神東礦區(qū)地表水和地下水水化學特征及其影響因素研究

李 果，呂情緒，許 峰

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

煤炭是我國最基礎、最重要的化石燃料，對人類社會經(jīng)濟發(fā)展起著重要作用。中國是世界上最大的煤炭消費國和生產(chǎn)國，其生產(chǎn)和消費過程必然會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在不同采礦階段甚至是采礦結(jié)束后對當?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)對于維護生態(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?shù)毓さV活動的影響[8]。因此，理清礦區(qū)地表水和地下水水化學組成及其控制因素具有重要意義。

在已有對礦區(qū)水量和水質(zhì)的研究中，很多學者從不同的角度去探究礦產(chǎn)資源開發(fā)對當?shù)丨h(huán)境水化學及補給的影響。如Farhad等[4]在Barapukuria地區(qū)發(fā)現(xiàn)持續(xù)增強的礦產(chǎn)開發(fā)工作將對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污染物、鉛和鋅對水質(zhì)變化起著重要的作用。Chen等[9]利用水源識別模型，反演了河南新密3個礦區(qū)地下水的補給關(guān)系，并探討了各礦區(qū)地下水水化學和水力聯(lián)系的控制因素。然而，這些研究仍然缺乏對采礦區(qū)水質(zhì)變化和健康風險評估，尤其是在干旱缺水的中國北方，除開發(fā)利用當?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、陜西和山西等地擁有豐富的煤礦資源，大規(guī)模的煤炭開采對當?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)管理及健康風險評估提供重要依據(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、水土流失嚴重聞名世界的黃土高原交錯地帶[11]。神東礦區(qū)屬于溫帶干旱、半干旱大陸性季風氣候，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)，黃河二級支流烏蘭木倫河中游實質(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

2.2 水質(zhì)評價方法

本研究主要利用WQI對神東礦區(qū)地表水和地下水進行飲用適宜性評價(采用《地下水質(zhì)量標準》GB/T 14848-2017)：

(1)

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

表1 WQI法中不同指標的wi、Wi 和Si參數(shù)

根據(jù)各樣品綜合計算的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參數(shù)特征

神東礦區(qū)地表水和地下水基本水化學參數(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)和水化學組成統(tǒng)計特征

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)勢陽離子均為Na+，分別占比為82%和78%(質(zhì)量百分數(shù))，水體中Na+含量過高，可能與礦區(qū)劇烈的人類活動有關(guān)[18]；優(yōu)勢陰離子均為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類型，其根據(jù)離子間比值關(guān)系將地下水水化學主要分為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組成影響因素

利用Gibbs模型定性判斷地下水水化學組成來源，包括蒸發(fā)濃縮、巖石風化和大氣輸入[10]?？梢园l(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化區(qū)，表明巖石風化是影響該地區(qū)地表水和地下水水化學組成的重要因素，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，部分點落在三角區(qū)域之外，表明這些采樣點可能受到人類活動直接的影響[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該地區(qū)地表水和地下水水化學組成的影響，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組成主要受到硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖的風化有關(guān)，部分點落在硅酸鹽和碳酸鹽巖中間，表明蒸發(fā)鹽巖也對該地區(qū)水化學組成有一定影響。不同采樣點受到的巖石風化類型不一樣，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價

利用WQI法對研究區(qū)地表水和地下水進行水質(zhì)評價[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，而部分地表水應進行適當處理后才能進行飲用。

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。可以發(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)水作為飲用水源時應注意進行適當處理。

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)的水化學組成及其影響因素，并進行了飲用適宜性評價。

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類型均屬于Cl-SO4-Ca-Mg；神東礦區(qū)地表水和地下水水化學組成主要受到硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖風化有關(guān)，同時碳酸鹽巖風化也有一定作用，部分點落在三角區(qū)域外，可能是受到其他因素的影響。

3)對研究區(qū)地表水和地下水水質(zhì)進行飲用適宜性評價可知，地下水水質(zhì)整體優(yōu)于地表水，但是利用礦區(qū)水作為飲用水源時應注意進行適當處理。