臺格廟礦區(qū)地下水水化學(xué)特征與演變規(guī)律研究

李海祥 ，曹志國 ，王路軍 ，池明波 ，胡博文 ，張 鎖 ，周愛霞

（1.生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心 地下水部, 北京 100012；2.北京低碳清潔能源研究院 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室, 北京 100011；3.神華新街能源有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200）

0 引 言

地下水在循環(huán)過程中受蒸發(fā)、混合、水巖相互作用、離子交換、人類活動等影響，其化學(xué)組分也會隨之發(fā)生改變。在不同的循環(huán)階段，地下水會演變出獨特的水化學(xué)特征，其空間分布規(guī)律蘊含了地下水在循環(huán)過程中的賦存環(huán)境、徑流途徑，能量質(zhì)量交換等重要信息[1-4]。通過分析水化學(xué)特征，探明地下水演變規(guī)律，可揭示地下水與環(huán)境的相互影響機制。

西部五省區(qū)（晉、陜、蒙、寧、新）煤炭產(chǎn)量和儲量占全國70%以上，隨著東部煤炭資源枯竭，鄂爾多斯盆地侏羅系煤田持續(xù)開發(fā)，中深部煤層開采成為今后的重點[5]。但在西部五?。▍^(qū)），生態(tài)極其脆弱，水資源量僅占全國的3.9%，地下水是主要的供給水源。針對“富煤、貧水、弱生態(tài)”的特點，如何突破水資源制約煤炭工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，實現(xiàn)“保水采煤”，對煤炭資源綠色發(fā)展和地下水環(huán)境保護極其重要。作為國家重點開發(fā)項目的新街臺格廟礦區(qū)，把煤炭開采對地下水環(huán)境的影響降到最低，對保障國家供煤穩(wěn)定和生態(tài)綠色發(fā)展具有重要引領(lǐng)意義[6]。鄂爾多斯地區(qū)，李嘉璐[7]利用水化學(xué)方法，分析盆地西南部地下水化學(xué)演化機制，并通過飽和指數(shù)計算和水巖相互作用反向模擬，證實地下水與周圍巖石的水化學(xué)作用與地下水中離子的數(shù)目變化有著緊密的聯(lián)系。WANG 等[8]基于對都思兔河流域不同深度的水井取樣測試數(shù)據(jù)，證實了來自于不同水流系統(tǒng)的地下水樣點，其水化學(xué)類型有著顯著差異。LYU 等[9]通過對鄂爾多斯高原烏審召盆地地下水取樣研究發(fā)現(xiàn)，補給、排泄區(qū)地下水水化學(xué)類型有著顯著差異，存在著水化學(xué)演化過程。煤炭領(lǐng)域，康占忠等[10]利用榆神礦區(qū)工作面回采前頂板預(yù)疏放鉆孔施工過程中分層水化學(xué)特征分析，補充了修正地質(zhì)勘探和水文補勘期間未能對煤層頂板“兩帶”范圍內(nèi)進行精細(xì)刻畫的不足，實現(xiàn)煤層頂板直接充水含水層水化學(xué)特征的精細(xì)分層。桂和榮[11]利用皖北礦含水層地下水水化學(xué)組分，分析水循環(huán)特征，建立了礦區(qū)主要突水含水層的常規(guī)水化學(xué)判別模式；劉基等[12]利用水化學(xué)特征，分析第四系地下水的循環(huán)規(guī)律，確定了第四系污染主要來自地表人類活動。綜上，由于鉆探工作的推進，臺格廟礦區(qū)具備開展地下水演變規(guī)律研究的基礎(chǔ)和必要性。

筆者通過研究臺格廟礦區(qū)地下水化學(xué)特征，分析地下水的運移規(guī)律，為科學(xué)采煤提供設(shè)計依據(jù)，在提高資源利用率的同時，減少采動對地下水資源、紅堿淖等地表水體的影響，降低深部煤炭資源大規(guī)模開發(fā)利用給生態(tài)環(huán)境帶來的負(fù)面壓力，提升礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)效果。

