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
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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
SO2−4 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。Abstract:Since the closure of Hongshan and Zhaili coal mines in Zibo City, Shandong Province, the pumping and drainage of groundwater has stopped, leading to the rise of water level in coal mines. Consequently, Ordovician limestone water was polluted to different degrees through the hydraulic connection channels such as broken well pipes. The main pollution factors, like SO2−4 , TDS, total hardness, etc., resulted in the deterioration of karst water below the drinking standard in the study area, and hence seriously affected local residents’ living and economic activities. The main water-bearing strata in the study area include loose rock pore aquifers, clastic rock fissure aquifers or interlayer karst fissure aquifers and carbonate rock karst aquifers. As the main coal measure aquifer in the study area, the fissure aquifer is the direct water source of coal mining. In the natural state, there lacks hydraulic connection between the fissure aquifer and the underlying Ordovician karst aquifer. But because the impermeable layer was damaged by coal mining, the water channel has been formed. During the mining process, the fissure water in the coal measure strata was basically drained, and the Ordovician limestone water entered the pit by the way of jacking recharge. After the coal mine was closed, the level of the coal mine water rose, and the Ordovician limestone water was replenished through the connecting place.In order to provide a scientific basis for future remediation of groundwater pollution in Hongshan and Zhaili coal mine areas and other similar mining areas, this study was carried out on the hydrochemical and isotope characteristics of the water after treatment in the study area, and a qualitative and quantitative analysis was conducted on the quality characteristics and treatment effects of the groundwater. To conduct the hydrochemical and isotope analyses based on hydrogeological conditions, characteristics of groundwater flowing field and sampling points before treatment, a series of monitoring points were set up along the groundwater flowing direction from the upstream of the pollution source area. Sampling types include coal mine water, Ordovician limestone water, rain water, surface water, etc. Coal mine water includes mine water, goaf water and mine drainage. Through the sampling test, the results of hydrochemical and isotope analyses show that there is a hydraulic relation and mutual influence between Ordovician limestone water and coal mine water in the study area. The sulfate in groundwater in this area mainly comes from the oxidation