准东煤田五彩湾矿区一号矿井水文地质条件分析

陈 凯，王文科，2，李崇博，3，张紫昭，4，程文瑜，储春妹

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054；3.新疆地质调查院，新疆 乌鲁木齐 830011；4.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

准东煤田位于新疆昌吉回族自治州境内，煤炭预测地质储量3 747.6亿 t，目前已由重要的能源战略储备基地转变为国家规划建设的第十四个能源基地之一，成为大规模实施煤炭资源转化战略的重要区域。

近年来，随着准东煤田能源基地的开发，对准东煤田能源基地煤矿开采问题，许多学者进行了不同方面的研究[1-7]，并取得了丰硕的研究成果。但是对于矿产资源开发所引起的地下水环境问题的研究还较为薄弱。因此，本文在对研究区地质条件分析的基础上，结合相关研究成果[8-13]，对五彩湾矿区一号矿井的水文地质条件进行分析，通过对研究区地下水样品的采集与测试工作，分析区内地下水化学类型及其空间分布特征，评价其地下水质量现状，为五彩湾矿区一号矿井地下水的环境影响评价提供科学依据。

1 研究区地质条件概况

1.1 地形地貌

研究区位于准噶尔盆地东南部，总体地势东南高西北低，海拔为474～506 m，最大高差为32 m。按照地貌成因和形态类型可将研究区划分为剥蚀准平原和风积沙漠两种地貌类型。其中主井工业场地和临时排矸场一带地形相对平坦，具有剥蚀准平原的地貌特征，而副井工业场地一带多见小型沙丘分布，地形略有起伏，风积沙漠的特征相对明显。

1.2 地层岩性

研究区内钻孔揭露的地层主要为三叠系中-上统小泉沟群、侏罗系下统八道湾组、三工河组、中统西山窑组、中上统石树沟群、白垩系下统吐谷鲁群、新近系上统独山子组以及第四系。

1.3 地质构造

研究区位于帐蓬沟背斜西翼，根据区域地质构造特征以及收集的二维地震成果、三维地震成果和钻探成果可知，研究区内主要构造为火烧山背斜与西大沟向斜，其火烧山背斜和西大沟向斜在研究区北部走向为近南北向，临近研究区转为北东-南西向，并逐渐倾伏消失。此外，在研究区内未见断层和岩浆岩分布。因此，研究区内构造类型简单。

2 研究区水文地质条件分析

2.1 含水岩组分布特征及富水性

根据区域水文地质条件可知，该研究区也属天山北麓小河流域地下水系统北缘，根据本次水文地质勘察结果以及《新疆准东煤田吉木萨尔县五彩湾矿区帐南西井田勘探报告》，将该研究区划分为五个含水岩组和一个相对隔水岩组。

2.1.1 第四系松散岩类孔隙潜水含水岩组

第四系含水岩组在研究区及周边广泛分布，地下水类型为松散岩类孔隙潜水，含水层岩性主要为细砂、砂砾石。该含水层厚度3.13～69.53 m，水位埋深0.82～8.03 m，渗透系数0.13～2.85 m/d，单位涌水量0.0260～0.1080 L/(s·m)，水量中等-贫乏。

通过对第四系孔隙潜水含水层富水性、含水层厚度及水位埋深的分析，确定第四系孔隙潜水含水层为具有供水意义的含水层。

2.1.2 新近系上新统独山子组裂隙孔隙含水岩组

该含水层厚度为5.1～21.28 m，含水层岩性主要为砂岩、砾岩，水位埋深为1.97～2.74 m，渗透系数0.07～0.32 m/d，单位涌水量0.0087～0.1677 L/(s·m)，水量贫乏。因此，该层水基本无供水意义或潜在供水意义。

2.1.3 白垩系下统吐谷鲁群裂隙孔隙含水岩组

该含水岩组均为承压含水层，承压水头高于地面0.23 m，钻孔揭露含水层厚度为19 m，渗透系数为0.02 m/d，单位涌水量为0.0029 L/(s·m)，水量贫乏。因此，该层水无供水意义或潜在供水意义。

