孫 龍,劉廷璽,2,段利民,2,張文瑞,鄭國(guó)峰

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

環(huán)境同位素是目前定量描述區(qū)域水循環(huán)及各水轉(zhuǎn)化關(guān)系的優(yōu)選手段[1- 2],自然界不同水體中的同位素組成存在差別,且呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律[1]。在全球水循環(huán)過(guò)程中,氫氧同位素對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)和不同水體之間的混合較為敏感[3]。氫氧同位素作為水循環(huán)研究中的示蹤劑,不僅用于河湖流域內(nèi)水體循環(huán)特征和運(yùn)移機(jī)制研究[4- 5],還用于礦區(qū)流域內(nèi)水體的轉(zhuǎn)化關(guān)系、補(bǔ)給來(lái)源、礦井水的水源構(gòu)成及混合比例的研究[6- 10],以及探討礦區(qū)多層地下水系統(tǒng)的水質(zhì)演化機(jī)制和水體同位素漂移受采煤活動(dòng)影響的機(jī)理[11- 12]。因此,國(guó)內(nèi)外對(duì)穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用,但多偏重于一種水體在自然驅(qū)動(dòng)或者單一采礦方式驅(qū)動(dòng)下的同位素變化特征[12- 14]。

煤炭作為基礎(chǔ)能源和工業(yè)原料,在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位,其開(kāi)發(fā)基地在逐步西移[15]。根據(jù)山西統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站數(shù)據(jù)(http:∥tjj.shanxi.gov.cn),2015—2019年山西省年均原煤產(chǎn)量為9.17億t,占全國(guó)原煤產(chǎn)量的25.15%。平朔礦區(qū)是山西省主采煤基地之一,年均原煤產(chǎn)量為1.13億t[16]。然而,該礦區(qū)地處北方內(nèi)陸半干旱區(qū),水資源匱乏,生態(tài)脆弱,煤水協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)問(wèn)題突出[17]。大規(guī)模的煤礦開(kāi)采嚴(yán)重影響了地下水賦存環(huán)境與水循環(huán)條件:一方面,采坑的開(kāi)挖,使得地下水賦存地層的部分消失,導(dǎo)致周邊水循環(huán)加快和水資源量減少[18];另一方面,井工采煤破壞了原有的水動(dòng)力系統(tǒng),影響了所在流域的補(bǔ)、徑、排條件,如改變了地下水流向、改變了不同水體的轉(zhuǎn)換關(guān)系和加快了地下水的運(yùn)動(dòng)速度[19]。近年來(lái),在煤炭開(kāi)采中,礦井水害一直是制約著煤炭安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一[20]。因此,尋求地下水資源、煤礦開(kāi)采和其他人類活動(dòng)之間的協(xié)調(diào)是確保地方經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和人類健康安全生活的必要條件,也是現(xiàn)在急需解決的發(fā)展問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)平朔礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展,認(rèn)識(shí)該區(qū)水循環(huán)過(guò)程至關(guān)重要。采煤驅(qū)動(dòng)下平朔礦區(qū)內(nèi)地表水、地下水等不同水體的時(shí)空變化更為頻繁,同位素特征及轉(zhuǎn)化關(guān)系更復(fù)雜。然而,針對(duì)平朔礦區(qū)所在流域內(nèi)不同水體的同位素調(diào)查分析研究有限。

本研究通過(guò)水文地質(zhì)調(diào)查,結(jié)合環(huán)境同位素技術(shù),分析對(duì)比平朔礦區(qū)所在流域不同水體的氫氧同位素時(shí)空特征,揭示采煤驅(qū)動(dòng)下不同水體間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,并采用MixSIAR模型定量解析礦井水來(lái)源。研究成果可為采煤活動(dòng)下區(qū)域水循環(huán)過(guò)程機(jī)理探究、平朔礦區(qū)水災(zāi)防治以及地下水合理開(kāi)采利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)煤礦和采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of coal mine and sampling sites in the study area

