孫鵬飛,易齊濤,許光泉

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽淮南 232001)

兩淮采煤沉陷積水區(qū)水體水化學(xué)特征及影響因素

孫鵬飛,易齊濤,許光泉

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽淮南 232001)

為分析沉陷積水區(qū)主要補(bǔ)給水源及相應(yīng)的溶質(zhì)來源,在淮南“潘謝”礦區(qū)和淮北“朱-楊莊”礦區(qū)各選取3個(gè)研究站點(diǎn),基于水化學(xué)基本理論和原理,分析了各研究水域主要離子質(zhì)量濃度、組成及類型,采用Gibbs圖及因子分析方法,對(duì)水化學(xué)特征的影響因素進(jìn)行了討論。結(jié)果表明:水體總?cè)芙庑怨腆w(TDS)質(zhì)量濃度在豐、平、枯水期總體上逐漸升高,淮北沉陷積水區(qū)水體的礦化度、堿度和總硬度均高于淮南沉陷積水區(qū)。水化學(xué)組成在區(qū)域范圍具有一定的空間變異性,HCO和Na+在陰陽離子中占有最大比例;淮南3個(gè)站點(diǎn)水化學(xué)類型主要為Na+-HCO-Cl-和Na+-Ca2+-HCO型,淮北3個(gè)站點(diǎn)則為Na+-Mg2+-HCO型。Gibbs圖和因子分析共同揭示了淮南沉陷積水區(qū)水化學(xué)特征主要受淺層地下水和地表徑流的雙重影響,而淮北沉陷積水區(qū)離子組成主要體現(xiàn)了區(qū)域淺層地下水化學(xué)的特征。

采煤沉陷區(qū);水化學(xué);因子分析;淮南礦區(qū);淮北礦區(qū)

Key words:coalmines subsidence area;water chemistry;factor analysis;Huainan mining area;Huaibeimining area

兩淮地區(qū)煤礦開采導(dǎo)致了廣泛的地表破壞和積水,現(xiàn)已導(dǎo)致300 km2左右的土地沉陷,未來10 a內(nèi)將擴(kuò)展至500 km2以上,水資源儲(chǔ)存潛力可達(dá)109m3[1],對(duì)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境等均產(chǎn)生重大影響。大面積的地表沉陷與積水改變了礦區(qū)原有的地形地貌,并使區(qū)域水交換條件和循環(huán)過程等發(fā)生變化。一方面,沉陷區(qū)形成巨大的儲(chǔ)水空間,攔蓄地表徑流;另一方面,水位的季節(jié)變化在有些地段導(dǎo)致地表水和淺層地下水發(fā)生水力聯(lián)系,進(jìn)而影響水化學(xué)物質(zhì)濃度及平衡、污染物質(zhì)輸運(yùn)和累積。對(duì)一般的河流、湖庫等水體而言,水化學(xué)組成及特征能夠揭示流域蒸發(fā)、巖石風(fēng)化、大氣沉降及人為輸入的相互聯(lián)系[2-4],是研究水體環(huán)境特征和流域水文地球化學(xué)過程的重要方法。國內(nèi)已對(duì)長(zhǎng)江、黃河[5-6]等主要河流,以及丹江口水庫、太湖[2,7]等不同湖泊水庫類水體主要離子質(zhì)量濃度、組成、來源及影響因素等方面進(jìn)行了較為細(xì)致的研究。

此前兩淮采煤沉陷積水區(qū)的研究主要集中于水體污染評(píng)價(jià)[8]、富營養(yǎng)化特征[1,9-10]以及水域沉積物[11-12]等方面,而關(guān)于水化學(xué)組分及特征缺乏相關(guān)研究報(bào)道。筆者將借助于河流、湖庫水化學(xué)的研究理論和方法,對(duì)兩淮采煤沉陷積水區(qū)的水化學(xué)特征進(jìn)行科學(xué)表征,結(jié)合礦區(qū)特有的區(qū)域水文地質(zhì)條件,解析沉陷區(qū)水體主要的補(bǔ)給水源及相應(yīng)的溶質(zhì)來源,并討論相關(guān)影響因素,以期為礦區(qū)水資源規(guī)劃、水域管理與利用及生態(tài)重建與恢復(fù)等提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

