• 全国中文核心期刊
  • 中国科技核心期刊
  • 中国科学引文数据库收录期刊
  • 世界期刊影响力指数(WJCI)报告来源期刊
  • Scopus, CA, DOAJ, EBSCO, JST等数据库收录期刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

淄博洪山—寨里煤矿地下水串层污染治理区水化学和硫同位素特征

刁海忠 于桑 李洪亮 尹秀贞 周建伟 刘红 王元新

刁海忠,于 桑,李洪亮,等. 淄博洪山—寨里煤矿地下水串层污染治理区水化学和硫同位素特征[J]. 中国岩溶,2023,42(1):171-181 doi: 10.11932/karst20230113
引用本文: 刁海忠,于 桑,李洪亮,等. 淄博洪山—寨里煤矿地下水串层污染治理区水化学和硫同位素特征[J]. 中国岩溶,2023,42(1):171-181 doi: 10.11932/karst20230113
DIAO Haizhong, YU Sang, LI Hongliang, YIN Xiuzhen, ZHOU Jianwei, LIU Hong, WANG Yuanxin. Analysis on the hydrochemical and sulfur isotope characteristics of the groundwater in cross-strata pollution control area of Hongshan and Zhaili coal mines in Zibo[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2023, 42(1): 171-181. doi: 10.11932/karst20230113
Citation: DIAO Haizhong, YU Sang, LI Hongliang, YIN Xiuzhen, ZHOU Jianwei, LIU Hong, WANG Yuanxin. Analysis on the hydrochemical and sulfur isotope characteristics of the groundwater in cross-strata pollution control area of Hongshan and Zhaili coal mines in Zibo[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2023, 42(1): 171-181. doi: 10.11932/karst20230113

淄博洪山—寨里煤矿地下水串层污染治理区水化学和硫同位素特征

doi: 10.11932/karst20230113
基金项目: 山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队)开放基金课题(LNY2020-N13)
详细信息
    作者简介:

    刁海忠(1980-),男,高级工程师,从事地质勘查和水工环调查工作。E-mail:359923604@qq.com

    通讯作者:

    李洪亮(1981-),男,正高级工程师,从事水工环地质及地质环境生态修复工作。E-mail:28863208@qq.com

  • 中图分类号: X523

Analysis on the hydrochemical and sulfur isotope characteristics of the groundwater in cross-strata pollution control area of Hongshan and Zhaili coal mines in Zibo

  • 摘要: 在明确淄博洪山—寨里煤矿地下水串层污染治理区内水文地质状况、地下水流场特征等基础上,通过对矿井水、采空区水、矿排水、奥灰水、雨水、地表水的取样分析,掌握治理区的地下水水化学、硫同位素特征。选择接受大气降雨补给的区域、煤矿水聚集区、奥灰水聚集区以及奥灰水与煤矿水交叉混合区,分区对地下水水质现状及煤矿水和奥灰水之间水力联系情况进行分析判断。通过对比分析治理前后研究区水质情况,发现治理后奥灰水仍呈现高SO24浓度、高硬度、高TDS特征,且硫酸盐主要来源于煤矿水,治理后洪山、寨里煤矿地下水串层通道依然存在,串层污染情况持续进行,且污染较治理前有加重趋势。则今后治理工作应进一步查清、控制导水通道,控制矿坑水水位,避免其污染奥灰水。

     

  • 煤炭业是中国的重要产业,为国民经济的可持续发展做出突出贡献。但随着闭坑煤矿的增多,各类地质环境问题也日益凸显,如地下水、地表水、土壤和植物的污染,甚至地方病的发生[1-5]。山东省淄博市洪山—寨里煤矿闭坑后矿井停止抽排地下水,煤矿水水位上升并通过破损井管等水力联系通道造成奥灰水受到不同程度的污染,主要污染指标为SO24、可溶性固体总量(TDS)、总硬度等[6-9],导致研究区岩溶水达不到饮用标准,严重影响当地居民的生产生活。

    由于自然界中硫酸盐硫同位素只有在硫酸盐细菌还原作用下才会产生显著的硫同位素分馏,具有与其来源相关的特征值[10],因此硫酸盐硫同位素可作为水体硫酸盐来源示踪的重要工具[11-12]。张秋霞、李建中等[13-15]在2013—2020年对洪山—寨里煤矿地下水串层污染进行研究,查明研究区地质及水文地质条件,应用水动力学并结合地下水的18O、2H以及硫酸盐34S同位素方法,分析研究区奥灰水污染来源与途径,并对含水层破坏情况进行风险评估[16-18]。针对研究区地下水串层污染,当地相关部门于2014年采取了一系列治理措施,包括封堵串层污染井、控制煤矿水水位、抽排污染奥灰水等。

    本文以淄博洪山—寨里煤矿地下水串层污染治理区为研究对象,开展研究区治理后水化学和同位素特征研究,定性和定量分析研究区治理后地下水质量特征及治理效果,以期为洪山—寨里煤矿区今后进行地下水污染修复及类似矿区的治理修复提供科学依据。

    洪山—寨里矿区处于淄博市淄川区境内,矿区面积67.9 km2,属于温带大陆性季风气候区,多年平均气温为12.9 ℃,多年平均降水量为654.0 mm。贯穿区内南北的主要河流为孝妇河及其支流范阳河、漫泗河、白尼河等。研究区位于淄博向斜盆地的中部,地势南高北低,中间低平,东西两侧地势比较高。

