基于同位素—水化学的东胜矿区地下水循环研究

朱谱成 耿新新 马琳娜 陈立 王贵玲

摘要：为实现采煤条件下东胜矿区地下水资源的合理开发利用，以（牜孛）牛川上中游区为例，通过现场调查，采用水化学和环境同位素技术开展了东胜矿区地下水循环研究。结果表明：研究区地下水的补给来源为大气降水，第四系地层与浅层延安组地层水力联系良好，降水经表层松散砂层和裂隙发育的延安组地层入渗补给地下水；区域地下水循环可概化为浅、中、>9 3层水流系统，在采煤活动影响下，研究区水循环条件发生强烈改变；采煤活动破坏了隔水层，增强了地层的垂直入渗能力，加大了参与中层水循环地下水的比例，使得主要依赖浅层水流系统排泄的河川径流量大为减少。

关键词：地下水；水循环；水化学；同位素；东胜矿区；（牜孛）牛川

中图分类号：P641.3 文献标志码：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.012

东胜煤田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东部，是我国迄今为止发现的最大煤田。受长期煤矿开采影响，矿区出现了河川径流减少、泉流干涸等一系列问题，水资源日益匮乏[1-3]。为实现地下水合理开发利用和生态保护的目的，有必要开展地下水循环的研究工作。前人多通过水文地质条件分析，认为采煤增强了地层渗透性，改变了地下水循环路径，然而典型地区具体地下水循环特征尚未见详细报道[4-6]。

以水化学组分和氢氧碳等同位素为代表的环境示踪剂，对水循环具有标记和计时的作用，被广泛应用到干旱地区地下水循环研究当中[7-8]，包括地下水的来源[9]、补给和排泄[10-11]、地下水年龄[12-13]、确定水力联系[14]、地表水和地下水的转化关系及转化量[15-16]等。（牜孛）牛川是东胜煤田中南部的一条河流，自20世纪60年代以来，其年径流量已由1.26亿m3减少至0.25亿m3（2000-2010年平均）[1]。本研究以（牜孛）牛川主要产流区上中游地区为例，以区域水文地质条件为基础，采用氢氧同位素、碳同位素、水化學组分为示踪剂，研究（牜孛）牛川上中游地区的地下水循环特征，以期为东胜煤田地下水资源管理与保护、供水安全提供参考。

1 研究区概况

（牜孛）牛川上中游区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市与陕西省榆林市交界区，主要支流有束会川和暖水川。区内地形以低山丘陵为主，相对高差一般为50一200m。地势整体北高南低，发育有多级沟谷，南部还发育有风积沙丘。气候干旱，多年平均降水量为350.6mm，多年平均水面蒸发量为2300mm。

东胜煤田为侏罗系中世大型含煤建造，主要含煤地层为侏罗系中下统延安组（J1-2y），其沉积基底为三叠系上统延长组（T3y），其上覆地层有新近系（NZ）、上更新统萨拉乌苏组（Q3S）、第四系冲洪积层（Q4al+pl）、第四系风积砂层（Q4eol）。上覆地层具有不连续性，冲洪积层沿沟谷分布，萨拉乌苏组和风积砂层则零散分布。当前优先开采煤层主要是第3、4、6层，以第4层为主，煤层一般埋深16～120m。

根据区内地下水赋存条件，主要含水层分为第四系松散孔隙潜水含水层和碎屑岩类孔隙一裂隙含水层，其中：松散孔隙含水层包括冲洪积层（岩性为含砾石粉细砂）与萨拉乌苏组（岩性为粉细砂），孔隙一裂隙含水层包括延安组（岩性为砂岩）与延长组（岩性为粉细砂岩）。第四系地下水位埋深一般小于10m，流向与地形坡度基本一致，多以泉水或潜流的形式向沟谷河流排泄（见图1）。以3、4煤层及其顶底板泥岩、延安组底部泥岩为隔水层，通常将延安组孔隙一裂隙水分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个含水岩段，水位埋深一般为3～80m。三叠系上统延长组孔隙一裂隙水具有承压性，水位埋深一般小于10m，部分自流。区内地下水整体富水性较差，一般单井涌水量为10～100m3/d，少数萨拉乌苏组等含水层厚度大的地区单井涌水量大于100m3/d，成为当地的重要供水水源。根据简易抽水试验结果，第四系地层渗透系数为3～10m/d，延安组、延长组地层渗透系数为0.006～0.200m/d。

2 采样与测试

2015年6-8月，在（牜孛）牛川上中游地区进行了地下水调查与采样工作，共采取48组全分析水样（采样点位置见图2），其中：河水4组，矿坑水3组，地下水样品41组。地下水采样井以居民生活用井为主，第四系地下水采样井井深一般小于20m；基岩地下水井深为100～200m，采样井井管一般全段采用滤水管，在丘陵处采样井所采为延安组地层水样，在沟谷处部分采样井所采为延安组一延长组混合水样。