兩淮礦區(qū)是全國14個(gè)大型煤炭基地之一,其中淮南礦區(qū)面積約3 600 km2,位于我國南北地理分界線附近,平均氣溫15.6℃,年均降雨量926 mm,礦區(qū)地表水系豐富,屬于淮河水系,淺層地下水位在1.5～3.0 m,與地表水之間水力聯(lián)系十分緊密?；幢钡V區(qū)面積約9 600 km2,平均氣溫14.8℃,年均降雨量869.6 mm,區(qū)內(nèi)沱河、澮河、岱河、渦河等水系自西北向東南流過,最終匯入洪澤湖,淺層地下水埋深為1.0～3.0 m,水化學(xué)類型以HCO型為主。

首先在兩淮選取兩個(gè)代表性礦區(qū),即淮南“潘謝”礦區(qū)和淮北“朱-楊莊”礦區(qū)(圖1)進(jìn)行研究。

圖1 兩淮礦區(qū)地理位置與水系分布Fig.1 Location and water system distribution of the Huainan&Huaibeimining areas

“潘謝”礦區(qū)是現(xiàn)階段淮南井田分布最為密集、積水區(qū)面積最大的礦區(qū),在水生態(tài)環(huán)境重建與恢復(fù)中具有重要地位;“朱-楊莊”礦區(qū)是淮北生態(tài)城市建設(shè)的重要組成部分,是地質(zhì)生態(tài)環(huán)境治理投入最大、最具系統(tǒng)性的工程,該研究區(qū)域水體分別執(zhí)行著水源保護(hù)地、生態(tài)濕地、城市景觀等重要功能。筆者選取的兩個(gè)研究區(qū)域具有較強(qiáng)的對(duì)比性,能夠體現(xiàn)區(qū)域水化學(xué)的特征與差異。

(1)淮南“潘謝”采煤沉陷積水區(qū)。

“潘謝”礦區(qū)位于淮河中游北岸,淮北平原南緣,東西長(zhǎng)70 km,南北寬25 km,面積約1 571 km2。區(qū)域地表水系發(fā)達(dá),有西淝河、黑河、泥河和架河等河流,最終均匯入淮河,現(xiàn)沉陷積水區(qū)總面積約70 km2,平均水深3.0～5.0 m。在礦區(qū)的東、中、西部共設(shè)置3個(gè)研究站點(diǎn),分別為潘集(PXS-1)、顧橋(PXS-3)和謝橋(PXS-5),具體如圖2(a)所示。

(2)淮北“朱-楊莊”采煤沉陷積水區(qū)。

淮北市現(xiàn)有采煤沉陷區(qū)30多處,總水域面積為32 km2左右,平均每年以3%～5%的速度增加[9]?！爸?楊莊”沉陷積水區(qū)位于淮北市東南方向,東西寬6 km,南北長(zhǎng)10 km,根據(jù)“淮北市資源枯竭城市礦山地質(zhì)環(huán)境治理重點(diǎn)項(xiàng)目”,擬將東湖、中湖、南湖聯(lián)通,形成串珠狀湖泊系列,綜合整治水域面積超過10 km2,調(diào)蓄庫容2 476萬m3。區(qū)域內(nèi)的岱河(Dai River)自北向南與龍河(Long River)交匯至雷河(Lei River)。在該區(qū)設(shè)置3個(gè)研究站點(diǎn),分別為東湖(HBDH)、中湖(HBZH)和南湖(HBNH),具體如圖2(b)所示。