1 研究區(qū)概況

1.1 礦區(qū)概況

臺格廟礦區(qū)位于鄂爾多斯市境內(nèi)，地處毛烏素沙漠的東北邊緣，總面積766 km2，如圖1 所示。年均氣溫6.0～8.5 ℃，年降水量250～440 mm，多集中于7-9 月，占全年降水的60%～75%[13]。礦區(qū)周邊為侵蝕性丘陵及風(fēng)積沙漠區(qū)，地勢中部高，鄂爾多斯北部湖泊流域和紅堿淖流域地下水分水嶺從中貫穿，海拔最高點+1 501.6 m。海拔最低點位于礦區(qū)南側(cè)，標(biāo)高+1 259.0 m[14]。礦區(qū)煤層賦存于侏羅系延安組，全區(qū)隱伏，煤系地層構(gòu)造形態(tài)為向西傾斜的單斜構(gòu)造，發(fā)育寬緩的波狀起伏，構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡單類。煤層自上而下共15 層，大部分為可采較穩(wěn)定煤層，煤層埋藏深度519～909 m，煤炭資源量14 365.49 Mt[15]。

1.2 水文地質(zhì)條件

臺格廟礦區(qū)含水層可分為第四系含水層、白堊系含水層、侏羅系中統(tǒng)和下統(tǒng)含水層，如圖2 所示。第四系含水層水位埋深0.5～4 m，單位涌水量0.2～1 L/(s·m)，富水性中等；白堊系含水層巖性為中粗砂巖，厚度在1.15～420 m，富水性弱～中等[16-17]。第四系與白堊系含水層地下水聯(lián)系密切，屬于同一徑流系統(tǒng)，主要由降雨和河流入滲補給，徑流方向受局部地形控制，排泄方式以蒸發(fā)和向地表水體排泄為主。受盆地高嶺的影響，地下水被分成2 部分，一部分屬于紅堿淖流域，紅堿淖作為流域內(nèi)海拔最低點，周邊河流和白堊系地下水向紅堿淖匯聚，另一部分屬于北部湖泊流域，河流與地下水由分水嶺向巴汗淖等湖泊徑流。侏羅系中統(tǒng)水位埋深在14～126 m，單位涌水量0.01～0.08 L/(s·m)，富水性弱，下統(tǒng)含水層巖性以中粒砂巖為主，透水性與導(dǎo)水性能差。侏羅系地下水屬獨立徑流系統(tǒng)，補給主要來自側(cè)向徑流，徑流方向受區(qū)域地形控制，不受分水嶺影響，由南側(cè)邊界流出[18-19]。

2 樣品采集與測試

為揭示臺格廟礦區(qū)地下水循環(huán)特征，在礦區(qū)水文地質(zhì)勘察期間選取南區(qū)9 口北區(qū)6 口水文鉆孔，對白堊系含水層和侏羅系含水層進行取樣，取樣點分布如圖1 所示。此次研究對水樣測試項包括地下水常規(guī)離子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO23-、Cl-、SO24-）和pH 值、礦化度，其中pH 值、礦化度、HCO3-和CO23-為野外現(xiàn)場測試；Na+、K+、Ca2+、Mg2+測試方法為電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP AES-6000)；Cl-、SO24-測試方法為離子色譜法(ICS-900)。除此之外，地表水和紅堿淖湖水?dāng)?shù)據(jù)來源于《紅堿淖流域地下水循環(huán)機理及湖水位動態(tài)預(yù)測研究》[20]，取樣點位置如圖1 所示，詳細(xì)信息見表1。

