibbs圖

研究區(qū)處于干旱半干旱地區(qū),冬季寒冷,夏季高溫,多大風(fēng)天氣,巖石的風(fēng)化嚴(yán)重,年蒸發(fā)量是年降水量的7倍左右,Gibbs圖反映的情況與研究區(qū)氣候、水文環(huán)境相吻合,同時(shí)也為下文Piper三線圖分析地下水化學(xué)組分的來(lái)源提供了理論依據(jù).

通過(guò)Piper三線圖對(duì)水樣進(jìn)行分析(圖3),可以更加深入地了解研究區(qū)地下水組分特征和控制單元.神東礦區(qū)淺水含水層的化學(xué)類型由2012年較為簡(jiǎn)單的HCO3--Na+主導(dǎo)型,逐漸過(guò)渡為HCO3-·SO42---Na+·Ca2+主導(dǎo)、Cl--K+·Na+、F--K+·Na+等多種類型共同存在,分析結(jié)果,其中Na+主要由鹽巖水解生成,采煤驅(qū)動(dòng)下,溶濾作用加強(qiáng).濃縮蒸發(fā)和巖石風(fēng)化作用又進(jìn)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(lái)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(qū)上游樣點(diǎn)到礦區(qū)下游樣點(diǎn),地下水化學(xué)類型逐漸由重碳酸型向鹽酸型轉(zhuǎn)變,這是由于含水層顆粒自上而下逐漸由粗變細(xì)[29],地下水從受強(qiáng)烈的溶濾作用變化為受蒸發(fā)濃縮作用.

2.2.2 地下水化學(xué)組分的空間分布特征 相關(guān)性分析是研究地下水化學(xué)組分之間的相互關(guān)系和影響程度,從而判斷地下水各組分的來(lái)源,通過(guò)對(duì)樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析[30],得到13項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)之間的相關(guān)性(表6),TDS濃度與SO42-濃度相關(guān)性顯著,說(shuō)明TDS主要受到SO42-影響,Cl-、Na+、K+和Ca2+、Mg2+具有顯著相關(guān)系,說(shuō)明這兩對(duì)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(biāo)之間的相關(guān)性

注:**表示在0.01級(jí)別(雙尾檢驗(yàn)),相關(guān)性顯著.

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形度檢驗(yàn),通常認(rèn)為KMO值大于0.5時(shí),數(shù)據(jù)適合進(jìn)行主成分分析[31],檢驗(yàn)結(jié)果:KMO檢驗(yàn)值為0.645,表明數(shù)據(jù)可以進(jìn)行主成分分析;Bartlett球形度檢驗(yàn)自由度為36,顯著性水平Sig為0,表明各項(xiàng)化學(xué)組分具有一定的相關(guān)性,可以通過(guò)因子分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維,降維后得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表8;通常認(rèn)為主因子的累計(jì)貢獻(xiàn)方差大于80%[32],則對(duì)整體數(shù)據(jù)具有較可靠的代表性,由表7可知,主因子F1、F2、F3的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為82.798%,提取主因子F1、F2、F3來(lái)表示研究區(qū)地下水化學(xué)組分的富集情況是合理的.