1.2 水質(zhì)采樣及分析方法

結(jié)合水文條件及季節(jié)變化,分別于2011年8月(豐水期)、11月(平水期),2012年3月(枯水期),在PXS-1,PXS-3和PXS-5站點(diǎn)各布置5～9個(gè)采樣點(diǎn)采集表層水樣,具體位置同文獻(xiàn)[12]中的潘集(PJ)、顧橋(GQ)和謝橋(XQ)采樣點(diǎn);于2012年8月(豐水期)、11月(平水期),2013年3月(枯水期)在HBDH,HBZH和HBNH站點(diǎn)設(shè)5～8個(gè)采樣點(diǎn), HBNH采樣點(diǎn)同文獻(xiàn)[1],同時(shí)在Dai River,Long River,Lei River設(shè)3個(gè)斷面進(jìn)行水質(zhì)采樣,方法參照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行[13]。為對(duì)比分析,于淮南市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站調(diào)取淮河淮南段國控?cái)嗝嫠|(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),及淮南市2012年雨水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場(chǎng)使用野外便攜式Y(jié)SI儀測(cè)定水溫、pH等參數(shù)。采集的水樣分成兩份:一份采用HCl滴定法分析水體中HCO-3含量;另一份用孔徑0.45μm的醋酸纖維素濾膜進(jìn)行過濾,濾樣裝入50 mL聚乙烯瓶中,用離子色譜儀(ICS1000,美國戴安公司)測(cè)定陽離子(K+,Na+,Ca2+,Mg2+)和陰離子(F-,Cl-,SO, NO)的質(zhì)量濃度。TDS質(zhì)量濃度(水體總?cè)芙夤腆w)采用各離子質(zhì)量濃度之和減去1/2 HCO質(zhì)量濃度的方法計(jì)算得到?？傆捕群坎捎肅a2+,Mg2+含量換算成CaO含量的方法計(jì)算。實(shí)驗(yàn)所用藥品均為優(yōu)級(jí)純,實(shí)驗(yàn)用水為超純水,所有器皿均用0.3%HCl溶液浸泡24 h后,再用去離子水清洗。陰陽離子測(cè)試過程中,空白、標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)測(cè)定,標(biāo)準(zhǔn)溶液為國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心標(biāo)準(zhǔn)溶液。為保證樣品測(cè)定準(zhǔn)確度,對(duì)主要陰、陽離子平衡進(jìn)行計(jì)算,其當(dāng)量濃度比值在1.00±0.25[14]時(shí),認(rèn)為離子平衡,否則重新測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)各個(gè)研究站點(diǎn),首先統(tǒng)計(jì)各離子指標(biāo)(質(zhì)量濃度和毫克當(dāng)量濃度)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差,用SigmaPolt 10.0繪制水化學(xué)三角圖和Gibbs圖,水化學(xué)類型用AquaChem 3.7進(jìn)行判斷。利用SPSS 19.0中的“因子分析”模塊,經(jīng)主成分分析及Varimax旋轉(zhuǎn),對(duì)各站點(diǎn)的離子來源進(jìn)行解析。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 水化學(xué)特征分析

2.1.1 主要離子組成及含量

淮南“潘謝”沉陷積水區(qū)主要離子組成見表1,3個(gè)研究站點(diǎn)的離子質(zhì)量濃度隨季節(jié)變化明顯,豐水期(FS)、平水期(PS)、枯水期(KS)的離子質(zhì)量濃度依次增大。TDS在上述3個(gè)時(shí)期的質(zhì)量濃度分別為192.5～453.0,303.9～527.2,308.4～684.6 mg/L,總體上在300～1 000 mg/L,屬于中等或較高礦化度水;3個(gè)時(shí)期總硬度在55～150 mg/L,屬于軟水;pH呈現(xiàn)弱堿性,均值為8.3。

3個(gè)站點(diǎn)陽離子質(zhì)量濃度由大到小依次為:Na+, Ca2+,Mg2+,K+,豐水期均值分別為58.1,28.3,14.2和3.8 mg/L,平水期為72.8,38.9,17.5和3.9 mg/ L,枯水期則為110.5,42.1,21.7和4.8 mg/L。陰離子質(zhì)量濃度由大到小依次為:HCOCl-,SO,豐水期均值分別為168.7,63.4和53.5 mg/L,平水期為217.3,92.6和72.2 mg/L,枯水期則為235.3,127.4和116.7 mg/L。潘謝礦區(qū)3個(gè)研究站點(diǎn)陽離子以Na+,Ca2+為主,占陽離子總量的57.3%和26.6%,陰離子以HCO,Cl-為主,占陰離子總量的54.7%和24.2%。