of sulfide minerals in coal-bearing strata, and the Ordovician limestone water is polluted by the coal mine water in cross-strata, which leads to the increase of sulfate concentration in Ordovician limestone water. Results show that the hydrochemical type of Ordovician limestone water is complex, and some Ordovician limestone water is characterized by high SO2−4 concentration, high hardness and high TDS. The concentration range of highSO2−4 is basically consistent with the coal mine area and its downstream. The normal Ordovician limestone water environment in the area has been disturbed, because of the mixture of extraneous water. The hydrogen and oxygen isotopic compositions of some Ordovician limestone water and coal mine water are similar, and δS values present positive and negative deviations. According to the characteristics of sulfates and sulfur isotopes, the sulfates in Ordovician limestone water mainly come from the cross-strata pollution of coal mine water, and the pollution is more serious than it is before treatment. It is speculated that there is still a hydraulic connection between coal mine water and Ordovician limestone water. Therefore, further treatment is suggested to identify and control the water channel, strengthen the pumping and drainage of coal mine water and encourage the comprehensive utilization. Besides, the water level of mine pit should be controlled to avoid the pollution of Ordovician limestone water. -
0. 引 言
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
SO2−4 、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。
1. 研究区概况
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。
2. 研究方法
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。
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‰。
3. 结果与分析
3.1 水化学特征
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−1 SO2−4/mg·L−1 pH 水化学类型 GW01 下黄2 下黄村东 奥灰水 1 364.34 964.86 531.68 6.96 SO4·HCO3-Ca GW02 下黄1 下黄村西 奥灰水 1 511.24 1 028.70 514.32 6.93 SO4·Cl-Ca GW03 SH04 牟家村西 奥灰水 1 693.99 1 291.00 877.72 6.74 SO4·HCO3-Ca·Mg GW04 上黄1 上黄村西 奥灰水 893.65 650.17 319.61 7.33 SO4·HCO3-Ca GW05 河1 河东村东北 奥灰水 966.81 725.16 257.04 7.04 SO4·Cl·HCO3-Ca GW06 BJ1 河东村东 奥灰水 464.35 415.29 90.78 7.25 HCO3-Ca GW07 河4 河东村东南 奥灰水 1 221.54 814.30 294.63 7.10 SO4·Cl-Ca GW08 河2 河东村东 奥灰水 809.08 642.97 243.61 7.24 SO4·HCO3-Ca GW09 洼1 洼子村东南 奥灰水 783.23 613.66 236.01 7.22 SO4·HCO3·Cl-Ca GW10 南韩1 南韩村东 奥灰水 619.73 411.80 189.56 7.19 HCO3·SO4-Ca GW11 X-南韩2 南韩村西 煤矿水 1 500.41 1 077.53 627.11 7.34 SO4·HCO3-Ca·Mg GW12 北韩3 北韩村北 奥灰水 997.92 611.13 376.02 7.15 SO4·HCO3-Ca·Na GW13 北韩1 北韩村东 奥灰水 1 631.19 561.96 714.61 7.20 SO4-Ca·Na GW14 东2 东官村东北 奥灰水 796.70 587.95 251.75 7.27 SO4·HCO3-Ca GW15 东3 东官庄东 奥灰水 903.58 655.81 300.62 7.20 SO4·HCO3-Ca GW16 SH06 东官庄东北 奥灰水 987.65 605.79 379.33 7.23 SO4·HCO3-Ca·Na GW17 X-东05 东官庄南 煤矿水 1 411.37 