李 果，呂情緒，許 峰

(1.神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719300；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

煤炭是我國最基礎(chǔ)、最重要的化石燃料，對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用。中國是世界上最大的煤炭消費(fèi)國和生產(chǎn)國，其生產(chǎn)和消費(fèi)過程必然會(huì)造成一定的資源和環(huán)境問題[1-3]。在煤炭開采中，采礦過程、礦物加工以及礦井脫水和淋濾水排放等過程均會(huì)在不同采礦階段甚至是采礦結(jié)束后對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源的水量和水質(zhì)造成不同程度的影響[4-7]。眾所周知，地表水和地下水水質(zhì)對(duì)于維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和人類生存和發(fā)展具有重要作用，而礦區(qū)地表水和地下水水質(zhì)又非常容易受到當(dāng)?shù)毓さV活動(dòng)的影響[8]。因此，理清礦區(qū)地表水和地下水水化學(xué)組成及其控制因素具有重要意義。

在已有對(duì)礦區(qū)水量和水質(zhì)的研究中，很多學(xué)者從不同的角度去探究礦產(chǎn)資源開發(fā)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境水化學(xué)及補(bǔ)給的影響。如Farhad等[4]在Barapukuria地區(qū)發(fā)現(xiàn)持續(xù)增強(qiáng)的礦產(chǎn)開發(fā)工作將對(duì)含水層的幾何形狀及灌溉用水的數(shù)量和質(zhì)量有重要影響。Gonzalez等[2]證明哥倫比亞煤礦區(qū)土壤中的持久性有機(jī)污染物、鉛和鋅對(duì)水質(zhì)變化起著重要的作用。Chen等[9]利用水源識(shí)別模型，反演了河南新密3個(gè)礦區(qū)地下水的補(bǔ)給關(guān)系，并探討了各礦區(qū)地下水水化學(xué)和水力聯(lián)系的控制因素。然而，這些研究仍然缺乏對(duì)采礦區(qū)水質(zhì)變化和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，尤其是在干旱缺水的中國北方，除開發(fā)利用當(dāng)?shù)氐牡V產(chǎn)資源，合理利用礦區(qū)的水資源也是極其重要的[10]。我國內(nèi)蒙古、陜西和山西等地?fù)碛胸S富的煤礦資源，大規(guī)模的煤炭開采對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源的數(shù)量和質(zhì)量具有重要影響[3]。因此，開展礦區(qū)地表水和地下水水質(zhì)研究，對(duì)于礦區(qū)水質(zhì)安全具有重要意義。此外，本研究能為神東礦區(qū)及其類似地區(qū)的水質(zhì)管理及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

神東礦區(qū)包括神東中心礦區(qū)(東經(jīng)110°4′—110°11′，北緯39°20′—39°30′)和保德煤礦(東經(jīng)111°04′—111°08′、北緯38°54′—39°01′)，是我國目前已探明儲(chǔ)量最大的煤田、最主要的煤炭生產(chǎn)基地之一，其位于陜西省北部榆林地區(qū)、內(nèi)蒙古鄂爾多斯南部以及山西保德境內(nèi)，處于中國第五大沙漠毛烏素沙漠南緣與以干旱少雨、水土流失嚴(yán)重聞名世界的黃土高原交錯(cuò)地帶[11]。神東礦區(qū)屬于溫帶干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季干旱寒冷，夏季炎熱，氣候干燥，暴雨集中，冷熱多變，晝夜溫差懸殊[12]。礦區(qū)東西地貌變化較大，西部主要地貌單元有沙丘、沙地等，東部主要為黃土溝壑(包括土石山區(qū))和土塬等地貌，全區(qū)地勢(shì)總體呈西北高東南低。神東中心礦區(qū)橫跨鄂爾多斯盆地東北部下侏羅統(tǒng)延安組、中侏羅統(tǒng)直羅組和下白堊統(tǒng)志丹群淺部露頭區(qū)，黃河二級(jí)支流烏蘭木倫河中游實(shí)質(zhì)沿白堊系與侏羅系邊界發(fā)育，以烏蘭木倫河為界，礦區(qū)跨越了鄂爾多斯北部第四系孔隙水系統(tǒng)和中西部白堊系裂隙孔隙水系統(tǒng)分布區(qū)[13，14]。

2 研究材料與方法

2.1 樣品采集與分析

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)

2.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

本研究主要利用WQI對(duì)神東礦區(qū)地表水和地下水進(jìn)行飲用適宜性評(píng)價(jià)(采用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 14848-2017)：

(1)