現(xiàn)階段研究區(qū)內(nèi)有3個(gè)露天煤礦和19個(gè)井工煤礦(圖1)。露天礦年產(chǎn)量均在千萬(wàn)噸級(jí),井工礦年產(chǎn)量基本為百萬(wàn)噸級(jí)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,煤炭大規(guī)模的開(kāi)采,導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐乇硭畯搅髁繙p少甚至斷流、常年性河流成為季節(jié)性河流,地下水位下降,汲水井水量減少甚至干枯廢棄,泉水基本消失。煤炭的開(kāi)采對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源、水環(huán)境等方面帶來(lái)了不同程度的破壞。平朔礦區(qū)主采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組4號(hào)和9號(hào)煤,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,賦存穩(wěn)定,呈近水平,平均厚度為11～13 m。礦區(qū)構(gòu)造以寧武向斜和下窯子向斜為主,北段隆起,向南傾伏,期間有斷層切割。煤層、含水層和隔水層共同賦存于一個(gè)完整的地質(zhì)實(shí)體中,構(gòu)成了獨(dú)特“水煤系統(tǒng)”。

研究區(qū)內(nèi)地下水有潛水和承壓水2種類型,潛水主要賦存于第四系含水層中,含水層底板埋深小于100 m,厚度為3～50 m,富水性較好,水位埋深為5～50 m,水位年變幅0.3～1.0 m[21]。承壓水主要賦存于二疊- 石炭系和奧陶系含水層中,底板埋深為100～700 m,富水性由一般到較強(qiáng),空間變化較大,水位埋深大于50 m。根據(jù)文獻(xiàn)[22]中對(duì)地下水分類的定義,將地下水按照潛水和承壓水分為淺層和深層2類。結(jié)合本研究,將潛水含水層抽取的水視為淺層地下水,承壓含水層抽取的水視為深層地下水。淺層地下水自西北流向東南,徑流緩慢；深層地下水在天然狀態(tài)下自西北流向東南,在部分采煤活動(dòng)強(qiáng)烈的區(qū)域形成了降落漏斗,漏斗范圍內(nèi)地下水流向漏斗中心。研究區(qū)的水文地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2。

圖2 水文地質(zhì)剖面Fig.2 A- A′ hydrogeological profile

2 采樣與分析方法

為了探究平朔礦區(qū)所在流域自然條件和采煤等人類活動(dòng)影響下不同水體同位素的時(shí)空分布特征和區(qū)域水循環(huán)規(guī)律,依據(jù)地表水和地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法[23- 24]布設(shè)采樣點(diǎn)67個(gè),其中,地表水5個(gè)(DB01—DB05),淺層地下水30個(gè),深層地下水24個(gè),礦井水8個(gè),采樣點(diǎn)類型及分布如圖1所示。2020年8月10—15日(夏季)和2020年12月5—9日(冬季)分別在每個(gè)采樣點(diǎn)采集3個(gè)平行水樣(視為1組),共采集水樣134組。此外,2020年8月13日在研究區(qū)采集大氣降水3組,每組3個(gè)平行水樣。地表水在河道平直、水流穩(wěn)定、距河岸大于20 cm 且水下10 cm處采集；淺層地下水樣品來(lái)自農(nóng)村分散式供水井,井深5～70 m,用自制取水工具采集,讓取樣器下沉到水面以下2 m處?kù)o候1～2 min,保證所取水樣充分混合；深層地下水樣品來(lái)自村鎮(zhèn)集中式供水井和煤礦企業(yè)的水源井,井深300～700 m,利用井中水泵抽取,在開(kāi)泵5 min后進(jìn)行取樣,以避免取到水管中積存水和剛開(kāi)泵時(shí)的不穩(wěn)定水；降水收集時(shí)盡量避免蒸發(fā)濃縮對(duì)水樣的影響；礦井水取自采煤巷道蓄水池,確保未經(jīng)處理。采集時(shí)首先用采集點(diǎn)的水對(duì)采樣瓶潤(rùn)洗2遍,在水下用125 mL棕色細(xì)口高密度聚乙烯瓶裝滿并蓋好后拿出,然后用Paraflim封口膜將瓶口密封,防止與空氣交換。采集的水樣封口后放入裝有冰袋的保溫箱中保存,帶回實(shí)驗(yàn)室后4 ℃冷藏保存直至測(cè)試完成。

