淮北临涣矿采煤沉陷区不同水体水化学特征及其影响因素

孔令健，姜春露，郑刘根，程 桦，任梦溪，闵飞虎，方刘兵

(安徽大学资源与环境工程学院矿山环境修复与湿地生态安全协同创新中心，合肥 230601)

淮北临涣矿采煤沉陷区不同水体水化学特征及其影响因素

孔令健，姜春露，郑刘根，程 桦，任梦溪，闵飞虎，方刘兵

(安徽大学资源与环境工程学院矿山环境修复与湿地生态安全协同创新中心，合肥 230601)

采煤沉陷区；地表水；浅层地下水；水化学特征；Gibbs图；因子分析

长期以来，煤炭资源大规模高强度的开采形成大面积的采煤沉陷区. 在我国东部，由于降水较为丰富，加之高潜水位的水文地质条件，采煤沉陷区往往积水，形成人工沉陷水域. 据不完全统计，截止2015年，仅两淮矿区采煤沉陷面积达508 km2[1]. 近几年，为配合国家生态文明建设和安徽省生态强省战略的实施，有研究者提出将采煤沉陷区打造为“平原水库”的设想[2]. 这样不仅可以提高地处淮河中段的两淮地区的防洪能力，还能解决周边地区因降水时间分配不均造成的干旱缺水问题，同时还能建设人工湿地公园，发挥其生态功能.

要建设“平原水库”，水资源评价是首要问题，而水化学特征是水资源评价的重要内容之一. 水体的水化学组成特征在很大程度上表征水体环境质量状况、区域环境化学特征、水体元素分布及迁移转化规律[3]. 水体主要离子是其常量元素的主要存在形式，被广泛应用于识别水体化学组成的基本过程，如流域岩石风化、水体蒸发/结晶作用、大气沉降及人为输入的相互联系等[4]. 国内外许多学者对长江、黄河、大型湖泊[5-8]等地表主要水体的常量离子组成、来源及影响因素等开展了大量研究. 对于地下水水化学特征的研究，主要集中在地下不同含水层水体[9-12]，这些研究为地下含水层水源识别提供了科学依据. 近年来，已有相关学者开始关注沉陷区积水水环境问题. 如孙鹏飞等[13]对两淮矿区沉陷积水水化学特征及其影响因素进行探讨，王婷婷等[14]、易齐涛等[15]对淮南采煤沉陷区沉陷积水水体富营养化等开展了研究，郑刘根等[16]研究了非稳沉采煤沉陷区沉积物-水体界面氮磷分布及迁移转化特征. 虽然前人已对地下含水层水和采煤沉陷区地表水开展了较多研究，但多数都是从地下工程水害防治和地表水环境特征两个角度，把地表水和地下水分开考虑，二者的综合考虑较少. 对于两淮采煤沉陷区，由于地下水埋藏浅、水位高，地表水和浅层地下水可能存在较大的水力联系，尤其需要把二者综合起来研究. 为此，本研究以淮北临涣矿采煤沉陷区为研究区域，采集沉陷积水、地表河(渠)水和浅层地下水进行测试分析，研究不同水体常规水化学特征，并探讨其主要溶质来源及影响因素，以期为采煤沉陷区水资源评价和“平原水库”建设提供一定的科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

临涣矿采煤沉陷区位于淮北市南部，其中浍河是流经该区的最大河流，自西北向东南流入洪泽湖，夏季7-9月份雨水多，水位上涨，冬季11月份到次年3月份降雨量减小，水位降低. 沉陷区地表积水主要集中在临涣工业园以北，浍河以南，韩村镇以西(图1). 沉陷区积水面积随沉陷年份逐渐增加. 目前，沉陷区积水主体部分近似为矩形，东西长约1.5 km，南北宽约1.0 km，面积约1.5 km2，积水区域最深达9.6 m. 沉陷区东面为粉煤灰场和矸石山，沉陷区西南方向为临涣工业园和小型矸石山堆积，北部有香顺沟与浍河相连. 该区属黄淮海冲积平原，区内地势平坦，标高为26.5～28.5 m.

研究区属暖温带半湿润季风气候区，年平均气温15.2℃，年平均降水量为842.7 mm，年平均蒸发量为1045.2 mm. 夏季以东南风为主，雨水充足，历年平均降水量为473.5 mm，超过全年降水量的一半以上；冬季以西北风为主，干燥寒冷，历年平均降水量为50.7 mm[17].

煤系地层上部普遍沉积了巨厚新生界松散层，从上至下共分为4个含水层和3个隔水层. 本次研究采集浅层地下水位于第1含水层，该含水层一般自地表垂深3.0～5.0 m起，底界深度为27.9～42.8 m，主要由细砂夹薄层砂质黏土组成，有砂层3～7层，总厚度一般在20.0 m左右，分布稳定. 第4含水层直接覆盖在煤层之上，第3隔水层厚度分布稳定, 有效地阻隔了1、2、3含水层与下伏各含水层的水力联系[17].

1.2 样品采集与测试

本研究结合水文条件和季节变化，分别于2015年4月(平水期)、7月(丰水期)，2016年1月(枯水期)，在淮北市临涣矿采煤沉陷区各布置了27个采样点(包括10个地表水和17个地下水)(图1). 地表水采集浍河河水(采样点S1～S4)、香顺沟水(采样点S5～S7)和沉陷区积水(采样点S8～S10)；地下水采集第一含水层水(采样点D1～D17)，取样点来自居民长期使用的压水井，埋深为10～20 m. 地下水采样点选取地表水附近以及沉陷区其他区域，依据地下水系统特征和交通条件确定，并结合现场情况，以期反映研究区不同位置地下水特点. 所有样品取样均采用500 ml高密度聚乙烯塑料瓶，预先用原水反复冲洗样瓶，并于0～4℃保存水样.

