蔚县矿区地下水水化学特征及岩溶水演变规律

宫萍萍，许超，陈峰，吴涛

（中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘查院，河北邯郸056004）

蔚县矿区地下水水化学特征及岩溶水演变规律

宫萍萍，许超，陈峰，吴涛

（中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘查院，河北邯郸056004）

蔚县矿区地处蔚县七里河泉岩溶水系统的中北部，主采煤层为中侏罗统下花园组1#、5#煤，煤炭资源的开采已破坏了矿区第四系砂砾石孔隙水、煤系砂砾岩裂隙水及下奥陶统灰岩岩溶裂隙水的赋存条件。本文重点对地下水水化学开展研究，分析地下水中的主要离子含量和水化学特征，初步探讨了20世纪80年代以来岩溶地下水化学组分的演变规律。研究结果表明：矿区第四系砂砾石孔隙水主要阴离子为HCO3-，含量相对较为稳定，阳离子变化幅度均较大；煤系砂砾岩裂隙水中主要离子为K++Na+与HCO3-，含量相对较为稳定；下奥陶统灰岩岩溶裂隙水中主要离子为K++Na+与HCO3-，K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-变异系数相对较小，表明它们在岩溶水中的含量相对较为稳定。通过相关分析，下奥陶统灰岩岩溶裂隙水K++Na+与TDS成负相关，Ca2+、Mg2+与TDS成正相关，且相关系数高。第四系孔隙水化学组分与下奥陶统灰岩岩溶裂隙水岩溶水相差较大，且局部受到污染；裂隙水化学组分与岩溶水相差较小。矿区岩溶水现阶段与1984年相比，水化学类型趋于多样化，TDS整体有所升高，水质变差。

水质分析；相关分析；演变规律；蔚县矿区

蔚县矿区位于河北省张家口市蔚县西北部，是冀中大型煤炭基地重要煤矿区，开采历史悠久，煤炭资源长期开采已对地下水环境造成了严重影响［1］。

煤炭资源的开采破坏了矿区第四系砂砾石孔隙水、侏罗系中统后城组砾岩裂隙水、侏罗系中下统下花园组砂岩裂隙水及下奥陶统灰岩岩溶裂隙水的赋存条件，尤其下奥陶统灰岩岩溶裂隙水既是矿区的主要饮用水及工业用水资源，又是威胁煤矿安全开采的重要因素，采煤过程的强力疏排已造成了大量的水资源浪费。本研究分析了2014年蔚县矿区地下水中的主要离子含量和水化学特征，重点探讨20世纪80年代以来岩溶地下水化学组分的演变规律。

1研究区地质及水文地质条件

蔚县矿区面积为778 km2，地处蔚县七里河泉岩溶水系统的中北部，地貌形态复杂多样，地形起伏变化较大，地势西高东低，北高南低［2-3］。属典型的大陆性气候，降水主要集中在每年的7～9月，年平均降水量为425 mm。地下水补给以降水入渗为主，排泄以人工开采及煤矿疏排为主。

1.1地质条件

蔚县矿区大部为第四系覆盖，西部及北部局部地区出露侏罗系，并伴有细晶辉长闪长岩侵入。根据井田钻孔揭露的地质资料，本井田内发育的地层由老至新依次为：古生界寒武系上统（Э3）；奥陶系下统（O1）；中生界侏罗系中下统下花园组（J1-2x），侏罗系中统九龙山组（J2j）、后城组（J2h）及新生界第四系（Q）。其中，奥陶系下统为煤系基底，由灰白色薄层、中厚层灰岩，夹有竹叶状灰岩组成，岩溶不发育，厚0～72 m。

侏罗系中下统下花园组为煤系，由灰色中粗粒砂岩、粉砂质泥岩、泥岩及煤层组成，厚3～229m。下花园组共含煤8层，可采煤层主要为1#、5#、6#煤，目前各煤矿主采煤层为5#煤。蔚县矿区可采储量9.13亿t，其中受奥陶系下统灰岩高压岩溶水威胁的煤炭资源量达2.07亿t。现矿区内共有生产矿井9处，在建矿井1处。目前，煤炭核定年生产能力为600万t/a［4-5］。