1 035.19 625.40 7.35 SO4-Ca GW18 罗9 罗村南 煤矿水 2 129.16 1 402.96 1 252.58 7.24 SO4-Ca·Mg GW19 罗2 罗村西 煤矿水 1 056.72 777.00 572.85 7.06 SO4-Ca·Mg GW20 K01 罗村西 奥灰水 2 051.44 1 427.37 1 145.16 7.09 SO4-Ca·Mg GW21 SH02 大窎桥村西 奥灰水 2 329.44 1 610.57 1 343.75 6.95 SO4-Ca·Mg GW22 X-大6 大窎桥村南 煤矿水 2 598.16 1 743.05 1 563.77 7.03 SO4-Ca·Mg GW23 X-大7 大窎桥村北 煤矿水 2 075.75 1 479.05 784.43 7.34 SO4-Ca GW24 鲁1 鲁家庄西北 煤矿水 2 677.71 1 731.76 1 442.48 7.17 SO4-Ca·Mg GW25 X-史3 史家村南 煤矿水 1 474.18 1 003.10 755.46 7.26 SO4-Ca GW26 矿排1 暖水河村南 煤矿水 2 880.77 1 856.28 1 678.23 6.56 SO4-Ca·Mg GW27 暖2 暖水河村东 奥灰水 1 324.03 805.40 760.58 7.41 SO4-Ca·Mg GW28 聂1 聂村东 奥灰水 1 688.10 285.35 872.55 7.92 SO4-Na GW29 聂2 聂村东 奥灰水 2 589.87 1 484.70 1 466.70 6.98 SO4-Ca·Mg GW30 X-洪3 洪五社区西 奥灰水 2 276.24 1 436.52 1 373.18 6.80 SO4-Ca·Mg GW31 泗水2 小旦村东 地表水 1 950.88 1 212.60 893.80 7.45 SO4-Ca GW32 汇1 孝妇河 地表水 2 832.90 1 300.29 1 426.65 8.05 SO4·Cl-Ca·Na GW33 X-小3 小窎桥村西 煤矿水 2 806.59 1 826.10 1 652.36 7.05 SO4-Ca·Mg GW34 X-千3 千峪村村中 奥灰水 505.22 440.93 104.53 7.80 HCO3·SO4-Ca GW35 X-前宅2 前宅村南 奥灰水 538.36 463.88 125.65 7.34 HCO3·SO4-Ca GW36 雨水 淄川城区 雨水 22.90 5.03 6.97 5.03 SO4·Cl·HCO3-Ca 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 pH SO2−4浓度/mg·L−1 TDS/mg·L−1 总硬度/mg·L−1 主要水化学类型 雨水 5.03 6.97 22.9 5.03 SO4·Cl·HCO3-Ca 地表水 7.45~8.05 893.80~1 426.65 1 950.88~2 832.90 1 212.60~1 300.29 SO4-Ca、SO4·Cl-Ca·Na 奥灰水 6.74~7.92 90.78~1 466.70 464.35~2 589.87 285.35~1 610.57 HCO3·SO4-Ca、SO4·HCO3-Ca 煤矿水 6.56~7.35 572.85~1 678.23 1 056.72~2 880.77 777.00~1 856.28 SO4-Ca、SO4-Ca·Mg 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
SO2−4 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
SO2−4 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SO2−4 离子浓度和TDS较低,而煤矿区及下游奥灰水表现为高SO2−4 离子浓度和高TDS的特征,治理区奥灰水污染情况仍然存在。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 硫酸盐硫同位素特征
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。
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 −0.24~0.97 0.37 奥灰水 −3.08~3.71 0.95 煤矿水 −5.95~0.89 −2.13 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
SO2−4 具有煤矿水的SO2−4 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。3.3 硫酸盐来源
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/
SO2−4 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。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。
3.4 治理效果
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。
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 SO2−4 总硬度/mg·L−1 TDS/mg·L−1 硫酸盐污染变化 上黄1 2015.2.26 243.13 454.56 718.32 ↑ 2019.12.8 319.61 650.17 893.65 下黄1 2013.11.8 568.12 932.99 1 403.13 ↓ 2019.12.8 514.32 1 028.70 1 511.24 下黄2 2015.2.26 1 539.85 1 961.56 2 763.54 ↓ 2019.12.7 531.68 964.86 1 364.34 K01 2014.1.22 355.52 660.23 1 019.68 ↑ 2019.12.12 1 145.16 1 427.37 2 276.24 2013.10 49.88 16.72 460.28 暖2 2015.8.19 183.17 150.77 795.66 ↑ 2019.12.13 