礦區(qū)流域不同水體同位素時空特征及水循環(huán)指示意義

孫 龍,劉廷璽,2,段利民,2,張文瑞,鄭國峰

(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 呼和浩特 010018；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護(hù)與利用重點實驗室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

環(huán)境同位素是目前定量描述區(qū)域水循環(huán)及各水轉(zhuǎn)化關(guān)系的優(yōu)選手段[1- 2],自然界不同水體中的同位素組成存在差別,且呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律[1]。在全球水循環(huán)過程中,氫氧同位素對環(huán)境變化的響應(yīng)和不同水體之間的混合較為敏感[3]。氫氧同位素作為水循環(huán)研究中的示蹤劑,不僅用于河湖流域內(nèi)水體循環(huán)特征和運(yùn)移機(jī)制研究[4- 5],還用于礦區(qū)流域內(nèi)水體的轉(zhuǎn)化關(guān)系、補(bǔ)給來源、礦井水的水源構(gòu)成及混合比例的研究[6- 10],以及探討礦區(qū)多層地下水系統(tǒng)的水質(zhì)演化機(jī)制和水體同位素漂移受采煤活動影響的機(jī)理[11- 12]。因此,國內(nèi)外對穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用,但多偏重于一種水體在自然驅(qū)動或者單一采礦方式驅(qū)動下的同位素變化特征[12- 14]。

煤炭作為基礎(chǔ)能源和工業(yè)原料,在中國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位,其開發(fā)基地在逐步西移[15]。根據(jù)山西統(tǒng)計局網(wǎng)站數(shù)據(jù)(http:∥tjj.shanxi.gov.cn),2015—2019年山西省年均原煤產(chǎn)量為9.17億t,占全國原煤產(chǎn)量的25.15%。平朔礦區(qū)是山西省主采煤基地之一,年均原煤產(chǎn)量為1.13億t[16]。然而,該礦區(qū)地處北方內(nèi)陸半干旱區(qū),水資源匱乏,生態(tài)脆弱,煤水協(xié)調(diào)開發(fā)問題突出[17]。大規(guī)模的煤礦開采嚴(yán)重影響了地下水賦存環(huán)境與水循環(huán)條件:一方面,采坑的開挖,使得地下水賦存地層的部分消失,導(dǎo)致周邊水循環(huán)加快和水資源量減少[18];另一方面,井工采煤破壞了原有的水動力系統(tǒng),影響了所在流域的補(bǔ)、徑、排條件,如改變了地下水流向、改變了不同水體的轉(zhuǎn)換關(guān)系和加快了地下水的運(yùn)動速度[19]。近年來,在煤炭開采中,礦井水害一直是制約著煤炭安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一[20]。因此,尋求地下水資源、煤礦開采和其他人類活動之間的協(xié)調(diào)是確保地方經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和人類健康安全生活的必要條件,也是現(xiàn)在急需解決的發(fā)展問題。為了實現(xiàn)平朔礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展,認(rèn)識該區(qū)水循環(huán)過程至關(guān)重要。采煤驅(qū)動下平朔礦區(qū)內(nèi)地表水、地下水等不同水體的時空變化更為頻繁,同位素特征及轉(zhuǎn)化關(guān)系更復(fù)雜。然而,針對平朔礦區(qū)所在流域內(nèi)不同水體的同位素調(diào)查分析研究有限。

本研究通過水文地質(zhì)調(diào)查,結(jié)合環(huán)境同位素技術(shù),分析對比平朔礦區(qū)所在流域不同水體的氫氧同位素時空特征,揭示采煤驅(qū)動下不同水體間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,并采用MixSIAR模型定量解析礦井水來源。研究成果可為采煤活動下區(qū)域水循環(huán)過程機(jī)理探究、平朔礦區(qū)水災(zāi)防治以及地下水合理開采利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)煤礦和采樣點分布Fig.1 Distribution of coal mine and sampling sites in the study area

