坪桥工业矿废渣影响下的典型裸露型岩溶水文地球化学特征与控制因素研究

陈俭友，易世友，顾和孝

(贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州 遵义 563000)

1 研究背景及意义

裸露型岩溶作为岩溶的重要组成部分之一，占整个贵州省面积的近百分之六十二，面积约10.9万 km2。由于面积较大，导致岩溶连片分布，岩溶化程度高。这种特征导致了地表岩溶和地下岩溶呈现双重空间结构，使得岩溶山区的地表水和地下水转化频繁、联系紧密。岩溶水作为地下水重要的组成部分之一，其水质与水量等特征对贵州地下水资源起着至关重要的影响。随着经济社会的发展，岩溶水在人类和自然的共同作用下，其水化学特征、水动力特征等发生了变化，从而引发了水质变差、水量变少等问题[1,2,3]。

坪桥工业园区工业废渣堆场分布于坪桥地下河系统内，污染源种类多、分布广且较为复杂，受到污染的地下水并汇入坪桥河及深溪河后，致使最终受纳水体湘江河水质退化且呈恶化趋势[4]。

基于上述背景条件，本文通过对坪桥工业园区的工矿业企业废渣、水文地质条件等条件的分析、水土样品的采集和分析以及污染源调查等，采用了水文地球化学、微量地球化学的方法和手段[5,6]，分析了研究区内的岩溶水文地球化学、微量地球化学特征以及污染的时空变化规律等，从而研究矿石提炼的工业废渣对裸露型岩溶区地下水的污染物的迁移转化规律及水文地球化学演化过程[7]，对坪桥工业区的水资源利用及工业废渣处理有着指导意义，同时也为类似地区的污染事件提供参考借鉴[8]，为绿色可持续发展提供帮助。

2 研究区概况

2.1 地理位置[9]

研究区位于贵州北部的坪桥工业园区附近，地理坐标为106°41′～107°33′E，27°33′～27°48N′。区域为一平缓沟谷，相对高差20 m左右，周围为典型的岩溶低山-丘陵谷底地貌，其形态有溶丘、洼地和谷地，溶丘海拔高度一般为920～960 m，谷地高程一般为850～920 m，相对高差一般为40～60 m，最低点位湘江河床，海拔高790 m，以营盘、马兰山一线为分水岭。其中典型的锰渣库位于一个封闭岩溶洼地中，洼地为东南高西北低，呈北西向带状发育，长约1 000 m，宽约800 m，边坡上碳酸盐裸露或半裸露，呈陡坡状。区内地层上部为第四系残、坡积层(Qe1+d1)粘土，下伏基岩为三叠系中统关岭组二段(T2g2)灰、深灰色厚层至巨厚层状灰岩夹含、遂灰岩和硅质岩。各层岩土特性及分布特征如下：

(1)碾压碎石土：为黄色、灰白色，松散状，由粘土及灰岩碎石组成，棱角状、次棱角状、次圆状，碎石大小不等。主要为平整坝顶的新近堆镇物并通过碾压压实，层厚0.5～11.4 m，不均匀，主要分布于坝顶。

(2)锰渣：灰黑色，表面为可-硬塑状，下部为软-流塑状，近似于粉质黏土。土工试验表明：空隙比平均值e=1.49、液性指数IL=1.68、压缩系数平均值a1-2=1.098 MPa-1.属于高压缩性。层厚0.5～13.7 m，主要分布于库首。标贯试验平均锤击数N=2.0锤(修正后数据)。

(3)粘土：黄色、硬塑状，手捏难变形，切面光滑，干强度高，韧性差，含1%～5%铁锰质结核，局部多大10%左右、土工试验结果：空隙比平均值e=1.044、液限平均值WL=56.0、含水比平均值aw=0.61、压缩系数平均值a1-2=0.228 MPa-1，属于中等压缩性。层厚0.5～3.2 m，主要分布于坝区和库区。标贯试验平均锤击数N=7.0锤(修正后数据)。

(4)石灰岩：灰、深灰色，细晶-隐晶结构，厚层-巨厚层状构造，局部夹燧石灰岩，裂隙发育。根据贵州黔水科研试验测试检测工程有限公司岩石常规试验报告的数据，坝基持力层灰岩饱和单轴抗压强度特征值fa=3 555 KPa(修正后数据)，属较硬岩。据野外地面调查及钻探揭露，岩体完整程度为较完整，岩体基本质量等级为III级，岩体结构类型为块状结构。该层分布于整个场地，揭露层厚度0.5～12.5 m。

2.2 地表水

坪桥工业园区工业废渣处置场区域内主要地表水为湘江及其支流深溪河和坪桥河，是区域内岩溶水最主要的排泄带。深溪河及坪桥河流量较小，年平均流量仅0.5～1.5 m3/s，以地下水补给为主，该河段湘江水体规划类别为V类水域，水质状况为劣于V类。