1.2水文地质条件

根据矿区内钻孔揭露的地层时代、岩性特征、富水性，自上而下划分为4个含水层，分别为：第四系砂砾石孔隙含水层、侏罗系中统后城组砾岩裂隙含水层、侏罗系中下统下花园组砂岩裂隙含水层、下奥陶统石灰岩岩溶裂隙含水层。

目前，矿区内各矿井井下涌水构成较为复杂，主要为第四系砂砾石孔隙水、侏罗系中统后城组砾岩裂隙水、侏罗系中下统下花园组砂岩裂隙水。对煤炭开采影响较大的地下水体主要为：第四系砂砾石孔隙水及下奥陶统灰岩岩溶裂隙水，其中下奥陶统灰岩岩溶裂隙水井下突水事故时有发生。

第四系砂砾石孔隙含水层：岩性为砂、砂砾石，厚度5～55 m，富水性弱-极强，一般中等—强，单位涌水量为0.007 39～8.455L/（s·m），渗透系数为0.452～3.38 m/d，水化学类型为HCO3-Na·Mg型，矿化度441～1555 mg/L。

下奥陶统灰岩岩溶裂隙含水层：岩性为灰白色薄层-中厚层灰岩，岩溶裂隙不发育，富水性弱—强，单位涌水量为0.0128～3.86 L/（s·m），渗透系数为0.00388～14.06 m/d，水化学类型为HCO3-Na·Ca型，矿化度为514～883 mg/L。

矿区地下水以大气降水补给为主，以侧向径流补给为辅，西北部基岩裸露区为地下水的主要补给区，自然条件下地下水径流方向为由北西流向南东，由于区域地下水位下降，地下水排泄目前以人工排泄为主。

2采样及测试方法

2.1采样及测试

为了研究当前第四系砂砾石孔隙水、下花园组砂岩裂隙水及下奥陶统灰岩岩溶裂隙水的水化学特征，分析煤炭开采对地下水的影响，2014年9月，在研究区内共布置了29个地下水取样点，其中第四系砂砾石孔隙水取样点17个，下花园组砂岩裂隙水取样点7个，下奥陶统灰岩岩溶裂隙水取样点5个。共计取样29组。样品取样后及时送交室内进行测试分析。

测试项目包括：Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、NO3-，pH值、总溶解固体（TDS）。

2.2数据处理

数据处理采用了统计分析软件SPSS17.0对地下水中的主要离子含量进行了统计学和相关性分析，同时绘制了下奥陶统灰岩岩溶裂隙水TDS与主要离子的相关分析折线图（图1）。

图1　2014年蔚县矿区地下水水化学三线图Figure 1 Groundwater hydrochemical trilinear chart of Yuxian mining area 2014

3结果分析

3.1统计分析

3.1.1第四系砂砾石孔隙水

对研究区内17个取样点第四系砂砾石孔隙水水样的有关化学参数进行统计分析，得到地下水主要离子特征，见表1。

从表中可以看出，阳离子K++Na+、Ca2+、Mg2+中K++Na+含量相对较高，平均为107.3835 mg/L；阴离子Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-中HCO3-含量最高，平均值达到374.0276 mg/L，标准差为115.8729，两值均较大，变异系数较小，反映了其在孔隙水中的绝对含量较高，为地下水中的主要阴离子，NO3-含量最低。所有样品pH值在7.51～8.25，为弱碱性，K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-的变异系数均较大，表明其在孔隙水中的含量变化幅度较大，它们是地下水中随环境变化的敏感因子。HCO3-变异系数相对较小，表明它在孔隙水中的含量相对较为稳定。

表1　第四系砂砾石孔隙水水化学参数的统计特征值Table 1 Statistical eigenvalue of Quaternary sand gravel pore water hydrochemical parameters

3.1.2煤系砂砾岩裂隙水

对研究区内7个取样点煤系砂砾岩裂隙水水样的有关化学参数进行统计分析，得到地下水主要离子特征，见表2。

表2　煤系砂砾岩裂隙水水化学参数的统计特征值Table 2 Statistical eigenvalue of coal measures sandy conglomerate fracture water hydrochemical parameters