1.3 数据处理方法

统计地表水和地下水不同季节各离子指标的最小值、最大值和平均值，地下水和地表水Piper三线图、Gibbs图分别采用AquaChem 3.7和Origin 8.5绘制，离子来源解析采用SPSS 19.0中“因子分析”模块进行.

图1 临涣矿采煤沉陷区地表水和地下水采样点分布Fig.1 Distribution of surface water and groundwater sampling sites in the Linhuan coal mining subsidence area

2 结果与讨论

经实地考察和研究发现，沉陷区积水和地表河(渠)水为连通水域，水化学组成及离子质量浓度无明显差异，因此放在一起合称为地表水，与浅层地下水对比分析.

2.1 水化学特征分析

表1 采煤沉陷区不同时期地表水水化学统计特征(mg/L)

表2 采煤沉陷区不同时期地下水水化学统计特征(mg/L)

图2 不同时期地表水和地下水Piper三线图Fig.2 Piper diagrams in different periods of surface water and groundwater

水化学组成反映了该区域水文地质条件与生态环境的相关特征. 从水化学主要离子质量浓度和Piper三线图中地表水和地下水的离子组成来看，地表水(浍河水、香顺沟水及沉陷积水)和地下水水化学特征差异较大，地表水与周边地下水水力联系不明显. 造成地表水与浅层地下水水化学特征差异较大的原因分析如下：(1)地表沉陷并未改变原有表层土的组成，因此沉陷积水区底部仍为黏土、砂质黏土组成[17]；浍河河床也由黏土、淤泥质黏土组成，二者均具有一定的隔水作用，影响地表水和浅层地下水之间的联系. (2)研究区9个地下水位高程为22.6～25.8 m，地下水水力梯度平缓，径流较弱；另外，沉陷区积水作为临涣水厂取水源，水位高程常年控制在24.2 m，浍河临涣段受临涣闸控制，水位一般在24.6 m左右，地表水与地下水水位差较小，导致二者之间循环交替速度缓慢. (3)经调查，沉陷区积水总蓄水量为4.2×106m3，临涣水厂对沉陷区积水年取水量为1.2×107～1.5×107m3[1]，沉陷区积水受浍河河水和大气降水补给，更新速度快，因此与地下水水力联系程度变弱.

2.2 水化学特征形成原因

图3 采煤沉陷区不同时期水化学吉布斯分布模式Fig.3 Plots of the major ions within the Gibbs boomerang envelope for surface water and shallow groundwater in different periods in the coal mining subsidence area

2.2.2 水化学因子分析 按丰水期、平水期、枯水期对离子质量浓度数据进行Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)和Bartlett球形度检验，3个时期地表水和地下水的KMO统计均值分别为0.85和0.79，均大于0.50，Bartlett球形度检验概率均为0，表明在99%的置信区间内显著相关. 因此，数据适合作因子分析. 因子分析中抽取方法选择主成分法，采用Varimax(最大正交旋转法)对因子载荷进行旋转. 本研究的旋转载荷矩阵和贡献率见表3、4.

表3 采煤沉陷区地表水水化学因子分析的旋转载荷矩阵和贡献率

F1、F2、F3分别表示第1、2、3因子；*表示变量的旋转公因子载荷值<0.5，下同.

表4 采煤沉陷区地下水水化学因子分析的旋转载荷矩阵和贡献率

综上所述，地表水和浅层地下水离子组成反映出该区域地质条件和气候的特点，大气降水为主要补给来源. 地表水离子组成来源主要为岩石风化和水岩相互作用，表现出受蒸发作用及采煤活动影响的特征；浅层地下水离子组成主要来自于碳酸盐岩等岩石风化作用，表现出受水体中易溶盐以及人类活动影响的特点.

3 结论

1)临涣矿采煤沉陷区地表水体矿化度较高，地表水丰水期、平水期、枯水期TDS平均质量浓度分别为1170.6、1301.5和1562.9 mg/L，是地下水的3倍左右，其主要原因是蒸发作用以及工、农业用水的影响.

3)因子分析结果显示，地表水和浅层地下水相互补给较弱，二者主要离子来源为水岩相互作用产生的溶蚀作用，均体现出受大气降水补给的特点. 地表水离子组成受蒸发作用、地表径流以及采煤活动等因素影响，浅层地下水主要受水体易溶盐的影响.

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Characters of hydrochemistry and their influenced factors of different waters in the Linhuan coal mining subsidence area of Huaibei City

KONG Lingjian, JIANG Chunlu**, ZHENG Liugen, CHENG Hua, REN Mengxi, MIN Feihu & FANG Liubing

(CollaborativeInnovationCenterforMinesEnvironmentalRemediationandWetlandEcologicalSecurity,SchoolofResourceandEnvironmentEngineering,AnhuiUniversity,Hefei230601,P.R.China)

Coal mining subsidence area; surface water; shallow groundwater; characters of hydrochemistry; Gibbs graph; factor analysis

安徽省国土资源科技项目(2013-K-07)、安徽省自然科学基金项目(1408085QD70)和安徽省教育厅重点项目(KJ2014A018)联合资助. 2016-08-23收稿；2016-11-16收修改稿. 孔令健(1990～), 男, 硕士； E-mail: timingkong@163.com.

; E-mail: cumtclj@cumt.edu.cn.

DOI 10.18307/2017.0513