現(xiàn)階段研究區(qū)內(nèi)有3個露天煤礦和19個井工煤礦(圖1)。露天礦年產(chǎn)量均在千萬噸級,井工礦年產(chǎn)量基本為百萬噸級。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,煤炭大規(guī)模的開采,導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐乇硭畯搅髁繙p少甚至斷流、常年性河流成為季節(jié)性河流,地下水位下降,汲水井水量減少甚至干枯廢棄,泉水基本消失。煤炭的開采對當(dāng)?shù)厮Y源、水環(huán)境等方面帶來了不同程度的破壞。平朔礦區(qū)主采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組4號和9號煤,煤層結(jié)構(gòu)簡單,賦存穩(wěn)定,呈近水平,平均厚度為11～13 m。礦區(qū)構(gòu)造以寧武向斜和下窯子向斜為主,北段隆起,向南傾伏,期間有斷層切割。煤層、含水層和隔水層共同賦存于一個完整的地質(zhì)實體中,構(gòu)成了獨特“水煤系統(tǒng)”。

研究區(qū)內(nèi)地下水有潛水和承壓水2種類型,潛水主要賦存于第四系含水層中,含水層底板埋深小于100 m,厚度為3～50 m,富水性較好,水位埋深為5～50 m,水位年變幅0.3～1.0 m[21]。承壓水主要賦存于二疊- 石炭系和奧陶系含水層中,底板埋深為100～700 m,富水性由一般到較強(qiáng),空間變化較大,水位埋深大于50 m。根據(jù)文獻(xiàn)[22]中對地下水分類的定義,將地下水按照潛水和承壓水分為淺層和深層2類。結(jié)合本研究,將潛水含水層抽取的水視為淺層地下水,承壓含水層抽取的水視為深層地下水。淺層地下水自西北流向東南,徑流緩慢；深層地下水在天然狀態(tài)下自西北流向東南,在部分采煤活動強(qiáng)烈的區(qū)域形成了降落漏斗,漏斗范圍內(nèi)地下水流向漏斗中心。研究區(qū)的水文地質(zhì)剖面見圖2。

圖2 水文地質(zhì)剖面Fig.2 A- A′ hydrogeological profile

2 采樣與分析方法

為了探究平朔礦區(qū)所在流域自然條件和采煤等人類活動影響下不同水體同位素的時空分布特征和區(qū)域水循環(huán)規(guī)律,依據(jù)地表水和地下水監(jiān)測點布設(shè)方法[23- 24]布設(shè)采樣點67個,其中,地表水5個(DB01—DB05),淺層地下水30個,深層地下水24個,礦井水8個,采樣點類型及分布如圖1所示。2020年8月10—15日(夏季)和2020年12月5—9日(冬季)分別在每個采樣點采集3個平行水樣(視為1組),共采集水樣134組。此外,2020年8月13日在研究區(qū)采集大氣降水3組,每組3個平行水樣。地表水在河道平直、水流穩(wěn)定、距河岸大于20 cm 且水下10 cm處采集；淺層地下水樣品來自農(nóng)村分散式供水井,井深5～70 m,用自制取水工具采集,讓取樣器下沉到水面以下2 m處靜候1～2 min,保證所取水樣充分混合；深層地下水樣品來自村鎮(zhèn)集中式供水井和煤礦企業(yè)的水源井,井深300～700 m,利用井中水泵抽取,在開泵5 min后進(jìn)行取樣,以避免取到水管中積存水和剛開泵時的不穩(wěn)定水；降水收集時盡量避免蒸發(fā)濃縮對水樣的影響；礦井水取自采煤巷道蓄水池,確保未經(jīng)處理。采集時首先用采集點的水對采樣瓶潤洗2遍,在水下用125 mL棕色細(xì)口高密度聚乙烯瓶裝滿并蓋好后拿出,然后用Paraflim封口膜將瓶口密封,防止與空氣交換。采集的水樣封口后放入裝有冰袋的保溫箱中保存,帶回實驗室后4 ℃冷藏保存直至測試完成。