由于白垩系含水岩组与下部的侏罗系石树沟群含水岩组之间有连续、稳定的泥岩分布，厚度较大，可作为较好的隔水层，因此白垩系含水岩组与下部的侏罗系石树沟群含水岩组之间基本无水力联系。

2.1.4 侏罗系中-上统石树沟群裂隙孔隙含水岩组

该含水层厚度为33.88～57.43 m，水位埋深为0.45～1.91 m，渗透系数为0.003～0.009 m/d，单位涌水量为0.003 1～0.006 L/(s·m)，水量贫乏。因此，该层水无供水意义或潜在供水意义。

由于石树沟群含水岩组与下部的西山窑组含水岩组之间有连续、稳定的泥岩分布，厚度较大，可作为较好的隔水层，因此石树沟群含水岩组与下部的西山窑组含水岩组之间基本无水力联系。

2.1.5 侏罗系中统西山窑组裂隙孔隙含水岩组

该含水层厚度为33.88～57.43 m，水位埋深为0.45～1.91 m，渗透系数为0.003～0.009 m/d，单位涌水量为0.003 1～0.006 L/(s·m)，水量贫乏。因此，该层水无供水意义或潜在供水意义。

2.1.6 侏罗系下统三工河组相对隔水岩组

由于该组地层岩性以泥岩、泥质粉砂岩为主，厚度较大且分布连续，可看做是稳定的隔水层，使得侏罗系西山窑组含水岩组与其下部的八道湾组含水岩组之间基本无水力联系。

2.2 地下水补给、径流、排泄特征

根据对区域水文地质条件分析可知，该研究区区属天山北麓小河流域地下水系统北缘，地下水类型以第四系松散岩类孔隙潜水为主，地下水由东南向西北方向径流，地下水位埋深均小于10 m，地下水位标高在470～500 m之间，水力坡度为0.002～0.003。研究区第四系松散岩类孔隙潜水含水岩组地下水等水位线如图1所示。

图1 第四系松散岩类孔隙潜水含水岩组地下水等水位线图(丰水期)

研究区内地下水主要接受上游侧向径流补给，以向下游侧向径流、蒸发、蒸腾的方式排泄，此外，未来矿坑的疏干排水亦是地下水的排泄方式之一。

2.3 地下水化学类型

研究区内第四系松散岩类孔隙水水化学类型主要是以SO4·Cl-Na、Cl·SO4-Na和Cl-Na为主，其中Cl·SO4-Na型水主要分布在研究区南部、西部、中部以及东北角的大部分区域，SO4·Cl-Na型水主要分布在主井工业场地和临时排矸场一带，Cl-Na型水主要分布在准东公路沿线一带。

研究区内地下水溶解性总固体可划分为<1 g/L、1～3 g/L、3～10 g/L、>10 g/L四个级别，其中溶解性总固体小于1g/L的区域主要分布在区内东南部，该区域地下水富水性相对较好，含水层厚度大，地下水径流速度较快，水质较好；顺地下水径流方向，溶解性总固体由东南向西北依次递增为1～3 g/L、3～10 g/L，溶解性总固体大于10 g/L的区域主要分布在区内西北部，随着含水层厚度逐渐减小，富水性也逐渐变差，地下水径流不畅，水质也较差。

3 研究区地下水水质现状监测与评价

3.1 水质现状监测点分布

3.2 地下水水质现状评价

在本文中主要采用标准指数法和内梅罗指数综合评价法对研究区地下水水质现状进行评价。

3.2.1 地下水水质标准指数法评价

3.2.1.1 评价标准

根据现状监测结果，对各评价因子最大检测值、最小检测值和超标率进行分析。对于评价标准为定值的水质因子，其标准指数计算，见式(1)。

(1)