从表中可以看出，阳离子K++Na+、Ca2+、Mg2+中K++Na+含量相对较高，平均为72.4429 mg/L，其次为Ca2+，平均为61.79 mg/L；阴离子Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-中HCO3-含量最高，平均值达到291.3386 mg/L，标准差为36.2437，两值均较大，变异系数较小，反映了其在裂隙水中的绝对含量较高，为地下水中的主要阴离子，NO3-含量最低。所有样品pH值在7.58～7.94，为弱碱性，Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-的变异系数均较大，表明其在孔隙水中的含量变化幅度较大，它们是地下水中随环境变化的敏感因子。K++ Na+、HCO3-变异系数相对较小，表明它在裂隙水中的含量相对较为稳定。

3.1.3下奥陶统灰岩岩溶裂隙水

对研究区内5个取样点下奥陶统灰岩岩溶裂隙水水样的有关化学参数进行统计分析，得到地下水主要离子特征，见表3。

从表中可以看出，阳离子K++Na+、Ca2+、Mg2+中K++Na+含量相对较高，平均为77.256 mg/L，其次为Ca2+，平均为67.004 mg/L；阴离子Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-中HCO3-含量最高，平均值达到323.37 mg/L，标准差为13.7028，变异系数较小，反映了其在岩溶水中的绝对含量较高，为地下水中的主要阴离子，NO3-含量最低。所有样品pH值在7.59～8.08，为弱碱性，SO42-、NO3-的变异系数均较大，表明其在孔隙水中的含量变化幅度较大，它们是地下水中随环境变化的敏感因子。K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-变异系数相对较小，表明它们在岩溶水中的含量相对较为稳定。

表3　下奥陶统灰岩岩溶裂隙水水化学参数的统计特征值Table 3 Statistical eigenvalue of lower Ordovician limestone karst fracture water hydrochemical parameters

3.2相关分析

相关分析可揭示地下水水化学参数的相似相异性及地下水来源的一致性和差异性［6］。相关分析表明，奥陶统灰岩岩溶裂隙水TDS与Ca2+和SO42-相关性好，R2＞0.95（图2）。随着矿化度的增加，地下水滞留时间的增长，Na+开始与含水层中矿物吸附的Ca+、Mg+进行离子交换，导致地下水中的Na+浓度减小，Ca2+、Mg2+浓度增大，因此，K++Na+与TDS成负相关，Ca2+、Mg2+与TDS成正相关，且相关系数高。

下奥陶统灰岩岩溶水与煤系砂岩裂隙水相比，岩溶水的TDS值、阳离子K++Na+、Ca2+、Mg2+浓度和阴离子Cl-、SO42-、HCO3-浓度均高于裂隙水，NO3-浓度略低于裂隙水，在国家地下水饮用水标准Ⅲ类NO3-浓度≤20 mg/L（GB/T14848-93）之内，未出现异常点。

图2　蔚县矿区岩溶水TDS与主要离子成分相关分析Figure 2 Yuxian mining area karst water TDS and main ion constituents correlation analysis

下奥陶统灰岩岩溶水与第四系水相比，岩溶水的TDS值、阳离子K++Na+浓度低于第四系水，Ca2+、Mg2+浓度略高于第四系水，阴离子Cl-、HCO3-、NO3-浓度低于第四系水，SO42-浓度明显高于第四系水，局部地区第四系NO3-浓度达到了130 mg/L，反映该地区第四系水受到污染的影响。

3.3下奥陶统灰岩岩溶裂隙水水化学演变规律

1984年蔚县矿区内岩溶地下水的水化学资料有限，共收集到5个地点的化验测试结果，而且主要集中在壶流河断层以北，南留庄一带，总体显示，岩溶地下水水质优良，水化学类型多为HCO3-Ca·Na、HCO3-Na·Ca·Mg型，TDS小于500 mg/L［7］。

2014年蔚县矿区岩溶裂隙水水化学特征及分布见图3。由图可知，阳眷镇西师家窑村一带水化学类型多为SO4·HCO3-Ca·Mg型，矿化度为730 mg/ L左右，其周边及向东至崔家寨矿、兴源矿、南留庄矿西部一带水化学类型多为HCO3·SO4-Ca·Mg型，TDS＜1000 mg/L，其他地区水化学类型多为HCO3-Na·Ca·Mg型或HCO3-Na·Ca型，TDS多＜1000 mg/ L。

图3　2014年蔚县矿区奥陶系岩溶水水化学图Figure 3 2014 Yuxian mining area Ordovician karst water hydrochemical chart