    区内地层由老到新依次出露有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系及第四系地层。其中主要含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组,主要采煤地层为太原组。

    区域内主要含水岩层包括松散岩类孔隙含水层、碎屑岩裂隙含水层或层间岩溶裂隙水含水层、碳酸盐岩类岩溶含水层,地下水从东南向西北方向流动。其中裂隙含水层是研究区主要的煤系地层含水层,是矿区煤炭开采直接充水水源。裂隙含水层与下伏奥陶系岩溶含水层被10~30 m厚的砂页岩隔断,天然状态下两者缺乏水力联系,但由于煤矿开采使隔水层受到破坏,形成导水通道,开采过程中煤系地层裂隙水基本疏干,奥灰水以顶托补给的方式进入矿坑,煤矿闭坑后煤矿水水位上升,通过连通处补给奥灰水。

    本次取样结合研究区的水文地质状况、地下水流场特征和治理之前的取样点,借助研究区内矿井矿坑、泉点、民用井点以及现有的钻孔,从污染源区的上游沿地下水流向设置系列监测点进行取样分析。取样类型包括:煤矿水、奥灰水、雨水、地表水等,其中煤矿水包括矿井水、采空区水和矿排水。共采集水质样品总数为36个(图1),其中地下水33个(奥灰水23个,煤矿水10个);地表水2个;雨水1个。其中选取河东村黛青山生态园(BJ1)、东南部千峪村(X-千3)以及南部前宅村(X-前宅2)3个取样点作为研究区地下水环境背景。

    图  1  研究区采样点分布图
    Figure  1.  Distribution of sampling points in the study area

    井水样大部分为抽水取样,少部分无抽水设施的井孔采用人工提水,矿坑排水在排水口取样,雨水样采用干净的敞口盆子同时接收,之后汇总到聚乙烯塑料桶中。用于水化学分析样取50 mL,用0.45 μm的聚醚砜(PES)滤膜过滤后装入50 mL的洁净PET聚酯塑料取样瓶中,阳离子和微量元素分析样品用浓HNO3酸化至pH≤2,阴离子分析样品不用酸化,低温密封保存。碱度分析样取500 mL水样装入塑料瓶内,在24 h以内,用盐酸滴定法测定。野外现场测量pH、水温和电导率。硫酸盐的34S同位素分析样品,取10 L水样,装入塑料桶内,当天处理,转化为BaSO4沉淀。

    水化学分析由中国地质大学(武汉)环境学院实验中心完成,阴离子浓度用离子色谱法测定(IC,DionexICS-1100);阳离子浓度用电感耦合等离子体—发射光谱仪(ICP-AES,IRrsIntrepid11XSp)测定。同位素的测试分析均在中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室完成,氢、氧同位素(δ2H、δ18OH2O)采用液态水同位素分析仪(PicarroL2120-i)测定,测试精度分别优于0.6‰和0.2‰;硫酸盐硫同位素(δ34SSO4)采用元素分析仪(Flash2000)结合稳定同位素比值质谱仪(DeltaVPlus和MAT253)测定,测试精度分别优于0.2‰和0.5‰。

    所取水样测试结果如表1所示。数据统计分析显示不同类型的水样具有不同的水化学特征(表2),其中:大气降水水化学类型为SO4·Cl·HCO3-Ca型,TDS为23 mg·L−1,pH为5.03,属酸雨,Pb含量略超标,推测与当地化工业污染有关。

