滇东典型煤矿区地表水地下水化学特征及控制因素

令狐昌卫, 寸得欣, 尹林虎, 刘振南, 涂春霖,2*, 庞龙

(1.中国地质调查局昆明自然资源综合调查中心, 昆明 650100; 2.中国地质大学(北京)水资源与环境学院, 北京 100083)

中国煤炭资源丰富,煤矿开采在不同程度上伴随着含水层破坏、地下水污染等环境问题[13-14], 研究表明,煤矿开采产生的大量废水,通过各种途径进入地表水和地下水中,致使当地生态环境恶化[12,15]。但当前关于煤矿区水环境的研究主要集中在北方地区,如山西阳泉[16]、大同[17]、平朔[10],陕西榆林[2]、神府[18],河北开滦[19]、邯郸[20]等地,而西南煤矿区的研究有限,主要集中在滇东煤矿区土壤和沉积物中重金属污染、煤层气产出水水化学特征[21-22]等方面,还需进一步加深对滇东煤矿区水环境的认识,以支撑滇东煤矿区生态环境的保护和修复。

基于此,选取滇东富源典型煤矿区为研究对象,系统采集煤矿区周边地表水和地下水样品,运用Piper三线图、Gibbs图、离子比例系数等方法,对研究区不同水体水化学特征进行分析,查明其水化学控制因素及离子来源,明确人类活动是工作区水化学演化的重要影响因子,为中国南方岩溶煤矿区水环境的研究提供了新的视角,也为当地水资源的科学管理和系统治理提供了支撑。

1 研究区概况

研究区位于滇东富源县中部,为典型的煤矿区小流域,汇水面积404 km2[22]。地理坐标为东经104°8′～104°25′,北纬25°20′～25°32′。研究区地处滇东高原,整体地势西高东低,山体多呈南北走向,高程范围1 598～2 702 m。区内属南温带山地季风半湿润气候,具有冬春干旱、夏秋高温多雨的季节特点,年平均气温约14 ℃,降水丰富,年平均降雨量1 100 mm。

区内地层受构造作用控制明显,多呈北东向延伸[9]。出露地层主要有二叠系茅口组(P1m)、峨眉山玄武岩组(P2β)、宣威组(P2xn)、三叠系飞仙关组(T1f)、永宁镇组(T1yn)、关岭组(T2g)等,其中碳酸盐岩分布于研究区西部及北部,面积约152.5 km2,煤系地层呈北东向分布在研究区中部及东北部,面积约54.6 km2(图1)。宣威组为区内主要的含煤地层,煤系岩石中富含黄铁矿及菱铁矿等[9,23]。

研究区地下水包括基岩裂隙水和碳酸盐岩类岩溶水两大类(表1),基岩裂隙水主要包含二叠系宣威组、峨眉山玄武岩组和三叠系飞仙关组,碳酸盐岩类岩溶水进一步分为纯碳酸盐岩岩溶水和碳酸盐岩夹碎屑岩类岩溶水,前者包括二叠系茅口组、三叠系关岭组二、三段,后者包括永宁镇组和关岭组一段。区内岩溶地下水较丰富,泉点多在沟谷及地形低洼处出露,最终汇入块泽河。

研究区煤矿企业集中,矿业活动发达[24]。区内大小煤矿、选煤厂、煤矸石堆等工矿企业百余处,规模大小不一,绝大多数已关闭[图2(a)]。采煤废水[图2(b)]、煤矸石淋滤水[图2(c)]以及采煤粉尘等均是当地潜在的污染来源。

图2 典型污染情况Fig.2 Typical pollution situation

2 水化学调查与测试分析

2.1 样品采集与分析

为查明研究区不同水体水化学特征及控制因素,对流域内地表水和地下水进行了系统采样,于2020年8月采集水样42件,其中地表水样12件,地下水样28件,矿井水样2件,采样点位置及编号如图1(b)所示。

使用聚乙烯塑料瓶进行采样,采集前用蒸馏水清洗干净,采样时再用水样多次润洗,以确保水样不受外部因素干扰。现场记录采样点经纬度和高程,并用便携式多参数水质测定仪(DZB-718型)测定pH 、水温(T)和溶解性总固体(total dissolved solids,TDS)等水化学参数。采样后用封口膜封紧瓶盖,并蜡封保存,防止空气进入。样品送国土资源部成都矿产资源监督检测中心,测试方法参照《地下水质量标准》(GBT 14848—2017)中推荐的方法执行,测试结果满足质量要求。

2.2 主要离子特征及水化学类型

如表2所示,研究区地表水pH变化范围为7.82～9.37,均值为8.42,呈弱碱性;TDS变化范围为140～828 mg/L,均值为364.67 mg/L,变异系数52.06%,为高度变异。地下水pH变化范围为6.39～8.30,均值为7.55,整体呈中性;TDS变化范围为60～620 mg/L,均值为225.86 mg/L,变异系数59.51%,为高度变异。矿井水pH变化范围3.87～10.08,均值为6.98;TDS变化范围为1 080～2 322 mg/L,均值为1 701 mg/L,显著高于地表水和地下水的TDS值,为高矿化度矿井水。

表2 研究区不同水体主要离子浓度

图3 研究区不同水体主要阳离子和阴离子浓度分布Fig.3 Distributions of cations and anions in different water in the study area

图4 研究区水化学成分Piper三线图Fig.4 Piper diagram of water chemical composition in the study area

2.3 各化学指标之间的相互关系

2.4 矿物饱和指数

饱和指数(SI)常用来判断水体中各种矿物的溶解和沉淀过程[28]。研究区地表水和地下水矿物饱和指数与TDS关系如图5所示,地表水中方解石饱和指数范围为0.25～1.29,均值为0.95;白云石饱和指数范围为0.33～2.69,均值为1.68;石膏饱和指数范围为-3.45～-1.2,均值为-2.34,表明地表水中方解石和白云石均达到了饱和,而石膏处于不饱和状态[图5(a)]。

