韓國童，李再興，楊盼瑞

(1.河南省地質礦產勘查開發(fā)局，河南 鄭州 450000；2.河南省地質礦產勘查開發(fā)局測繪地理信息院，河南 鄭州 450006；3.中國地質大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢 430074)

河南永城屬于永夏煤田礦區(qū)范圍內，由于多年地下采煤活動造成地面塌陷等地質環(huán)境問題，地面塌陷后形成積水，不僅破壞農田和房屋，塌陷區(qū)范圍的生態(tài)系統(tǒng)也遭到破壞，造成了一定的經濟和環(huán)境損失。日月湖生態(tài)景區(qū)是永成礦山環(huán)境綜合治理的重要成果，治理區(qū)形成的水域景觀、生態(tài)綠地、建設用地及高效農業(yè)用地對于改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境具有重要的意義。但治理工程在給永城市人民帶來優(yōu)美生態(tài)環(huán)境的同時，也導致研究治理區(qū)地形、微地貌、水文及水文地質條件發(fā)生了變化[1]，如開挖后淺層地下水直接出露地表形成湖水，人造湖主要靠淺層地下水補給，淺層地下水與區(qū)內的地表水(沱河)關系復雜，開挖后沱河與地下水、湖水的關系直接決定了人造湖的水量水質以及周邊靠地下水涵養(yǎng)的生態(tài)系統(tǒng)。研究日月湖生態(tài)景區(qū)各種水體的水化學[2-3]及氘氧同位素特征[4-7]，及其反映水質變化趨勢和補給條件對于永城地區(qū)的水資源利用及水環(huán)境生態(tài)保護具有重要的指導意義[8]。

1 研究區(qū)概況

永城市位于河南省最東部，地處河南和與安徽兩省交界處，屬于黃淮平原地區(qū)，地形平緩且開闊，平均海拔31.9 m，地勢呈現(xiàn)西北略高東南略低的態(tài)勢，高差僅9 m。東北方向的芒碭山群為永城的最高峰，主峰高度159 m，其余基本為平原地區(qū)(圖1)。

圖1 區(qū)域地貌及水系發(fā)育圖

治理區(qū)位于永城東城區(qū)和西城區(qū)之間，屬于永夏煤田永城礦區(qū)范圍內，由于地下采煤活動強烈，地表自然環(huán)境破壞嚴重，其中最典型的地質災害類型就是地面塌陷。目前，研究區(qū)塌陷區(qū)域中心深度為0.5～4 m不等，平均為2.25 m，地面標高多為29～31 m。

研究區(qū)為暖溫帶半濕潤季風氣候，一般春旱秋雨，夏熱冬寒，干濕明顯，四季分明。降水量年際變幅大，年內分配不均，降水量多年平均為836.3 mm，年最小降水量為235.4 mm，年最大降水量為1 518.6 mm。蒸發(fā)量多年平均為1 656.1 mm，年最大蒸發(fā)量為2 087 mm，最小蒸發(fā)量為1 349.1 mm。

研究區(qū)內水系發(fā)育較好，溝渠縱橫，區(qū)內主要河流為沱河，由西北流向東南，屬淮河水系，河床深度5 m左右。沱河補給來源主要為大氣降水，其流量隨季節(jié)性變化較大，在汛期對地下水有少量的補給，河流最高水位標高34.79 m(1963年)，最大流量671 m3/s(1982年)，最低水位27.64 m(1882年)，常年流量2～3 m3/s。

本區(qū)地層屬于華北地層區(qū)魯西分區(qū)徐州小區(qū)，根據鉆孔揭露資料，區(qū)域地層主要有：中奧陶統(tǒng)(O2)、中上石炭統(tǒng)(C2、C3)、二疊系(P)、新近系(N)和第四系(Q)地層，整個研究區(qū)地表為第四系松散地層覆蓋，其中更新統(tǒng)(Qp)巖性以淺黃、灰黃、灰色、棕褐色亞粘土、粘土為主，夾有亞砂土、粉細砂層。屬河流沖積相沉積，結構松散。上部夾有3～4層粉細砂，厚20～30 m，中部2～3層細砂，厚10～20 m，下部含有鈣質結核，厚度120～140 m。全新統(tǒng)(Qh)巖性上部為淺黃、淺灰黃色亞砂土、亞粘土，局部見淺灰、灰黑色淤泥質亞粘土及粉砂層；下部為淺黃、淺灰色粉砂、細砂、中砂，屬河流相沉積，具上細下粗的“二元結構”特征，厚度15～20 m。