使用Los Gatos Research公司的液態(tài)水同位素分析儀(U- LWIA- 915)測定水樣中穩(wěn)定氫氧同位素組分。測定結(jié)果用相對于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水(VSMOW)的千分差來表示,即δD和δ18O。測定精度分別為±0.5‰、±0.15‰。

(1)

式中：Rs為采集的水樣中D/H或18O/16O的比值；Rv為維也納平均海洋水標(biāo)準(zhǔn)樣品的D/H或18O/16O的比值。

大氣降水的氫氧同位素值和地區(qū)年平均氣溫有一定的線性關(guān)系,即克雷格溫度效應(yīng)公式[25]：

δ18O=0.695T-13.6

(2)

δD=5.6T-100

(3)

式中：T為當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁? ℃。

采用基于貝葉斯理論的混合模型MixSIAR[26]定量解析不同補(bǔ)給源對礦井水的貢獻(xiàn)率,估算得到每種水源相應(yīng)的均值貢獻(xiàn)比例即視為該水源對礦井水的貢獻(xiàn)率。

取不同相態(tài)轉(zhuǎn)變次數(shù)的花橋板栗淀粉凝膠樣品與KBr以 1：20～1：100 充分混合，采用 13 mm 磨具用壓片機(jī)，壓力為7 MPa，置于傅里葉紅外光譜儀中進(jìn)行測量，繪制紅外光譜圖。掃描范圍是400～4000 cm-1，光譜分辨率為0.01 cm-1。

3 結(jié)果與討論

3.1 研究區(qū)大氣降水同位素特征

大氣降水氫氧同位素組成在一定范圍內(nèi)變化不大,因此,同一個地區(qū)的大氣降水線可以用一個方程表示[27]。研究區(qū)緊鄰全球降水同位素監(jiān)測網(wǎng)(Global Network of Isotopes in Precipitation,GNIP)的太原站,故依據(jù)該站1986—1988年間大氣降水氫氧同位素數(shù)據(jù),建立當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(Local Meteoric Water Line,LMWL)方程：δD=6.42δ18O-4.66(R2=0.945)。將本研究測得的3個大氣降水δ18O帶入LMWL方程,計算得到δD,與實測值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)絕對誤差為0.84‰～0.92‰,說明LMWL作為研究區(qū)當(dāng)?shù)亟邓€可靠性較好。此外,用克雷格溫度效應(yīng)公式進(jìn)行反向驗證,將研究區(qū)多年平均溫度7.3 ℃代入克雷格溫度效應(yīng)公式(2) 和(3),得到δ18O=-8.53‰、δD=-59.12‰,將δ18O=-8.53‰代入LMWL方程,得到δD=-59.40‰,發(fā)現(xiàn)絕對誤差為0.28‰,因此,LMWL可以代表平朔礦區(qū)的大氣降水線。圖3為利用太原站大氣降水同位素數(shù)據(jù)繪制的δD—δ18O關(guān)系圖,其中GMWL(Global Meteoric Water Line)為1961年Craig[28]計算的全球大氣降水線(δD=8.00δ18O+10.00),CMWL(Chinese Meteoric Water Line)為1983年鄭淑蕙等[29]計算的中國大氣降水線(δD=7.90δ18O+8.20)。由圖3可知,LMWL的斜率為6.42,小于GMWL的斜率(8.00),也小于CMWL斜率(7.90),這表明該地區(qū)大氣降水經(jīng)歷了較強(qiáng)的蒸發(fā)作用,這與當(dāng)?shù)貧夂蚋珊?、降水量少、蒸發(fā)量大以及地處遠(yuǎn)離蒸汽源的內(nèi)陸的實際自然地理條件相吻合[30]。研究區(qū)海拔和緯度均相對較高,在水汽到來的過程中由于18O/16O比D/H的動力分餾作用強(qiáng),且雨滴在下落過程中發(fā)生了二次蒸發(fā)作用,導(dǎo)致研究區(qū)水汽18O比D含量更加富集,也造成降水線斜率偏低[31- 32]。研究區(qū)大氣降水線與全球降水線的交點(δ18O=-9.28‰、δD=-64.24‰)近似反映了該區(qū)域蒸汽源的平均同位素組成。