2.3 地下水类型及埋藏条件

2.3.1 地下水类型

根据调查，区内地下水类型有岩溶裂隙水及松散岩类孔隙水三类。

(1)裂隙水

碳酸盐中的岩溶裂隙较发育及区域上构造的作用，其富水性受岩溶裂隙及构造的发育程度控制，因而在各岩层中的富水程度也不均一，但总体上其富水性较强。

(2)第四系松散层孔隙水

主要赋存于斜坡、绒槽地带第四系松散堆积层中，第四系的富水性严格受控于大气降雨及地表水流的变化的控制。

2.3.2 含水层岩组和隔水层岩组

主要碳酸盐岩含水岩组为T2g2，岩性为白云岩、灰岩，含水介质为裂隙、溶洞、管道，含溶洞—管道水，富水性强，但含水性不均匀。

水文地质特征见表1，水文地质剖面图见图1，研究区水文地质图见图2。

表1 水文地质特征表

图1 研究区水文地质剖面图

图2 研究区水文地质图

2.4 地下水补、径、排条件

2.4.1 基岩裂隙水的补、径、排条件

研究区的基岩裂隙水，主靠大气降水补给后，部份自地表片流汇集于附近季节性溪沟排入山塘(储水池)，部分沿风化裂隙渗入风化层，在附近地势较低凹处以风化裂隙下降泉的形式排出地表，供村民饮用。

2.4.2 岩溶水的补、径、排条件

调查区的岩溶水，主靠大气降水渗入地下，沿地表发育的洼地，槽谷，构造节理裂隙补给地下河，并随地下河自南向西北东迳流，在测区近北部(黑洞)、以地下河出口的形式集中排出地表，汇流于湘江。矿渣堆积物所在的区域的地下水主要受到大气降水为主，通过地表渗漏补给地下水体。地下水的运动方向主要从西北向东南流动，最后在湘江河口排泄，其控制因素主要是地形和构造。

2.5 工业矿废渣情况

研究区在历史上为工矿企业集中分布区，区内重点污染源主要为遗留工业废渣堆放场，根据以往的专项水文地质调查工作调查资料显示，区内分布有规模不一的堆渣场10处，地形以洼地、沟谷等负地形为主，堆渣成分主要为企业生产产生的铁合金废渣、炼钢废渣、电解锰渣等工业废渣，受技术、经济、政策等各方面的限制，当时渣场建设、使用过程中防渗措施不到位，甚至未做任何防渗处理。经本次现场核实，Z5、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10号废渣场渣体已不存在，Z2和Z4号废渣场中渣体已清运，但存在残留，并被碎石覆盖，Z3号废渣场(老鹰窝)位于一落水洞内，保持原样，未做任何处理，见图3和表2。

图3 研究区潜在问题工业废渣堆放场分布图

表2 研究区潜在问题工业废渣堆放场统计表

研究区内堆渣场处于关岭组二段(T2g2)碳酸盐岩岩层上，溶孔、溶隙、落水洞、天窗、洼地等较岩溶个体为发育，大气降雨汇集流入堆场后，与废渣接触形成富含各种污染组分的淋滤液，进而下渗汇入地下，对区内北部下游地下水资源水质造成较大影响。

3 研究区样品点采集

为分析研究区的水文地球化学历史演化特征，本文采集水质分析数据46组，涉及21个取样点，各取样点的分布位置如图4所示，采集时间如表3所示。

泉水样品数据为6组，涉及2个取样点。

地下河样品数据共5组，涉及2个取样点。

地下水(井)数据共10组，涉及6个取样点。

地表水数据共22组，涉及9个取样点。

渣场渗滤液数据共3组，涉及2个取样点。

图4 历史取样点分布图

表3 历史取样时间

4 水体水化学特征分析

水化学组分主要受到周边环境、岩石以及人类活动等影响导致的，可以反应水的演化过程，还能够对水的起源与形成过程有着不可或缺的作用，对水资源的保护起着至关重要的作用。水体中的离子含量是流域水循环中重要的组成部分之一，研究水体中不同的离子特征等，对流域的地球化学风化过程以及水文地球化学过程有着重要作用，能够帮助我们识别与刻画上述过程。水中的离子一般包括有钾离子(K+)、钠离子(Na+)、钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)、重碳酸根(HCO3-)、硝酸根(NO3-)、氯离子(Cl-)、硫酸根离子(SO42-)。上述离子的综合一般称为溶解性固态，简称TDS，是水体离子特征的重要指标之一。研究区内的不同水体的TDS浓度可见表4.1，TDS浓度与对应水体的pH可见图5，TDS浓度与对应水体的SO42-浓度可见图6。