    表  1  研究区水样水化学测试分析结果(部分指标)
    Table  1.  Analysis of hydrochemical test on water samples in the study area (some indicators)
    编号取样点位置取样类型TDS/mg·L−1总硬度/mg·L−1SO24/mg·L−1pH水化学类型
    GW01下黄2下黄村东奥灰水1 364.34964.86531.686.96SO4·HCO3-Ca
    GW02下黄1下黄村西奥灰水1 511.241 028.70514.326.93SO4·Cl-Ca
    GW03SH04牟家村西奥灰水1 693.991 291.00877.726.74SO4·HCO3-Ca·Mg
    GW04上黄1上黄村西奥灰水893.65650.17319.617.33SO4·HCO3-Ca
    GW05河1河东村东北奥灰水966.81725.16257.047.04SO4·Cl·HCO3-Ca
    GW06BJ1河东村东奥灰水464.35415.2990.787.25HCO3-Ca
    GW07河4河东村东南奥灰水1 221.54814.30294.637.10SO4·Cl-Ca
    GW08河2河东村东奥灰水809.08642.97243.617.24SO4·HCO3-Ca
    GW09洼1洼子村东南奥灰水783.23613.66236.017.22SO4·HCO3·Cl-Ca
    GW10南韩1南韩村东奥灰水619.73411.80189.567.19HCO3·SO4-Ca
    GW11X-南韩2南韩村西煤矿水1 500.411 077.53627.117.34SO4·HCO3-Ca·Mg
    GW12北韩3北韩村北奥灰水997.92611.13376.027.15SO4·HCO3-Ca·Na
    GW13北韩1北韩村东奥灰水1 631.19561.96714.617.20SO4-Ca·Na
    GW14东2东官村东北奥灰水796.70587.95251.757.27SO4·HCO3-Ca
    GW15东3东官庄东奥灰水903.58655.81300.627.20SO4·HCO3-Ca
    GW16SH06东官庄东北奥灰水987.65605.79379.337.23SO4·HCO3-Ca·Na
    GW17X-东05东官庄南煤矿水1 411.371 035.19625.407.35SO4-Ca
    GW18罗9罗村南煤矿水2 129.161 402.961 252.587.24SO4-Ca·Mg
    GW19罗2罗村西煤矿水1 056.72777.00572.857.06SO4-Ca·Mg
    GW20K01罗村西奥灰水2 051.441 427.371 145.167.09SO4-Ca·Mg
    GW21SH02大窎桥村西奥灰水2 329.441 610.571 343.756.95SO4-Ca·Mg
    GW22X-大6大窎桥村南煤矿水2 598.161 743.051 563.777.03SO4-Ca·Mg
    GW23X-大7大窎桥村北煤矿水2 075.751 479.05784.437.34SO4-Ca
    GW24鲁1鲁家庄西北煤矿水2 677.711 731.761 442.487.17SO4-Ca·Mg
    GW25X-史3史家村南煤矿水1 474.181 003.10755.467.26SO4-Ca
    GW26矿排1暖水河村南煤矿水2 880.771 856.281 678.236.56SO4-Ca·Mg
    GW27暖2暖水河村东奥灰水1 324.03805.40760.587.41SO4-Ca·Mg
    GW28聂1聂村东奥灰水1 688.10285.35872.557.92SO4-Na
    GW29聂2聂村东奥灰水2 589.871 484.701 466.706.98SO4-Ca·Mg
    GW30X-洪3洪五社区西奥灰水2 276.241 436.521 373.186.80SO4-Ca·Mg
    GW31泗水2小旦村东地表水1 950.881 212.60893.807.45SO4-Ca
    GW32汇1孝妇河地表水2 832.901 300.291 426.658.05SO4·Cl-Ca·Na
    GW33X-小3小窎桥村西煤矿水2 806.591 826.101 652.367.05SO4-Ca·Mg
    GW34X-千3千峪村村中奥灰水505.22440.93104.537.80HCO3·SO4-Ca
    GW35X-前宅2前宅村南奥灰水538.36463.88125.657.34HCO3·SO4-Ca
    GW36雨水淄川城区雨水22.905.036.975.03SO4·Cl·HCO3-Ca
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格
    表  2  不同类型水样主要水化学指标对比
    Table  2.  Comparison of main hydrochemical indexes of different types of water samples
    类型pHSO24浓度/mg·L−1TDS/mg·L−1总硬度/mg·L−1主要水化学类型
    雨水5.036.9722.95.03SO4·Cl·HCO3-Ca
    地表水7.45~8.05893.80~1 426.651 950.88~2 832.901 212.60~1 300.29SO4-Ca、SO4·Cl-Ca·Na
    奥灰水6.74~7.9290.78~1 466.70464.35~2 589.87285.35~1 610.57HCO3·SO4-Ca、SO4·HCO3-Ca
    煤矿水6.56~7.35572.85~1 678.231 056.72~2 880.77777.00~1 856.28SO4-Ca、SO4-Ca·Mg
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    地表水水化学类型为SO4·Cl-Ca型、SO4·Cl-Ca·Na型,TDS为1 950.88~2 832.90 mg·L−1,总硬度为1 212.60~1 300.29 mg·L−1,pH为7.45~8.05,硫酸盐浓度为893.8~1 426.65 mg·L−1

    煤矿水pH在6.56~7.35之间,平均值为7.14,总体呈弱碱性,其中矿排水pH为6.56,呈弱酸性。硫酸盐浓度介于572.85~1 678.23 mg·L−1之间,平均值为1 095.47 mg·L−1;TDS介于1 056.72~2 880.77 mg·L−1之间,平均值为2 061.08 mg·L−1;总硬度介于777.00~1 856.28 mg·L−1之间,平均值为1 393.20 mg·L−1。水化学类型主要为:SO4-Ca型、SO4-Ca·Mg型。酸性煤矿水在流动过程中受到地层中灰岩等碱性组分中和作用影响,受其演化过程与围岩的水岩作用影响致使水体中Ca2+、Mg2+等离子含量增加,并呈现出高硫酸盐、高TDS、高硬度的特征。

    奥灰水pH在6.74~7.92之间,平均值为7.19,总体呈弱碱性。长期对周围围岩的溶滤作用,使奥灰水中Ca2+、Mg2+等离子含量较高。硫酸盐浓度差异较大,介于90.78~1 466.70 mg·L−1之间,平均值为555.19 mg·L−1;TDS变化范围为464.35~2 589.87 mg·L−1,平均值为1 258.60 mg·L−1;总硬度介于285.35~1 610.57 mg·L−1之间,平均值为805.88 mg·L−1。水化学类型为HCO3·SO4-Ca型、HCO3-Ca型、SO4·HCO3-Ca和SO4-Ca·Mg型。其中位于煤矿区的奥灰水SO24含量较高,阴离子以SO4·HCO3型和SO4型为主。

    结合Piper三线图(图2)可知,研究区煤矿水分布较集中,阳离子以Ca2+为主,阴离子以SO24为主,含量明显高于奥灰水。而本次采集的奥灰水样分布较为分散,水环境较为复杂,位于研究区地下水流场上游的奥灰水SO24离子浓度和TDS较低,而煤矿区及下游奥灰水表现为高SO24离子浓度和高TDS的特征,治理区奥灰水污染情况仍然存在。

    图  2  研究区水质样品Piper三线图
    Figure  2.  Piper diagram of water samples in the study area