2 水文地質條件

區(qū)域地下水主要類型有第四系全新統(tǒng)淺層孔隙水、第四系更新統(tǒng)及新近系深部孔隙承壓水、二疊系砂巖裂隙承壓水、太原組灰?guī)r裂隙巖溶承壓水。其中淺部第四系含水層直接接受大氣降水的入滲補給，在干旱季節(jié)亦接受地表水體的少量補給；下部第四系更新統(tǒng)及新近系砂粒含水層則主要接受側向徑流補給，亦會接受上部全新統(tǒng)沖積含水層的下滲補給，其補給量隨著含水層埋深增加逐漸減少?？紫兜叵滤饕赖貏葑晕鞅毕驏|南方徑流，徑流條件和水交替的速度自淺入深逐漸減弱。頂部第四系淺層水排泄方式為生活和農業(yè)灌溉開采、豐水季節(jié)亦有部分地下水排入地表水、蒸發(fā)排泄等；深層孔隙承壓水除少部分為工農業(yè)生產抽排外，大部分自西北向東南徑流排出界外。下部二疊系砂巖裂隙水、太原組灰?guī)r裂隙水主要補給源為上覆孔隙水的垂向下滲補給，但補給量較弱。各含水層地下水主要沿斷層裂隙帶向各主要可采煤層的頂?shù)装辶严逗畬訌搅?，徑流方向復雜，徑流條件微弱。砂巖裂隙水大部分通過可采煤層的頂?shù)装逯苯映渌畬优湃肟拥?，亦有少量地下水側向徑流出界外。井下大量排泄灰?guī)r巖溶裂隙水，各礦井下大量疏排是灰?guī)r巖溶裂隙水的主要排泄途徑。

日月湖治理區(qū)表層土壤為粉質粘土，厚度約0～4 m；下伏粘土，厚度約2～5 m；粘土下部為粉砂土，厚度為4～18 m。淺層地下水主要賦存在第四系全新統(tǒng)孔隙潛水含水層中，含水層以粉細砂為主，厚度1.2～19.59 m，平均8.27 m，呈北西～南東向帶狀分布，單層厚度變化大，分布不穩(wěn)定，在治理區(qū)呈現(xiàn)中間厚、向東、西兩側逐漸變薄，具明顯的似曲流沙壩特征，剖面上為似透鏡狀。隔水層為致密的粘性土、夾亞砂土，與砂層交互沉積。底部粘性土厚度為1.1～44.24 m，平均為12.56 m，與下部含水層相隔。開挖的湖底深約5～6 m，大部分開挖到第二層粘性土層，少部分開挖到粉質粘土，個別地方直接揭露粉砂含水層(圖2和圖3)。淺層地下水水位標高為27.05～29.99 m，地下水位埋深1～4 m，含水層參數(shù)：q=1.58～2.55 L/s·m，k=6.36～11.88 m/d，富水性較強。

圖2 日月湖治理區(qū)東西向水文地質剖面圖

圖3 日月湖治理區(qū)南北向水文地質剖面圖

淺層地下水直接受大氣降水補給，與沱河互為補排關系，平水期與枯水期時地表水受到淺層地下水的補給，在洪水期地下水受到地表水的補給。地下水循環(huán)交替條件好，動態(tài)受季節(jié)影響變化明顯，水位年變化幅度2.22～2.67m，動態(tài)變化幅度較大。由于變化幅度受到大氣降水的直接影響，且近年干旱天氣偏多，地下水位呈明顯的下降趨勢。地下水除了向河流排泄外，主要以蒸發(fā)排泄及少量人工開采排泄為主。人工湖主要開挖到粘土或粉質粘土，地下水從透水性較強的下伏粉砂土向透水性較弱的粘土及粉質粘土進行滲透，出露地表形成人工湖，開挖后的湖底全部位于下伏粉砂土層之上。日月湖的補給來源為大氣降水和地下水補給，排泄以蒸發(fā)排泄為主。

3 水化學特征

為了解研究區(qū)淺層地下水及地表水水化學特征，分別采集淺層地下水水樣8個、湖水樣和沱河水樣各3個，共計14個水樣。淺層地下水主要采自日月湖周邊機井，井深在20 m以內。具體的取樣點分布位置如圖4。