圖3 太原站大氣降水δD—δ18O關(guān)系Fig.3 Relationship between δD and δ18O of atmospheric precipitation in Taiyuan

3.2 地表水、地下水和礦井水同位素特征分析

3.2.1 氫氧同位素含量

為了揭示流域內(nèi)各水體中同位素值夏季(8月)和冬季(12月)的變化規(guī)律,繪制了研究區(qū)8月和12月不同水體氫氧同位素的箱線圖(圖4)。由圖4(a)可知,地表水8月的δD變化范圍為-72.28‰～-68.67‰,均值為-70.21‰；地表水12月的δD變化范圍為-72.58‰～-69.75‰,均值為-71.24‰,可見地表水δD夏季較冬季高。由圖4(b)可知,地表水δ18O也呈現(xiàn)相同的變化趨勢。地表水的氫氧同位素季節(jié)變化特征可能是由于夏季氣溫較高,地表水受蒸發(fā)分餾作用的影響,使同位素相對富集[2]。淺層地下水和深層地下水中同位素均值在夏季和冬季的差異非常小,其中,δD分別相差0.32‰和0.07‰,δ18O分別相差0.13‰和0.26‰,反映了地下水更新較慢,滯留時間長,隨季節(jié)變化不明顯[33]。深層地下水的同位素數(shù)值比地表水和淺層地下水的數(shù)值更低,表明由于蒸發(fā)作用和干燥的氣候條件,重同位素在地表水和淺層地下水中比在深層地下水中更富集[34]。由圖4(a)可知,礦井水8月的δD變化范圍為-77.41‰～-69.30‰,均值為-73.79‰,12月的δD變化范圍為-76.81‰～-70.27‰,均值為-74.19‰,均值夏季較冬季高；由圖4(b)可知,礦井水δ18O值夏季也較冬季高。礦井水的氫氧同位素均值介于地表水和地下水(淺層和深層)之間,結(jié)合水文地質(zhì)條件推測礦井水來源有地表水、淺層地下水和深層地下水[35]。

圖4 不同水體氫氧同位素箱線圖Fig.4 Boxplots of δD and δ18O in different water bodies

3.2.2 氫氧同位素關(guān)系及水循環(huán)指示意義

水體中D和18O的值取決于補(bǔ)給源中的相應(yīng)組成,并受到蒸發(fā)過程產(chǎn)生的分餾作用影響[3]。各種同位素水分子的蒸氣壓與分子質(zhì)量成反比,蒸發(fā)后的殘余水富集D和18O。溫度越高、空氣越干燥,蒸發(fā)作用越強(qiáng),重同位素越富集[5]。不同水體氫氧同位素變化特征具有差異性,相同類型水體中氫氧同位素值具有近似的線性關(guān)系[31]。根據(jù)不同水體不同時期的氫氧同位素值繪制了不同水體δD—δ18O關(guān)系圖(圖5)。由圖5可知,研究區(qū)地表水和地下水都分布在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€下方附近,表明地表水和地下水均直接或間接接受大氣降水的補(bǔ)給,且在補(bǔ)給過程中受到了不同程度的蒸發(fā)分餾。地表水8月δD和δ18O的變化關(guān)系為δD=3.79δ18O-35.76,12月二者的關(guān)系為δD=5.58δ18O-18.32,8月和12月地表水線的斜率和截距均小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的斜率和截距,這是由于地表水在接受大氣降水的補(bǔ)給之后受到了蒸發(fā)分餾作用的影響[36],因夏季同位素分餾更加明顯,所以8月的斜率和截距較12月更小。