由于PXS-1站點(diǎn)和泥河連通,接受礦井水的排污,PXS-5站點(diǎn)和周圍的農(nóng)業(yè)主干渠道濟(jì)河連通,接納周圍農(nóng)業(yè)排水,兩個(gè)站點(diǎn)汛期受雨水沖淡作用明顯,平、枯水期濃度高于豐水期;較為封閉的PXS-3站點(diǎn)3個(gè)時(shí)期TDS含量和總硬度變化不大。同時(shí)沉陷積水區(qū)TDS含量和總硬度顯著高于臨近的淮河(僅給出枯水期離子濃度作為參考)。

淮北“朱-楊莊”沉陷積水區(qū)主要離子組成見表2,3個(gè)湖泊陽離子質(zhì)量濃度總體順序大到小依次為: Na+,Mg2+,Ca2+,K+,均值分別為139.7,32.7,27.4和8.7 mg/L;陰離子由大到小為:HCO,SO,Cl-,總體均值分別為306.2,168.4和135.2 mg/L。其中,陽離子以Na+,Ca2+為主,占陽離子總量的59.9%和20.1%,陰離子則以HCO,SO為主,占陰離子總量的53.8%和27.5%。

表1 淮南潘謝礦區(qū)沉陷積水區(qū)水體主要離子組成Table 1 The com position of major ions in the subsided waters of the Panxiem ining area mg/L

表2 淮北朱-楊莊礦區(qū)沉陷積水區(qū)水體主要離子組成Table 2 The composition ofmajor ions in the subsided waters of the Zhu-Yangzhuangm ining area mg/L

3個(gè)時(shí)期TDS質(zhì)量濃度均值空間變化為: HBDH(791.6 mg/L)＞HBZH(643.9 mg/L)＞HBNH(564.5 mg/L),Lei River(853.8 mg/L)＞Long River(841.1 mg/L)＞Dai River(615.8 mg/L),而總硬度的空間變化亦是HBNH最小。

就兩淮礦區(qū)而言,淮北沉陷區(qū)水體TDS質(zhì)量濃度和總硬度明顯高于淮南沉陷積水區(qū)。而同一礦區(qū)小范圍內(nèi)各積水區(qū)之間的離子組成也存在一定的空間變異性。

2.1.2 水化學(xué)類型特征

水化學(xué)三角圖可以表明水體的主離子組成變化和特征,并辨別其控制端元[15]。在以Ca2+-Mg2+-(K++ Na+)組成的陽離子三角圖中(圖3(a)),受碳酸鹽巖影響的水體,其組分點(diǎn)會(huì)落在Ca2+-Mg2+線上,靠近Ca2+端元;受蒸發(fā)鹽巖影響,其組分點(diǎn)偏向(K++Na+)端元。在陰離子三角圖中也有類似反映(圖3(b)),流經(jīng)碳酸鹽巖地區(qū)的水體以HCO為主導(dǎo),組分點(diǎn)落在HCO一端;流經(jīng)蒸發(fā)鹽巖地區(qū)的水體其組分點(diǎn)會(huì)落在SO-Cl-線上,遠(yuǎn)離HCO一端。

主要離子組成中,PXS-1,PXS-3,PXS-5站點(diǎn)之間存在一定差異(圖3),其中PXS-1受其與泥河相連通的影響,豐、平、枯水期離子變化范圍較大,而PXS-3和PXS-5相對(duì)封閉,其水化學(xué)類型在各個(gè)時(shí)期均較為穩(wěn)定。3個(gè)站點(diǎn)陽離子主要分布在(K++ Na+)-Ca2+線上,并靠近(K++Na+)端元,Mg2+含量較穩(wěn)定,占陽離子總量的18%～25%。陰離子分布差別顯著,PXS-1和PXS-3站點(diǎn)主要分布在HCO-Cl-線上,偏向HCO一端,SO所占比例較小,均值為14.6%;PXS-5站點(diǎn)主要分布在三角圖中央?yún)^(qū)域, 3種離子質(zhì)量濃度差別較小。對(duì)比淮河淮南段中下游枯水期數(shù)據(jù),其陽離子組成與3個(gè)研究站點(diǎn)較為接近,陰離子組成則和PXS-5站點(diǎn)類似,而淮南雨水中陰、陽離子以SO和Ca2+為主?；茨铣料莘e水區(qū)3個(gè)研究站點(diǎn)的水化學(xué)類型主要?dú)w為Na+-HCO-Cl-型、Na+-Ca2+-HCO型。

