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湘西南典型煤矿区地表水和地下水水化学特征及控制因素

许真 郑杰 戴亮亮 李腾

许 真,郑 杰,戴亮亮,等. 湘西南典型煤矿区地表水和地下水水化学特征及控制因素[J]. 中国岩溶,2026,45(3):1-15 doi: 10.11932/karst2026y006
引用本文: 许 真,郑 杰,戴亮亮,等. 湘西南典型煤矿区地表水和地下水水化学特征及控制因素[J]. 中国岩溶,2026,45(3):1-15 doi: 10.11932/karst2026y006
XU Zhen, ZHEN Jie, DAI Liangliang, LI Teng. Hydrochemical Characteristics and Control Factors of Surface Water and Groundwater in a Typical Coal Mining Area of Southwestern Hunan[J]. CARSOLOGICA SINICA. doi: 10.11932/karst2026y006
Citation: XU Zhen, ZHEN Jie, DAI Liangliang, LI Teng. Hydrochemical Characteristics and Control Factors of Surface Water and Groundwater in a Typical Coal Mining Area of Southwestern Hunan[J]. CARSOLOGICA SINICA. doi: 10.11932/karst2026y006

湘西南典型煤矿区地表水和地下水水化学特征及控制因素

doi: 10.11932/karst2026y006
基金项目: 中国地质调查局项目(DD20230480,DD20251300118, DD202605101604)
详细信息
    作者简介:

    许真(1988-),男,高级工程师,硕士,研究方向为地下水环境;E-mail:845735915@qq.com

    通讯作者:

    李腾(1986-),男,高级工程师,硕士,研究方向为水工环方面;E-mail:503201333@qq.com

  • 中图分类号: P641.3

Hydrochemical Characteristics and Control Factors of Surface Water and Groundwater in a Typical Coal Mining Area of Southwestern Hunan

  • 摘要: 为探究湘西南典型煤矿区地表水和地下水水化学特征和控制因素,采集13组地下水(含4组矿井水)和16组地表水样品,采用数理统计方法、Piper三线图、Gibbs图以及离子比例系数等多元分析手段,对湘西南典型煤矿区地表水和地下水的水文地球化学特征进行了系统分析,并探讨了其水化学特征的空间演变特征。结果表明,湘西南典型煤矿区地表水和地下水呈弱碱性,水化学主导类型为HCO3·SO4−Ca型水。研究区地表水系主要水化学指标呈现石桥溪(北支)>石燕溪(下游)>石井溪(南支)的空间分布格局,而pH和${\rm{HCO}}_3^{-}$浓度则呈相反趋势。分析表明,南支石井溪未受到矿井水明显影响,水化学类型为HCO3·SO4−Ca型。北支石桥溪受矿井水影响明显,水化学类型为SO4−Ca型。岩石风化溶解作用和人类活动两大因素控制着研究区水化学演化。水岩作用以碳酸盐矿物的溶解为主,碳酸盐岩的溶解制约Ca2+、Mg2+和${\rm{HCO}}_3^{-}$等离子的变化,${\rm{SO}}_4^{2-}$主要来源于石炭系梓门桥组灰岩层石膏夹层溶解和煤系地层中硫铁矿氧化。地表水和地下水中Cl、${\rm{NO}}_3^{-}$主要是来源于生活污水和农业活动。本研究阐明了湘西南典型煤矿区地表水和地下水水化学演化特征及其驱动机制。多指标综合分析矿井水对区域地表水和地下水水化学演变规律提供了较为系统的方法,可为类似区域研究提供借鉴。

     

  • 图  1  区域地表水和地下水采样点分布图

    Figure  1.  Distribution map of regional surface water and groundwater sampling points

    图  2  研究区水文地质剖面图

    Figure  2.  Hydrogeological profile of the study area

    图  3  研究区水体主要离子箱体图

    Figure  3.  Boxplot of regional hydrochemical components

    图  4  地表水水化学参数空间变化图

    Figure  4.  Spatial variations in hydrochemical parameters for surface water

    图  5  区域水样piper三线图

    Figure  5.  Piper trilinear diagram of regional water samples

    图  6  研究区不同水体Gibbs图

    Figure  6.  Gibbs diagram of different water bodies in the study area

    图  7  研究区岩石风化溶解相对贡献端元图

    Figure  7.  End element diagram showing the relative contribution of rock weathering and dissolution in the study area

    图  8  区域水体主要离子比值关系

    Figure  8.  Geochemical controls on major ion ratios in regional water bodies

    图  9  人类活动对水体水化学组分影响

    Figure  9.  Impacts of anthropogenic activities on hydrochemical composition of water bodies

    表  1  区域不同水体水化学特征统计

    Table  1.   Statistical analysis of hydrochemical characteristics in regional water bodies