使用Los Gatos Research公司的液態(tài)水同位素分析儀(U- LWIA- 915)測(cè)定水樣中穩(wěn)定氫氧同位素組分。測(cè)定結(jié)果用相對(duì)于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水(VSMOW)的千分差來(lái)表示,即δD和δ18O。測(cè)定精度分別為±0.5‰、±0.15‰。

(1)

式中：Rs為采集的水樣中D/H或18O/16O的比值；Rv為維也納平均海洋水標(biāo)準(zhǔn)樣品的D/H或18O/16O的比值。

大氣降水的氫氧同位素值和地區(qū)年平均氣溫有一定的線性關(guān)系,即克雷格溫度效應(yīng)公式[25]：

δ18O=0.695T-13.6

(2)

δD=5.6T-100

(3)

式中：T為當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁? ℃。

采用基于貝葉斯理論的混合模型MixSIAR[26]定量解析不同補(bǔ)給源對(duì)礦井水的貢獻(xiàn)率,估算得到每種水源相應(yīng)的均值貢獻(xiàn)比例即視為該水源對(duì)礦井水的貢獻(xiàn)率。

取不同相態(tài)轉(zhuǎn)變次數(shù)的花橋板栗淀粉凝膠樣品與KBr以 1：20～1：100 充分混合，采用 13 mm 磨具用壓片機(jī)，壓力為7 MPa，置于傅里葉紅外光譜儀中進(jìn)行測(cè)量，繪制紅外光譜圖。掃描范圍是400～4000 cm-1，光譜分辨率為0.01 cm-1。

3 結(jié)果與討論

3.1 研究區(qū)大氣降水同位素特征

大氣降水氫氧同位素組成在一定范圍內(nèi)變化不大,因此,同一個(gè)地區(qū)的大氣降水線可以用一個(gè)方程表示[27]。研究區(qū)緊鄰全球降水同位素監(jiān)測(cè)網(wǎng)(Global Network of Isotopes in Precipitation,GNIP)的太原站,故依據(jù)該站1986—1988年間大氣降水氫氧同位素?cái)?shù)據(jù),建立當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(Local Meteoric Water Line,LMWL)方程：δD=6.42δ18O-4.66(R2=0.945)。將本研究測(cè)得的3個(gè)大氣降水δ18O帶入LMWL方程,計(jì)算得到δD,與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)絕對(duì)誤差為0.84‰～0.92‰,說(shuō)明LMWL作為研究區(qū)當(dāng)?shù)亟邓€可靠性較好。此外,用克雷格溫度效應(yīng)公式進(jìn)行反向驗(yàn)證,將研究區(qū)多年平均溫度7.3 ℃代入克雷格溫度效應(yīng)公式(2) 和(3),得到δ18O=-8.53‰、δD=-59.12‰,將δ18O=-8.53‰代入LMWL方程,得到δD=-59.40‰,發(fā)現(xiàn)絕對(duì)誤差為0.28‰,因此,LMWL可以代表平朔礦區(qū)的大氣降水線。圖3為利用太原站大氣降水同位素?cái)?shù)據(jù)繪制的δD—δ18O關(guān)系圖,其中GMWL(Global Meteoric Water Line)為1961年Craig[28]計(jì)算的全球大氣降水線(δD=8.00δ18O+10.00),CMWL(Chinese Meteoric Water Line)為1983年鄭淑蕙等[29]計(jì)算的中國(guó)大氣降水線(δD=7.90δ18O+8.20)。由圖3可知,LMWL的斜率為6.42,小于GMWL的斜率(8.00),也小于CMWL斜率(7.90),這表明該地區(qū)大氣降水經(jīng)歷了較強(qiáng)的蒸發(fā)作用,這與當(dāng)?shù)貧夂蚋珊怠⒔邓可?、蒸發(fā)量大以及地處遠(yuǎn)離蒸汽源的內(nèi)陸的實(shí)際自然地理?xiàng)l件相吻合[30]。研究區(qū)海拔和緯度均相對(duì)較高,在水汽到來(lái)的過(guò)程中由于18O/16O比D/H的動(dòng)力分餾作用強(qiáng),且雨滴在下落過(guò)程中發(fā)生了二次蒸發(fā)作用,導(dǎo)致研究區(qū)水汽18O比D含量更加富集,也造成降水線斜率偏低[31- 32]。研究區(qū)大氣降水線與全球降水線的交點(diǎn)(δ18O=-9.28‰、δD=-64.24‰)近似反映了該區(qū)域蒸汽源的平均同位素組成。

