基于GIS和相关性分析峰峰矿区岩溶水水化学特征

贾亚琳 边 凯 李 冲 白 晓 白峰青

(1. 河北工程大学地球科学与工程学院，河北省邯郸市，056038；2.中国煤炭地质总局第三水文地质队，河北省邯郸市，056038)

地下水化学成分是特定地质环境下地下水与岩石长期相互作用的综合表现。含水层的岩性组合特征、水文地质条件(补给、径流、排泄条件)以及赋存环境等对地下水化学成分的形成产生重要影响。因此，可通过水化学检测资料科学地分析地下水的赋存环境、径流条件、物质交换等重要信息。截至目前，许多专家学者在不同地区开展了相关水文地球化学研究工作，积累了大量宝贵经验。

峰峰矿区是我国典型的华北岩溶大水矿区，煤矿开采历史久远。奥灰岩溶含水层是邯郸地区重要的引用水水源地，也是影响峰峰矿区下组煤安全开采的重要因素。已有研究成果表明，峰峰矿区近30年的煤矿开采使得矿区内岩溶水的水化学特征发生了较大程度的变化。考虑到岩溶含水层埋深较大、富水性极不均一、地质钻探成本高且风险大、地球物理勘探精度低等因素的限制，开展深部岩溶地下水水文地球化学特征对经济、有效地揭示含水层水文地质特征以及防治下组煤开采过程中可能遇到的水害有着重要的意义。

基于此，此次研究在依据峰峰矿区水利局提供的近10年水质调查资料的基础上结合前人的研究调查，利用Arc-GIS、离子相关性以及比例系数法等方法对矿区的地下水水化学特征和来源进行研究分析。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

峰峰矿区位于邯郸市西南部，地处太行山东坡边缘。矿区西邻太行山，东为华北平原。在行政区划上隶属于河北省邯郸市，北与武安接壤，东南西三面与磁县为邻。

矿区属温带大陆性气候，以少雨、干旱、多风为主要特征。降雨年内分布不均，主要集中在7～9月，多年平均降雨量542.01 mm，年最大降雨量1210.8 mm，最小降雨量202.6 mm。多年平均气温13℃，年最高气温43℃，最低-15.7℃，最大风速为21.7 m/s。

1.2 地质条件

峰峰矿区属半掩盖区，基岩多出露在鼓山、九山山区及边缘地区和丘陵地区的冲沟内，出露地层包括震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系，其他地区则被0～40 m左右的第四系所覆盖。

矿区内的构造类型主要分为断层和褶皱两大类，主体构造线方向呈NNE～NE展布。区内断裂构造密集，以NNE及NE走向断层最为发育，NWW向次之，NW向仅以小断裂形式出现。不同走向的断层相互切错，将区内的煤系分割成若干小型地垒、地堑及阶梯状单斜断块组合等构造形态。此外，控制矿区构造格架的大型褶皱为鼓山—紫山背斜。该背斜将矿区分为东西两部分，西侧为武安—和村向斜，东侧为SEE向缓倾的单斜构造，并在此基础上发育极为宽缓的小型褶曲。

1.3 水文地质条件

按岩溶水的补给、径流、排泄条件进行水文地质分区，峰峰矿区属于邯邢水文地质单元的南单元，即峰峰水文地质单元。区内含水层分为第四系含水层、砂岩裂隙含水层、灰岩裂隙含水层以及灰岩岩溶裂隙含水层4类，其中奥陶系岩溶裂隙含水层水量最大。

地下水的主要补给来源是大气降水和局部地区沟谷河床渗漏。其中，奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层的大气降水入渗补给区主要位于鼓山、九山露头和西部及西北部岩溶发育的灰岩裸露区，除接受地区降雨入渗补给外，还接受西部、西北部山区岩溶裂隙地下水的侧向补给。地下水径流主要受地层产状、构造和地形因素的控制，局部范围受水动力条件的影响，区域奥灰水总体流向为自西向东或略向东南。此外，排泄方式主要包括泉群自然排泄和人工排泄(矿区内工、农业用水和矿山排水)两种排泄方式。

图1 黑龙洞泉域水文地质图

2 样品采集和检测情况

本次试验共采集14组样品。根据相关检验，其数据可靠且采集位置覆盖全区具有一定的代表性。采样点位置分布见图2，样品水化学数据检验结果见表1。

图2 采样点位置分布示意图

3 地下水化学特征分析

3.1 水化学组分特征和分析

3.1.1 水化学组分检测数据特征

结合研究区水样化验结果(表1)分析，岩溶水为中性或偏碱性，pH值在7.45～7.86之间。地下水中阳离子以Ca2+为主，Mg2+次之；阴离子以HCO3-为主，SO42-次之。区域内TDS范围变化为264.3～806.2 mg/L，总硬度为205.3～574.9 mg/L。