式中：Pi为第i个水质因子的标准指数，无量纲；Ci为第i个水质因子的监测浓度值，mg/L；Csi为第i个水质因子的标准浓度值，mg/L。

对于评价标准为区间值的水质因子(如pH值)，其标准指数计算见式(2)和式(3)。

时

(2)

(3)

式中：PpH为pH值的标准指数，无量纲；pH为pH值监测值；pHsu为标准中pH值的上限值；pHsd为标准中pH值的下限值。

根据结果，当标准指数>1，表明该水质因子已超过了规定的水质标准，指数值越大，超标越严重。

3.2.1.2 评价结果

3.2.2 内梅罗指数法综合评价

3.2.2.1 评价标准

评价方法采用地下水水质综合评价法，依据《地下水质量标准》中的单项组分评价分值表(表1)，确定各单项组分的Fi值并划分其类别。

表1 单项组分评价分值表

根据式(4)计算综合评价分值F，最终按照地下水质量级别划分为优良、良好、较好、较差、极差等五个级别，再将细菌学指标评价类别注在级别定名之后，如“优良(Ⅱ类)”、“较好(Ⅲ类)”等。

(4)

式中：F为单项组分评分值Fi的平均值；Fmax为各单项组分评分值Fi的最大值。

3.2.2.2 评价结果

采用内梅罗指数法对15组水样进行综合评价，结果显示：研究区内水质良好的3组，水质较差的6组，水质极差的6组。其中KT1、ZKT9、ZG10三个钻孔中的地下水水质评价结果为良好，主要分布在主、副井工业场地和临时排矸场一带。其余大部分区域地下水水质评价结果均为较差或极差，不宜饮用。

3.3 评价结果讨论与分析

3.3.1 常规检测指标超标原因

结合区域水文地质条件可知，研究区属天山北麓小河流域地下水系统北缘的溢出排泄区，地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙潜水，区内水位埋深较小，与区域南部的平原区相比，地下水径流条件差而蒸发作用强烈，因此在这种环境下，地下水中各项离子浓度均超出《地下水质量标准》中的Ⅲ类标准。

3.3.2 亚硝酸盐(氮)、氨氮和细菌指标超标原因

在对研究区及周边污染源调查的基础上发现，研究区及周边虽然基本没有人类活动区，但该区域存在放牧和野生动物活动，且研究区地下水位埋深较小，均为潜水含水层，上部没有隔水顶板。动物粪便和腐烂的植物根系会产生亚硝酸盐(氮)、氨氮及大量的细菌等，进而造成研究区地下水中的亚硝酸盐(氮)、氨氮和细菌等检测因子出现超标现象。

3.3.3 重金属元素超标原因

根据对研究区丰水期水质检测结果发现，研究区北部KT4钻孔地下水中重金属元素Mn、Cd存在超标现象，而研究区南部所有钻孔中均未发现存在重金属元素超标现象。根据收集的北部周边矿区水质检测结果可知，地下水中也均存在重金属超标现象，这主要与该区域的地下水背景值有关。此外，结合区域水文地质条件可知，由于天山北麓小河流域地下水系统与卡拉麦里山地下水系统之间存在汇水边界，属不固定流量边界，而KT4距离该边界较近，有可能受到北部卡拉麦里山地下水水质的影响。

4 结 论

1) 研究区位于天山北麓小河流域地下水系统北缘，区内具有供水意义的含水层为第四系松散岩类孔隙含水层，该层水主要接受东南部侧向径流补给，地下水由东南向西北方向径流，以向西北侧向径流及蒸发的方式排泄。

2) 研究区第四系松散岩类孔隙水水化学类型主要以SO4·Cl-Na、Cl·SO4-Na和Cl-Na为主，其中Cl·SO4-Na型水主要分布在研究区南部、西部、中部以及东北角的大部分区域，SO4·Cl-Na型水主要分布在主井工业场地和临时排矸场一带，Cl-Na型水主要分布在准东公路沿线一带。

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