淮北3個(gè)湖泊站點(diǎn)的陽離子主要分布在(K++ Na+)-Mg2+線上(圖4),靠近(K++Na+)一端,Ca2+所占比例較小,均值為15.7%。其中HBDH與HBNH站點(diǎn)分布較為相似,(K++Na+)含量占陽離子總量的77.7%,而HBZH站點(diǎn)的(K++Na+)含量相對(duì)較小?？傮w上,3個(gè)湖泊站點(diǎn)的水化學(xué)類型為Na+-Mg2+-HCO型,3條河流的水化學(xué)類型主要為Na+-Ca2+-HCO-Cl-型,Na+-HCO-SO型和Na+-Mg2+-HCO-SO型。

圖3 淮南潘謝礦區(qū)沉陷積水區(qū)水體的主要離子組成三角圖Fig.3 Fraction ofmajor ions in the subsided waters from the Panxiemining area

圖4 淮北朱-楊莊礦區(qū)沉陷積水區(qū)水體的主要離子組成三角圖Fig.4 Fraction ofmajor ions in the subsided waters from the Zhu-Yangzhuangmining area

2.2 水化學(xué)特征影響因素

2.2.1 Gibbs圖

利用Gibbs的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖可以對(duì)影響水體離子特征的因素進(jìn)行分析,其縱坐標(biāo)以對(duì)數(shù)表示TDS質(zhì)量濃度,橫坐標(biāo)以算術(shù)值表示ρ(Na+)/ρ(Na++ Ca2+)或ρ(Cl-)/ρ(Cl-+HCO)的比值[16]?？梢詫⒌乇硭x子起源的自然影響因素劃分為3種機(jī)制:大氣降水、風(fēng)化和蒸發(fā)-結(jié)晶作用[7]。一般認(rèn)為,TDS質(zhì)量濃度很低(10 mg/L)且具有較大的ρ(Na+)/ρ(Na++ Ca2+)或ρ(Cl-)/ρ(Cl-+HCO)比值(接近于1)的水體,主要分布在圖的右下角,反映了海洋起源的大氣降水影響;TDS質(zhì)量濃度較高(70～300 mg/L)的水體且ρ(Na+)/ρ(Na++Ca2+)或ρ(Cl-)/ρ(Cl-+HCO)比值在0.5左右或小于0.5,主要分布在圖的左側(cè)中央,反映了巖石風(fēng)化的影響;TDS質(zhì)量濃度最高的水體且具有較高的ρ(Na+)/ρ(Na++Ca2+)或ρ(Cl-)/ρ(Cl-+ HCO)比值(接近于1),與海水相似,主要分布在圖的右上角,體現(xiàn)了干旱地區(qū)蒸發(fā)作用的影響[17]。

圖5表明潘謝沉陷積水區(qū)3個(gè)研究站點(diǎn)的TDS質(zhì)量濃度中等,ρ(Na+)/ρ(Na++Ca2+)的比值在0.55～0.81,ρ(Cl-)/ρ(Cl-+HCO)的比值在0.20～0.44,同時(shí)對(duì)比淮河河水和淮南雨水的分布特征,說明潘謝沉陷區(qū)水體離子特征主要受“巖石風(fēng)化”及“蒸發(fā)-沉淀”作用的影響,而ρ(Cl-)/ρ(Cl-+HCO)值較ρ(Na+)/ρ(Na++Ca2+)小,在Gibbs圖上略偏向于左上方,可能受人為活動(dòng)輸入的影響。

圖5 淮南潘謝礦區(qū)沉陷積水區(qū)水化學(xué)的吉布斯分布模式Fig.5 Plots of themajor ionswithin the Gibbs boomerang envelope forwaters in the Panxiemining area