表1 地下水水化學(xué)參數(shù)Table 1 Groundwater hydrochemical parameters

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)類型與演化分析

Piper 三線圖能夠表示地下水中主要離子的比例[21]，此次研究根據(jù)43 組水化學(xué)參數(shù)繪制了Piper三線圖，如圖3 所示。根據(jù)采樣位置和類型將樣品分為南側(cè)白堊系SK、北側(cè)白堊系NK、南側(cè)侏羅系SJ、北側(cè)侏羅系NJ、湖水SL 和河水ST 六類。其中河水中Ca2+和HCO3-含量較高，湖水中Na+和Cl-含量最高，且河水具有向湖泊水演變的趨勢。白堊系和侏羅系地下水中Na+和HCO3-含量高，但相比白堊系，侏羅系地下水中Cl-和SO24-占比更大，同時礦化度也更高，水化學(xué)類型更接近湖水。相同含水層SK和NK、SJ 和NJ 的水化學(xué)特征差異不大，主要是運移環(huán)境差異不大導(dǎo)致的。河水在徑流過程中，隨運移時間增大，溶解易溶巖數(shù)量和種類越多，水化學(xué)特征也發(fā)生改變，在混入湖水后，水化學(xué)特征與湖水一致；地下水在運移過程中，由于Cl-和Na+難以結(jié)晶析出，其占比不斷增大，水化學(xué)類型由Ca-HCO3型轉(zhuǎn)成Na-HCO3型，最后變成Na-Cl 型。演變過程與鄂爾多斯地下水小流域演變規(guī)律一致[22]，因此湖水主要來自河水注入和地下水排泄。

圖3 臺格廟礦區(qū)地下水水化學(xué)Piper 圖Fig.3 Piper of groundwater hydrochemistry in Taigemiao Mining Area

3.2 控制因素分析

礦區(qū)地下水和地表水源頭為大氣降水，相比地表水，地下水在循環(huán)過程中，往往受水巖相互作用、蒸發(fā)、混合、離子交換等作用的影響。Gibbs 圖可以有效反映出蒸發(fā)控制、巖石控制、降雨控制的作用過程[23]。如圖4 所示，礦區(qū)降雨稀少，河水地表徑流淋濾巖石，水化學(xué)特征主要受巖石控制，部分河段與地下水聯(lián)系緊密，水化學(xué)特征靠近地下水；紅堿淖湖為內(nèi)流湖，主要受蒸發(fā)作用控制；白堊系和侏羅系地下水則受巖石和蒸發(fā)雙重作用，其中侏羅系水受蒸發(fā)作用控制更強烈一些，但二者均偏離蒸發(fā)-巖石控制線，是由于強烈的離子交換作用導(dǎo)致。

圖4 水化學(xué)Gibbs 圖Fig.4 Gibbs diagram of water chemistry

通過Gibbs 圖可知，礦區(qū)地下水主要受巖石和蒸發(fā)控制，為進一步分析控制巖石的類型可利用C(Ca2+)/C(Na+)、C(Mg2+)/C(Na+)與C(HCO3-)/C(Na+)離子比值端元圖[24]。由圖5 可知，河水水化學(xué)成分主要受碳酸鹽巖和硅酸鹽巖的影響，白堊系和侏羅系地下水主要受硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖的影響，而湖水主要受蒸發(fā)鹽巖控制。湖水中C(Mg2+)/C(Na+)的值要高于地下水，是由于湖水由地表水的注入混合后再蒸發(fā)導(dǎo)致。

圖5 離子比值端元圖Fig.5 Ion ratio endmember diagram

3.3 質(zhì)量平衡模擬計算

礦區(qū)地下水運移到湖水的過程中，其化學(xué)類型主要受巖石溶解和離子交換控制，該地區(qū)主要發(fā)生溶解作用的礦物有方解石、白云石、巖鹽和石膏。為進一步確定地下水運移到紅堿淖湖水過程中溶解特征，以南側(cè)白堊系和侏羅系地下水作為端源，在經(jīng)過礦物溶解、離子交換作用及混合地表水后形成現(xiàn)有紅堿淖水化學(xué)組分，在此基礎(chǔ)上建立質(zhì)量平衡模型[25-26]，定量分析水化學(xué)成因，見表2-表4。Ca2+和Mg2+的交換比例與其初始濃度比值一致。反應(yīng)過程質(zhì)量平衡方程如下：

表3 反映礦物化學(xué)計量數(shù)Table 3 Reflects the number of mineral chemistry measurement

表4 礦物溶解結(jié)果Table 4 Mineral dissolution results mmol

式中：xrs為單位體積參與水巖相互作用巖鹽的含量；xcal為單位體積參與水巖相互作用方解石的含量；xdol為單位體積參與水巖相互作用白云石的含量；xpla為單位體積參與水巖相互作用石膏的含量；xCaex為單位體積參與離子交換鈣離子的含量；xMgex為單位體積參與離子交換鈣離子的含量。