為突顯地下水化學(xué)組分的富集情況,可通過(guò)因子得分矩陣(表8)來(lái)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(guān)聯(lián)因子.由表8可知,主因子F1的主要關(guān)聯(lián)因子為Na+、K+、Cl-、SO42-;主因子F2的主要關(guān)聯(lián)因子為Mg2+、NO3-、HCO3-;主因子F3的主要關(guān)聯(lián)因子為Ca2+、CO32-、TDS.為了進(jìn)一步闡明地下水不同化學(xué)組分的空間分布規(guī)律,將3個(gè)主因子中主要關(guān)聯(lián)因子的得分作為權(quán)重,與改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法所得的評(píng)分進(jìn)行加權(quán)平均,再利用 ARCGIS對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行IDW線性插值[33-35],得到3個(gè)主因子在研究區(qū)的化學(xué)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(guān)性最大,由圖4(a)可知,以Na+為主導(dǎo)在神東礦區(qū)廣泛富集,且呈現(xiàn)出以礦區(qū)上游到礦區(qū)下游逐漸遞增的趨勢(shì).導(dǎo)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(qū)動(dòng)作用下,上覆巖層發(fā)生塌陷,導(dǎo)水裂隙發(fā)育,含水層滲透性增強(qiáng),巖土中的礦物鹽類與水的接觸溶解加強(qiáng);采動(dòng)下,煤層頂板上覆含水層整體向下沉降,上覆巖層發(fā)生破裂,打破了原有的水巖平衡條件.地下水流經(jīng)這些裂隙時(shí),鈉長(zhǎng)石、伊利石、高嶺石等礦物中Na+發(fā)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(cè)其原因:富集區(qū)域?yàn)樯駯|礦區(qū)下屬的布爾臺(tái)煤礦采空區(qū),采煤驅(qū)動(dòng)下,上覆含水層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變異,產(chǎn)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(jīng)該區(qū)域時(shí),從含Ca2+、Mg2+的礦物中競(jìng)爭(zhēng)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(duì)Ca2+的去除率是Cl-、SO42-的2倍以上)[36],最終表現(xiàn)為Mg2+、NO3-、HCO3-的富集,其次是受到巖石風(fēng)化和濃縮蒸發(fā)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(shù)值分布,地下水的TDS分布特點(diǎn)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(guò)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(qū)出現(xiàn)3處異常,推測(cè)產(chǎn)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(xué)組分的來(lái)源和成因,Cl-/(Na++K+)的毫克當(dāng)量比大于1時(shí)表示發(fā)生巖鹽的溶解,小于1時(shí)表示硅酸鹽的溶解.由圖5(a)可知,研究區(qū)地下水的大部分Na+和Cl-來(lái)自巖鹽溶解.我國(guó)鹽巖主要產(chǎn)于白堊系、三疊系、第三系[37],這也符合研究區(qū)含水層包含白堊系志丹群裂隙含水層的實(shí)際情況.

(HCO3-+SO42-)/(Ca2++Mg2+)的毫克當(dāng)量比值大于1時(shí)表示Ca2+、Mg2+離子主要來(lái)源于碳酸鹽巖的溶解,小于1時(shí)主要來(lái)源于硅酸鹽的溶解.由圖5(b)可知,采樣點(diǎn)分布在1:1等值線下方,說(shuō)明研究區(qū)地下水的Ca2+、Mg2+離子主要來(lái)源于石英石、長(zhǎng)石等硅酸鹽巖的溶解,或受到陽(yáng)離子吸附作用的影響.有小部分點(diǎn)位于等值線上方,水樣離子主要來(lái)源于泥灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖溶解.位于等值線附近的點(diǎn)存在硫酸鹽巖和碳酸鹽巖的溶解.

(SO42-+Cl-)/HCO3-的毫克當(dāng)量比值大于1時(shí)表示地下水中的SO42-、Cl-離子來(lái)自巖鹽溶解,小于1時(shí)表示HCO3-來(lái)自碳酸鹽溶解.由圖5(c)可知,研究區(qū)地下水中的HCO3-離子主要來(lái)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(dāng)量比值通常反映研究區(qū)地下水陽(yáng)離子是否發(fā)生了置換作用.呈負(fù)相關(guān)時(shí),發(fā)生陽(yáng)離子置換作用,反之不發(fā)生.由圖5(d)可知,存在陽(yáng)離子置換作用,在巖鹽溶解過(guò)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(dāng)量比值通常用來(lái)反映地下水中硝酸鹽的來(lái)源[38],二者呈正相關(guān)時(shí),說(shuō)明硝酸鹽主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn).當(dāng)二者呈負(fù)相關(guān)時(shí),硝酸鹽主要來(lái)源于生活用水和人畜糞便,由圖5(e)可知,二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),由此判斷: NO3-可能主要來(lái)源于城鎮(zhèn)人口聚集區(qū)、工業(yè)區(qū)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(yīng).