圖3 太原站大氣降水δD—δ18O關(guān)系Fig.3 Relationship between δD and δ18O of atmospheric precipitation in Taiyuan

3.2 地表水、地下水和礦井水同位素特征分析

3.2.1 氫氧同位素含量

為了揭示流域內(nèi)各水體中同位素值夏季(8月)和冬季(12月)的變化規(guī)律,繪制了研究區(qū)8月和12月不同水體氫氧同位素的箱線圖(圖4)。由圖4(a)可知,地表水8月的δD變化范圍為-72.28‰～-68.67‰,均值為-70.21‰；地表水12月的δD變化范圍為-72.58‰～-69.75‰,均值為-71.24‰,可見(jiàn)地表水δD夏季較冬季高。由圖4(b)可知,地表水δ18O也呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。地表水的氫氧同位素季節(jié)變化特征可能是由于夏季氣溫較高,地表水受蒸發(fā)分餾作用的影響,使同位素相對(duì)富集[2]。淺層地下水和深層地下水中同位素均值在夏季和冬季的差異非常小,其中,δD分別相差0.32‰和0.07‰,δ18O分別相差0.13‰和0.26‰,反映了地下水更新較慢,滯留時(shí)間長(zhǎng),隨季節(jié)變化不明顯[33]。深層地下水的同位素?cái)?shù)值比地表水和淺層地下水的數(shù)值更低,表明由于蒸發(fā)作用和干燥的氣候條件,重同位素在地表水和淺層地下水中比在深層地下水中更富集[34]。由圖4(a)可知,礦井水8月的δD變化范圍為-77.41‰～-69.30‰,均值為-73.79‰,12月的δD變化范圍為-76.81‰～-70.27‰,均值為-74.19‰,均值夏季較冬季高；由圖4(b)可知,礦井水δ18O值夏季也較冬季高。礦井水的氫氧同位素均值介于地表水和地下水(淺層和深層)之間,結(jié)合水文地質(zhì)條件推測(cè)礦井水來(lái)源有地表水、淺層地下水和深層地下水[35]。

圖4 不同水體氫氧同位素箱線圖Fig.4 Boxplots of δD and δ18O in different water bodies

3.2.2 氫氧同位素關(guān)系及水循環(huán)指示意義

水體中D和18O的值取決于補(bǔ)給源中的相應(yīng)組成,并受到蒸發(fā)過(guò)程產(chǎn)生的分餾作用影響[3]。各種同位素水分子的蒸氣壓與分子質(zhì)量成反比,蒸發(fā)后的殘余水富集D和18O。溫度越高、空氣越干燥,蒸發(fā)作用越強(qiáng),重同位素越富集[5]。不同水體氫氧同位素變化特征具有差異性,相同類型水體中氫氧同位素值具有近似的線性關(guān)系[31]。根據(jù)不同水體不同時(shí)期的氫氧同位素值繪制了不同水體δD—δ18O關(guān)系圖(圖5)。由圖5可知,研究區(qū)地表水和地下水都分布在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€下方附近,表明地表水和地下水均直接或間接接受大氣降水的補(bǔ)給,且在補(bǔ)給過(guò)程中受到了不同程度的蒸發(fā)分餾。地表水8月δD和δ18O的變化關(guān)系為δD=3.79δ18O-35.76,12月二者的關(guān)系為δD=5.58δ18O-18.32,8月和12月地表水線的斜率和截距均小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的斜率和截距,這是由于地表水在接受大氣降水的補(bǔ)給之后受到了蒸發(fā)分餾作用的影響[36],因夏季同位素分餾更加明顯,所以8月的斜率和截距較12月更小。