圖6 淮北朱-楊莊礦區(qū)沉陷積水區(qū)水化學(xué)的吉布斯分布模式Fig.6 Plots of themajor ions within the Gibbs boomerang envelope for waters in the Zhu-Yangzhuangmining area

淮北研究水體(圖6)中TDS質(zhì)量濃度較高, ρ(Na+)/ρ(Na++Ca2+)的比值亦較大(0.52～0.89), ρ(Cl-)/ρ(Cl-+HCO)的比值較小(0.16～0.42),且湖泊的比值普遍高于河流,體現(xiàn)了朱-楊莊沉陷區(qū)水體的封閉性,離子特征主要受“蒸發(fā)-沉淀”的作用,另一方面與區(qū)域水文地質(zhì)條件有關(guān)。另外可以看出,各個(gè)站點(diǎn)的離子組成大部分都落在了Gibbs圖中,只有朱-楊莊礦區(qū)的部分河流超出邊界,這是與Gibbs圖主要基于大型湖泊和河流繪制,小型水體以及干旱/半干旱地區(qū)小型湖泊人為干擾活動(dòng)較大的因素有關(guān)[15,17]。

2.2.2 離子來源判別

對(duì)離子毫克當(dāng)量濃度數(shù)據(jù)按研究站點(diǎn)進(jìn)行KMO和Bartlett球形度檢驗(yàn),6個(gè)站點(diǎn)的KMO統(tǒng)計(jì)量均值為0.627,大于0.5,Bartlett球形度檢驗(yàn)概率均為0,說明在99%的置信區(qū)間內(nèi)顯著相關(guān)。因此,本研究數(shù)據(jù)適合作因子分析。因子分析中抽取方法選擇主成分法,采用Varimax(最大正交旋轉(zhuǎn)法)對(duì)因子載荷進(jìn)行旋轉(zhuǎn),目的在于使因子載荷矩陣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,即每個(gè)變量在同一因子載荷的方差向最大和最小兩方面轉(zhuǎn)化。得到的旋轉(zhuǎn)載荷矩陣、特征值和貢獻(xiàn)率見表3。

表3 兩淮采煤沉陷積水區(qū)水化學(xué)因子分析的旋轉(zhuǎn)載荷矩陣和貢獻(xiàn)率Table 3 Rotated com ponentmatrix and factor contribution to water solutes in term s of factor analysis in studied m ining areas

PXS-1站點(diǎn)只提取出1個(gè)因子,貢獻(xiàn)率為91.09%,由于該積水區(qū)和泥河連通,常年受納周圍地區(qū)包括礦井水排放在內(nèi)的地表徑流,同時(shí)在不同季節(jié)和淺層地下水存在一定的水力聯(lián)系,各離子含量相關(guān)性強(qiáng),因子分析很難區(qū)分各來源的具體貢獻(xiàn);PXS-3站點(diǎn)提取出2個(gè)因子,由于其水體較為封閉,主要補(bǔ)給水源為淺層地下水,可將其視為第1因子,貢獻(xiàn)率為61.68%,第2因子與Cl-,K+,HCO相關(guān)性較大,貢獻(xiàn)率為24.62%,代表沉陷區(qū)周圍農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響; PXS-5站點(diǎn)同樣提取出2個(gè)因子,但各因子的貢獻(xiàn)與PXS-3站點(diǎn)存在一定差異,由于該站點(diǎn)周圍存在階段性調(diào)水的濟(jì)河,受納周圍及上游地區(qū)來水,將2個(gè)因子初步判斷為淺層地下水和人為活動(dòng)輸入,其貢獻(xiàn)率相當(dāng)。

從淮北因子分析可以看出,HBDH只分離出1個(gè)因子,基于該站點(diǎn)已建設(shè)成為濕地公園,有良好的生態(tài)緩沖帶,周圍地表徑流輸入較小,其主要水源為地下水,各離子濃度在不同季節(jié)相關(guān)度較高(R均值為0.944)。HBZH和HBNH兩個(gè)站點(diǎn)較為相似,淺層地下水為主要的水源補(bǔ)給,但從因子分析中可以提取2個(gè)因子,分別與Ca2+,Cl-,F-和K+,Na+相關(guān)性較高,淮北地區(qū)地下水中F-含量相對(duì)較高,主要源于含氟礦石(CaF2)的溶解[18-19]。第1因子可能體現(xiàn)了這部分離子的來源,第2因子則體現(xiàn)了淮北地下水K+, Na+含量較高的特點(diǎn)。

