令狐昌衛(wèi), 寸得欣, 尹林虎, 劉振南, 涂春霖,2*, 龐龍

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局昆明自然資源綜合調(diào)查中心, 昆明 650100; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100083)

中國煤炭資源豐富,煤礦開采在不同程度上伴隨著含水層破壞、地下水污染等環(huán)境問題[13-14], 研究表明,煤礦開采產(chǎn)生的大量廢水,通過各種途徑進(jìn)入地表水和地下水中,致使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境惡化[12,15]。但當(dāng)前關(guān)于煤礦區(qū)水環(huán)境的研究主要集中在北方地區(qū),如山西陽泉[16]、大同[17]、平朔[10],陜西榆林[2]、神府[18],河北開灤[19]、邯鄲[20]等地,而西南煤礦區(qū)的研究有限,主要集中在滇東煤礦區(qū)土壤和沉積物中重金屬污染、煤層氣產(chǎn)出水水化學(xué)特征[21-22]等方面,還需進(jìn)一步加深對滇東煤礦區(qū)水環(huán)境的認(rèn)識,以支撐滇東煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和修復(fù)。

基于此,選取滇東富源典型煤礦區(qū)為研究對象,系統(tǒng)采集煤礦區(qū)周邊地表水和地下水樣品,運用Piper三線圖、Gibbs圖、離子比例系數(shù)等方法,對研究區(qū)不同水體水化學(xué)特征進(jìn)行分析,查明其水化學(xué)控制因素及離子來源,明確人類活動是工作區(qū)水化學(xué)演化的重要影響因子,為中國南方巖溶煤礦區(qū)水環(huán)境的研究提供了新的視角,也為當(dāng)?shù)厮Y源的科學(xué)管理和系統(tǒng)治理提供了支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于滇東富源縣中部,為典型的煤礦區(qū)小流域,匯水面積404 km2[22]。地理坐標(biāo)為東經(jīng)104°8′～104°25′,北緯25°20′～25°32′。研究區(qū)地處滇東高原,整體地勢西高東低,山體多呈南北走向,高程范圍1 598～2 702 m。區(qū)內(nèi)屬南溫帶山地季風(fēng)半濕潤氣候,具有冬春干旱、夏秋高溫多雨的季節(jié)特點,年平均氣溫約14 ℃,降水豐富,年平均降雨量1 100 mm。

區(qū)內(nèi)地層受構(gòu)造作用控制明顯,多呈北東向延伸[9]。出露地層主要有二疊系茅口組(P1m)、峨眉山玄武巖組(P2β)、宣威組(P2xn)、三疊系飛仙關(guān)組(T1f)、永寧鎮(zhèn)組(T1yn)、關(guān)嶺組(T2g)等,其中碳酸鹽巖分布于研究區(qū)西部及北部,面積約152.5 km2,煤系地層呈北東向分布在研究區(qū)中部及東北部,面積約54.6 km2(圖1)。宣威組為區(qū)內(nèi)主要的含煤地層,煤系巖石中富含黃鐵礦及菱鐵礦等[9,23]。

研究區(qū)地下水包括基巖裂隙水和碳酸鹽巖類巖溶水兩大類(表1),基巖裂隙水主要包含二疊系宣威組、峨眉山玄武巖組和三疊系飛仙關(guān)組,碳酸鹽巖類巖溶水進(jìn)一步分為純碳酸鹽巖巖溶水和碳酸鹽巖夾碎屑巖類巖溶水,前者包括二疊系茅口組、三疊系關(guān)嶺組二、三段,后者包括永寧鎮(zhèn)組和關(guān)嶺組一段。區(qū)內(nèi)巖溶地下水較豐富,泉點多在溝谷及地形低洼處出露,最終匯入塊澤河。

研究區(qū)煤礦企業(yè)集中,礦業(yè)活動發(fā)達(dá)[24]。區(qū)內(nèi)大小煤礦、選煤廠、煤矸石堆等工礦企業(yè)百余處,規(guī)模大小不一,絕大多數(shù)已關(guān)閉[圖2(a)]。采煤廢水[圖2(b)]、煤矸石淋濾水[圖2(c)]以及采煤粉塵等均是當(dāng)?shù)貪撛诘奈廴緛碓础?/p>

圖2 典型污染情況Fig.2 Typical pollution situation

2 水化學(xué)調(diào)查與測試分析

2.1 樣品采集與分析

為查明研究區(qū)不同水體水化學(xué)特征及控制因素,對流域內(nèi)地表水和地下水進(jìn)行了系統(tǒng)采樣,于2020年8月采集水樣42件,其中地表水樣12件,地下水樣28件,礦井水樣2件,采樣點位置及編號如圖1(b)所示。