从1984年到2014年两个时段来看，蔚县矿区下奥陶统灰岩岩溶裂隙水水化学类型趋于多样化，TDS在358～730 mg/L，整体上有所升高，水质变差。

4结论

（1）蔚县矿区第四系砂砾石孔隙水主要阴离子为HCO3-，含量相对较为稳定，阳离子变化幅度均较大；煤系砂砾岩裂隙水中主要离子为K++Na+与HCO3-，含量相对较为稳定；下奥陶统灰岩岩溶裂隙水中主要离子为K++Na+与HCO3-，K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-变异系数相对较小，表明它们在岩溶水中的含量相对较为稳定。

（2）通过相关分析，下奥陶统灰岩岩溶裂隙水K++Na+与TDS成负相关，Ca2+、Mg2+与TDS成正相关，且相关系数高。第四系孔隙水化学组分与下奥陶统灰岩岩溶裂隙水岩溶水相差较大，且局部受到污染；裂隙水化学组分与岩溶水相差较小。

（3）现阶段蔚县矿区下奥陶统灰岩岩溶水主要以HCO3-Na·Ca·Mg（Na·Ca）和HCO3·SO4-Ca·Mg型水为主，与1984年相比，水化学类型趋于多样化，TDS整体有所升高，水质变差。

［1］中国煤炭地质总局水文地质局.冀中能源基地水文地质环境地质调查报告［R］.河北邯郸：中国煤炭地质总局水文地质局，2015.

［2］占文峰.河北蔚县煤田构造沉降与构造演化分析［J］.中国煤炭地质，2009，（9）.

［3］范和平，张新生.河北省蔚县煤田构造特征再认识［J］.中国煤炭地质，2006，18（S1）.

［4］王桂臣.蔚县矿区北阳庄井田地质构造分析［J］.中国高新技术企业旬刊，2015，3（8）.

［5］吴顺福.北阳庄井田构造发育规律探析［J］.中国煤炭地质，2006，18（4）：22-24.

［6］华兴国.四川成都红层区浅层地下水水化学特征分析［J］.地下水，2015，37（1）：26.

［7］开滦矿务局地质勘探队.蔚县矿区专门水文地质勘探报告钻孔抽水试验综合成果表［R］.河北唐山：开滦矿务局地质勘探队，1985.

Ground Water Hydrochemical Features and Karst Water Evolution Pattern in Yuxian Mining Area

Gong Pingping，Xu Chao，Chen Feng and Wu Tao
（Hydrogeological，Engineering Geological and Environment Geological Exploration Institute，CNACG，Handan，Hebei 056004）

The Yuxian mining area is situated in north-central part of the Qilihe springs karst water system.Main mineable coal seams have coal Nos.1 and 5 in middle Jurassic Xiahuayuan Formation.The exploitation of coal resources has destroyed mining area hosting conditions of Quaternary sand gravel pore water，coal measures sandy conglomerate fracture water and lower Ordovician limestone karst fracture water.The paper has focused on groundwater hydrochemical study，analyzed main ion contents and hydrochemical features；initially discussed karst groundwater chemical constituents’evolution since 1980s.The result has shown that mining area Quaternary sand gravel pore water main anion is HCO3-，the content is relatively stable，while content of cations variable.Coal measures sandy conglomerate fracture water main ions have K++Na+and HCO3-，content is relatively stable.Ions in lower Ordovician limestone karst fracture water have mainly K++Na+and HCO3-；variation coefficient of K++Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-and HCO3-is relatively small，indicated their content in karst water is relatively stable.Through the correlation analysis，K++Na+and TDS in lower Ordovician limestone karst fracture water are negatively correlated；while Ca2+，Mg2+and TDS positively correlated with high correlation coefficient.Chemical constituents of Quaternary pore water and lower Ordovician limestone karst fracture water have large difference；while difference between karst fracture water and other fracture water is rather small.Compared to 1984，present stage karst water hydrochemical types in mining area tend to be diversified；TDS has gone up somewhat as a whole，water quality poorer.

water quality analysis；correlation analysis；evolution pattern；Yuxian mining area

P641.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.08.12

1674-1803（2016）08-0058-05

中国地质调查局地质调查项目——冀中能源基地水文地质环境地质调查

宫萍萍（1983—），女，山东威海人，工程师，从事工程地质、水文地质工作。

2016-03-17

责任编辑：樊小舟