河南永城市日月湖治理区水化学和氘氧同位素特征

韩国童，李再兴，杨盼瑞

(1.河南省地质矿产勘查开发局，河南 郑州 450000；2.河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，河南 郑州 450006；3.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074)

河南永城属于永夏煤田矿区范围内，由于多年地下采煤活动造成地面塌陷等地质环境问题，地面塌陷后形成积水，不仅破坏农田和房屋，塌陷区范围的生态系统也遭到破坏，造成了一定的经济和环境损失。日月湖生态景区是永成矿山环境综合治理的重要成果，治理区形成的水域景观、生态绿地、建设用地及高效农业用地对于改善当地生态环境具有重要的意义。但治理工程在给永城市人民带来优美生态环境的同时，也导致研究治理区地形、微地貌、水文及水文地质条件发生了变化[1]，如开挖后浅层地下水直接出露地表形成湖水，人造湖主要靠浅层地下水补给，浅层地下水与区内的地表水(沱河)关系复杂，开挖后沱河与地下水、湖水的关系直接决定了人造湖的水量水质以及周边靠地下水涵养的生态系统。研究日月湖生态景区各种水体的水化学[2-3]及氘氧同位素特征[4-7]，及其反映水质变化趋势和补给条件对于永城地区的水资源利用及水环境生态保护具有重要的指导意义[8]。

1 研究区概况

永城市位于河南省最东部，地处河南和与安徽两省交界处，属于黄淮平原地区，地形平缓且开阔，平均海拔31.9 m，地势呈现西北略高东南略低的态势，高差仅9 m。东北方向的芒砀山群为永城的最高峰，主峰高度159 m，其余基本为平原地区(图1)。

图1 区域地貌及水系发育图

治理区位于永城东城区和西城区之间，属于永夏煤田永城矿区范围内，由于地下采煤活动强烈，地表自然环境破坏严重，其中最典型的地质灾害类型就是地面塌陷。目前，研究区塌陷区域中心深度为0.5～4 m不等，平均为2.25 m，地面标高多为29～31 m。

研究区为暖温带半湿润季风气候，一般春旱秋雨，夏热冬寒，干湿明显，四季分明。降水量年际变幅大，年内分配不均，降水量多年平均为836.3 mm，年最小降水量为235.4 mm，年最大降水量为1 518.6 mm。蒸发量多年平均为1 656.1 mm，年最大蒸发量为2 087 mm，最小蒸发量为1 349.1 mm。

研究区内水系发育较好，沟渠纵横，区内主要河流为沱河，由西北流向东南，属淮河水系，河床深度5 m左右。沱河补给来源主要为大气降水，其流量随季节性变化较大，在汛期对地下水有少量的补给，河流最高水位标高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。

本区地层属于华北地层区鲁西分区徐州小区，根据钻孔揭露资料，区域地层主要有：中奥陶统(O2)、中上石炭统(C2、C3)、二叠系(P)、新近系(N)和第四系(Q)地层，整个研究区地表为第四系松散地层覆盖，其中更新统(Qp)岩性以浅黄、灰黄、灰色、棕褐色亚粘土、粘土为主，夹有亚砂土、粉细砂层。属河流冲积相沉积，结构松散。上部夹有3～4层粉细砂，厚20～30 m，中部2～3层细砂，厚10～20 m，下部含有钙质结核，厚度120～140 m。全新统(Qh)岩性上部为浅黄、浅灰黄色亚砂土、亚粘土，局部见浅灰、灰黑色淤泥质亚粘土及粉砂层；下部为浅黄、浅灰色粉砂、细砂、中砂，属河流相沉积，具上细下粗的“二元结构”特征，厚度15～20 m。

2 水文地质条件

区域地下水主要类型有第四系全新统浅层孔隙水、第四系更新统及新近系深部孔隙承压水、二叠系砂岩裂隙承压水、太原组灰岩裂隙岩溶承压水。其中浅部第四系含水层直接接受大气降水的入渗补给，在干旱季节亦接受地表水体的少量补给；下部第四系更新统及新近系砂粒含水层则主要接受侧向径流补给，亦会接受上部全新统冲积含水层的下渗补给，其补给量随着含水层埋深增加逐渐减少。孔隙地下水主要依地势自西北向东南方径流，径流条件和水交替的速度自浅入深逐渐减弱。顶部第四系浅层水排泄方式为生活和农业灌溉开采、丰水季节亦有部分地下水排入地表水、蒸发排泄等；深层孔隙承压水除少部分为工农业生产抽排外，大部分自西北向东南径流排出界外。下部二叠系砂岩裂隙水、太原组灰岩裂隙水主要补给源为上覆孔隙水的垂向下渗补给，但补给量较弱。各含水层地下水主要沿断层裂隙带向各主要可采煤层的顶底板裂隙含水层径流，径流方向复杂，径流条件微弱。砂岩裂隙水大部分通过可采煤层的顶底板直接充水含水层排入坑道，亦有少量地下水侧向径流出界外。井下大量排泄灰岩岩溶裂隙水，各矿井下大量疏排是灰岩岩溶裂隙水的主要排泄途径。