根據(jù)圖5,淺層地下水8月δD和δ18O的變化關(guān)系為δD=4.17δ18O-31.17,12月二者的關(guān)系為δD=3.30δ18O-38.61,8月和12月淺層地下水線的斜率和截距均小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€的斜率和截距,而12月的斜率和截距與8月相比更小,這可能與淺層地下水的補(bǔ)給源較復(fù)雜且容易受外界環(huán)境變化的影響有關(guān),夏季受大氣降水補(bǔ)給的影響大,更靠近大氣降水線,且圖中淺層地下水點(diǎn)的分布較分散,也進(jìn)一步說(shuō)明了這一結(jié)論。深層地下水8月δD—δ18O變化關(guān)系為δD=4.59δ18O-28.32,12月δD—δ18O變化關(guān)系為δD=4.17δ18O-31.61。2個(gè)季節(jié)深層地下水均分布于當(dāng)?shù)亟邓€附近,這與研究區(qū)西南部、北部分水嶺附近有奧陶系灰?guī)r露頭有關(guān),共同證實(shí)了深層地下水受大氣降水的補(bǔ)給。2個(gè)季節(jié)δD—δ18O擬合線的斜率均小于當(dāng)?shù)卮髿饨邓€斜率(6.42),一方面可能是因?yàn)椴擅盒纬傻膶?dǎo)水裂隙帶使得補(bǔ)給源多樣,另一方面也可能是因?yàn)榕c其賦存環(huán)境的巖土發(fā)生了水巖相互作用[37- 38]。8月和12月深層地下水同位素關(guān)系的斜率相差0.42,截距相差3.29,且δD、δ18O的變化范圍基本相近,表明深層地下水隨季節(jié)性變化不明顯,水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定。從圖5可以發(fā)現(xiàn),深層地下水在8月和12月都呈現(xiàn)出2個(gè)區(qū)域聚集(Ⅰ和Ⅱ),結(jié)合各聚集區(qū)內(nèi)取樣點(diǎn)的位置、井深以及地質(zhì)條件分析可知,聚類的原因主要為深層地下水與淺層地下水是否有直接的水力聯(lián)系。Ⅰ區(qū)中的取樣點(diǎn)分布于研究區(qū)西部和北部,這些區(qū)域?yàn)榉遣擅夯虿擅夯顒?dòng)不強(qiáng)烈或采煤歷時(shí)較短區(qū),未造成深層地下水與淺層地下水導(dǎo)通;Ⅱ區(qū)中的取樣點(diǎn)分布于研究區(qū)西北部、中部和南部,這些區(qū)域采煤活動(dòng)強(qiáng)烈,且部分區(qū)域采煤歷時(shí)較長(zhǎng)。Booth[39]和黃平華等[40]研究表明,在煤礦開(kāi)采過(guò)程中,由于裂縫的出現(xiàn),孔隙度和滲透率增大,地表水和地下水相互作用增強(qiáng)。在圖5中表現(xiàn)出深層地下水、淺層地下水和地表水分布區(qū)相重疊,這進(jìn)一步揭示出這些取樣點(diǎn)所在區(qū)域采煤裂隙溝通了地下水和地表水。

在采煤活動(dòng)的影響下,地表水、淺層地下水通過(guò)地裂縫或塌陷坑下滲補(bǔ)給礦井水[41]。因此,礦井水2個(gè)季節(jié)δD—δ18O擬合線的斜率12月較8月高,存在一定季節(jié)效應(yīng)。在采煤等人類活動(dòng)的擾動(dòng)下礦井水中同位素出現(xiàn)了一定的富集。12月地表水的斜率(5.58)與礦井水的斜率(5.64)相近,也進(jìn)一步證實(shí)地表水與礦井水之間存在一定的水力聯(lián)系。從圖5可以發(fā)現(xiàn)礦井水的δD—δ18O擬合線位于地表水、淺層地下水、深層地下水?dāng)M合線之間,由此可以推斷研究區(qū)礦井水受地表水、淺層地下水和深層地下水的補(bǔ)給[35]。