    类型 项目 pH TDS K+ Na+ Ca2+ Mg2+ Cl ${\rm{SO}}_4^{2-}$ ${\rm{HCO}}_3^{-}$ ${\rm{NO}}_3^{-}$ Fe Mn 有害金属
    地下水 地下水
    (n=9)
    最小值 7.06 256.00 0.17 1.21 66.90 7.07 1.61 14.90 12.10 0.21 0.01 0.01 2.85
    最大值 8.07 884.00 29.30 25.10 212.20 29.20 27.90 317.40 289.80 27.20 0.20 0.38 17.71
    平均值 7.78 466.33 8.10 9.58 143.32 19.66 10.44 80.03 203.68 12.95 0.04 0.10 7.09
    标准偏差 0.31 213.62 9.64 8.79 55.68 8.11 7.81 94.48 91.68 8.98 0.07 0.13 5.07
    变异系数 4.05 45.81 119.02 91.72 38.85 41.23 74.79 118.06 45.01 69.36 159.49 124.63 71.57
    矿井水
    (n=4)
    最小值 2.42 938.00 1.13 1.67 205.30 44.40 1.21 551.50 2.50 0.00 0.12 2.41 22.32
    最大值 7.14 3536.00 15.90 74.80 463.80 105.30 9.14 1138.00 66.50 4.05 267.50 40.32 1894.60
    平均值 4.85 1994.50 6.78 20.39 296.65 71.70 4.06 727.85 20.19 1.39 75.87 12.53 559.89
    标准偏差 2.09 1098.21 6.50 36.28 114.38 25.61 3.48 278.83 31.04 1.91 128.83 18.55 897.73
    变异系数 43.09 55.06 95.98 177.94 38.56 35.72 85.81 38.31 153.78 137.71 169.81 147.97 160.34
    地表水 北支石桥
    溪(n=6)
    最小值 7.58 571.00 4.71 2.48 130.50 25.30 5.83 335.70 11.90 1.27 0.03 1.00 20.38
    最大值 7.95 863.00 5.40 4.49 206.60 29.90 7.08 578.70 141.60 2.87 0.44 3.62 137.89
    平均值 7.85 712.00 5.01 3.86 170.55 27.22 6.37 446.67 105.33 2.23 0.14 1.75 47.30
    标准偏差 0.13 96.40 0.30 0.72 25.06 1.79 0.54 78.64 46.83 0.57 0.15 0.94 44.62
    变异系数 1.71 13.54 6.03 18.70 14.69 6.56 8.47 17.61 44.46 25.60 105.03 53.87 94.34
    南支石井
    溪(n=7)
    最小值 8.13 236.00 0.80 0.96 76.80 5.91 2.26 68.70 138.10 0.02 0.01 0.02 3.71
    最大值 8.33 392.00 5.34 5.34 103.90 22.50 8.64 121.20 233.00 3.40 0.10 0.32 24.98
    平均值 8.27 350.40 3.73 3.14 95.34 16.60 5.97 104.52 187.90 1.59 0.06 0.11 9.05
    标准偏差 0.08 64.68 2.21 1.98 10.76 6.27 2.89 21.07 36.68 1.24 0.03 0.12 9.06
    变异系数 0.99 18.46 59.16 63.16 11.28 37.74 48.43 20.16 19.52 78.10 60.83 107.15 100.11
    汇合石燕
    溪(n=3)
    最小值 7.96 602.00 5.17 5.10 148.60 23.50 7.64 341.50 128.50 1.93 0.03 0.85 26.65
    最大值 8.02 634.50 5.28 6.12 157.30 24.00 8.09 374.40 140.50 1.99 0.09 1.16 41.94
    平均值 7.99 618.25 5.23 5.61 152.95 23.75 7.87 357.95 134.50 1.96 0.06 1.00 34.29
    标准偏差 0.04 22.98 0.08 0.72 6.15 0.35 0.32 23.26 8.49 0.04 0.04 0.22 10.81
    变异系数 0.53 3.72 1.49 12.86 4.02 1.49 4.05 6.50 6.31 2.16 75.59 22.27 31.53
    注:变异系数和pH无量纲;最小值、最大值、平均值、标准偏差单位mg∙L−1;有害金属为Cd、Co、Ni,单位为μg∙L−1
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    表  2  矿井水水化学特征

    Table  2.   Hydrochemical characteristics of mine water

    矿井水 pH TDS K+ Na+ Ca2+ Mg2+ Cl ${\rm{SO}}_4^{2-}$ ${\rm{HCO}}_3^{-}$ ${\rm{NO}}_3^{-}$ Fe Mn 有害金属
    M1 7.14 938.00 3.35 2.36 205.30 44.40 2.95 668.30 66.50 0.00 0.35 2.40 22.31
    M2 2.42 1816.00 6.72 2.72 265.50 62.50 2.94 553.60 2.50 4.05 35.50 2.83 282.52
    M3 5.89 3536.00 15.90 74.80 463.80 105.30 9.14 1138.00 9.24 0.00 267.50 4.58 40.04
    M4 3.93 1688.00 1.13 1.67 252.00 74.60 1.21 551.50 2.50 1.50 0.12 40.32 1894.66
    注:pH无量纲;有害金属为Cd、Co、Ni,单位为μg∙L−1;其余单位mg∙L−1
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    表  3  研究区不同水体主成分分析

    Table  3.   PCA of water bodies in the study area

    指标主成分
    地表水n=16地下水n=9
    PC1PC2PC3PC1PC2PC3
    ${\rm{HCO}}_3^{-}$−0.881−0.0270.0330.932−0.3060.091
    Cl−0.0910.9840.0000.4640.8330.081
    ${\rm{SO}}_4^{2-}$0.8320.1680.4950.258−0.0370.939
    ${\rm{NO}}_3^{-}$0.019−0.0430.962−0.2120.6780.586
    K+0.2080.9020.197−0.430.8690.104
    Na+0.0930.9420.0320.0050.973−0.05
    Ca2+0.7540.2070.5810.8080.0460.109
    Mg2+0.5420.2710.7510.8620.0610.302
    TDS0.7610.2120.5940.6750.3020.632
    pH−0.8780.061−0.0730.614−0.49−0.242
    特征值5.4282.4691.1803.9653.6091.135
    贡献率54.27924.69111.80239.65236.08711.351
    累计贡献率54.27978.97090.77339.65275.73987.090
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-05-29
  • 录用日期:  2025-12-05
  • 修回日期:  2025-11-27
  • 网络出版日期:  2026-03-26

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