經(jīng)地下水循環(huán)演變質(zhì)量平衡模型計算得出，地下水在演變成湖水的過程中，各物質(zhì)的溶解量見表4。白堊系地下水在循環(huán)演變成湖水的過程中，白堊系地下水需要溶解一定量的白云石、石膏、巖鹽和CO2，同時還需沉淀出方解石并伴隨強烈的離子交換作用。白堊系地下水可以混合不同比例的河水形成湖水，地下水溶解和析出礦物類型不會發(fā)生改變，但隨著河水占比的增高，溶解和析出礦物程度會減弱，離子交換程度也會降低。侏羅系地下水在循環(huán)演變過程中，當(dāng)混入河水占比較大時，需要溶解一定量的白云石和巖鹽，同時要沉淀出方解石、石膏、釋放CO2，離子交換程度弱，但隨著混合河水比例的減小，方解石、石膏和CO2由釋放轉(zhuǎn)變成溶解。實際情況中，鄂爾多斯深部含水層地下水在運移過程中會溶解CO2，所以侏羅系地下水在演變成湖水的過程中，只混合少量河水或不混合河水。紅堿淖穩(wěn)定期每年總補給量為7.86×107m3，其中地下水僅為9.81×106m3，占比12.48%[27]。補給的地下水主要來自白堊系含水層，侏羅系含水層貢獻(xiàn)的水量很少。

3.4 采煤對紅堿淖湖水的影響

綜上，臺格廟礦區(qū)地下水流系統(tǒng)主要分為分水嶺南側(cè)白堊系地下水流系統(tǒng)、北側(cè)的白堊系地下水流系統(tǒng)和深部的侏羅系水流系統(tǒng)，其中侏羅系地下水流系統(tǒng)受煤炭開采的直接影響。如圖6 所示，紅堿淖湖水的變化量ΔQL，主要取決于河水補給量QT、白堊系補給紅堿淖水量QKL、侏羅系補給紅堿淖水流QJL和湖水蒸發(fā)量QET。水量平衡關(guān)系如下式：

圖6 臺格廟礦區(qū)地下水循環(huán)示意Fig.6 Schematic diagram of groundwater circulation in Taigemiao Mining Area

侏羅系地下水流系統(tǒng)主要補給為側(cè)向邊界補給QJ1，主要排泄方式為徑流排泄QJ2、補給紅堿淖QJL和采煤排水Qcoal，水量平衡關(guān)系如下式：

由地下水質(zhì)量平衡模擬結(jié)果可知，紅堿淖水主要來自地表河水QT和白堊系地下水QKL演變混合后形成，侏羅系地下水補給量QJL在湖水總補給量中占比很小或為零。因此，在保障白堊系水流系統(tǒng)不被破壞的前提下，當(dāng)采煤排水量Qcoal只襲奪QJ1的水量或少量QJL水量時，才會將采煤對紅堿淖和其他河流的影響降到最小。

4 結(jié) 論

1）臺格廟礦區(qū)白堊系地下水多為Na-HCO3型，主要受硅酸鹽巖和蒸發(fā)巖鹽的控制；侏羅系水同樣為Na-HCO3型，同樣受硅酸鹽巖和蒸發(fā)巖鹽的控制，但SO24-含量較高；河水為Ca-HCO3型水，主要受碳酸巖鹽、硅酸鹽巖的控制；湖水為Na-Cl 型水，主要受蒸發(fā)巖鹽控制。

2）白堊系地下水在補給湖水過程中，會溶解一定量的白云石、石膏、巖鹽和CO2，析出方解石，同時受離子交換作用的影響。侏羅系地下水不能與大比例河水混合形成湖水，湖水的主要補給來源為白堊系地下水和河水。

3）臺格廟礦區(qū)煤炭開采直接影響侏羅系地下水流系統(tǒng)，在保障白堊系水流系統(tǒng)不被破壞的前提下，采煤排水量Qcoal只襲奪QJ2的水量或少量QJL水量時，會將對紅堿淖和其他河流的影響降到最小。