根据图5所示，我们可以发现水体中的TDS越高，对应的pH越低，这表明两者存在一定的负相关。同时还可以看出来，大部分水体呈现低pH、高TDS的特征，各类水体的pH值均在7～7.6之间。此外，地下水的TDS是所有类型水体中最高的。具体看来，S131位置地下河出口水的TDS高达1 673.79 mg/L；ZK76位置地下水的TDS次之，为1 487.46 mg/L；再次为ZK77位置的地下水，其TDS含量为794.55 mg/L；而S176位置的地下河出口水、泉水和地表水的TDS含量差别较小，在369.85～449.43 mg/L之间。总体看来，研究区内地表水TDS含量高于世界河流TDS值(115 mg/L)，地下水TDS含量高于我国地下水质量标准(GB14844-2017)IV类水规定的2 000 mg/L的标准。由此可知，坪桥工业园区对左侧地下河的影响较大。

图5 研究区TDS和pH之间的关系图

由表4和图6可以看出，SO42-与TDS为高度正相关关系，说明TDS的变化原因主要是由于SO42-导致的，侧面反映了硫酸根是水体中的主要阴离子。

表4 研究区各类水体TDS含量统计表

图6 研究区TDS和SO42-之间的关系图

5 常规离子的组分特征

由于受到当地工业矿废渣的影响，区域内大部分水体已受到不同程度的影响，导致区域水体离子含量发生了明显的变化。其中地下水的总溶解性阳离子TZ+=(Na++K++2Ca2++2Mg2+)变化范围在425.36～784.96 meq/L之间，地下河出口在231.76～658.74 meq/L之间，地表水和泉水在226.6～290.6 meq/L之间；地下水的溶解性阴离子TZ-=(Cl-+NO3-+2SO42-+HCO3-)变化范围在1 107.25～2 153.18 meq/L之间，地下河出口在471.89～2 535.68 mg/L之间，地表水和泉水在468.61～578.73 mg/L之间。

研究区内各类型水体阴阳离子三角图如图7所示。研究区易溶离子含量较低，各类水体中所含离子多为Ca2+、Mg2+、SO42-、CO32-+HCO3-等难溶离子，Ca2+、Mg2+占总阳离子量的87.06%～98.62%，CO32-+HCO3-、SO42-占总阴离子量的82.84%～99.16%。由图可知研究区地下水化学组分浓度变化范围较大，地下水和S131位置的地下河出口水阴离子以SO42-为主，占总阴离子量的77.67%～86.76%，地表水、泉水和S176位置的地下河出口水阳离子以Ca2+为主，占总阳离子量的58.03%～83.30%。

图7 深溪各类水体阴阳离子三角图

6 水化学组分形成机制探讨

6.1 水化学类型演化趋势

水化学类型指的是用Piper三线图将水体中的水化学成分按照特定要求投到图中，然后根据点位所在位置来判断水体特征和化学组分，有助于我们了解水体的的形成演化过程。表5研究区内各类水体的水质类型统计表，图8为研究区内各类水体的Piper三线图。S131位置的地下河出口水为SO42--Mg2+型水，与S131的水文地质联系密切的ZK76位置的地下水为SO42--Mg2+、Ca2+型水，其他位置水体的水化学类型则以HCO3-、SO42--Ca2+、Mg2+型水为主。推测出现这种差异的原因，一方面可能是S131位于废渣堆放场附近，在降水的作用下，从废渣堆放场流出的水溶解了大量的碎屑岩；另一方面，S131位于厂矿排污水附近，排污水可能不断向下渗漏，影响了S131的水化学组成。同时，根据研究区的水文地质条件可知，ZK76与S131分别处于同一地下河的上下游，水文联系密切，推测ZK76的水化学类型受S131的影响较大。

表5 研究区不同类型水体的水质类型

图8 研究区各类水体Piper三线图

对于区域内广泛分布的HCO3-、SO42--Ca2+、Mg2+型水，其水化学类型主要与岩溶区的岩体性质有关。由研究区水文地质图(图2)可以看出，基岩裂隙水排出地表后，均向北东走向的平桥溪河排泄，其水化学性质由W1和W2反映；北部凹塘至大湾岩溶洼地较发育带，地下水沿裂隙向地下河管道汇集，以泉的形式排泄出来，其水化学性质由S186和S219反映。联系S131和ZK76的水化学性质可以看出，研究区地表水和泉水受矿废渣的影响较小。从水化学类型上看，工业矿废渣产生的废水主要影响到与其水文联系密切的地下河出口水和地下水，导致这部分水体的水化学类型出现显著差异。