3 討論

因?yàn)檠芯繀^(qū)處于干旱半干旱地區(qū),且烏蘭木倫河流域兩側(cè)煤礦眾多,導(dǎo)致烏蘭木倫河上游已斷流15年,長(zhǎng)期的煤炭開(kāi)采導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐叵滤粐?yán)重下降.當(dāng)?shù)卮迕竦纳钣盟越尤胱詠?lái)水或從其他地區(qū)拉水為主,水井大多已經(jīng)荒廢,導(dǎo)致水樣采集困難.下一步將繼續(xù)補(bǔ)充水樣,對(duì)研究區(qū)的F-情況進(jìn)行分析,從采煤驅(qū)動(dòng)下含水層結(jié)構(gòu)變異的角度解析F-整體范圍濃度偏高的現(xiàn)象,并在目前的范圍上進(jìn)一步縮小研究區(qū)范圍,以補(bǔ)連塔礦區(qū)為研究對(duì)象建立地下水?dāng)?shù)值模擬模型,并設(shè)置彌散實(shí)驗(yàn)獲取相關(guān)彌散參數(shù)建立溶質(zhì)運(yùn)移模型,為當(dāng)?shù)貐f(xié)調(diào)人畜生存、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系提供可視化模型.

4 結(jié)論

4.1 烏蘭木倫河流域地下水水化學(xué)類型由簡(jiǎn)單的HCO3--Na+逐漸過(guò)渡為以HCO3-·SO42--Na+·Ca2+為主導(dǎo),Cl--K+·Na+、F--K+·Na+等共同存在的復(fù)雜類型.主導(dǎo)陽(yáng)離子為Na+,主導(dǎo)陰離子為HCO3-.

4.2 地下水化學(xué)組分的主要受到巖石風(fēng)化作用的驅(qū)動(dòng),濃縮蒸發(fā)作用也在同時(shí)進(jìn)行,二者相互影響;離子交換作用是影響研究區(qū)地下水化學(xué)組分的一個(gè)重要作用;人類活動(dòng)一定程度上也影響著研究區(qū)地下水化學(xué)組分的特征.

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

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

[1] 房麗晶,高瑞忠,賈德彬,等.草原流域地下水化學(xué)時(shí)空特征及環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素——以內(nèi)蒙古巴拉格爾河流域?yàn)槔?[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2021,41(05):2161-2169.

FANG L J, GAO R Z, JIA D D, et al. Spatial-temporal characteristics of groundwater quality and its environment driving faxtors of steppe basin-taken Balager River Basin of Inner Mongolia for instance [J]. China Environmental Science, 2021,41(5):2161-2169.

[2] 王 建,韓海東,許君利,等.塔里木河流域出山徑流水化學(xué)特征研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2021,41(4):1576-1587.

WANG J, HAN H D, XU J L, et al. Hydrochemical characteristics of the mountain runoff in Tarim River Basin, China [J]. China Environmental Science, 2021,41(4):15,76-1587.

[3] 仁增拉姆,羅 珍,陳虎林,等.西藏年楚河流域水化學(xué)特征分析 [J]. 地球與環(huán)境, 2021,49(4):358-366.

RENZENG l M, LUO Z, CHEN H L, et al. Hydrochemical characteristics of Nyangchu River Basin in Tibet [J]. Earth and Environment, 2021,49(4):358-366.

[4] 劉 鑫,向 偉,司炳成.汾河流域淺層地下水水化學(xué)和氫氧穩(wěn)定同位素特征及其指示意義 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2021,42(4):1739-1749.

LIU X, XIANG W, SI B C. Hydrochemical and iostopic characteristics in the shallow groundwater of the Fenhe River Basin and indicative Significance [J]. Environmental Science, 2021,42(4):1739-1749.

[5] 王文祥,李文鵬,蔡月梅,等.黑河流域中游盆地水文地球化學(xué)演化規(guī)律研究 [J]. 地學(xué)前緣, 2021,28(4):184-193.

WANG W X, LI W P, CAI Y M, et al. The hydrogeochemical evolution of groundwater in the middle reaches of the Heihe River Basin [J]. Earth Science Frontiers, 2021,28(4):184-193.

[6] 孫厚云,毛啟貴,衛(wèi)曉鋒,等.哈密盆地地下水系統(tǒng)水化學(xué)特征及形成演化 [J]. 中國(guó)地質(zhì), 2018,45(6):1128-1141.

SUN H Y, MAO Q G, WEI X F, et al. Hydrogeochemical characteristics and formation evolution mechanism of the groundwater system in the Hami basin [J]. Geology in China, 2018,45(6):1128- 1141.