    为进一步判断污染源,对研究区地下水及地表水进行硫同位素分析研究。

    3.2.1   硫同位素组成特征

    从水质样品的硫酸盐硫同位素组成来看(表3图3),不同类型水样中硫酸盐硫同位素组成有明显不同。位于研究区地下水流场上游3个作为背景井孔样品的δ34S值均大于1,几乎没有受到洪山煤矿的影响。其余奥灰水样品中δ34S值多数为正值,变化范围在−3.08‰~3.71‰之间,其中15个样品的δ34S值在−1‰~1.53‰之间。而煤矿水中的δ34S多数为负值,范围在−5.95‰~0.89‰。部分奥灰水具有负的δ34S值,部分煤矿水具有正的δ34S值,这说明研究区部分岩溶地下水受到了煤矿水的影响。

    图  3  不同类型水样硫酸盐硫同位素和SO24浓度关系图
    Figure  3.  Relational graph of concentration between the sulfate sulfur isotope and SO24 from different types of water samples
    表  3  不同类型水样硫酸盐硫同位素组成
    Table  3.  Sulfate sulfur isotope compositions of different types of water samples
    各指标δ34S 范围/‰δ34S平均/‰
    雨水2.50
    地表水−0.24~0.970.37
    奥灰水−3.08~3.710.95
    煤矿水−5.95~0.89−2.13
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格
    3.2.2   不同氧化还原环境中硫同位素组成特征

    水质样品的氧化还原电位(Eh)值代表其所处的氧化还原环境,Eh值越正,表示水环境氧化性越强;Eh值越负,表示水环境还原性越强。

    图4显示,奥灰水在氧化环境和还原环境中均有分布,煤矿水的Eh值均大于0 mV,处于氧化环境。部分奥灰水水样与煤矿水分布相近,表明这部分奥灰水中SO24具有煤矿水的SO24来源。煤矿水受洪山煤田黄铁矿等硫化物的影响,其硫酸盐的δ34SSO4值较奥灰水明显偏负。在还原环境中,水体中的硫酸盐能够被还原,从而使水体中的硫酸盐浓度降低,使δ34SSO4升高。这表明研究区奥灰水与煤矿水之间存在一定的水力联系,且相互影响。

    图  4  地下水硫酸盐δ34SSO4与Eh的关系
    Figure  4.  Relationship between sulfate δ34SSO4 and Eh of groundwater

    在氧化条件下,煤层中的含硫化合物会发生氧化,最终硫元素将以稳定的硫酸根离子形式存在。硫化物氧化形成的硫酸盐继承了煤层中硫化物矿物的δ34S值。

    从δ34S与1/SO24的关系图(图5)中可知,水质样品具有明显的聚集特征:A区域为雨水聚集区,位于研究区地下水流上游的黛青山生态园(BJ1)、千峪村(X-千3)和前宅村(X-前宅2)样品靠近雨水区域,其地下水主要接受大气降雨的补给,受降雨影响较大,硫酸盐浓度较小,硫同位素组成接近雨水;B区域为煤矿水聚集区,具有高硫酸盐浓度和低硫同位素组成δ34S值的特征,硫酸盐主要来源于煤系地层中硫化矿物的氧化;C区域为奥灰水聚集区以及奥灰水与煤矿水交叉混合区,其硫酸盐浓度较高,硫同位素组成相对于煤矿水更偏正。奥灰水和煤矿水的重叠区域也说明二者混合作用的存在,即串层污染通道依然存在,串层污染在持续进行。

    图  5  硫酸盐δ34S与1/SO24的关系
    Figure  5.  Relationship between sulfate δ34S and 1/SO24

    因此,研究区地下水中的硫酸盐主要来自于含煤地层硫化物矿物的氧化,奥灰水受到煤矿水的串层污染,从而导致奥灰水中的硫酸盐浓度升高。

    煤矿闭坑前矿坑水与奥灰水基本无水力联系,奥灰水水位由东南向西北方向逐渐降低,呈正常流场形态。闭坑后停止抽排矿坑水,导致矿坑水水位迅速升高,高于奥灰水,至2014年奥灰水整体上仍然从东南向西北方向流动,但在局部地区出现水动力场异常。

    2014年9月至2019年12月,煤矿区采取治理措施后地下水位又有了较大幅度的上升(图6),奥灰水整体上仍然从东南向西北方向流动。其中较深的奥陶系灰岩含水层承压水可通过水力联系通道进入较浅的煤系含水层,与矿坑水混合;水位较高的矿坑水也有可能通过水力联系通道进入奥灰水,从而形成串层污染。

    图  6  研究区水文地质剖面图
    Figure  6.  Hydrogeological section in the study area

    水化学分析与同位素分析均表明奥灰水与煤矿水之间仍存在水力联系,且相互影响。因此选取部分与前人研究对应井孔的水化学数据进行对比,分析治理后地下水水质变化规律。通过水质分析数据(表4)可知,治理后奥灰水污染总体趋于严重。