根據(jù)圖5,淺層地下水8月δD和δ18O的變化關(guān)系為δD=4.17δ18O-31.17,12月二者的關(guān)系為δD=3.30δ18O-38.61,8月和12月淺層地下水線的斜率和截距均小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的斜率和截距,而12月的斜率和截距與8月相比更小,這可能與淺層地下水的補(bǔ)給源較復(fù)雜且容易受外界環(huán)境變化的影響有關(guān),夏季受大氣降水補(bǔ)給的影響大,更靠近大氣降水線,且圖中淺層地下水點的分布較分散,也進(jìn)一步說明了這一結(jié)論。深層地下水8月δD—δ18O變化關(guān)系為δD=4.59δ18O-28.32,12月δD—δ18O變化關(guān)系為δD=4.17δ18O-31.61。2個季節(jié)深層地下水均分布于當(dāng)?shù)亟邓€附近,這與研究區(qū)西南部、北部分水嶺附近有奧陶系灰?guī)r露頭有關(guān),共同證實了深層地下水受大氣降水的補(bǔ)給。2個季節(jié)δD—δ18O擬合線的斜率均小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€斜率(6.42),一方面可能是因為采煤形成的導(dǎo)水裂隙帶使得補(bǔ)給源多樣,另一方面也可能是因為與其賦存環(huán)境的巖土發(fā)生了水巖相互作用[37- 38]。8月和12月深層地下水同位素關(guān)系的斜率相差0.42,截距相差3.29,且δD、δ18O的變化范圍基本相近,表明深層地下水隨季節(jié)性變化不明顯,水質(zhì)相對穩(wěn)定。從圖5可以發(fā)現(xiàn),深層地下水在8月和12月都呈現(xiàn)出2個區(qū)域聚集(Ⅰ和Ⅱ),結(jié)合各聚集區(qū)內(nèi)取樣點的位置、井深以及地質(zhì)條件分析可知,聚類的原因主要為深層地下水與淺層地下水是否有直接的水力聯(lián)系。Ⅰ區(qū)中的取樣點分布于研究區(qū)西部和北部,這些區(qū)域為非采煤或采煤活動不強(qiáng)烈或采煤歷時較短區(qū),未造成深層地下水與淺層地下水導(dǎo)通;Ⅱ區(qū)中的取樣點分布于研究區(qū)西北部、中部和南部,這些區(qū)域采煤活動強(qiáng)烈,且部分區(qū)域采煤歷時較長。Booth[39]和黃平華等[40]研究表明,在煤礦開采過程中,由于裂縫的出現(xiàn),孔隙度和滲透率增大,地表水和地下水相互作用增強(qiáng)。在圖5中表現(xiàn)出深層地下水、淺層地下水和地表水分布區(qū)相重疊,這進(jìn)一步揭示出這些取樣點所在區(qū)域采煤裂隙溝通了地下水和地表水。

在采煤活動的影響下,地表水、淺層地下水通過地裂縫或塌陷坑下滲補(bǔ)給礦井水[41]。因此,礦井水2個季節(jié)δD—δ18O擬合線的斜率12月較8月高,存在一定季節(jié)效應(yīng)。在采煤等人類活動的擾動下礦井水中同位素出現(xiàn)了一定的富集。12月地表水的斜率(5.58)與礦井水的斜率(5.64)相近,也進(jìn)一步證實地表水與礦井水之間存在一定的水力聯(lián)系。從圖5可以發(fā)現(xiàn)礦井水的δD—δ18O擬合線位于地表水、淺層地下水、深層地下水?dāng)M合線之間,由此可以推斷研究區(qū)礦井水受地表水、淺層地下水和深層地下水的補(bǔ)給[35]。