[7] 雷 米,周金龍,張 杰,等.新疆博爾塔拉河流域平原區(qū)地表水與地下水水化學(xué)特征及轉(zhuǎn)化關(guān)系 [J/OL]. 環(huán)境科學(xué):1-15[2021-10-10]. https://doi.org/10.13227/j.hjkx.202108055.

EI M, ZHOU J L, ZHANG J, et al. Hydrochemical characteristics and transformation relationship of surface water and groundwater in the plain area of Bortala River Basin, Xinjiang [J/OL]. Environmental Science:1-15[2021-10-10].https://doi.org/10.13227/j.hjkx.202108055.

[8] 涂春霖,尹林虎,和成忠,等.珠江源區(qū)小黃泥河流域地表水水化學(xué)組成特征及控制因素 [J/OL]. 環(huán)境科學(xué):1-15[2021-10-10].https: //doi.org/10.13227/j.hjkx.202108254.

TU Ch L, YIN L H, HE C Z, et al. Hydrochemical composition charateristics and control factors of Xiaohuangni River Basin in the Upper Pearl River [J/OL]. Environmental Science,1-15[2021-10-10].

[9] 雷 米,周金龍,梁 杏,等.新疆天山北麓中段孔隙水水化學(xué)特征及蘇打水的成因 [J/OL]. 地球科學(xué):1-18[2021-10-10]. http://kns. cnki.net/kcms/detail/42.1874.P.20210421.1903.010.html.

LEI M, ZHOU J L, LIANG X, et al. Hydrochemiacal characteristics of pore water and genesis of soda water in the middle of the Northern Piedmont of Tianshan Mountain, Xinjiang [J]. Earth Science, 1-18[2021-10-10].

[10] 林聰業(yè),孫占學(xué),高 柏,等.拉薩地區(qū)地下水水化學(xué)特征及形成機(jī)制研究 [J/OL]. 地學(xué)前緣:1-11[2021-10-10].https://doi.org/10.13745/ j.esf.sf.2021.2.2.

LIN C Y, SUN Z X, GAO B, et al. Hydrochemical characteristics and formation mechanism of groundwater in Lhasa Area, China [J/OL]. Earth Science Frontiers,1-11[2021-10-10].

[11] 周婷婷,蘇麗娟,劉 輝,等.神東礦區(qū)地表移動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律及影響機(jī)制 [J]. 煤田地質(zhì)與勘探, 2021,49(3):189-198.

ZHOU T T, SU L j, LIU H, et al. Variation law and influencing mechanism of surface movement parameters in Shendong Mining Area [J]. Coal Geology & Exploration, 2021,49(3):189-198.

[12] 郭洋楠,楊俊哲,張 政,等.神東礦區(qū)礦井水的氫氧同位素特征及高氟礦井水形成的水-巖作用機(jī)制 [J/OL]. 煤炭學(xué)報(bào):1-15[2021-10- 09].https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2021.0388.

GUO Y N, YANG J Z, ZHANG Z, et al. Hydrogen and oxygen lsotope characteristics of mine water in the Shendong Mine area and water-rock reactions mechanism of the formation of high-fluoride mine water [J]. Journal of China Coal Society,1-15[2021-10-09].

[13] HJ/T164-2004 地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范 [S].

HJ/T164-2004 HJ/T164-2004Technical specifications for groundwater environmental monitoring [S].

[14] 孫岐發(fā),孫茁桉,賈林剛,等.長(zhǎng)春新區(qū)地下水水質(zhì)特征及其對(duì)生態(tài)健康的評(píng)價(jià) [J/OL]. 中國(guó)地質(zhì):1-19[2021-10-10].http://kns.cnki.net/ kcms/detail/11.1167.p.20200402.1611.002.html.

SUN Q F, SUN Z A, JIA L G, et al. Characteristics of groundwater quality in Changchun New District and its evaluation on ecological health [J/OL]. Geology in China:1-19[2021-10-10].

[15] 張 濤,何 錦,李敬杰,等.蛤蟆通河流域地下水化學(xué)特征及控制因素 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2018,39(11):4981-4990.

ZHANG T, HE J, LI J J, et al. Major ionic features and possible controls in the groundwater in the Hamatong River Basin [J]. Environmental Science, 2018,39(11):4981-4990.

[16] 武亞遵,潘春芳,林 云,等.典型華北型煤礦區(qū)主要充水含水層水文地球化學(xué)特征及控制因素 [J]. 地質(zhì)科技情報(bào), 2018,37(5):191-199.