    表  4  部分取样井治理前后水化学特征对比
    Table  4.  Comparison of hydrochemical characteristics before and after treatment in some water samples
    井号取样时间SO24总硬度/mg·L−1TDS/mg·L−1硫酸盐污染变化
    上黄12015.2.26243.13454.56718.32
    2019.12.8319.61650.17893.65
    下黄12013.11.8568.12932.991 403.13
    2019.12.8514.321 028.701 511.24
    下黄22015.2.261 539.851 961.562 763.54
    2019.12.7531.68964.861 364.34
    K012014.1.22355.52660.231 019.68
    2019.12.121 145.161 427.372 276.24
    2013.1049.8816.72460.28
    暖22015.8.19183.17150.77795.66
    2019.12.13760.58805.402 051.44
    2013.10690.98373.191 841.72
    聂12014.7.29534.89515.261 436.62
    2019.12.13872.55285.352 598.16
    聂22013.11.18162.11177.331 437.26
    2019.12.131 466.701 484.702 075.75
    罗92013.11.181 076.971 037.071 978.62
    2019.12.111 252.581 402.961 688.10
    2013.10208.45576.52880.30
    洼12015.2.26291.76619.86991.93
    2019.12.9236.01613.66783.23
    2013.10221.58648.881 027.07
    河12014.5.8244.16601.59968.49
    2019.12.8257.04725.16966.81
    河22014.7.29159.77414.97695.07
    2019.12.9243.61642.97809.08
    河42014.5.8223.16718.501 254.91
    2019.12.9294.63814.301 221.54
    2013.10142.82392.70641.61
    南韩12014.7.29151.90420.58687.90
    2019.12.10189.56411.80619.73
    北韩12013.11.8897.86593.182 238.65
    2019.12.10714.61561.961 631.19
    2013.10261.48551.40915.90
    东22014.6.12396.42623.861 245.37
    2019.12.10251.75587.95796.70
    东32013.11.8264.11559.801 014.27
    2019.12.10300.62655.81903.58
    2013.101 732.712 060.903 099.02
    矿排12015.3.91 319.851 914.722 797.92
    2019.12.121 678.231 856.282 880.77
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    通过对比治理前后研究区地下水中硫酸盐浓度变化(图7)可知,浓度较高的区域与煤矿区分布基本一致,污染中心由大窎桥村和暖水河村矿区排水口移向小窎桥村、鲁家庄、聂村和暖水河村矿区排水口一带。

    图  7  治理前后硫酸盐浓度等值线图(mg·L−1
    Figure  7.  Contour map of sulfate concentration in the groundwater before and after treatment(mg·L−1)

    其中,SH02、SH04和SH06三个替代井的硫酸盐浓度、总硬度和矿化度或可溶性固体总量(TDS)在原始奥灰水井封堵后,均有所下降,说明治理措施在短期内产生了一定效果。然而本次研究取样发现替代井水样的硫酸浓度、总硬度和TDS均有明显上升,显示出污染仍在进行,奥灰水与煤矿水之间的水力联系仍然存在,污染奥灰水水井封堵工程没有取得良好效果,SH02与SH04的硫酸盐浓度与总硬度变化见图8

    图  8  治理后部分替代井奥灰水中SO24和总硬度变化
    Figure  8.  Changes of SO24 and total hardness in Ordovician limestone water in some of the replaced wells after treatment

    (1)对研究区进行地下水串层污染治理后,奥灰水水化学类型复杂,部分奥灰水仍呈现高 SO24浓度、高硬度、高 TDS特征。高SO24浓度范围基本与煤矿区及其下游吻合。研究区正常的奥灰水环境受到扰动,有外来水的混入。部分奥灰水和煤矿水氢氧同位素组成接近,且δS值存在正负偏差;根据其硫酸盐硫同位素特征判断奥灰水中硫酸盐主要来自煤矿水串层污染,且污染较治理前有加重趋势;

    (2)研究区地下水串层污染经过治理后,污染情况仍存在,推测煤矿水与奥灰水仍存在水力联系,建议在下一步治理中进一步查清、控制导水通道,加强煤矿水的抽排并鼓励综合利用,控制矿坑水水位,避免其污染奥灰水。

  • 图  1  研究区采样点分布图

    Figure  1.  Distribution of sampling points in the study area

    图  2  研究区水质样品Piper三线图

    Figure  2.  Piper diagram of water samples in the study area

    图  3  不同类型水样硫酸盐硫同位素和SO24浓度关系图

    Figure  3.  Relational graph of concentration between the sulfate sulfur isotope and SO24 from different types of water samples

    图  4  地下水硫酸盐δ34SSO4与Eh的关系

    Figure  4.  Relationship between sulfate δ34SSO4 and Eh of groundwater

    图  5  硫酸盐δ34S与1/SO24的关系

    Figure  5.  Relationship between sulfate δ34S and 1/SO24

    图  6  研究区水文地质剖面图

    Figure  6.  Hydrogeological section in the study area

    图  7  治理前后硫酸盐浓度等值线图(mg·L−1

    Figure  7.  Contour map of sulfate concentration in the groundwater before and after treatment(mg·L−1)

    图  8  治理后部分替代井奥灰水中SO24和总硬度变化

    Figure  8.  Changes of SO24 and total hardness in Ordovician limestone water in some of the replaced wells after treatment

    表  1  研究区水样水化学测试分析结果(部分指标)

    Table  1.   Analysis of hydrochemical test on water samples in the study area (some indicators)