圖4 永城日月湖景區(qū)采樣點分布圖

取樣過程中現(xiàn)場測試溫度、pH和HCO3-濃度，水樣取回后做水質簡分析和氘氧同位素分析測試。水質簡分析測試儀器采用的是高效液相色譜與質譜聯(lián)用儀(AGILENT 1200 HPLC6460A)，測試指標包括陰離子：F-、Cl-、NO2-、Br-、NO3-、SO42-、HCO3-；陽離子測試的指標包括：Na++K+、Ca2+、Mg2+。氘氧同位素分析測試采用的儀器是氣體穩(wěn)定同位素比質譜儀MAT253。

根據水化學分析測試結果(表1)可知，三種水體中，湖水pH值最低，其pH范圍是5.40～6.56，說明湖水呈酸性；沱河水除一個水樣的pH值是6.80，呈弱酸性，其他2個水樣的pH值分別為7.69和7.96，呈弱堿性。8個淺層地下水的PH值范圍為7.07～7.35，均為弱堿性。日月湖湖水之所以呈現(xiàn)弱酸性，是由于日月湖位于礦區(qū)采煤塌陷區(qū)的中心，受煤礦開采影響，深部的酸性礦井水與塌陷區(qū)的地表水有一定的水力聯(lián)系，從而導致湖水呈弱酸性[9-10]。

表1 研究區(qū)各種水體代表性取樣點的水化學測試結果

選取不同水樣中主要離子的平均含量及平均TDS值做柱狀對比圖(圖5)，在圖中比較三種水樣的礦化度可以發(fā)現(xiàn)：湖水礦化度最低，三個水樣的礦化度范圍為474～647 mg/L。，平均值為544 mg/L；河水中TDS最高，TDS范圍為1 160～1 110 mg/L，平均為1 143 mg/L；淺層地下水的礦化度介于二者之間，除一個水樣的TDS為1 090 mg/L外，其他7個水樣的礦化度為590～775 mg/L，平均值為782 mg/L。究其原因，湖水由于是人工開挖導致地下水出露地表所形成的，地下水和湖水水力聯(lián)系密切，且湖水水域面積較大，與外界直接溝通，水交替作用較快，故TDS較低；相比而言，淺層地下水埋藏地下，水循環(huán)路徑長，循環(huán)交替慢些，因此TDS比湖水高；對于河水，由于周邊地下水向河流排泄，加上河水受到人為因素影響和蒸發(fā)作用影響大，導致其陰陽離子總量較高，三種水樣類型中TDS最高。隨著湖水長期出露地表，必然像河水一樣受蒸發(fā)作用和人為作用影響較大，礦化度會逐漸增加，如果保護不力，水質也會有惡化的趨勢[11]。

圖5 三種水樣主要陰陽離子含量及TDS柱狀對比圖

根據水化學分析測試結果繪制PIPER三線圖(圖6)。從圖中可以看出，湖水的各離子含量在三種水樣中最低，其水化學類型均為HCO3-SO4-Na(Mg)型；河水中SO42-含量較高，接近HCO3-含量，水化學類型為SO4-HCO3-Na型或HCO3-SO4-Cl-Na型；淺層地下水中HCO3-含量最高，SO42-含量較低，和湖水接近，水化學類型大多數(shù)為HCO3-Na(Mg)型，其中YC-10G和YC-13G水樣中Cl-含量較高，水化學類型為HCO3-Cl-Na(Mg)型。兩采樣點均位于居民點旁，Cl-濃度高可能是由于人為污染。

圖6 采樣點水化學分析PIPER三線圖

由于研究區(qū)位于采煤塌陷區(qū)，煤系地層中含有很多黃鐵礦，因此三種水體中均含有一定量的SO42-。河水SO42-濃度最高，主要原因是煤礦開采后的含硫廢渣隨降雨淋濾進入河水中。沱河水樣20S位于小青溝南端交叉口，水樣中NO3-含量異常，原因為該處為居民生活垃圾堆放點，受此影響NO3-濃度較大。