圖5 8月、12月不同水體δD—δ18O關(guān)系Fig.5 δD—δ18O diagram of different water bodies in August and December

3.3 不同水體同位素時空分布特征及水循環(huán)指示意義

基于穩(wěn)定氫氧同位素在水循環(huán)過程中的標(biāo)記特點,可以揭示區(qū)域水體的補(bǔ)給源、補(bǔ)給模式以及水體間的水力聯(lián)系,進(jìn)而揭示水循環(huán)指示意義[42]。煤礦的開采可能嚴(yán)重影響水體的時空演化[43]。地表水氫氧同位素值與距河源距離的關(guān)系如表1所示。從DB01到DB02地表水的δD和δ18O均呈增加趨勢,這表明地表水在徑流過程受到蒸發(fā)作用使得重氫氧同位素不斷富集[5]。從DB02到DB04地表水δD和δ18O均呈下降趨勢,主要原因為該區(qū)域是采煤集中區(qū),人類活動頻繁,沿程有多處礦井水的補(bǔ)給,致使地表水體氫氧同位素貧化。人類活動,尤其是工礦活動,對水體同位素時空分布有顯著的影響[44]。從DB04到DB05氫氧同位素值增幅較大,主要因為DB05取樣點處是趙家溝水庫,地表水在此處流速減緩、水面增大,蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,使得氫氧同位素快速富集。

表1 不同時期的地表水同位素值

從地下水氫氧同位素時空分布(圖6)可以看出,淺層地下水氫氧同位素值在研究區(qū)的西北部較低,δD和δ18O分別為-75.27‰～-74.00‰和-10.17‰～-9.95‰;在東南部氫氧同位素值較高,δD和δ18O分別為-68.99‰～-67.00‰和-8.94‰～-8.75‰。深層地下水的氫氧同位素值在研究區(qū)西北和北部較低,δD和δ18O分別為-79.11‰～-77.00‰和-11.15‰～-10.75‰;在東南和南部氫氧同位素值較高,δD和δ18O分別為-72.99‰～-71.00‰和-9.74‰～9.345‰。地下水氫氧同位素值沿徑流方向(自西北向東南)呈逐漸增加趨勢。這是由于地下水在運(yùn)移過程中隨著運(yùn)移路徑和滯留時間的延長,不斷地發(fā)生水巖相互作用[13,38],采煤區(qū)氫氧同位素值較非采區(qū)明顯增加。淺層地下水氫氧同位素在研究區(qū)中部出現(xiàn)高值,這是因為該區(qū)域分布有露天礦和井工礦,煤礦開采水位被強(qiáng)排疏降后,淺層地下水通過導(dǎo)水裂隙與煤系地層進(jìn)行充分接觸,發(fā)生了碳酸鹽和硅酸鹽為主導(dǎo)的水- 巖反應(yīng),從而導(dǎo)致D和18O不斷富集[38]。研究區(qū)東南部淺層地下水氫氧同位素出現(xiàn)高值,是由于氫氧同位素較高的地表水補(bǔ)給、沿程同位素的富集以及煤礦開采等人為因素的多重因素疊加所致。從淺層地下水的氫氧同位素空間分布上看,8月高值區(qū)域較12月明顯增多,主要是由于季節(jié)效應(yīng)影響[2]。一般情況下,賦存良好的深層地下水系統(tǒng)除地下水位和水量穩(wěn)定外,D和18O同位素組成也基本保持不變,代表了長期平均氣候值[45]。從空間分布上看,研究區(qū)深層地下水氫氧同位素值較淺層地下水偏低,季節(jié)變化不明顯,這一結(jié)果與Tan等[45]的發(fā)現(xiàn)一致。深層地下水氫氧同位素高值出現(xiàn)在西北和東部局地,這是由于煤炭開采導(dǎo)致上覆孔隙水含水層與下伏煤系地層之間穩(wěn)定隔水層被破壞,造成局部水循環(huán)加快,深層地下水與淺層地下水建立了密切的水力聯(lián)系[13]。