WU Y Z, PAN C F, LIN Y, et al. Hydrogeochemical characteristics and controlling factors of main water filled aquifers in the typical North China coalfield [J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2018,37(5):191-199.

[17] 李連香,許 迪,程先軍,等.基于分層構(gòu)權(quán)主成分分析的皖北地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)研究 [J]. 資源科學(xué), 2015,37(1):61-67.

LI L X, XU D, CHENG X J, et al. Groundwater quality assessment in Northern Anhui based on multi-layer weighted principal component analysis [J]. Resources Science, 2015,37(1):61-67.

[18] 孟 利,左 銳,土金生,等.基于PCA-APCS-MLR的地下水污染源定量解析研究「月.中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2017,37(10):3773-3786.

MENG L, ZUO R, TU J S, et al. Quantitative source apportionment of groundwater pollution bases on PCA-APCS-MLR [J]. China Environmental Science, 2017,37(10):3773-3786.

[19] YADAV A, NABDA A, SAHU Y h, et al. Groundwater hydrochemistry of Rajnandgaon district, Chhattisgarh, Central India [J]. Groundwater for Sustainable Development, 2020,11.

[20] 秦子兀,高瑞忠,張 生,等.西北早區(qū)鹽湖盆地地下水化學(xué)組分源解析.環(huán)境科學(xué)研究, 2019,32(11):1790-1799.

QIN Z Y, GAO R Z, ZHANG S, et al. Source identification groundwater chemical components in the Salt Lake Basin of Northwest Arid Area, China [J]. Research of Environmental Sciences, 2019,32(11):1790-1799.

[21] 曹 陽(yáng),滕彥國(guó),劉昀竺.吳忠市金積水源地地下水水質(zhì)影響因素的多元統(tǒng)計(jì)分析 [J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球利學(xué)版), 2013.43(1):235- 244.

CAO Y, TENG Y G, LIU Y J. Multivariate statistical approach to identify influencing factors of groundwater quality in Jinji Water Source of Wuzhong City [J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition, 2013.43(1):235-244.

[22] GB/T 14848-2017 地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) [S].

GB/T 14848-2017 Groundwater quality standard [S].

[23] 趙衛(wèi)東,趙 蘆,龔建師,等.宿州礦區(qū)淺層地下水污染評(píng)價(jià)及源解析.地學(xué)前緣 [J]. 2021,10.54(2):398-410.

ZHAO W D, ZHAO L, Gong H S, et al. Pollution assessment and source apportionment of shallow groundwater in Suzhou mining area, China [J]. Earth Science Frontiers, 2021,10.54(2):398-410.

[24] 谷天雪,卞建民,楊廣森,等.大慶市淺層地下水化學(xué)特征及污染源解析 [J]. 人民黃河, 2016,38(7)68-72.

GU T X, BIAN J M, YANG G S, et al. On the chemical characteristics of shallow groundwater and pollution Sources of Daqing City under the influence of human activities [J]. Yellow River, 2016,38(7)68-72.

[25] 廖 磊,何江濤,彭 聰,等.地下水次要組分視背景值研究:以柳江盆地為例 [J]. 地學(xué)前緣, 2018,25(1):267-275.

LIAO L, HE J T, PENG C, et al. Methodologies in calculating apparent background values if minor components in groundwater:a case study of the Liujianh Basin [J]. Earth Science Frontiers, 2018, 25(1):267-275.

[26] GB5749-2006 生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) [S].

GB5749-2006 Standards for drinking water quality [S].

[27] 樊 燕.煤礦開(kāi)采對(duì)上覆含水層影響的數(shù)值模擬研究 [D]. 太原:太原理工大學(xué), 2011.

FAN Y, Numerical simulation study on the influence of coal mining on overlying aquifer [D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2011.

[28] 馬銘言,董少剛,張文琦,等.烏梁素海區(qū)域地下水水化學(xué)特征及成因分析 [J]. 地球與環(huán)境, 2021,49(5):472-479.

MA M Y, DONG S G, ZHANG W Q, et al. Hydrochemical Characteristics and Genesis of Groundwater in Wuliangsuhai Lake Area [J]. Earth and Environment, 2021,49(5):472-479.