样品测试分析在国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心完成。水化学测试项目包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3、CO32-、SO42-，测试精度为±1%。氢氧稳定同位素采用Picarro L2130-i同位素分析仪测定，测试结果以相对维也纳标准海水（VSMOW）的百分偏差δ表示，δD的精度为±0.01%，δ18O的精度为±0.002 5%。3H含量和14C含量均采用超低本底液体闪烁谱仪Quantulus 1220测定，3H含量测试结果以氚单位（TU）表示（典型精度1TU），14c以现代碳百分比（PMC）表示（典型精度1pmC），部分调查及测试结果见表1。

3 结果与分析

3.1 水化学特征

将河水、矿坑水及不同含水层地下水的水化学分析结果绘制在Piper图上（见图3）。由图3可知，不同含水层水化学差异明显，对水循环具有良好的指示作用。

冲洪积层和萨拉乌苏组地下水TDS含量一般小于300mg/L，水化学类型为HCO。-Ca型，含水层岩性均为砂层，地形切割较强烈，水交替更新快，溶滤短促。部分冲洪积层地下水中SO42-、NO3-含量较高，TDS含量>300mg/L，水化学类型为HCO3·SO4-Ca或HCO3·NO3-Ca型，反映出人为污染影响，可能是混入了矿坑水或含矿坑水的河水，同时说明该含水层处于开放条件，循环速度快。

延安组地下水化学类型多样，按阴离子分类，主要包括HCO3型HCO3·SO4型HCO3·Cl型，同时TDS含量较大，为182～842mg/L。延安组地下水化学特征的差异，反映其水循环条件的不同。延安组浅层风化裂隙、烧变岩发育，地下水开放性好，补给条件良好，因此采样深度小于40m或水位埋深小于10m的水样化学类型为HCO3-Ca·Mg型或HCO3·SO4-Ca·Mg型等，TDS含量为200～750mg/L。采样较深的延安组地下水化学类型以 HCO3型为主，近沟谷源头处阳离子水化学类型一般为Ca型或Ca·Mg型，沟谷中下游则以Na型为主，沟谷下游主要为HCO3·Cl-Na型（TDS含量一般大于500mg/L）。这种水化学特点反映了深层延安组沿径流路径水化学类型的演化。延长组地下水化学类型为Cl-Na型，TDS含量一般在700mg/L左右。

3.2 氢氧稳定同位素特征

研究区附近降水氢氧稳定同位素研究成果较为丰富，俞发康根据鄂尔多斯及其周边地区收集到的雨水同位素数据（国际原子能机构及省、地区级监测站），绘制出区域降水线（RWML）方程为

δD=6.35δ18O-4.69

（降水样个数n=120，拟合优度R2=0.91）

区域大气降水的δ18O和δD的平均值分别为-0.831%和-5.670%。

郭巧玲等在研究区南约30km采集夏季降水样品，测试分析得到的当地降水线（LWML）方程为

δD=6.51δ18O-13.09（n=9）

当地降水线的δ18O和δD的平均值分别为-0.904%和-7.194%。

两条降水线斜率均小于8，且截距小于10，反映鄂尔多斯地区气候干旱，降水有较大蒸发。从图4可以看出，当地河水、地下水数据点均位于区域降水线的下方、当地降水线两侧，反映河水、地下水主要由当地降水补给，并在补给过程中产生较大蒸发。河水δ18O的变化范围为-1.16%～-0.64%，δD变化范围为-8.7%～-5.5%；地下水δ18O的变化范围为-1.17%～-0.74%，δD变化范围为-7.5%～-5.5%。河水主要来源于矿坑排水、泉水及大气降水，河水的氢氧稳定同位素值相差较大，反映了补给其的地下水同位素特征的差异。整体上，延长组地下水的重同位素贫于延安组地下水的，延安组地下水的重同位素贫于第四系地下水的，这反映了补给环境的差异。根据已有研究，近3万a以来气候总体趋暖，说明延长组地下水来源于早先温度低时的补给。

3.3 放射性同位素特征

放射性同位素3H和14C含量的大小可以粗略反映地下水的循环速率，其中：3H的半衰期为12.32a，14C的半衰期一般采用5730a。一般认为1952年以前补给的地下水中不含氚，而3H含量大于1TU，表明地下水主要来自于1952年以后的补给。

区域地下水3H含量具有较强的空间分布规律：第四系、浅层延安组风化裂隙水，H含量一般为10～18TU，反映其循环更替较快；延安组基岩裂隙水，H含量变化范围较大，为0～19TU；延长组地下水，H含量则小于1TU，反映非现代地下水补给。

研究区地下水的14c活度为0.8～54.0pmC，其中：延长组地下水存在0.8pmC的极低值，反映水循环极慢；浅层第四系地下水14c活度为40～54pmC，反映水循环相对较快；延安组地下水14c活度为15～30pmC，反映水循环速率居中；延安组一延长组混合水样的14C含量为15pmC。