3.1.2 水化学类型

通过实例验证划分研究，基于Arc-GIS中DTM的方法可以很好地反映数据在空间上的变化特征以及对地下水化学类型进行划分。

表1 研究区岩溶水样水化学数据统计表 mg/L

备注：pH无单位

利用Arc-GIS中的DTM分析功能利用样品检测结果对奥灰含水层水样点进行空间插值计算，得到研究区奥灰岩溶水水化学类型分区图，见图3。由图3可以看出，研究区岩溶地下水类型主要为HCO3·SO4-Ca·Mg型水，部分为HCO3·SO4-Ca型水。

根据以上水化学组分特征及水化学类型的划分分析，水—岩作用是研究区水化学成分形成的基础，地质环境是主控因素。

3.1.3 主要离子含量特征及分析

研究区岩溶地下水离子含量特征统计见表2。以2016年岩溶地下水监测结果为例，利用岩溶水中的主要阴阳离子含量特征(表2)对岩溶水中的离子含量、敏感因子以及水流系统等进行分析。

从表2中可以看出，主要阴离子中HCO3-溶度均值最高，为255.91 mg/L，其次是SO42-，溶度均值为126.63 mg/L，Cl-、NO3-的溶度均值相差不大，分别是31.19 mg/L和19.39 mg/L；阳离子中Ca2+溶度均值明显高于其他阳离子，为98.15 mg/L，其次是Mg2+溶度均值含量为26.47 mg/L，Na+、K+为21.33 mg/L和1.46 mg/L。由此可见，地下水中Ca2+、SO42-和HCO3-的绝对含量较大，是地下水中的主要离子。

图3 基于DTM的奥灰岩溶水化学类型分区

从标准偏差来看，阳离子的标准偏差均小于20%，尤以K+偏差最小，为0.51%。因此，各阳离子的含量与其均值相比浮动变化很小。而阴离子中SO42-溶度的偏差最大即各样品中SO42-的溶度与均值相差较大，由此表明局部地区之间相比径流条件有所差别。

由变异系数的角度分析，阴离子中Cl-的变异系数为54.6%，说明随着空间变化其含量变化较大，是随环境变化的敏感因子。阳离子中Na+变异系数为53.0%，受环境因素影响较大。其他离子变异系数较小，说明其含量随环境变化相对稳定。

TDS可以用来指示区域、局部地下水水流系统发育状况。从表2可以看出，TDS含量的偏差程度明显，即数据分散，表明研究区内地下水水流系统较为复杂，存在局部和区域岩溶水水流系统混合现象。此外，地下水总硬度的变化与区域地下水不合理开发利用有着密切的关系。区内地下水总硬度的偏差也较大，说明各局部地区之间的地下水受人类活动影响程度有较大差异。

3.2 离子来源判别

地下水化学成分的形成与组成岩石的矿物成分有着密切的关系。本次通过综合分析离子相关性和比例系数的方法对研究区奥灰岩溶水离子来源进行判别。

3.2.1 相关性分析

相关性分析可揭示地下水水化学组分的相似相异性及来源的一致性和差异性。利用SPSS软件对矿区2016年的水质监测资料进行分析整理，得到表征地下水中各主要阴阳离子之间相关程度高低的相关系数，见表3。由表3可以看出，Ca2+和Cl-、SO42-、HCO3-的相关性较强，相关系数大于0.7；Na+与Cl-、SO42-的相关性极强，相关系数大于0.9；Mg2+与K+、Cl-、SO42-的相关性较强，相关系数大于0.8，Na+还与Ca2+、Mg2+相关性较强，相关系数大于0.7。

表2 研究区岩溶地下水离子含量特征统计表

表3 水样水化学参数相关系数矩阵

注：*表示在0.05水平(双侧)上显著相关，**表示在0.01水平(双侧)上显著相关

另一方面，除NO3-外，地下水中的主要阴阳离子均与TDS之间有较强的相关性，这也说明了地下水TDS的大小主要取决于水中Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、SO42-、Cl-。

3.2.2 比例系数法

在地下水流场中，由于地下水中的各化学组分存在着有机联系，因此可根据地下水各种组分之间的含量比例系数来研究某些水文地球化学问题。

奥陶系灰岩含水层主要由碳酸盐岩组成，其主要矿物成分由沉积的碳酸盐矿物(方解石CaCO3、白云石CaMg[CO3]2等)以及少量的石膏(CaSO4)、岩盐(NaCl)等组成。由此，根据矿物的化学组分有针对性地选取以下比例系数对地下水中化学组分的来源做进一步判别。

(1)γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)和γ(Ca2+)/γ(SO42-)等相关比例系数。根据方解石(CaCO3)、白云石(CaMg[CO3]2)、石膏(CaSO4)的溶解反应过程，γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)和γ(Ca2+)/γ(SO42-)等相关比例系数可以用来确定Ca2+、Mg2+的来源。其中，γ表示离子的毫克当量溶度。岩溶水中γ(Ca2++Mg2+)与γ(HCO3-)关系图见图4。