圖6 地下水氫氧同位素的時空分布Fig.6 Spatial and temporal distribution of hydrogen and oxygen isotopes in groundwater

3.4 研究區(qū)礦井水的來源

氫氧同位素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,且不同水體中氫氧同位素值存在一定的差異[33]。同位素示蹤劑通常比水化學(xué)方法受較少的過程影響,因此,同位素數(shù)據(jù)可以更好地辨別端元,對混合過程的解釋也比較清晰[41]。根據(jù)前文分析,研究區(qū)的礦井水混合較為復(fù)雜,受到地表水、淺層地下水和深層地下水的補(bǔ)給。在低溫條件下,礦井水的氫氧同位素與巖石相互作用不發(fā)生同位素交換[46]。因此,基于氫氧同位素質(zhì)量守恒原理,應(yīng)用貝葉斯混合模型MixSIAR[47],將研究區(qū)地表水、淺層地下水、深層地下水和礦井水氫氧同位素數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差輸入模型,計算上述3種水體對礦井水的補(bǔ)給比例。結(jié)果發(fā)現(xiàn),平朔礦區(qū)8月礦井水中地表水占18.60%,淺層地下水占19.80%,深層地下水占61.60%；12月礦井水中地表水占19.20%,淺層地下水占13.70%,深層地下水占67.20%。由此可見,深層地下水是礦井水的主要補(bǔ)給來源,且冬季補(bǔ)給比例大于夏季。地表水和淺層地下水對礦井水的補(bǔ)給占比無論是夏季還是冬季均較小,這與研究區(qū)多年采煤造成地表水徑流減少甚至斷流以及淺層地下水水位下降、水量減少或枯竭是分不開的。由于淺層地下水主要受大氣降水補(bǔ)給的影響,導(dǎo)致其對礦井水的補(bǔ)給比例也存在明顯的季節(jié)差異。

4 結(jié) 論

本文在搜集平朔礦區(qū)流域水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,基于所采集的2020年8月和12月的地表水、淺層地下水、深層地下水和礦井水樣品,采用穩(wěn)定氫氧同位素示蹤法,分析了不同水體氫氧同位素空間分布和季節(jié)變化特征以及水體之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系；采用混合模型MixSIAR計算了不同水體對礦井水的補(bǔ)給比例,揭示了平朔礦區(qū)采煤驅(qū)動下水循環(huán)規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1) 地表水和礦井水δD和δ18O夏季較冬季高；地下水δD和δ18O季節(jié)差異不明顯。地表水氫氧同位素值沿程呈增加趨勢,但局部受到礦井水的補(bǔ)給,出現(xiàn)貧化；地下水氫氧同位素值沿徑流方向(自西北向東南)呈逐漸增加趨勢。

(2) 采煤區(qū)氫氧同位素值較非采煤區(qū)明顯增加。受季節(jié)效應(yīng)影響,淺層地下水氫氧同位素在空間分布上8月高值區(qū)域較12月明顯增多。

(3) 從δ18O與δD關(guān)系圖上得出,地表水在接受大氣降水的補(bǔ)給之后受到了蒸發(fā)分餾作用的影響,淺層地下水的補(bǔ)給源較復(fù)雜,深層地下水由于采煤形成的導(dǎo)水裂隙帶受到了淺層地下水和地表水的補(bǔ)給,礦井水受地表水、淺層地下水以及深層地下水的補(bǔ)給。

(4) 基于氫氧同位素質(zhì)量守恒原理,應(yīng)用混合模型MixSIAR,揭示出深層地下水是礦井水的主要補(bǔ)給來源,占61.60%～67.20%,且補(bǔ)給比例冬季大于夏季;淺層地下水對礦井水的補(bǔ)給存在明顯季節(jié)差異。