分析研究區(qū)前人的水化學資料，該區(qū)淺層地下水水化學類型2012年為HCO3-Ca型，2014年為HCO3-Ca-Mg型，2016年為HCO3-Na-Mg型；從礦化度來看，2012年所測樣品平均值為474 mg/L，2014年為565 mg/L，2016年為782 mg/L。從時間尺度上看，TDS不斷增大，濃縮作用增強。原因是礦區(qū)開采導致地面塌陷，淺層地下水相對抬升，蒸發(fā)濃縮作用加強，故礦化度逐年增加。湖水的重要補給來源為地下水，且二者在水化學類型上較相似，地下水水質的動態(tài)變化勢必會影響湖水，使得湖水的TDS也可能逐年升高。另外，湖水是開挖導致淺層地下水直接出露，湖水蒸發(fā)濃縮作用相比淺層地下水更強，勢必導致湖水的礦化度會有逐年增加的趨勢。因此對各水體類型的水化學特征進行動態(tài)監(jiān)測，對于該區(qū)水環(huán)境管理與保護具有重要意義。

4 氘氧同位素特征分析

本次共選取7組水樣進行氘氧同位素測試，其中含5個淺層地下水水樣、1個河水水樣和1個湖水水樣。為了減少誤差，為每個水樣設置了平行樣，即有14個水樣的氘氧同位素測試結果，如表2所示。為了分析地下水的補給來源，選取離永城較近且氣候條件類似的鄭州地區(qū)大氣降水線方程來分析不同水體與大氣降雨的關系[12-13]。由于取樣在秋季，將在野外測得各水樣點的氘氧含量與秋季降水線方程δD=5.827δ18O-9.306 (R2=0.919)進行比較發(fā)現(xiàn)：地下水和河水樣的氘氧值落在大氣降水線附近，說明河水(沱河)和淺層地下水的補給來源均來自大氣降水。

表2 氘氧同位素測試結果

由于大氣降水的氘氧同位素具有高程效應，δD和δ18O會隨著高度的增加而逐漸降低，加速了水汽冷凝成雨和同位素的分餾，減少了雨滴的蒸發(fā)[14-15]。因此利用水體中的氘氧同位素可推測水體的補給來源。

從圖7中可以看出：湖水的穩(wěn)定同位素與河水、地下水明顯不同，其同位素組成最為富集，說明湖水以蒸發(fā)排泄為主，蒸發(fā)濃縮作用使得重同位素發(fā)生富集；地下水和河水相似，代表了大氣降水的來源；河水代表了區(qū)域大氣降水的平均同位素組成，而地下水隨著水巖相互作用尤其是溶濾作用的不斷發(fā)生，使得同位素組成比較貧化，代表了河流上游更遠山區(qū)的補給。

圖7 湖水、河水和地下水三種水體及區(qū)域大氣降水的氘氧同位素關系圖

結合實際的水文地質條件分析，開挖后湖水主要是淺層地下水直接出露地表，在一定條件下，蒸發(fā)作用強烈。河水氘氧同位素與降水和地下水比較接近，其補給來源為大氣降水和淺層地下水。地下水除接受大氣降水補給及雨季受河水補給外，還接受區(qū)域較高處的側向徑流補給，既有近源補給，也有遠源較高處的補給。

5 結語

本文對日月湖治理區(qū)的湖水、河水和淺層地下水的水化學和氘氧同位素特征進行分析，得出以下結論：

湖水偏酸性，其水化學類型為HCO3-SO4-Na(Mg)型，TDS值最低；沱河水以SO4-HCO3-Na型為主，TDS最高；淺層地下水的水化學類型為HCO3-Na-Mg型或HCO3-Mg-Na型，TDS略高于湖水，介于湖水和沱河水之間。

日月湖為開挖后地下水出露地表所形成的人工湖，由于補給排泄條件好，水域面積大，TDS較低。淺層地下水的位置較淺，水循環(huán)交替條件好，多形成中等TDS的重碳酸型水，湖水和地下水的水化學類型更接近，說明淺層地下水是湖水的重要補給來源。沱河水長時間暴露于地表，隨著時間的延續(xù)，受人為影響及蒸發(fā)作用強烈，TDS不斷增大。且由于研究區(qū)位于采煤區(qū)，含硫礦物經溶濾作用行程硫酸鹽礦物進入地表水中，使得河水中SO42-含量高。參考前人的水化學資料，淺層地下水的TDS隨時間呈增大趨勢。

不同水體的氘氧同位素的分析結果說明，湖水受蒸發(fā)作用影響同位素富集；河水氘氧同位素與降水和地下水比較接近，其補給來源為大氣降水和地下水；地下水除接受大氣降水補給及雨季受河水補給外，還接受區(qū)域較高處的側向徑流補給，既有近源補給，也有遠源補給。