图4 岩溶水中γ(Ca2++Mg2+)与γ(HCO3-)关系图

根据水化学组分检测结果来看，地下水中阳离子以Ca2+为主，阴离子以HCO3-为主，因此地下水中化学反应以碳酸盐岩(方解石、白云石)的溶解为主。综合上述离子相关性分析，Ca2+与HCO3-的相关性(r=0.802)大于Mg2+与HCO3-的相关性(r=0.598)，但两者又都小于Ca2++Mg2+和HCO3-的相关性(r=0.827)。故碳酸岩盐中方解石溶解多于白云石。

此外，岩溶水中γ(Ca2++Mg2+)与γ(HCO3-+SO42-)、γ(Ca2+)与γ(SO42-)的关系分别如图5、6所示。由图4可知，γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-)中样品点全部偏离参考线y=x，另一方面结合相关系数分析中Ca2+和SO42-的相关性(r=0.737)、Mg2+和SO42-的相关性(r=0.885)均非常明显。同时结合图5和图6来看，Ca2+和Mg2+还存在除碳酸岩盐溶解外与SO42-有关的水化学反应，其中对于Ca2+离子而言是石膏的溶解。

图5 岩溶水中γ(Ca2++Mg2+)与γ(HCO3-+SO42-)关系图

图6 岩溶水中γ(Ca2+)与γ(SO42-)关系图

此外，从图5还可以看出，γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)的值绝大部分处于参考线上方，表明碳酸岩盐、石膏的溶解不能完全解释Ca2+、Mg2+的组成。

(2)γ(Na++K+)/γ(SO42-)、γ(Na++K+)/γ(Cl-)相关系数。根据岩盐的溶解反应NaCl=Na++Cl-和KCl=K++Cl-可知，理论上，岩盐的溶解会产生等量的Na++K+和Cl-。

岩溶水中γ(Na++K+)与γ(Cl-)、γ(Na++K+)与γ(SO42-)的关系分别如图7、8所示，γ(Na++K+)与γ(Cl-)的值严格来说是稍大于1，说明岩盐溶解并非是Na++K+的单一来源。根据图8可以看出，Na++K+与SO42-存在明显相关性(r2=0.83646)，推测地下水中硫酸盐矿物溶解的Ca2+、Mg2+同含水层矿物中的Na++K+进行和置换作用，使得地下水中的Na++K+含量增加。

图7 岩溶水中γ(Na++K+)与γ(Cl-)关系图

图8 岩溶水中γ(Na++K+)与γ(SO42-)关系图

3.2.3 阴阳离子组分与TDS关系分析

由岩溶水中主要阳离子和阴离子随TDS含量变化图见图9、图10所示，由图中可以看出，地下水中主要阳离子的含量随着TDS的增加而增加。其中Ca2+的含量最大且增加幅度与Mg2+、Na++K+相比较大，即阳离子中Ca2+对TDS的贡献最大。因此，岩溶水中发生的水—岩作用以含Ca2+的矿物溶解为主。

图9 岩溶水中主要阳离子与TDS的关系图

地下水中主要阴离子的含量也随着TDS的提高而呈现增加的趋势。其中，相比HCO3-和Cl-平缓的增加幅度，SO42-随TDS的提高变化幅度最大，说明含有SO42-的矿物溶解速率较大；但HCO3-的含量高于SO42-。因此，水—岩作用以含有HCO3-的矿物溶解为主，并伴有含SO42-和Cl-的矿物溶解作用。

图10 岩溶水中主要阴离子与TDS的关系图

综合上述特征以及离子相关性分析，研究区岩溶水中发生的水—岩作用以含有Ca2+和HCO3-的矿物为主，即方解石和白云石，并伴有石膏、岩盐、硫酸盐的溶解反应。

4 结论

(1)峰峰矿区奥灰岩溶水为中性或偏碱性，pH值在7.45～7.86之间。研究区岩溶地下水类型主要为HCO3·SO4-Ca·Mg型水，部分为HCO3·SO4-Ca型水。表明水—岩作用是地下水化学成分形成的基础，地质环境是主控因素。

(2)Cl-的变异系数最大，说明随着空间变化其含量变化较大，是随环境变化的敏感因子。

(3)区内地下水TDS含量的偏差程度明显，即数据分散，表明研究区内地下水水流系统较为复杂，存在局部和区域岩溶水水流系统混合现象。

(4)地下水在流动过程中发生的水—岩作用以碳酸盐岩溶解作用为主，其中方解石的溶解贡献率大于白云石；此外还伴有石膏、岩盐、硫酸盐的溶解反应以及阳离子置换作用。