    编号取样点位置取样类型TDS/mg·L−1总硬度/mg·L−1SO24/mg·L−1pH水化学类型
    GW01下黄2下黄村东奥灰水1 364.34964.86531.686.96SO4·HCO3-Ca
    GW02下黄1下黄村西奥灰水1 511.241 028.70514.326.93SO4·Cl-Ca
    GW03SH04牟家村西奥灰水1 693.991 291.00877.726.74SO4·HCO3-Ca·Mg
    GW04上黄1上黄村西奥灰水893.65650.17319.617.33SO4·HCO3-Ca
    GW05河1河东村东北奥灰水966.81725.16257.047.04SO4·Cl·HCO3-Ca
    GW06BJ1河东村东奥灰水464.35415.2990.787.25HCO3-Ca
    GW07河4河东村东南奥灰水1 221.54814.30294.637.10SO4·Cl-Ca
    GW08河2河东村东奥灰水809.08642.97243.617.24SO4·HCO3-Ca
    GW09洼1洼子村东南奥灰水783.23613.66236.017.22SO4·HCO3·Cl-Ca
    GW10南韩1南韩村东奥灰水619.73411.80189.567.19HCO3·SO4-Ca
    GW11X-南韩2南韩村西煤矿水1 500.411 077.53627.117.34SO4·HCO3-Ca·Mg
    GW12北韩3北韩村北奥灰水997.92611.13376.027.15SO4·HCO3-Ca·Na
    GW13北韩1北韩村东奥灰水1 631.19561.96714.617.20SO4-Ca·Na
    GW14东2东官村东北奥灰水796.70587.95251.757.27SO4·HCO3-Ca
    GW15东3东官庄东奥灰水903.58655.81300.627.20SO4·HCO3-Ca
    GW16SH06东官庄东北奥灰水987.65605.79379.337.23SO4·HCO3-Ca·Na
    GW17X-东05东官庄南煤矿水1 411.371 035.19625.407.35SO4-Ca
    GW18罗9罗村南煤矿水2 129.161 402.961 252.587.24SO4-Ca·Mg
    GW19罗2罗村西煤矿水1 056.72777.00572.857.06SO4-Ca·Mg
    GW20K01罗村西奥灰水2 051.441 427.371 145.167.09SO4-Ca·Mg
    GW21SH02大窎桥村西奥灰水2 329.441 610.571 343.756.95SO4-Ca·Mg
    GW22X-大6大窎桥村南煤矿水2 598.161 743.051 563.777.03SO4-Ca·Mg
    GW23X-大7大窎桥村北煤矿水2 075.751 479.05784.437.34SO4-Ca
    GW24鲁1鲁家庄西北煤矿水2 677.711 731.761 442.487.17SO4-Ca·Mg
    GW25X-史3史家村南煤矿水1 474.181 003.10755.467.26SO4-Ca
    GW26矿排1暖水河村南煤矿水2 880.771 856.281 678.236.56SO4-Ca·Mg
    GW27暖2暖水河村东奥灰水1 324.03805.40760.587.41SO4-Ca·Mg
    GW28聂1聂村东奥灰水1 688.10285.35872.557.92SO4-Na
    GW29聂2聂村东奥灰水2 589.871 484.701 466.706.98SO4-Ca·Mg
    GW30X-洪3洪五社区西奥灰水2 276.241 436.521 373.186.80SO4-Ca·Mg
    GW31泗水2小旦村东地表水1 950.881 212.60893.807.45SO4-Ca
    GW32汇1孝妇河地表水2 832.901 300.291 426.658.05SO4·Cl-Ca·Na
    GW33X-小3小窎桥村西煤矿水2 806.591 826.101 652.367.05SO4-Ca·Mg
    GW34X-千3千峪村村中奥灰水505.22440.93104.537.80HCO3·SO4-Ca
    GW35X-前宅2前宅村南奥灰水538.36463.88125.657.34HCO3·SO4-Ca
    GW36雨水淄川城区雨水22.905.036.975.03SO4·Cl·HCO3-Ca
    下载: 导出CSV

    表  2  不同类型水样主要水化学指标对比

    Table  2.   Comparison of main hydrochemical indexes of different types of water samples

    类型pHSO24浓度/mg·L−1TDS/mg·L−1总硬度/mg·L−1主要水化学类型
    雨水5.036.9722.95.03SO4·Cl·HCO3-Ca
    地表水7.45~8.05893.80~1 426.651 950.88~2 832.901 212.60~1 300.29SO4-Ca、SO4·Cl-Ca·Na
    奥灰水6.74~7.9290.78~1 466.70464.35~2 589.87285.35~1 610.57HCO3·SO4-Ca、SO4·HCO3-Ca
    煤矿水6.56~7.35572.85~1 678.231 056.72~2 880.77777.00~1 856.28SO4-Ca、SO4-Ca·Mg
    下载: 导出CSV

    表  3  不同类型水样硫酸盐硫同位素组成

    Table  3.   Sulfate sulfur isotope compositions of different types of water samples

    各指标δ34S 范围/‰δ34S平均/‰
    雨水2.50
    地表水−0.24~0.970.37
    奥灰水−3.08~3.710.95
    煤矿水−5.95~0.89−2.13
    下载: 导出CSV

    表  4  部分取样井治理前后水化学特征对比

    Table  4.   Comparison of hydrochemical characteristics before and after treatment in some water samples