[29] 趙春虎,靳德武,虎維岳.采煤對(duì)松散含水層地下水?dāng)_動(dòng)影響規(guī)律及評(píng)價(jià)指標(biāo)——以神東補(bǔ)連塔井田為例 [J]. 煤田地質(zhì)與勘探, 2018, 46(3):79-84.

ZHAO X H, JIN D W, HU W Y, et al. Study on influence rules and evaluation criteria of groundwater affected by mining in unconsolidated aquifers in Shendong coal mine.Coal Geology & Exploration, 2018,46(3):79-84.

[30] 孟 利,左 銳,王金生,等.基于PCA-APCS-MLR的地下水污染源定量解析研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2017,37(10):3773-3786.

MENG L, ZUO R, TU J S, et al. Quantitative source apportionment of groundwater pollution bases on PCA-APCS-MLR [J]. China Environmental Science, 2017,37(10):3773-3786.

[31] 雒蕓蕓,馬振民,侯玉松,等.焦作地區(qū)淺層地下水系統(tǒng)污染源解析 [J]. 有色金屬(冶煉部分), 2013,(4):58-61.

ZHI Y Y, MA Z M, HOU Y S, et al. Apportionment of pollution source of shallow groundwater system in Jiaozuo [J]. Nonferrous Metals (Extractive Metallurgy, 2013,(4):58-61.

[32] 王 建,張華兵,許君利,等.鹽城地區(qū)地下水溶質(zhì)來(lái)源及其成因分析 [J/OL]. 環(huán)境科學(xué):1-15[2021-10-10].https://doi.org/10.13227/j.hjkx. 202107078.

WANG J, ZHANG H B, XU J L, et al. Provenance of groundwater solute and its controlling factors in Yancheng Area [J/OL]. Environmental Science,1-15[2021-10-10].

[33] 彭巖波,徐東輝,王 倩,等.山東省地下水特征污染組分識(shí)別研究 [J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2020,56(3):409-415.

PENG Y B, XU D H, WANG Q, et al. Identification of characteristic contamination components of groundwater in Shandong Province [J]. Journal of Beijing Normal University(Natural Science), 2020,56(3): 409-415.

[34] 劉思圓,馬 雷,劉建奎,等.阜陽(yáng)潁東淺層地下水化學(xué)特征與空間分布規(guī)律研究 [J]. 地下水, 2018,40(3):1-3,27.

LIU S Y, MA L, LIU J K, et al. Study on the chemical characteristics and spatial distribution of groundwater in fuyang yingdong shallow layer [J]. Ground Water, 2018,40(3):1-3,27.

[35] 張恒星.呼和浩特盆地淺層地下水砷含量分布規(guī)律研究 [J]. 綠色科技(J), 2018,(8):47-48,51.

ZHANG H X. Distribution of arsenic content in shallow groundwater in Hohhot Basin [J]. Journal of Green Science and Technology, 2018, (8):47-48,51.

[36] 房滿義,李雪妍,張 根,等.大柳塔煤礦地下水庫(kù)水巖作用機(jī)理分析 [J/OL]. 煤炭科學(xué)技術(shù):1-8[2021-10-10].http://kns.cnki.net/kcms/ detail/11.2402.TD.20200502.0813.002.html.

FANG M Y, LI X Y, ZHANG G, et al. Discussion on water-rock interaction mechanism in underground reservoir of Daliuta Coal Mine [J]. Coal Science and Technology:1-8[2021-10-10].

[37] 楊茂林.煤炭開(kāi)采對(duì)神東礦區(qū)地下水的影響規(guī)律研究 [J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2017,45(S2):23-27.

YANG M L. Research on influence rules of ground water by coal mining in Shendong Mining Area [J]. Coal Science and Technology, 2017,45(S2):23-27.

[38] Chen Z X, Yu L, Liu W G, et al. Nitrogen and oxygen isotopic compositions of water-soluble nitratein Taihu Lake water system, China: Implica-tion for nitrate sources and biogeochemical process [J]. Environmental Earth Sciences, 2014,71(1):217-223.

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(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市人,內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生.主要從事水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)的學(xué)習(xí)與研究.發(fā)表論文3篇.

2021-10-21

內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2020GG0076);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51969023)

* 責(zé)任作者, 副教授, lei_huang@yeah.net