760.58 805.40 2 051.44 2013.10 690.98 373.19 1 841.72 聂1 2014.7.29 534.89 515.26 1 436.62 ↑ 2019.12.13 872.55 285.35 2 598.16 聂2 2013.11.18 162.11 177.33 1 437.26 ↑ 2019.12.13 1 466.70 1 484.70 2 075.75 罗9 2013.11.18 1 076.97 1 037.07 1 978.62 ↑ 2019.12.11 1 252.58 1 402.96 1 688.10 2013.10 208.45 576.52 880.30 洼1 2015.2.26 291.76 619.86 991.93 ↓ 2019.12.9 236.01 613.66 783.23 2013.10 221.58 648.88 1 027.07 河1 2014.5.8 244.16 601.59 968.49 ↑ 2019.12.8 257.04 725.16 966.81 河2 2014.7.29 159.77 414.97 695.07 ↑ 2019.12.9 243.61 642.97 809.08 河4 2014.5.8 223.16 718.50 1 254.91 ↑ 2019.12.9 294.63 814.30 1 221.54 2013.10 142.82 392.70 641.61 南韩1 2014.7.29 151.90 420.58 687.90 ↑ 2019.12.10 189.56 411.80 619.73 北韩1 2013.11.8 897.86 593.18 2 238.65 ↓ 2019.12.10 714.61 561.96 1 631.19 2013.10 261.48 551.40 915.90 东2 2014.6.12 396.42 623.86 1 245.37 ↓ 2019.12.10 251.75 587.95 796.70 东3 2013.11.8 264.11 559.80 1 014.27 ↑ 2019.12.10 300.62 655.81 903.58 2013.10 1 732.71 2 060.90 3 099.02 矿排1 2015.3.9 1 319.85 1 914.72 2 797.92 ↑ 2019.12.12 1 678.23 1 856.28 2 880.77 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。
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。
4. 结论与建议
(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
SO2−4 浓度、高硬度、高 TDS特征。高SO2−4 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。
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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−1 SO2−4/mg·L−1 pH 水化学类型 GW01 下黄2 下黄村东 奥灰水 1 364.34 964.86 531.68 6.96 SO4·HCO3-Ca GW02 下黄1 下黄村西 奥灰水 1 511.24 1 028.70 514.32 6.93 SO4·Cl-Ca GW03 SH04 牟家村西 奥灰水 1 693.99 1 291.00 877.72 6.74 SO4·HCO3-Ca·Mg GW04 上黄1 上黄村西 奥灰水 893.65 650.17 319.61 7.33 SO4·HCO3-Ca GW05 河1 河东村东北 奥灰水 966.81 725.16 257.04 7.04 SO4·Cl·HCO3-Ca GW06 BJ1 河东村东 奥灰水 464.35 415.29 90.78 7.25 HCO3-Ca GW07 河4 河东村东南 奥灰水 1 221.54 814.30 294.63 7.10 SO4·Cl-Ca GW08 河2 河东村东 奥灰水 809.08 642.97 243.61 7.24 SO4·HCO3-Ca GW09 洼1 洼子村东南 奥灰水 783.23 613.66 236.01 7.22 SO4·HCO3·Cl-Ca GW10 南韩1 南韩村东 奥灰水 619.73 411.80 189.56 7.19 HCO3·SO4-Ca GW11 X-南韩2 南韩村西 煤矿水 1 500.41 1 077.53 627.11 7.34 SO4·HCO3-Ca·Mg GW12 北韩3 北韩村北 奥灰水 997.92 611.13 376.02 7.15 SO4·HCO3-Ca·Na GW13 北韩1 北韩村东 奥灰水 1 631.19 561.96 714.61 7.20 SO4-Ca·Na GW14 东2 东官村东北 奥灰水 796.70 587.95 251.75 7.27 SO4·HCO3-Ca GW15 东3 东官庄东 奥灰水 903.58 655.81 300.62 7.20 SO4·HCO3-Ca GW16 SH06 东官庄东北 奥灰水 987.65 605.79 379.33 7.23 SO4·HCO3-Ca·Na GW17 X-东05 东官庄南 煤矿水 1 411.37 1 035.19 625.40 7.35 SO4-Ca GW18 罗9 罗村南 煤矿水 2 129.16 1 402.96 1 252.58 7.24 SO4-Ca·Mg GW19 罗2 罗村西 煤矿水 1 056.72 777.00 572.85 7.06 SO4-Ca·Mg GW20 K01 罗村西 奥灰水 2 051.44 1 427.37 1 145.16 7.09 SO4-Ca·Mg GW21 SH02 大窎桥村西 奥灰水 2 329.44 1 610.57 1 343.75 6.95 SO4-Ca·Mg GW22 X-大6 大窎桥村南 煤矿水 2 598.16 1 743.05 1 563.77 7.03 SO4-Ca·Mg GW23 X-大7 大窎桥村北 煤矿水 2 075.75 1 479.05 784.43 7.34 SO4-Ca GW24 鲁1 鲁家庄西北 煤矿水 2 