日月湖治理区表层土壤为粉质粘土，厚度约0～4 m；下伏粘土，厚度约2～5 m；粘土下部为粉砂土，厚度为4～18 m。浅层地下水主要赋存在第四系全新统孔隙潜水含水层中，含水层以粉细砂为主，厚度1.2～19.59 m，平均8.27 m，呈北西～南东向带状分布，单层厚度变化大，分布不稳定，在治理区呈现中间厚、向东、西两侧逐渐变薄，具明显的似曲流沙坝特征，剖面上为似透镜状。隔水层为致密的粘性土、夹亚砂土，与砂层交互沉积。底部粘性土厚度为1.1～44.24 m，平均为12.56 m，与下部含水层相隔。开挖的湖底深约5～6 m，大部分开挖到第二层粘性土层，少部分开挖到粉质粘土，个别地方直接揭露粉砂含水层(图2和图3)。浅层地下水水位标高为27.05～29.99 m，地下水位埋深1～4 m，含水层参数：q=1.58～2.55 L/s·m，k=6.36～11.88 m/d，富水性较强。

图2 日月湖治理区东西向水文地质剖面图

图3 日月湖治理区南北向水文地质剖面图

浅层地下水直接受大气降水补给，与沱河互为补排关系，平水期与枯水期时地表水受到浅层地下水的补给，在洪水期地下水受到地表水的补给。地下水循环交替条件好，动态受季节影响变化明显，水位年变化幅度2.22～2.67m，动态变化幅度较大。由于变化幅度受到大气降水的直接影响，且近年干旱天气偏多，地下水位呈明显的下降趋势。地下水除了向河流排泄外，主要以蒸发排泄及少量人工开采排泄为主。人工湖主要开挖到粘土或粉质粘土，地下水从透水性较强的下伏粉砂土向透水性较弱的粘土及粉质粘土进行渗透，出露地表形成人工湖，开挖后的湖底全部位于下伏粉砂土层之上。日月湖的补给来源为大气降水和地下水补给，排泄以蒸发排泄为主。

3 水化学特征

为了解研究区浅层地下水及地表水水化学特征，分别采集浅层地下水水样8个、湖水样和沱河水样各3个，共计14个水样。浅层地下水主要采自日月湖周边机井，井深在20 m以内。具体的取样点分布位置如图4。

图4 永城日月湖景区采样点分布图

取样过程中现场测试温度、pH和HCO3-浓度，水样取回后做水质简分析和氘氧同位素分析测试。水质简分析测试仪器采用的是高效液相色谱与质谱联用仪(AGILENT 1200 HPLC6460A)，测试指标包括阴离子：F-、Cl-、NO2-、Br-、NO3-、SO42-、HCO3-；阳离子测试的指标包括：Na++K+、Ca2+、Mg2+。氘氧同位素分析测试采用的仪器是气体稳定同位素比质谱仪MAT253。

根据水化学分析测试结果(表1)可知，三种水体中，湖水pH值最低，其pH范围是5.40～6.56，说明湖水呈酸性；沱河水除一个水样的pH值是6.80，呈弱酸性，其他2个水样的pH值分别为7.69和7.96，呈弱碱性。8个浅层地下水的PH值范围为7.07～7.35，均为弱碱性。日月湖湖水之所以呈现弱酸性，是由于日月湖位于矿区采煤塌陷区的中心，受煤矿开采影响，深部的酸性矿井水与塌陷区的地表水有一定的水力联系，从而导致湖水呈弱酸性[9-10]。

表1 研究区各种水体代表性取样点的水化学测试结果

选取不同水样中主要离子的平均含量及平均TDS值做柱状对比图(图5)，在图中比较三种水样的矿化度可以发现：湖水矿化度最低，三个水样的矿化度范围为474～647 mg/L。，平均值为544 mg/L；河水中TDS最高，TDS范围为1 160～1 110 mg/L，平均为1 143 mg/L；浅层地下水的矿化度介于二者之间，除一个水样的TDS为1 090 mg/L外，其他7个水样的矿化度为590～775 mg/L，平均值为782 mg/L。究其原因，湖水由于是人工开挖导致地下水出露地表所形成的，地下水和湖水水力联系密切，且湖水水域面积较大，与外界直接沟通，水交替作用较快，故TDS较低；相比而言，浅层地下水埋藏地下，水循环路径长，循环交替慢些，因此TDS比湖水高；对于河水，由于周边地下水向河流排泄，加上河水受到人为因素影响和蒸发作用影响大，导致其阴阳离子总量较高，三种水样类型中TDS最高。随着湖水长期出露地表，必然像河水一样受蒸发作用和人为作用影响较大，矿化度会逐渐增加，如果保护不力，水质也会有恶化的趋势[11]。

图5 三种水样主要阴阳离子含量及TDS柱状对比图

根据水化学分析测试结果绘制PIPER三线图(图6)。从图中可以看出，湖水的各离子含量在三种水样中最低，其水化学类型均为HCO3-SO4-Na(Mg)型；河水中SO42-含量较高，接近HCO3-含量，水化学类型为SO4-HCO3-Na型或HCO3-SO4-Cl-Na型；浅层地下水中HCO3-含量最高，SO42-含量较低，和湖水接近，水化学类型大多数为HCO3-Na(Mg)型，其中YC-10G和YC-13G水样中Cl-含量较高，水化学类型为HCO3-Cl-Na(Mg)型。两采样点均位于居民点旁，Cl-浓度高可能是由于人为污染。