6.2 离子组合比

水体中不同的离子组合及其组合的比值可以反映出水化学的形成过程中发生的作用以及离子的来源，常用于水化学组分分析研究中。一般来来说，Cl-和Na+离子都来源于岩盐的溶解，且一般不发生化学反应，因此可通过两者的比值反应其来源。如果Na+/Cl-的比值为1，则说明水中的离子成分来源于岩盐的溶解；如果大于1，则表明收到别的矿物溶解影响，例如硅酸盐矿物溶解导致Na+含量增多。例如为判断Ca2+、Mg2+和HCO3-的来源，在研究中通常用(Ca2++Mg2+)/(SO42-+0.5HCO3-)的值进行推断，如果这个值接近1，则说明水岩相互作用主要是与硫酸盐岩和碳酸盐岩为主的作用。

图9(a)(b)(c)(d)分别展示了研究区水体的Na+/Cl-与TDS之间的关系，Ca2++Mg2+与SO42-+0.5HCO3-的离子浓度比，Ca2++Mg2+与SO42-的离子浓度比，以及Ca2++Mg2+与0.5HCO3-的离子浓度比。从图9(a)可以看出，研究区大部分水体的Na+/Cl-<1，说明Na+相对于Cl-亏损。从图9(b)可以看出，泉水和排污水点位于(Ca2++Mg2+)/(SO42-+0.5HCO3-)=1的线附近，说明SO42-+0.5HCO3-相对于Ca2++Mg2+盈余，硫酸盐和碳酸盐的溶解都是研究区泉水和排污水的主要来源。从图9(c)可以看出，地下水和部分地下河出口水的(Ca2++Mg2+)/SO42-远小于1，说明SO42-有其他来源，如黄铁矿氧化作用；但(Ca2++Mg2+)/0.5HCO3-远大于1，说明研究区地下水和地下河出口水Ca2+和Mg2+有其他来源，如硫酸盐的溶解作用。

图9 研究区水体主要离子关系

6.3 Gibbs模型分析

Gibbs模型主要是用来分析水体的水化学组成及控制因素，本质上是一种较为定性的方法，简单点来说就是根据水化学的数据进行半对数坐标图，然后根据具体情况来判断，该坐标图的横坐标为正常坐标，表示水中的阳离子比值或者阴离子比值，而纵坐标才是半对数坐标，表示水体的TDS值。若坐标点落在不同的区域，则表明控制水体的水化学特征的因素不同，有三种包括岩石风化、蒸发浓缩以及大气沉降3个控制因素。

在Gibbs模型中的半对数坐标图中，如果水体点的水化学数据点落在上部偏右的区域，则表明控制水体的主要因素是蒸发浓缩；如果是在下部偏左，则表明大气沉降是导致水体水化学特征的主要因素；如果点位是落在中部区域，则表明控制水体水化学特征的主要因素是岩石风化。因此，本文将水体的水化学数据根据要求投到Gibbs模型中的半对数坐标上，从而能够较为定性和直观的分析出研究区水化学的主要控制因素。

图10所示为研究区Gibbs图。由图10可以看出，水体的TDS在1 000 mg/L上下波动，(Na+/Na++Ca2+)的比值在0～0.3之间，(Cl-/Cl-+HCO3-)比值在0.01～0.2之间，坐标点位主要在图的中部区域，处于岩石风化端。因此，可以推断出两点：一是研究区的水化学控制因素基本一致，二是主要原因是由于水岩相互作用导致该种特征的，大气降水和蒸发-结晶对研究区的水化学控制作用较弱。

图10 研究区Gibbs图

7 结语

坪桥工业区是贵州典型的裸露型岩溶区域，岩溶地下水对当地的生产、生活及社会经济发展起着重要作用。不仅如此，同时该区域还是我国较为重要的锰矿开采与提炼区域，由于很多矿山企业的随意开采与开发导致的矿山废渣对区域水环境造成了极大的危害。本研究通过对坪桥工业园区工业矿废渣影响下的水文地球化学特征进行分析，揭示了该地区的水化学环境演化的过程和规律，并得到主要结论如下：

(1)工业矿废渣对左侧地下河的影响较大，S131位置地下河出口水的TDS最高，其次为ZK76位置和ZK77位置的地下水。且SO42-与TDS为高度正相关关系，说明TDS的变化原因主要是由于SO42-导致的，侧面反映了硫酸根是水体中的主要阴离子。

(2)在碳酸盐地质背景下，受看工业矿废渣的影响，水体化学类型呈多元化。研究区内的水体水化学类型初始主要为HCO3--Ca2+型，由于废渣的长时间露天堆积导致后来逐渐演化成SO42--Mg2+、Ca2+型；而与废渣堆放场无明显水力联系的水体水化学类型为HCO3-、SO42--Ca2+、Mg2+型。

(3)研究区水体的水化学特征基本一致，表明其形成过程具有一致性，其主导因素是由于受到岩石矿物风化溶解作用导致的，但地下水和部分地下河出口水的SO42-、Ca2+和Mg2+可能有其他来源。