677.71 1 731.76 1 442.48 7.17 SO4-Ca·Mg GW25 X-史3 史家村南 煤矿水 1 474.18 1 003.10 755.46 7.26 SO4-Ca GW26 矿排1 暖水河村南 煤矿水 2 880.77 1 856.28 1 678.23 6.56 SO4-Ca·Mg GW27 暖2 暖水河村东 奥灰水 1 324.03 805.40 760.58 7.41 SO4-Ca·Mg GW28 聂1 聂村东 奥灰水 1 688.10 285.35 872.55 7.92 SO4-Na GW29 聂2 聂村东 奥灰水 2 589.87 1 484.70 1 466.70 6.98 SO4-Ca·Mg GW30 X-洪3 洪五社区西 奥灰水 2 276.24 1 436.52 1 373.18 6.80 SO4-Ca·Mg GW31 泗水2 小旦村东 地表水 1 950.88 1 212.60 893.80 7.45 SO4-Ca GW32 汇1 孝妇河 地表水 2 832.90 1 300.29 1 426.65 8.05 SO4·Cl-Ca·Na GW33 X-小3 小窎桥村西 煤矿水 2 806.59 1 826.10 1 652.36 7.05 SO4-Ca·Mg GW34 X-千3 千峪村村中 奥灰水 505.22 440.93 104.53 7.80 HCO3·SO4-Ca GW35 X-前宅2 前宅村南 奥灰水 538.36 463.88 125.65 7.34 HCO3·SO4-Ca GW36 雨水 淄川城区 雨水 22.90 5.03 6.97 5.03 SO4·Cl·HCO3-Ca 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 pH SO2−4浓度/mg·L−1 TDS/mg·L−1 总硬度/mg·L−1 主要水化学类型 雨水 5.03 6.97 22.9 5.03 SO4·Cl·HCO3-Ca 地表水 7.45~8.05 893.80~1 426.65 1 950.88~2 832.90 1 212.60~1 300.29 SO4-Ca、SO4·Cl-Ca·Na 奥灰水 6.74~7.92 90.78~1 466.70 464.35~2 589.87 285.35~1 610.57 HCO3·SO4-Ca、SO4·HCO3-Ca 煤矿水 6.56~7.35 572.85~1 678.23 1 056.72~2 880.77 777.00~1 856.28 SO4-Ca、SO4-Ca·Mg 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 −0.24~0.97 0.37 奥灰水 −3.08~3.71 0.95 煤矿水 −5.95~0.89 −2.13 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 SO2−4 总硬度/mg·L−1 TDS/mg·L−1 硫酸盐污染变化 上黄1 2015.2.26 243.13 454.56 718.32 ↑ 2019.12.8 319.61 650.17 893.65 下黄1 2013.11.8 568.12 932.99 1 403.13 ↓ 2019.12.8 514.32 1 028.70 1 511.24 下黄2 2015.2.26 1 539.85 1 961.56 2 763.54 ↓ 2019.12.7 531.68 964.86 1 364.34 K01 2014.1.22 355.52 660.23 1 019.68 ↑ 2019.12.12 1 145.16 1 427.37 2 276.24 2013.10 49.88 16.72 460.28 暖2 2015.8.19 183.17 150.77 795.66 ↑ 2019.12.13 760.58 805.40 2 051.44 2013.10 690.98 373.19 1 841.72 聂1 2014.7.29 534.89 515.26 1 436.62 ↑ 2019.12.13 872.55 285.35 2 598.16 聂2 2013.11.18 162.11 177.33 1 437.26 ↑ 2019.12.13 1 466.70 1 484.70 2 075.75 罗9 2013.11.18 1 076.97 1 037.07 1 978.62 ↑ 2019.12.11 1 252.58 1 402.96 1 688.10 2013.10 208.45 576.52 880.30 洼1 2015.2.26 291.76 619.86 991.93 ↓ 2019.12.9 236.01 613.66 783.23 2013.10 221.58 648.88 1 027.07 河1 2014.5.8 244.16 601.59 968.49 ↑ 2019.12.8 257.04 725.16 966.81 河2 2014.7.29 159.77 414.97 695.07 ↑ 2019.12.9 243.61 642.97 809.08 河4 2014.5.8 223.16 718.50 1 254.91 ↑ 2019.12.9 294.63 814.30 1 221.54 2013.10 142.82 392.70 641.61 南韩1 2014.7.29 151.90 420.58 687.90 ↑ 2019.12.10 189.56 411.80 619.73 北韩1 2013.11.8 897.86 593.18 2 238.65 ↓ 2019.12.10 714.61 561.96 1 631.19 2013.10 261.48 551.40 915.90 东2 2014.6.12 396.42 623.86 1 245.37 ↓ 2019.12.10 251.75 587.95 796.70 东3 2013.11.8 264.11 559.80 1 014.27 ↑ 2019.12.10 300.62 655.81 903.58 2013.10 1 732.71 2 060.90 3 099.02 矿排1 2015.3.9 1 319.85 1 914.72 2 797.92 ↑ 2019.12.12 1 678.23 1 856.28 2 880.77 -
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