式中，i為各水樣不同的編號(hào)；Wi為不同指標(biāo)的比例，Wz=wi/∑wi，其中，wi為各指標(biāo)的不同權(quán)重，其主要依據(jù)各指標(biāo)對(duì)人體健康影響程度的差異進(jìn)行賦值[15]，所選取的相關(guān)指標(biāo)及其賦值數(shù)值見表1；Ci為各指標(biāo)的真實(shí)值[16]；Si為世衛(wèi)組織WHO所推薦的離子濃度標(biāo)準(zhǔn)[16]。

表1 WQI法中不同指標(biāo)的wi、Wi 和Si參數(shù)

根據(jù)各樣品綜合計(jì)算的WQI值，將神東礦區(qū)地表水和地下水主要分為以下5類：Ⅰ類(WQI<50)、Ⅱ類(50 ≤WQI<100)、Ⅲ類(100 ≤WQI<200)、Ⅳ類(200 ≤WQI<300)和Ⅴ類(WQI≥300)。

3 結(jié)果與討論

3.1 地表水和地下水基本水化學(xué)參數(shù)特征

神東礦區(qū)地表水和地下水基本水化學(xué)參數(shù)箱型圖如圖2所示，由圖2(a)可知，神東礦區(qū)地表水和地下水整體上均呈弱堿性，地表水pH值整體上大于地下水，其中地表水pH值介于7.8～8.7，平均值為8.3，地下水介于7.6～8.5，平均值為8.0(見表2)。其次，研究區(qū)地下水EC值整體上高于地表水，如圖2(b)所示，地下水的EC值介于363.0～4000.0μs/cm，平均值為1798.5μs/cm，地表水的EC值介于139.2～3160.0μs/cm，平均值為951.4μs/cm(見表2)。根據(jù)圖2(c)可以發(fā)現(xiàn)，地下水TDS值也明顯大于地表水，其中地下水TDS值介于275.1～3090.1mg/L，平均值為1392.1mg/L，地表水的TDS值介于 160.3～2255.4mg/L，平均值為711.5mg/L(見表2)。此外，地下水TH值整體上較地表水值更大且變化范圍更廣，如圖2(d)所示，其中地下水的TH值介于19.2～807.1mg/L，平均值為247.5mg/L，地表水的TH值介于 68.1～271.5mg/L，平均值為162.2mg/L。

圖2 神東礦區(qū)地表水和地下水基本水化學(xué)參數(shù)箱型圖

表2 神東礦區(qū)地表水和地下水基本參數(shù)和水化學(xué)組成統(tǒng)計(jì)特征

3.2 地表水和地下水的主要離子特征及影響因素

根據(jù)表2可知，神東礦區(qū)地表水和地下水主要陰陽離子排序均相同，均呈現(xiàn)：陰離子HCO3->SO42->Cl->NO3-，陽離子Na+>Ca2+>Mg2+>K+，可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)地表水和地下水的優(yōu)勢(shì)陰陽離子均分別為HCO3-和Na+，如圖3所示。其中，地表水和地下水優(yōu)勢(shì)陽離子均為Na+，分別占比為82%和78%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，水體中Na+含量過高，可能與礦區(qū)劇烈的人類活動(dòng)有關(guān)[18]；優(yōu)勢(shì)陰離子均為HCO3-，分別占比為52%和57%，可能與礦區(qū)中富含豐富的碳酸鹽巖有關(guān)[8]。

圖3 神東礦區(qū)地表水和地下水主要離子濃度

Piper三線圖常用來分析研究區(qū)地表水和地下水水化學(xué)類型，其根據(jù)離子間比值關(guān)系將地下水水化學(xué)主要分為HCO3-Ca-Mg、HCO3-Na-K、Cl-SO4-Na-K和 Cl-SO4-Ca-Mg 4類[19]。神東礦區(qū)地表水和地下水Piper三線圖如圖4所示，根據(jù)圖4(Piper三線圖)可知，神東礦區(qū)地表水和地下水水化學(xué)類型均屬于Cl-SO4-Ca-Mg。在陰離子三角圖(右下角)中可以發(fā)現(xiàn)，水樣主要靠近在CO32-+HCO3-一側(cè)；而陽離子三角圖(左下角)中水樣分布較為分散，主要分布在Na++K+一側(cè)，表明該地區(qū)地表水和地下水水化學(xué)可能受到了多種因素的共同影響[10]。