图6 采样点水化学分析PIPER三线图

由于研究区位于采煤塌陷区，煤系地层中含有很多黄铁矿，因此三种水体中均含有一定量的SO42-。河水SO42-浓度最高，主要原因是煤矿开采后的含硫废渣随降雨淋滤进入河水中。沱河水样20S位于小青沟南端交叉口，水样中NO3-含量异常，原因为该处为居民生活垃圾堆放点，受此影响NO3-浓度较大。

分析研究区前人的水化学资料，该区浅层地下水水化学类型2012年为HCO3-Ca型，2014年为HCO3-Ca-Mg型，2016年为HCO3-Na-Mg型；从矿化度来看，2012年所测样品平均值为474 mg/L，2014年为565 mg/L，2016年为782 mg/L。从时间尺度上看，TDS不断增大，浓缩作用增强。原因是矿区开采导致地面塌陷，浅层地下水相对抬升，蒸发浓缩作用加强，故矿化度逐年增加。湖水的重要补给来源为地下水，且二者在水化学类型上较相似，地下水水质的动态变化势必会影响湖水，使得湖水的TDS也可能逐年升高。另外，湖水是开挖导致浅层地下水直接出露，湖水蒸发浓缩作用相比浅层地下水更强，势必导致湖水的矿化度会有逐年增加的趋势。因此对各水体类型的水化学特征进行动态监测，对于该区水环境管理与保护具有重要意义。

4 氘氧同位素特征分析

本次共选取7组水样进行氘氧同位素测试，其中含5个浅层地下水水样、1个河水水样和1个湖水水样。为了减少误差，为每个水样设置了平行样，即有14个水样的氘氧同位素测试结果，如表2所示。为了分析地下水的补给来源，选取离永城较近且气候条件类似的郑州地区大气降水线方程来分析不同水体与大气降雨的关系[12-13]。由于取样在秋季，将在野外测得各水样点的氘氧含量与秋季降水线方程δD=5.827δ18O-9.306 (R2=0.919)进行比较发现：地下水和河水样的氘氧值落在大气降水线附近，说明河水(沱河)和浅层地下水的补给来源均来自大气降水。

表2 氘氧同位素测试结果

由于大气降水的氘氧同位素具有高程效应，δD和δ18O会随着高度的增加而逐渐降低，加速了水汽冷凝成雨和同位素的分馏，减少了雨滴的蒸发[14-15]。因此利用水体中的氘氧同位素可推测水体的补给来源。

从图7中可以看出：湖水的稳定同位素与河水、地下水明显不同，其同位素组成最为富集，说明湖水以蒸发排泄为主，蒸发浓缩作用使得重同位素发生富集；地下水和河水相似，代表了大气降水的来源；河水代表了区域大气降水的平均同位素组成，而地下水随着水岩相互作用尤其是溶滤作用的不断发生，使得同位素组成比较贫化，代表了河流上游更远山区的补给。

图7 湖水、河水和地下水三种水体及区域大气降水的氘氧同位素关系图

结合实际的水文地质条件分析，开挖后湖水主要是浅层地下水直接出露地表，在一定条件下，蒸发作用强烈。河水氘氧同位素与降水和地下水比较接近，其补给来源为大气降水和浅层地下水。地下水除接受大气降水补给及雨季受河水补给外，还接受区域较高处的侧向径流补给，既有近源补给，也有远源较高处的补给。

5 结语

本文对日月湖治理区的湖水、河水和浅层地下水的水化学和氘氧同位素特征进行分析，得出以下结论：

湖水偏酸性，其水化学类型为HCO3-SO4-Na(Mg)型，TDS值最低；沱河水以SO4-HCO3-Na型为主，TDS最高；浅层地下水的水化学类型为HCO3-Na-Mg型或HCO3-Mg-Na型，TDS略高于湖水，介于湖水和沱河水之间。

日月湖为开挖后地下水出露地表所形成的人工湖，由于补给排泄条件好，水域面积大，TDS较低。浅层地下水的位置较浅，水循环交替条件好，多形成中等TDS的重碳酸型水，湖水和地下水的水化学类型更接近，说明浅层地下水是湖水的重要补给来源。沱河水长时间暴露于地表，随着时间的延续，受人为影响及蒸发作用强烈，TDS不断增大。且由于研究区位于采煤区，含硫矿物经溶滤作用行程硫酸盐矿物进入地表水中，使得河水中SO42-含量高。参考前人的水化学资料，浅层地下水的TDS随时间呈增大趋势。

不同水体的氘氧同位素的分析结果说明，湖水受蒸发作用影响同位素富集；河水氘氧同位素与降水和地下水比较接近，其补给来源为大气降水和地下水；地下水除接受大气降水补给及雨季受河水补给外，还接受区域较高处的侧向径流补给，既有近源补给，也有远源补给。