4 讨论

4.1 地下水循环特征

地下水同位素和水化学差异反映了研究区大规模采煤条件下水循环条件的改变。以δ18O值-0.95%为界限（见图4虚线），研究区地下水的同位素水化学特征具有显著差异。第四系地下水（以及多数河水）δ18O值大于-0.95%，而部分延安组地下水δ18O值也大于-0.95%，说明第四系地下水与这部分延安组地下水存在较好水力联系或相似的水循环特征。从δ18O与3H含量關系和δ18O与TDS含量关系更能说明上述推断。如图5（a）所示，δ18O值>-0.98%的点分布在右上角，3H含量>3TU，表明第四系地下水和部分延安组地下水更新交替较快；δ18O值<-0.98%的点分布在左下角，3H含量<3TU，表明部分延安组地下水和延长组地下水更新缓慢。如图5（b）所示，以δ18O值-1%为界，δ18O值>-1%的点分布在右下角，TDS含量一般小于500mg/L，反映地下水溶滤时间较短；δ18O值<-1%的点，TDS含量多大于500mg/L，反映溶滤时间较长。

结合研究区水文地质条件，上述水化学和同位素特征反映了含水层之间的水力联系及水更新能力。研究区延安组与其上覆的第四系风积砂、冲洪积物等不存在稳定连续的隔水层，大气降水经渗透性良好的第四系松散层入渗到地下后，直接通过延安组上层的风化裂隙进入砂岩含水层。故这部分延安组地下水更新交替速度较快，δ18O值大于-1%（与当地降水δ18O值接近），TDS含量一般小于500mg/L，3H含量大于3TU。延安组底部泥岩隔水性较好，因此延安组与下伏延长组地下水化学特征与同位素特征差异较大，两者没有水力联系。

以往认为延安组地层存在3个相对封闭的含水层，地下水在砂岩含水层内沿地层倾向径流。本次调查发现，研究区延安组地下水位埋深可显著分为2组：一组埋深小于10m，另一组埋深大于40m。两组的水化学特征与同位素特征基本与上述用δ18O值-0.95%～-1.00%为界的特征吻合，这表明采煤导致区域隔水层破坏后，含水层连通性增强。仅有少量延安组地下水3H含量小于1TU，说明延安组地层封闭性遭到破坏，补给有所增强，降水和浅层地下水可以通过垂直入渗补给深层延安组地层。因此研究区延安组地下水赋存条件已经发生显著改变，基本可概化为两层。

4.2 地下水循环模式

地下水年龄直观反映地下水循环快慢和更新能力，是地下水循环模式的关键内容之一。在已知某种放射性同位素初始输入浓度的基础上，可以根据放射性同位素衰变方程计算地下水年龄：

t=-1/[λln（A/A0）]式中：t为地下水年龄，a；λ为放射性同位素（3H或14C）衰变常数，3H的衰变常数为0.056 26/a，14C的衰变常数为1.2096×10-4/a；A为样品放射性同位素（3H或14c）含量；A0为补给时地下水3H或14C含量。

本研究历年降水3H含量主要参考文献，地下水14C初始含量由3H与14C含量关系外推法确定为36.5pmC。

运用图解法确定的地下水，H年龄见表2。

由此计算的延安组地下水14C年龄为0～7700a，延长组（Z2-2）地下水年龄为32000a。

为分析研究区地下水循环模式，将水化学及同位素特征加以概化后沿典型剖面A-B（位置见图2）绘制，如图6所示。根据研究区地下水化学特征和同位素空间分布特征，将其概化为受地形和地质条件共同控制的浅、中、深3个层次的水流系统。

（1）浅层第四系孔隙一延安组风化裂隙水流系统。浅层地层孔隙一裂隙发育，降水入渗补给条件好，地下水循环更替速度快，年龄一般为0～20a，循环深度为10～50m。该水流系统呈零散分布，多以次级沟谷为排泄基准面，地下水TDS含量一般小于300mg/L，水化学类型为HCO3-Ca型。

（2）中层延安组裂隙一孔隙水流系统。孔隙一裂隙发育条件较差，具有不均一性，地下水补给历程较长，循环更新较慢，年龄从丘陵顶部到河谷逐渐增大，最大可达6000a，循环深度在50～150m以浅。该水流系统连续分布，以（牜孛）牛川及其主要支流为排泄基准面。地下水TDS含量一般为200～500mg/L，水化学类型以HCO3型为主。

（3）深层延长组裂隙-孔隙水流系统。孔隙-裂隙發育条件极差，地下水补给历程漫长，更新极慢，年龄可达数万年，地下水补给主要在研究区东部延长组出露区接受，顺地层倾向流动。地下水循环深度一般在100～150m以深，沟谷低洼处循环深度为50m以深，水化学类型为Cl-Na型。

5 结论

（1）研究区地下水的补给来源为大气降水，第四系地层与浅层延安组地层水力联系良好，降水经表层松散砂层和裂隙发育的延安组地层入渗补给地下水。各级沟谷是地下水的排泄基准面，地下水以泉水或潜流的形式向河流（床）排泄，最终在（牜孛）牛川汇集。

（2）区域地下水循环可概化为浅、中、深三层水流系统。在采煤活动影响下，研究区水循环条件发生强烈改变。采煤活动破坏了隔水层，增强了地层的垂直入渗能力，加大了参与中层水循环地下水的比例，使得主要依赖浅层地下水流系统排泄的河川径流量大为减少。