圖5 8月、12月不同水體δD—δ18O關(guān)系Fig.5 δD—δ18O diagram of different water bodies in August and December

3.3 不同水體同位素時(shí)空分布特征及水循環(huán)指示意義

基于穩(wěn)定氫氧同位素在水循環(huán)過(guò)程中的標(biāo)記特點(diǎn),可以揭示區(qū)域水體的補(bǔ)給源、補(bǔ)給模式以及水體間的水力聯(lián)系,進(jìn)而揭示水循環(huán)指示意義[42]。煤礦的開(kāi)采可能嚴(yán)重影響水體的時(shí)空演化[43]。地表水氫氧同位素值與距河源距離的關(guān)系如表1所示。從DB01到DB02地表水的δD和δ18O均呈增加趨勢(shì),這表明地表水在徑流過(guò)程受到蒸發(fā)作用使得重氫氧同位素不斷富集[5]。從DB02到DB04地表水δD和δ18O均呈下降趨勢(shì),主要原因?yàn)樵搮^(qū)域是采煤集中區(qū),人類活動(dòng)頻繁,沿程有多處礦井水的補(bǔ)給,致使地表水體氫氧同位素貧化。人類活動(dòng),尤其是工礦活動(dòng),對(duì)水體同位素時(shí)空分布有顯著的影響[44]。從DB04到DB05氫氧同位素值增幅較大,主要因?yàn)镈B05取樣點(diǎn)處是趙家溝水庫(kù),地表水在此處流速減緩、水面增大,蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,使得氫氧同位素快速富集。

表1 不同時(shí)期的地表水同位素值

從地下水氫氧同位素時(shí)空分布(圖6)可以看出,淺層地下水氫氧同位素值在研究區(qū)的西北部較低,δD和δ18O分別為-75.27‰～-74.00‰和-10.17‰～-9.95‰;在東南部氫氧同位素值較高,δD和δ18O分別為-68.99‰～-67.00‰和-8.94‰～-8.75‰。深層地下水的氫氧同位素值在研究區(qū)西北和北部較低,δD和δ18O分別為-79.11‰～-77.00‰和-11.15‰～-10.75‰;在東南和南部氫氧同位素值較高,δD和δ18O分別為-72.99‰～-71.00‰和-9.74‰～9.345‰。地下水氫氧同位素值沿徑流方向(自西北向東南)呈逐漸增加趨勢(shì)。這是由于地下水在運(yùn)移過(guò)程中隨著運(yùn)移路徑和滯留時(shí)間的延長(zhǎng),不斷地發(fā)生水巖相互作用[13,38],采煤區(qū)氫氧同位素值較非采區(qū)明顯增加。淺層地下水氫氧同位素在研究區(qū)中部出現(xiàn)高值,這是因?yàn)樵搮^(qū)域分布有露天礦和井工礦,煤礦開(kāi)采水位被強(qiáng)排疏降后,淺層地下水通過(guò)導(dǎo)水裂隙與煤系地層進(jìn)行充分接觸,發(fā)生了碳酸鹽和硅酸鹽為主導(dǎo)的水- 巖反應(yīng),從而導(dǎo)致D和18O不斷富集[38]。研究區(qū)東南部淺層地下水氫氧同位素出現(xiàn)高值,是由于氫氧同位素較高的地表水補(bǔ)給、沿程同位素的富集以及煤礦開(kāi)采等人為因素的多重因素疊加所致。從淺層地下水的氫氧同位素空間分布上看,8月高值區(qū)域較12月明顯增多,主要是由于季節(jié)效應(yīng)影響[2]。一般情況下,賦存良好的深層地下水系統(tǒng)除地下水位和水量穩(wěn)定外,D和18O同位素組成也基本保持不變,代表了長(zhǎng)期平均氣候值[45]。從空間分布上看,研究區(qū)深層地下水氫氧同位素值較淺層地下水偏低,季節(jié)變化不明顯,這一結(jié)果與Tan等[45]的發(fā)現(xiàn)一致。深層地下水氫氧同位素高值出現(xiàn)在西北和東部局地,這是由于煤炭開(kāi)采導(dǎo)致上覆孔隙水含水層與下伏煤系地層之間穩(wěn)定隔水層被破壞,造成局部水循環(huán)加快,深層地下水與淺層地下水建立了密切的水力聯(lián)系[13]。