使用聚乙烯塑料瓶進(jìn)行采樣,采集前用蒸餾水清洗干凈,采樣時再用水樣多次潤洗,以確保水樣不受外部因素干擾。現(xiàn)場記錄采樣點經(jīng)緯度和高程,并用便攜式多參數(shù)水質(zhì)測定儀(DZB-718型)測定pH 、水溫(T)和溶解性總固體(total dissolved solids,TDS)等水化學(xué)參數(shù)。采樣后用封口膜封緊瓶蓋,并蠟封保存,防止空氣進(jìn)入。樣品送國土資源部成都礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心,測試方法參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 14848—2017)中推薦的方法執(zhí)行,測試結(jié)果滿足質(zhì)量要求。

2.2 主要離子特征及水化學(xué)類型

如表2所示,研究區(qū)地表水pH變化范圍為7.82～9.37,均值為8.42,呈弱堿性;TDS變化范圍為140～828 mg/L,均值為364.67 mg/L,變異系數(shù)52.06%,為高度變異。地下水pH變化范圍為6.39～8.30,均值為7.55,整體呈中性;TDS變化范圍為60～620 mg/L,均值為225.86 mg/L,變異系數(shù)59.51%,為高度變異。礦井水pH變化范圍3.87～10.08,均值為6.98;TDS變化范圍為1 080～2 322 mg/L,均值為1 701 mg/L,顯著高于地表水和地下水的TDS值,為高礦化度礦井水。

表2 研究區(qū)不同水體主要離子濃度

圖3 研究區(qū)不同水體主要陽離子和陰離子濃度分布Fig.3 Distributions of cations and anions in different water in the study area

圖4 研究區(qū)水化學(xué)成分Piper三線圖Fig.4 Piper diagram of water chemical composition in the study area

2.3 各化學(xué)指標(biāo)之間的相互關(guān)系

2.4 礦物飽和指數(shù)

飽和指數(shù)(SI)常用來判斷水體中各種礦物的溶解和沉淀過程[28]。研究區(qū)地表水和地下水礦物飽和指數(shù)與TDS關(guān)系如圖5所示,地表水中方解石飽和指數(shù)范圍為0.25～1.29,均值為0.95;白云石飽和指數(shù)范圍為0.33～2.69,均值為1.68;石膏飽和指數(shù)范圍為-3.45～-1.2,均值為-2.34,表明地表水中方解石和白云石均達(dá)到了飽和,而石膏處于不飽和狀態(tài)[圖5(a)]。

SI為飽和指數(shù);虛線為礦物飽和指數(shù)與TDS擬合線

地下水中方解石飽和指數(shù)范圍為-2.16～1.06,均值為0.07,白云石飽和指數(shù)范圍為-4.53～1.64,均值為-0.38,石膏飽和指數(shù)范圍為-4.81～-1.16,均值為-2.77表明地下水中大部分方解石和白云石達(dá)到了飽和,但個別基巖裂隙水樣點(B9、B15、B16)未達(dá)到飽和,而石膏則始終處于不飽和狀態(tài)[圖5(b)]。

3 討論

3.1 水巖模型分析

圖6 研究區(qū)水樣品Gibbs圖Fig.6 Gibbs map of water samples in the study area

通過Mg2+/Na+與Ca2+/Na+和Mg2+/ Ca2+與Na+/Ca2+的比值關(guān)系,可以進(jìn)一步揭示流域水體中不同溶質(zhì)的來源[9,30-31]。如圖7所示,碳酸鹽巖類巖溶水落在碳酸鹽巖端元,明顯受到碳酸鹽巖礦物溶解的影響;地表水和基巖裂隙水主要落在硅酸鹽巖和碳酸鹽巖端元之間,表明兩者受碳酸鹽巖和硅酸鹽巖風(fēng)化的共同影響,且沿徑流方向,碳酸鹽巖的風(fēng)化溶解作用降低,而硅酸鹽巖的風(fēng)化作用增強,這與該區(qū)含煤層系的發(fā)育有關(guān)。另外,K2具有較高的Na+濃度,可能是因為礦井水中發(fā)生了強烈的陽離子交換作用。

圖7 Ca2+/Na+與 Mg2+/Na+、Na+/ Ca2+與Mg2+ Ca2+關(guān)系Fig.7 Plots of Ca2+/Na+ vs. Mg2+/Na+ and Na+/ Ca2+ vs. Mg2+ Ca2+