圖4 神東礦區(qū)地表水和地下水Piper三線圖

3.3 地表水和地下水水化學(xué)組成影響因素

利用Gibbs模型定性判斷地下水水化學(xué)組成來源，包括蒸發(fā)濃縮、巖石風(fēng)化和大氣輸入[10]。可以發(fā)現(xiàn)，神東礦區(qū)地表水水樣大多分布在地下水之上，且主要分布在巖石風(fēng)化區(qū)，表明巖石風(fēng)化是影響該地區(qū)地表水和地下水水化學(xué)組成的重要因素，如圖5(a)、5(b)所示。值得注意的是，地表水和地下水的Na+/(Na++Ca2+)值較為分散(地表水介于0.33～0.98，平均值為0.69；地下水介于0.18～0.99，平均值為0.64)。同時(shí)，部分點(diǎn)落在三角區(qū)域之外，表明這些采樣點(diǎn)可能受到人類活動(dòng)直接的影響[10]。Na端元圖利用地表水和地下水中Ca2+/Na+與Mg2+/Na+和HCO3-/Na+之間的比值關(guān)系，判斷不同巖性巖石對(duì)該地區(qū)地表水和地下水水化學(xué)組成的影響，如硅酸鹽巖、碳酸鹽巖及蒸發(fā)鹽巖[8]。根據(jù)圖5(c)、5(d)可以發(fā)現(xiàn)，地表水和地下水水樣點(diǎn)的分布比較分散，主要分布在硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖中間，表明該地區(qū)地表水和地下水的水化學(xué)組成主要受到硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖的風(fēng)化有關(guān)，部分點(diǎn)落在硅酸鹽和碳酸鹽巖中間，表明蒸發(fā)鹽巖也對(duì)該地區(qū)水化學(xué)組成有一定影響。不同采樣點(diǎn)受到的巖石風(fēng)化類型不一樣，可能與研究區(qū)不同類型巖性巖石的分布有關(guān)[20]。

圖5 神東礦區(qū)地表水和地下水Gibbs和Na端元圖

3.4 地表水和地下水的飲用適宜性評(píng)價(jià)

利用WQI法對(duì)研究區(qū)地表水和地下水進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)[16]。研究結(jié)果表明，地下水水質(zhì)優(yōu)于地表水水質(zhì)，地下水的WQI值介于24.1～152.2，平均值為81.5；地表水介于25.9～266.9，平均值為94.7。其中地下水均屬于Ⅰ～Ⅲ類地下水，分別占比33.3%、33.3%和33.3%；地表水的水質(zhì)均屬于Ⅰ～Ⅳ，分別占比40%，30%，20%和10%。因此，神東礦區(qū)地下水大多可以飲用，而部分地表水應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)處理后才能進(jìn)行飲用。

此外，本研究還利用TH(TH<100mg/L軟水和TH>100mg/L硬水)和TDS(TDS<1000mg/L淡水，1000mg/L3000mg/L咸水)的比值關(guān)系，將地表水和地下水分為軟水-淡水、軟水-微咸水、軟水-微咸水、硬水-淡水、硬水-微咸水和硬水-咸水共6類[21]?？梢园l(fā)現(xiàn)，地表水6類水質(zhì)類型，分別占比10%、10%、0%、60%、20%和0%；地下水分別占比為0%、33.3%、0%、41.7%、16.7%和8.3%，如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)大多數(shù)地表水和地下水屬于微咸水-咸水和硬水，表明利用礦區(qū)水作為飲用水源時(shí)應(yīng)注意進(jìn)行適當(dāng)處理。

圖6 神東礦區(qū)地表水和地下水水質(zhì)

4 結(jié) 論

以神東礦區(qū)地表水和地下水為研究對(duì)象，采集了12組地下水和10組地表水，采用多種方法探究了該地區(qū)的水化學(xué)組成及其影響因素，并進(jìn)行了飲用適宜性評(píng)價(jià)。

1)神東礦區(qū)地表水和地下水整體上均呈弱堿性，地表水pH值整體上大于地下水；地下水EC值整體上高于地表水；地下水TDS值也明顯大于地表水；地下水TH值整體上較地表水值更大且變化范圍更廣。

2)神東礦區(qū)地表水和地下水主要陰陽離子排序均相同：陰離子HCO3->SO42->Cl->NO3-，陽離子Na+>Ca2+>Mg2+>K+，其優(yōu)勢(shì)陰陽離子均分別為HCO3-和Na+；研究區(qū)地表水和地下水水化學(xué)類型均屬于Cl-SO4-Ca-Mg；神東礦區(qū)地表水和地下水水化學(xué)組成主要受到硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖風(fēng)化有關(guān)，同時(shí)碳酸鹽巖風(fēng)化也有一定作用，部分點(diǎn)落在三角區(qū)域外，可能是受到其他因素的影響。

3)對(duì)研究區(qū)地表水和地下水水質(zhì)進(jìn)行飲用適宜性評(píng)價(jià)可知，地下水水質(zhì)整體優(yōu)于地表水，但是利用礦區(qū)水作為飲用水源時(shí)應(yīng)注意進(jìn)行適當(dāng)處理。