3 討 論

水化學(xué)研究理論主要用于揭示世界各大河流溶質(zhì)含量與組成、來源,以及與流域地理氣候、水文地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境和人為活動(dòng)等方面的聯(lián)系。然而,水化學(xué)理論主要起源于大江、大河及其所對(duì)應(yīng)的大型流域范圍甚至全球尺度,和筆者研究的采煤沉陷區(qū)內(nèi)數(shù)十至數(shù)百平方公里的空間范圍相去甚遠(yuǎn)[17],因此基于水化學(xué)一般原理辨別出小區(qū)域的特殊規(guī)律至關(guān)重要。由于本研究區(qū)域范圍較小(類似于小流域),沉陷區(qū)水體離子來源及組成主要反映了小區(qū)域水文地質(zhì)條件和生態(tài)環(huán)境的相關(guān)特征。從TDS含量來看,沉陷區(qū)水體遠(yuǎn)高于我國地理氣候位置相似的主要大型河流和湖泊,如長(zhǎng)江中下游[20]、淮河淮南段、鄱陽湖[21]等,屬于中等或較高礦化度水;從水化學(xué)三角圖中體現(xiàn)的離子組成來看,同一礦區(qū)小范圍內(nèi)亦存在一定的差異。

淮南和淮北水文地質(zhì)條件、地表水系及土壤植被存在較大的差異?；茨系V區(qū)土壤黏土層較厚,具有隔水作用,積水區(qū)與淺層地下水可能主要通過采礦活動(dòng)產(chǎn)生的裂隙進(jìn)行溝通;淮北沉陷區(qū)干旱,土壤中砂質(zhì)成分多,導(dǎo)致其和淺層地下水的水力聯(lián)系更加直接?；茨系V區(qū)部分水體和周圍河流水系貫通(PXS-1)或發(fā)生水量交換(PXS-5),使得離子組成較為復(fù)雜,體現(xiàn)了其離子來源主要為淺層地下水和人為活動(dòng)影響的地表水體;淮北礦區(qū)3個(gè)研究站點(diǎn)較為封閉,與周圍河流沒有直接的水力聯(lián)系,其補(bǔ)給水源主要為地下水,受外界影響相對(duì)較小。

另一方面,沉陷積水區(qū)面積普遍較小且多為封閉,地下水及礦區(qū)地表徑流輸入的溶質(zhì)在“蒸發(fā)-沉淀”作用下,水體的礦化度將會(huì)逐漸升高,水化學(xué)組成發(fā)生改變,最終會(huì)導(dǎo)致水體咸化或堿化。特別是淮北沉陷積水區(qū),更加干旱缺水的氣候水文條件,導(dǎo)致其河流水系及沉陷區(qū)水體堿度顯著高于淮南地區(qū),并已經(jīng)開始影響水體功能。對(duì)此可以考慮在沉陷區(qū)設(shè)置節(jié)制閘,將其和周圍河流水系連通,在豐水期利用雨洪資源的沖淡作用。

由于研究過程中缺乏周圍淺層地下水化學(xué)長(zhǎng)期詳實(shí)的數(shù)據(jù),未來可以對(duì)沉陷區(qū)地表水體與周圍淺層地下水進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè),研究二者之間具體的水力聯(lián)系過程;由于影響水化學(xué)性質(zhì)的因素很多,各因素導(dǎo)致離子間的相互關(guān)系較為復(fù)雜,加之研究區(qū)域較小,下一步應(yīng)采取更為科學(xué)的定量化方法,如質(zhì)量平衡法和溶解物質(zhì)同位素示蹤法進(jìn)行水體水源及離子來源判別。相關(guān)研究不僅可以為沉陷區(qū)水資源量預(yù)測(cè)及水化學(xué)變化提供基礎(chǔ)資料,而且可以為區(qū)域生態(tài)環(huán)境修復(fù)與重建等提供更加科學(xué)的依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)兩淮采煤沉陷區(qū)水體具有較高的礦化度,淮南潘謝礦區(qū)3個(gè)研究站點(diǎn)豐水期、平水期、枯水期TDS平均質(zhì)量濃度分別為306.6,408.4和544.9 mg/ L,淮北朱-楊莊礦區(qū)3個(gè)站點(diǎn)均值則為665.0,629.3和861.1 mg/L,枯水期質(zhì)量濃度高于豐水期,淮北沉陷積水區(qū)水體礦化度、堿度和總硬度均高于淮南沉陷水體。