SI为饱和指数;虚线为矿物饱和指数与TDS拟合线

地下水中方解石饱和指数范围为-2.16～1.06,均值为0.07,白云石饱和指数范围为-4.53～1.64,均值为-0.38,石膏饱和指数范围为-4.81～-1.16,均值为-2.77表明地下水中大部分方解石和白云石达到了饱和,但个别基岩裂隙水样点(B9、B15、B16)未达到饱和,而石膏则始终处于不饱和状态[图5(b)]。

3 讨论

3.1 水岩模型分析

图6 研究区水样品Gibbs图Fig.6 Gibbs map of water samples in the study area

通过Mg2+/Na+与Ca2+/Na+和Mg2+/ Ca2+与Na+/Ca2+的比值关系,可以进一步揭示流域水体中不同溶质的来源[9,30-31]。如图7所示,碳酸盐岩类岩溶水落在碳酸盐岩端元,明显受到碳酸盐岩矿物溶解的影响;地表水和基岩裂隙水主要落在硅酸盐岩和碳酸盐岩端元之间,表明两者受碳酸盐岩和硅酸盐岩风化的共同影响,且沿径流方向,碳酸盐岩的风化溶解作用降低,而硅酸盐岩的风化作用增强,这与该区含煤层系的发育有关。另外,K2具有较高的Na+浓度,可能是因为矿井水中发生了强烈的阳离子交换作用。

图7 Ca2+/Na+与 Mg2+/Na+、Na+/ Ca2+与Mg2+ Ca2+关系Fig.7 Plots of Ca2+/Na+ vs. Mg2+/Na+ and Na+/ Ca2+ vs. Mg2+ Ca2+

3.2 主要离子来源

图8 研究区河水离子比例关系Fig.8 Relationships diagrams of in study area

水体中Ca2+/Mg2+的比值可以判别离子是否来源于白云石、方解石和硅酸盐,如果Ca2+/Mg2+=1,主要溶解矿物为白云石[36],若12时,则说明硅酸盐的溶解作用或有石膏参与溶解[30]。由图8(c)可知,研究区大部分样品Ca2+/Mg2+的值大于2,占比67%,说明该区离子主要来源有碳酸盐岩、硅酸盐岩以及石膏的溶解,与前文分析一致。

研究区K+、Cl-浓度较低,但矿井水和部分地表水中Na+浓度较高,矿井水中最高达到了416 mg/L,地表水中最高达到了308 mg/L。通常情况, Na+、K+、Cl-来源与岩盐溶解、阳离子交换作用和人类活动等有关[9,37]。若Na+/Cl-=1,说明水中Na+主要来自盐岩溶解[38]。由图8(d)可知,碳酸盐岩类岩溶水基本沿Na+/Cl-=1等值线分布,表明该类地下水中Na+主要来自盐岩溶解;而矿井水、部分地表水和基岩裂隙水样中的 Cl-和 Na+浓度比值偏离1∶1等值线,靠近 Na+一侧,表明Na+还有其它来源,推测Na+离子可能来源于煤系地层中硅酸盐岩的溶解和矿井水的排放等。

3.3 阳离子交换作用

图9 研究区(Na+-Cl-)与[(Ca2++Mg2+)-和CAI1与CAI2关系Fig.9 Relationships of (Na+-Cl-) vs.[(Ca2++Mg2+)- CAI1vs.CAI2 in the study area

通过氯碱指数CAI1、CAI2可进一步表达阳离子的交换作用和强度[42]。当水中的Na+、K+交换含水介质中的Ca2+、Mg2+时,CAI1与CAI2值为正,反之为负值;且CAI1与CAI2的绝对值越大,阳离子交换作用越强[4,43]。从图9(b)可以看出,除B24、B17外,其余水样CAI1与CAI2均为负值,表明研究区地表水及地下水中存在阳离子交换作用,水中的Ca2+、Mg2+交换含水介质中的Na+、K+,也印证了地表水中Na+值远大于Cl-值的原因,与前文分析一致。

3.4 人类活动影响

图10 研究区与Cl-/Na+和与关系Fig.10 Relationships diagrams of vs. Cl-/Na+ and

3.5 水化学控制因素分析

主成分分析通过对数据标注化及降维处理,提取主要变量解释地下水水化学的主要影响因素及影响程度[46]。由于区内地表水中各离子指标相关性较低(表4),而地下水相关性较强,因此选取区内地下水样品进行主成分分析。水化学组分相关矩阵的KMO(Kaiser-Meyer-Olkin,KMO)检验值为0.58(>0.5),Bartlett球型检验统计量的Sig=0(<0.01),表明适用主成分分析。提取得到特征值>1的3个主因子,累积贡献率为82.06%,可以解释区内地下水水化学信息。采用最大方差旋转法得到旋转成分矩阵,如表4所示。

表4 研究区水样旋转成分矩阵

主因子F2因子贡献率为19.47%,主要载荷为Na+、Cl-和Mg2+。研究表明,岩溶地下水中Na+主要源于岩盐的溶解,当地表水补给地下水时,还可能发生阳离子交换作用等,另外基岩裂隙水中还存在硅酸盐岩溶解的影响,因此F2代表硅酸盐岩的溶解和阳离子交换作用等对地下水水化学组分的影响。

4 结论

(3)主成分分析结果表明,研究区地下水水化学主要受碳酸盐岩溶解和矿业活动影响、硅酸盐岩的溶解和阳离子交换作用以及农业活动3个因子的控制。