淮北市供水水源地硫酸盐升高原因浅析

2019-05-09杨世伟朱玲玲

资源信息与工程 2019年2期

杨世伟，朱玲玲

(安徽省地质环境监测总站，安徽合肥 230001)

淮北市位于安徽省北部，北与萧县相邻，南与蒙城、怀远接壤，西连涡阳县、东邻宿县，属暖温带半湿润季风气候区。主要特征为：季风明显，四季分明，春秋少雨，夏雨集中，冬季寒冷多风。多年平均降水量为842.7 mm。地表水系发育，属淮河水系，河流流量、水位受降水和人工控制，枯水期流量极小甚至断流。

区内地形东北高西南低，地貌类型较简单，大部分为淮北冲积平原，地形平坦。大部均被第四系松散层覆盖，第四系沉积以冲积为主，次为冲洪积、坡洪积等。厚度从北至南逐渐变厚，厚度10～100 m不等，主要岩性为亚黏土、黏土、粉细砂等。东南及北部为丘陵，广泛出露寒武-奥陶系碳酸盐岩地层，岩性主要为灰岩、白云质灰岩、白云岩、泥质灰岩等。在山前地带，碳酸盐岩直接隐伏于第四系之下。

淮北市区(含濉溪县城)人口100余万，是一座以煤炭、电力(火电)、纺织等为经济支柱的工业城市。全市多年平均水资源可利用量4.082亿立方米，其中岩溶裂隙水0.828亿立方米。人均年占有水资源量仅为400 m3，为严重资源型缺水城市。城镇生产生活供水主要岩溶裂隙水，日开采量约15万立方米。地下水监测表明近年来岩溶水硫酸盐有逐年升高的趋势，需要引起足够重视。

1 水文地质条件

根据地下水的赋存条件及含水介质的空隙类型，淮北市区地下水类型分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水及碎屑岩类基岩裂隙水三类。其中，碳酸盐岩岩溶裂隙水为淮北市主要供水水源，水源地主要分布于城区中、南部。碳酸盐岩岩溶裂隙水主要由奥陶系中统、寒武系、震旦系的碳酸盐岩组成，埋深100 m以浅岩溶较发育，按埋藏条件，分为裸露型、覆盖型。

裸露型：分布在市区东部及北丘陵区，地下水主要赋存在60 m以浅的岩溶裂隙中，主要接受大气降水和地表水补给，地下水多流向隐伏区。单井涌水量多小于500 m3/d。

覆盖型：分布于丘陵边缘地带的山前平原区，被松散岩层覆盖，顶板埋深一般小于100 m，岩溶裂隙发育深度主要在150 m以浅，受构造影响可达200多m。单井涌水量多大于1 000 m3/d。水质类型为HCO3—Ca或HCO3—Ca·Mg型。

根据淮北市地下水多年监测(图1)结果，碳酸盐岩岩溶裂隙水受人为开采影响较大。岩溶水年平均水位埋深6.44～18.81 m，最高水位埋深3.59～17.08 m；高水位期主要出现在9～10月间；最低水位埋深7.73～23.92 m，低水位期在6～7月上旬，年变幅平均值5.21 m，水位变幅较大。

图1 淮北市岩溶地下水监测网点布置图

2 岩溶裂隙水水质及变化趋势

根据2001～2017年地下水水质长期监测资料(数据均采用每年枯水期水样测试成果)，淮北市岩溶裂隙水pH值7.01～9.01，总硬度为203～664.60 mg/L，溶解性总固体为463.00～1963.63 mg/L。水质类别主要为水质良好的Ⅱ类水，部分为水质较差的水(Ⅳ类水)。主要超标的组分有：pH值、总硬度、溶解性总固体、Fe、Mn、F、SO4、NO2等。水质总体尚稳定，但地下水多项组分有增高的趋势，其中以硫酸根增高最为明显(表1)。时间上以2012～2015年增加明显，2016年以后较为平稳且略有下降趋势(图2)。空间上以市区南部的H162孔增加幅度最大，2006年以后超标严重，超过世界卫生组织国际饮用水卫生标准推荐值(250 mg/L)1～2倍。北部地势高点P3-1孔变化不明显，这与岩溶水流向相一致，即随岩溶水流向硫酸根逐渐增高。

表1 淮北市岩溶裂隙水SO42-浓度统计表/(mg·L-1)

图2 淮北市裂隙岩溶水SO42-历年变化曲线图

岩溶水赋水层位为震旦系-奥陶系碳酸盐岩，上覆松散层厚度一般0～70 m，具双层结构，孔隙水为潜水或微承压水，裂隙岩溶水为承压水，二者多以越流或“天窗”产生水力联系，市区供水主要开采岩溶裂隙水。其水文地质模型可概化为隐伏型的双层结构(图3)：平面上为有限边界，浅层孔隙含水层顶部为开放边界，主要接受大气降水补给，并以蒸发为其主要排泄途径，浅层孔隙水与下部的裂隙岩溶水存在越流补排关系，裂隙岩溶水底部岩溶不发育段及侧向分布的碎屑岩地层概化为隔水边界。地下水资源量主要来自孔隙水的越流补给，亦即越流区孔隙水获取的大气降水补给，其次为地表水、灌溉回渗水补给。