    井号取样时间SO24总硬度/mg·L−1TDS/mg·L−1硫酸盐污染变化
    上黄12015.2.26243.13454.56718.32
    2019.12.8319.61650.17893.65
    下黄12013.11.8568.12932.991 403.13
    2019.12.8514.321 028.701 511.24
    下黄22015.2.261 539.851 961.562 763.54
    2019.12.7531.68964.861 364.34
    K012014.1.22355.52660.231 019.68
    2019.12.121 145.161 427.372 276.24
    2013.1049.8816.72460.28
    暖22015.8.19183.17150.77795.66
    2019.12.13760.58805.402 051.44
    2013.10690.98373.191 841.72
    聂12014.7.29534.89515.261 436.62
    2019.12.13872.55285.352 598.16
    聂22013.11.18162.11177.331 437.26
    2019.12.131 466.701 484.702 075.75
    罗92013.11.181 076.971 037.071 978.62
    2019.12.111 252.581 402.961 688.10
    2013.10208.45576.52880.30
    洼12015.2.26291.76619.86991.93
    2019.12.9236.01613.66783.23
    2013.10221.58648.881 027.07
    河12014.5.8244.16601.59968.49
    2019.12.8257.04725.16966.81
    河22014.7.29159.77414.97695.07
    2019.12.9243.61642.97809.08
    河42014.5.8223.16718.501 254.91
    2019.12.9294.63814.301 221.54
    2013.10142.82392.70641.61
    南韩12014.7.29151.90420.58687.90
    2019.12.10189.56411.80619.73
    北韩12013.11.8897.86593.182 238.65
    2019.12.10714.61561.961 631.19
    2013.10261.48551.40915.90
    东22014.6.12396.42623.861 245.37
    2019.12.10251.75587.95796.70
    东32013.11.8264.11559.801 014.27
    2019.12.10300.62655.81903.58
    2013.101 732.712 060.903 099.02
    矿排12015.3.91 319.851 914.722 797.92
    2019.12.121 678.231 856.282 880.77
    下载: 导出CSV
  • [1] Khalil K, Hanich L, Bannari A, Zouhri L, Pourret O, Hakkou R. Assessment of soil contamination around an abandoned mine in a semi-arid environment using geochemistry and geostatistics: Pre-work of geochemical process modeling with numerical models[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2013, 125:117-129. doi: 10.1016/j.gexplo.2012.11.018
    [2] Bhattacharya P, Sracek O, Eldvall B, Asklund R, Barmen G, Jacks G, Koku J, Gustafsson J, Singh N, Balfors B. Hydrogeochemical study on the contamination of water resources in a part of Tarkwa mining area, Western Ghana[J]. Journal of African Earth Sciences, 2012, 66:72-84.
    [3] Equeenuddin M D, Tripathy S, Saho P K, Panigrahi M K. Hydrogeochemical characteristics of acid mine drainage and water pollution at Makum Coalfield, India[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2010, 105:75-82. doi: 10.1016/j.gexplo.2010.04.006
    [4] Rachid Hakkou, Mostafa Benzaazoua, Bruno Bussière. Acid mine drainage at the abandoned kettara mine (Morocco): 1. environmental characterization[J]. Mine Water and the Environment, 2008, 27:145-159. doi: 10.1007/s10230-008-0036-6
    [5] Olias M, Moral F, Galván L, Cerón J C. Groundwater contamination evolution in the Guadiamar and Agrio aquifers after the Aznalcóllar spill: Assessment and environmental implications[J]. Environmental Monitoring & Assessment, 2012, 184(6):3629-3641. doi: 10.1007/s10661-011-2212-6
    [6] 常允新, 冯在敏, 韩德刚. 淄博市洪山、寨里煤矿地下水污染形成原因及防治[J]. 山东地质, 1999, 15(1):41-45.

    CHANG Yunxin, FENG Zaimin, HAN Degang. Origin and prevention of underground water pollution in Hongshan and Zhaili coal mine areas in Zibo city[J]. Geology of Shandong, 1999, 15(1):41-45.
    [7] 徐军祥, 徐品. 淄博煤矿闭坑对地下水的污染及控制[J]. 煤炭科学技术, 2003, 31(10):28-30. doi: 10.3969/j.issn.0253-2336.2003.10.010

    XU Junxiang, XU Pin. Underground water pollution and control with mining district closed in Zibo mine[J]. Coal Science and Technology, 2003, 31(10):28-30. doi: 10.3969/j.issn.0253-2336.2003.10.010
    [8] 吕华, 刘洪量, 马振民, 徐品. 淄博洪山、寨里煤矿地下水串层污染形成原因及防治[J]. 中国煤田地质, 2005, 17(4):24-27, 31.

    LV Hua, LIU Hongliang, MA Zhenmin, XU Pin. Formation and influential factors of Zibo City Hongshan and Zhaili coalmines underground water cross strata pollution[J]. Coalfield Geology in China, 2005, 17(4):24-27, 31.
    [9] Bottrell S, Tellam J, Bartlett R, Hughes A. Isotopic composition of sulfate as a tracer of natural and anthropogenic influences on groundwater geochemistry in an urban sandstone aquifer, Birmi-ngham, UK[J]. Applied Geochemistry, 2008, 23(8):2382-2394. doi: 10.1016/j.apgeochem.2008.03.012
    [10] Jezierski P, Szynkiewicz A, Jsun drysek M O. Natural and anthropogenic origin sulphate in an mountainous groundwater system: S and O isotope evidences[J]. Water, Air and Soil Pollution, 2006, 173(1/2/3/4):81-101.
    [11] 赵春红, 梁永平, 卢海平, 唐春雷, 申豪勇, 王志恒. 娘子关泉域岩溶水SO4 2− 、δ34S特征及其环境意义[J]. 中国岩溶, 2019, 38(6):867-875.