3.2 主要離子來源

圖8 研究區(qū)河水離子比例關(guān)系Fig.8 Relationships diagrams of in study area

水體中Ca2+/Mg2+的比值可以判別離子是否來源于白云石、方解石和硅酸鹽,如果Ca2+/Mg2+=1,主要溶解礦物為白云石[36],若12時,則說明硅酸鹽的溶解作用或有石膏參與溶解[30]。由圖8(c)可知,研究區(qū)大部分樣品Ca2+/Mg2+的值大于2,占比67%,說明該區(qū)離子主要來源有碳酸鹽巖、硅酸鹽巖以及石膏的溶解,與前文分析一致。

研究區(qū)K+、Cl-濃度較低,但礦井水和部分地表水中Na+濃度較高,礦井水中最高達(dá)到了416 mg/L,地表水中最高達(dá)到了308 mg/L。通常情況, Na+、K+、Cl-來源與巖鹽溶解、陽離子交換作用和人類活動等有關(guān)[9,37]。若Na+/Cl-=1,說明水中Na+主要來自鹽巖溶解[38]。由圖8(d)可知,碳酸鹽巖類巖溶水基本沿Na+/Cl-=1等值線分布,表明該類地下水中Na+主要來自鹽巖溶解;而礦井水、部分地表水和基巖裂隙水樣中的 Cl-和 Na+濃度比值偏離1∶1等值線,靠近 Na+一側(cè),表明Na+還有其它來源,推測Na+離子可能來源于煤系地層中硅酸鹽巖的溶解和礦井水的排放等。

3.3 陽離子交換作用

圖9 研究區(qū)(Na+-Cl-)與[(Ca2++Mg2+)-和CAI1與CAI2關(guān)系Fig.9 Relationships of (Na+-Cl-) vs.[(Ca2++Mg2+)- CAI1vs.CAI2 in the study area

通過氯堿指數(shù)CAI1、CAI2可進(jìn)一步表達(dá)陽離子的交換作用和強度[42]。當(dāng)水中的Na+、K+交換含水介質(zhì)中的Ca2+、Mg2+時,CAI1與CAI2值為正,反之為負(fù)值;且CAI1與CAI2的絕對值越大,陽離子交換作用越強[4,43]。從圖9(b)可以看出,除B24、B17外,其余水樣CAI1與CAI2均為負(fù)值,表明研究區(qū)地表水及地下水中存在陽離子交換作用,水中的Ca2+、Mg2+交換含水介質(zhì)中的Na+、K+,也印證了地表水中Na+值遠(yuǎn)大于Cl-值的原因,與前文分析一致。

3.4 人類活動影響

圖10 研究區(qū)與Cl-/Na+和與關(guān)系Fig.10 Relationships diagrams of vs. Cl-/Na+ and

3.5 水化學(xué)控制因素分析

主成分分析通過對數(shù)據(jù)標(biāo)注化及降維處理,提取主要變量解釋地下水水化學(xué)的主要影響因素及影響程度[46]。由于區(qū)內(nèi)地表水中各離子指標(biāo)相關(guān)性較低(表4),而地下水相關(guān)性較強,因此選取區(qū)內(nèi)地下水樣品進(jìn)行主成分分析。水化學(xué)組分相關(guān)矩陣的KMO(Kaiser-Meyer-Olkin,KMO)檢驗值為0.58(>0.5),Bartlett球型檢驗統(tǒng)計量的Sig=0(<0.01),表明適用主成分分析。提取得到特征值>1的3個主因子,累積貢獻(xiàn)率為82.06%,可以解釋區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)信息。采用最大方差旋轉(zhuǎn)法得到旋轉(zhuǎn)成分矩陣,如表4所示。

表4 研究區(qū)水樣旋轉(zhuǎn)成分矩陣

主因子F2因子貢獻(xiàn)率為19.47%,主要載荷為Na+、Cl-和Mg2+。研究表明,巖溶地下水中Na+主要源于巖鹽的溶解,當(dāng)?shù)乇硭a給地下水時,還可能發(fā)生陽離子交換作用等,另外基巖裂隙水中還存在硅酸鹽巖溶解的影響,因此F2代表硅酸鹽巖的溶解和陽離子交換作用等對地下水水化學(xué)組分的影響。

4 結(jié)論

(3)主成分分析結(jié)果表明,研究區(qū)地下水水化學(xué)主要受碳酸鹽巖溶解和礦業(yè)活動影響、硅酸鹽巖的溶解和陽離子交換作用以及農(nóng)業(yè)活動3個因子的控制。