图3 淮北市岩溶水水文地质概化模型图(隐伏型)

3 岩溶水水质影响因素分析

地下水中的硫酸盐来源主要有三种：矿物溶解、大气沉降和污染物输入(马燕华等 2016)。影响硫酸盐变化的化学反应主要包括矿物的溶解、氧化还原和生物等作用。

矿物溶解主要为膏盐溶解，淮北市岩溶水围岩为震旦、寒武、奥陶纪碳酸盐岩，在喀斯特环境中，随地下水埋藏深度增加，含石膏的岩层中SO42-将优先溶解出来，然后很快再与碳酸盐矿物反应，而使硫酸盐离子与Ca2+、Mg2+以及HCO3-同时增加，这与地下水溶解性总固体随深度增加相一致。说明岩溶水硫酸盐含量受其原生环境制约如(电3、P86孔)，但其浓度不会随时间推移出现较大变化。

大气沉降指工业废气排放硫化物通过雨水等降落地表进入水体形成硫酸盐。工业废气一般以二氧化硫为主，在氧气充足和光照等条件下可形成高价的三氧化硫，三氧化硫遇水变为硫酸，并随降水回归地面，形成酸雨，从而污染地表水和地下水。淮北在1985～2000年间酸雨时有发生，2000年以后由于采取了一系列的环保措施，工业废气中排放的二氧化硫含量已由1989年的0.166 mg/m3降至2009年的0.035 mg/m3，目前酸雨已很少见。

淮北市以产煤著称于世，煤矿产业是全市支柱行业，原煤中含部分硫化物，易氧化而对水体造成污染。淮北煤系地层主要赋存于二叠系石盒子组地层中，与碳酸盐岩多呈断层接触，含水层间有良好隔水，矿山疏干排水对岩溶水水位不产生影响，也就是说，煤系地层基层裂隙水不会与岩溶水形成补给关系，原生煤系地层中基岩裂隙水中硫酸盐不会直接进入岩溶水中，不会对岩溶水水质构成影响。岩溶水硫酸盐升高由人工输入造成，其可能途径主要有两个：一是矿山疏干排水，二是洗精煤产生的含硫酸盐废水排放。废水通过沟渠渗流进入浅层地下水，后通过溶蚀裂隙或孔隙水“天窗”越流进入岩溶水，造成岩溶水硫酸盐升高。顺地下水流向，不断有浅层地下水硫酸根补给岩溶水，硫酸根含量会逐步升高，这与实际情况相吻合。市区南部硫酸根含量增高最严重便是最好的例证。

煤中硫大部以无机的黄铁矿(FeS2)硫存在，约占全煤硫的60%(刘学全等 2008)，多以结核状、浸染状产出；煤矿开采增大了黄铁矿与空气接触面积，在硫化菌的作用下快速发生氧化：

生成的硫酸和硫酸盐随矿坑排水渗入污染浅层孔隙水，在第四系厚度小的区域则直接越流进入岩溶水，造成岩溶水矿化度(溶解性总固体)升高，水中总铁含量也相应升高，其趋势与硫酸根深度一致(图4)。

图4 淮北市裂隙岩溶水总铁含历年变化曲线图

岩溶水硫酸根的含量变化与采煤量(或洗精煤产量)(如图5)呈正相关，采煤量越大，疏干排水量越大，煤中硫化物转化为硫酸的量越大；洗精煤量越大，脱硫产生的硫化物越多，废水含硫量越高，处理不完全的含硫酸盐废水排放进入地下水进而影响岩溶水的量越多。

图5 淮北市(2003～2017年)煤炭开采量统计折线图

淮北市供水的岩溶水为同层位水，与监测孔层位部署相一致，为减少硫酸根测试样品的取样和分析误差，将各监测孔岩溶水硫酸根含量进行算术平均，以其平均值为淮北供水水源地近似水质。考虑到地下水入渗和越流需要一个较长的时间过程，本次所采用的样品均为枯水期(6月份)测试样，故将其与上一年采煤量进行相关性分析。硫酸根浓度采用2004～2018年监测成果，采煤量依据2003～2017年统计年鉴数据，利用数据统计软件SPSS(IBM SPSS Statistics)进行数据相关分析，得出相关系数达0.815(表2)，为显著相关，充分说明淮北市岩溶水硫酸根含量升高是当地采煤过量排放硫化物的必然结果。