圖6 地下水氫氧同位素的時(shí)空分布Fig.6 Spatial and temporal distribution of hydrogen and oxygen isotopes in groundwater

3.4 研究區(qū)礦井水的來(lái)源

氫氧同位素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,且不同水體中氫氧同位素值存在一定的差異[33]。同位素示蹤劑通常比水化學(xué)方法受較少的過(guò)程影響,因此,同位素?cái)?shù)據(jù)可以更好地辨別端元,對(duì)混合過(guò)程的解釋也比較清晰[41]。根據(jù)前文分析,研究區(qū)的礦井水混合較為復(fù)雜,受到地表水、淺層地下水和深層地下水的補(bǔ)給。在低溫條件下,礦井水的氫氧同位素與巖石相互作用不發(fā)生同位素交換[46]。因此,基于氫氧同位素質(zhì)量守恒原理,應(yīng)用貝葉斯混合模型MixSIAR[47],將研究區(qū)地表水、淺層地下水、深層地下水和礦井水氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差輸入模型,計(jì)算上述3種水體對(duì)礦井水的補(bǔ)給比例。結(jié)果發(fā)現(xiàn),平朔礦區(qū)8月礦井水中地表水占18.60%,淺層地下水占19.80%,深層地下水占61.60%；12月礦井水中地表水占19.20%,淺層地下水占13.70%,深層地下水占67.20%。由此可見(jiàn),深層地下水是礦井水的主要補(bǔ)給來(lái)源,且冬季補(bǔ)給比例大于夏季。地表水和淺層地下水對(duì)礦井水的補(bǔ)給占比無(wú)論是夏季還是冬季均較小,這與研究區(qū)多年采煤造成地表水徑流減少甚至斷流以及淺層地下水水位下降、水量減少或枯竭是分不開(kāi)的。由于淺層地下水主要受大氣降水補(bǔ)給的影響,導(dǎo)致其對(duì)礦井水的補(bǔ)給比例也存在明顯的季節(jié)差異。

4 結(jié) 論

本文在搜集平朔礦區(qū)流域水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,基于所采集的2020年8月和12月的地表水、淺層地下水、深層地下水和礦井水樣品,采用穩(wěn)定氫氧同位素示蹤法,分析了不同水體氫氧同位素空間分布和季節(jié)變化特征以及水體之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系；采用混合模型MixSIAR計(jì)算了不同水體對(duì)礦井水的補(bǔ)給比例,揭示了平朔礦區(qū)采煤驅(qū)動(dòng)下水循環(huán)規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1) 地表水和礦井水δD和δ18O夏季較冬季高；地下水δD和δ18O季節(jié)差異不明顯。地表水氫氧同位素值沿程呈增加趨勢(shì),但局部受到礦井水的補(bǔ)給,出現(xiàn)貧化；地下水氫氧同位素值沿徑流方向(自西北向東南)呈逐漸增加趨勢(shì)。

(2) 采煤區(qū)氫氧同位素值較非采煤區(qū)明顯增加。受季節(jié)效應(yīng)影響,淺層地下水氫氧同位素在空間分布上8月高值區(qū)域較12月明顯增多。

(3) 從δ18O與δD關(guān)系圖上得出,地表水在接受大氣降水的補(bǔ)給之后受到了蒸發(fā)分餾作用的影響,淺層地下水的補(bǔ)給源較復(fù)雜,深層地下水由于采煤形成的導(dǎo)水裂隙帶受到了淺層地下水和地表水的補(bǔ)給,礦井水受地表水、淺層地下水以及深層地下水的補(bǔ)給。

(4) 基于氫氧同位素質(zhì)量守恒原理,應(yīng)用混合模型MixSIAR,揭示出深層地下水是礦井水的主要補(bǔ)給來(lái)源,占61.60%～67.20%,且補(bǔ)給比例冬季大于夏季;淺層地下水對(duì)礦井水的補(bǔ)給存在明顯季節(jié)差異。