(2)沉陷區(qū)水體化學(xué)組成在礦區(qū)小范圍內(nèi)具有一定的空間變異性,HCO和Na+分別在陰陽離子中占有最大比例。ρ(Na+)/ρ(Na++Ca2+)比值遠(yuǎn)高于ρ(Cl-)/ρ(Cl-+HCO),礦區(qū)水體中較高的HCO含量是導(dǎo)致以上兩組比值出現(xiàn)不平衡的主要原因。淮南沉陷積水區(qū)的水化學(xué)類型主要為Na+-HCO-Cl-, Na+-Ca2+-HCO型,淮北3個(gè)湖泊站點(diǎn)的水化學(xué)類型則為Na+-Mg2+-HCO型。

(3)Gibbs圖和因子分析結(jié)果均揭示了兩淮礦區(qū)水文地質(zhì)條件上的差異,淮南沉陷積水區(qū)由于水體補(bǔ)給來源的多樣,離子組成較為復(fù)雜,淺層地下水和地表徑流為水化學(xué)離子組成的主要影響因素;淮北沉陷積水區(qū)的研究站點(diǎn)較封閉,補(bǔ)給水源為地下水,離子組成主要體現(xiàn)了區(qū)域淺層地下水化學(xué)的相關(guān)特征。

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Characteristics of water chem istry and their influencing factors in subsidence waters in the Huainan and Huaibeim ining areas,Anhui Province

SUN Peng-fei,YIQi-tao,XU Guang-quan

(School of Earth and Environment,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)

:In order to know water sources and total dissolved solids(TDS)ofmining subsidencewaters,six siteswere selected in the mining areas of Huainan“Panxie”and Huaibei“Zhu-Yang Zhuang”.The contents,compositions and types ofmajor ions were analyzed based on the general theories and principles of water chemistry.Using the Gibbs graph and themethod of factor analysis,the influencing factors were further discussed.The results indicate that the TDS are elevated in all sites during the period ofwet season,median water period,and dry season.TDS,alkalinity and hardness of the subsidencewaters in Huainbeiare obviously higher than those in Huainan.Meanwhile,Na+and HCOaccounts for a great part of the total cations and anions respectively,although their water chemistry varied depending on the sampling site.The Huainan mining subsidence watersmainly belongs to water chemistry type of“Na+-HCO-Cl-”and“Na+-Ca2+-HCO”,and it is the type of“Na+-Mg2+-HCO”in the subsidence waters of Huaibei.Over all,the Gibbs graph and factor analysis show thatwater chemistry in the Huainan mining subsidencewaters aremainly related to local shallow underground water and surface runoff,whereas it reflects the relationship to underground water for the compositions of ions in the Huaibeimining subsidence waters.

孫鵬飛,易齊濤,許光泉.兩淮采煤沉陷積水區(qū)水體水化學(xué)特征及影響因素[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(7):1345-1353.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0959

Sun Pengfei,Yi Qitao,Xu Guangquan.Characteristics ofwater chemistry and their influencing factors in subsidence waters in the Huainan and Huaibeim ining areas,Anhui Province[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1345-1353.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0959

2013-07-08 責(zé)任編輯:韓晉平

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41202242);教育部留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(第45批)

孫鵬飛(1991—),男,安徽安慶人,碩士研究生。E-mail:superfell@126.com。通訊作者:易齊濤(1979—),男,湖北天門人,副教授,博士。E-mail:yiqitao@163.com

P592;X142

A

0253-9993(2014)07-1345-09