    ZHAO Chunhong, LIANG Yongping, LU Haiping, TANG Chunlei, SHEN Haoyong, WANG Zhiheng. Chemical characteristics and environmental significance of SO4 2− and sulfur isotope in the karst watershed of the Niangziguan spring, Shanxi Province[J]. Carsologica Sinica, 2019, 38(6):867-875.
    [12] 郝春明, 何培雍, 王议, 侯双林, 董建芳. 煤炭开采后峰峰矿区奥陶系岩溶水硫酸盐演化过程研究[J]. 中国岩溶, 2014, 33(4):425-431. doi: 10.11932/karst20140406

    HAO Chunming, HE Peiyong, WANG Yi, HOU Shuanglin, DONG Jianfang. Study on the evolutionary process of sulfate concentration in Ordovician karst water after coal mining in Fengfeng mine[J]. Carsologica Sinica, 2014, 33(4):425-431. doi: 10.11932/karst20140406
    [13] 张秋霞, 周建伟, 林尚华, 魏东, 张黎明, 袁磊. 淄博洪山、寨里煤矿区闭坑后地下水污染特征及成因分析[J]. 安全环境与工程, 2015, 22(6):23-28.

    ZHANG Qiuxia, ZHOU Jianwei, LIN Shanghua, WEI Dong, ZHANG Liming, YUAN Lei. Characteristics and causes of groundwater pollution after Hongshan-Zhaili mine closure in Zibo[J]. Safety Environment and Engineering, 2015, 22(6):23-28.
    [14] 张秋霞, 周建伟, 康凤新, 林尚华, 魏东, 张黎明, 袁磊. 淄博煤矿区地下水污染水动力和同位素解析[J]. 环境科学与技术, 2016, 39(8):116-122.

    ZHANG Qiuxia, ZHOU Jianwei, KANG Fengxin, LIN Shanghua, WEI Dong, ZHANG Liming, YUAN Lei. Hydrodynamic analysis and isotope tracing for probing into groundwater pollution of Zibo mining area[J]. Environmental Science and Technology, 2016, 39(8):116-122.
    [15] 李建中, 周爱国, 周建伟, 柴波, 冯海波, 苏丹辉. 华北煤田矿山开采导致含水层破坏风险评估: 以淄博洪山煤矿为例[J]. 地球科学, 2020, 45(3):1027-1040.

    LI Jianzhong, ZHOU Aiguo, ZHOU Jianwei, CHAI Bo, FENG Haibo, SU Danhui. Risk assessment of aquifer destruction in underground mining coal of North China: A case study of Hongshan mine in Zibo City[J]. Earth Science, 2020, 45(3):1027-1040.
    [16] 高旭波, 王万洲, 侯保俊, 高列波, 张建友, 张松涛, 李成城, 姜春芳. 中国北方岩溶地下水污染分析[J]. 中国岩溶, 2020, 39(3):287-298.

    GAO Xubo, WANG Wanzhou, HOU Baojun, GAO Liebo, ZHANG Jianyou, ZHANG Songtao, LI Chengcheng, JIANG Chunfang. Analysis of karst groundwater pollution in Northern China[J]. Carsologica Sinica, 2020, 39(3):287-298.
    [17] 梁永平, 申豪勇, 赵春红, 王志恒, 唐春雷, 赵一, 谢浩, 石维芝. 对中国北方岩溶水研究方向的思考与实践[J]. 中国岩溶, 2021, 40(3):363-380.

    LIANG Yongping, SHEN Haoyong, ZHAO Chunhong, WANG Zhiheng, TANG Chunlei, ZHAO Yi, XIE Hao, SHI Weizhi. Thinking and practice on the research direction of karst water in Northern China[J]. Carsologica Sinica, 2021, 40(3):363-380.
    [18] 郭达鹏, 康凤新, 陈奂良, 成建梅, 罗伟. 山东淄博沣水泉域岩溶水系统模拟及水源地优化开采预测[J]. 中国岩溶, 2017, 36(3):327-338. doi: 10.11932/karst20170306

    GUO Dapeng, KANG Fengxin, CHEN Huanliang, CHENG Jianmei, LUO Wei. Numerical simulation and optimal exploitation scheme for the karst groundwater recourses system of Fengshui spring basin in Zibo region, Shandong Province, China[J]. Carsologica Sinica, 2017, 36(3):327-338. doi: 10.11932/karst20170306
  • 期刊类型引用(5)

    1. 王肖肖. 地下水水质分析及污染治理措施探析. 皮革制作与环保科技. 2024(12): 122-124 . 百度学术
    2. 黄欢,董书宁. 基于水化学特征及抽(放)水试验的含水层垂向水力联系研究. 煤矿安全. 2024(08): 175-183 . 百度学术
    3. 王旭东,闫祖喻,郭强,张锁,唐佳伟,胡瑜恬,刘小庆,李井峰. 地下水水化学垂向分带特征及成因机制——以新街矿区为例. 煤炭科学技术. 2024(08): 222-233 . 百度学术
    4. 崔锐,王学鹏,冯波,刘曦遥,冯守涛,刘帅. 基于水化学同位素技术的地热储层成因模式对比分析-以鲁西北埕宁隆起区为例. 中国岩溶. 2023(05): 969-981+994 . 本站查看
    5. 丁冠涛,李常锁,魏善明,王少娟,李岩,卢茜茜,孙斌,柳浩然. 玉符河外源回灌对岩溶地下水影响研究. 中国岩溶. 2023(05): 907-916 . 本站查看

    其他类型引用(1)

  • 加载中
图(8) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  1186
  • HTML浏览量:  634
  • PDF下载量:  67
  • 被引次数: 6
出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-20
  • 刊出日期:  2023-02-25

目录

/

返回文章
返回