基于同位素—水化學的東勝礦區地下水循環研究

朱譜成 耿新新 馬琳娜 陳立 王貴玲

摘要：為實現采煤條件下東勝礦區地下水資源的合理開發利用，以（牜孛）牛川上中游區為例，通過現場調查，采用水化學和環境同位素技術開展了東勝礦區地下水循環研究。結果表明：研究區地下水的補給來源為大氣降水，第四系地層與淺層延安組地層水力聯系良好，降水經表層松散砂層和裂隙發育的延安組地層入滲補給地下水；區域地下水循環可概化為淺、中、>9 3層水流系統，在采煤活動影響下，研究區水循環條件發生強烈改變；采煤活動破壞了隔水層，增強了地層的垂直入滲能力，加大了參與中層水循環地下水的比例，使得主要依賴淺層水流系統排泄的河川徑流量大為減少。

關鍵詞：地下水；水循環；水化學；同位素；東勝礦區；（牜孛）牛川

中圖分類號：P641.3 文獻標志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.012

東勝煤田位于內蒙古自治區鄂爾多斯市東部，是我國迄今為止發現的最大煤田。受長期煤礦開采影響，礦區出現了河川徑流減少、泉流干涸等一系列問題，水資源日益匱乏[1-3]。為實現地下水合理開發利用和生態保護的目的，有必要開展地下水循環的研究工作。前人多通過水文地質條件分析，認為采煤增強了地層滲透性，改變了地下水循環路徑，然而典型地區具體地下水循環特征尚未見詳細報道[4-6]。

以水化學組分和氫氧碳等同位素為代表的環境示蹤劑，對水循環具有標記和計時的作用，被廣泛應用到干旱地區地下水循環研究當中[7-8]，包括地下水的來源[9]、補給和排泄[10-11]、地下水年齡[12-13]、確定水力聯系[14]、地表水和地下水的轉化關系及轉化量[15-16]等。（牜孛）牛川是東勝煤田中南部的一條河流，自20世紀60年代以來，其年徑流量已由1.26億m3減少至0.25億m3（2000-2010年平均）[1]。本研究以（牜孛）牛川主要產流區上中游地區為例，以區域水文地質條件為基礎，采用氫氧同位素、碳同位素、水化學組分為示蹤劑，研究（牜孛）牛川上中游地區的地下水循環特征，以期為東勝煤田地下水資源管理與保護、供水安全提供參考。

1 研究區概況

（牜孛）牛川上中游區位于內蒙古自治區鄂爾多斯市與陜西省榆林市交界區，主要支流有束會川和暖水川。區內地形以低山丘陵為主，相對高差一般為50一200m。地勢整體北高南低，發育有多級溝谷，南部還發育有風積沙丘。氣候干旱，多年平均降水量為350.6mm，多年平均水面蒸發量為2300mm。

東勝煤田為侏羅系中世大型含煤建造，主要含煤地層為侏羅系中下統延安組（J1-2y），其沉積基底為三疊系上統延長組（T3y），其上覆地層有新近系（NZ）、上更新統薩拉烏蘇組（Q3S）、第四系沖洪積層（Q4al+pl）、第四系風積砂層（Q4eol）。上覆地層具有不連續性，沖洪積層沿溝谷分布，薩拉烏蘇組和風積砂層則零散分布。當前優先開采煤層主要是第3、4、6層，以第4層為主，煤層一般埋深16～120m。

根據區內地下水賦存條件，主要含水層分為第四系松散孔隙潛水含水層和碎屑巖類孔隙一裂隙含水層，其中：松散孔隙含水層包括沖洪積層（巖性為含礫石粉細砂）與薩拉烏蘇組（巖性為粉細砂），孔隙一裂隙含水層包括延安組（巖性為砂巖）與延長組（巖性為粉細砂巖）。第四系地下水位埋深一般小于10m，流向與地形坡度基本一致，多以泉水或潛流的形式向溝谷河流排泄（見圖1）。以3、4煤層及其頂底板泥巖、延安組底部泥巖為隔水層，通常將延安組孔隙一裂隙水分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3個含水巖段，水位埋深一般為3～80m。三疊系上統延長組孔隙一裂隙水具有承壓性，水位埋深一般小于10m，部分自流。區內地下水整體富水性較差，一般單井涌水量為10～100m3/d，少數薩拉烏蘇組等含水層厚度大的地區單井涌水量大于100m3/d，成為當地的重要供水水源。根據簡易抽水試驗結果，第四系地層滲透系數為3～10m/d，延安組、延長組地層滲透系數為0.006～0.200m/d。

2 采樣與測試

2015年6-8月，在（牜孛）牛川上中游地區進行了地下水調查與采樣工作，共采取48組全分析水樣（采樣點位置見圖2），其中：河水4組，礦坑水3組，地下水樣品41組。地下水采樣井以居民生活用井為主，第四系地下水采樣井井深一般小于20m；基巖地下水井深為100～200m，采樣井井管一般全段采用濾水管，在丘陵處采樣井所采為延安組地層水樣，在溝谷處部分采樣井所采為延安組一延長組混合水樣。

樣品測試分析在國土資源部地下水礦泉水及環境監測中心完成。水化學測試項目包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3、CO32-、SO42-，測試精度為±1%。氫氧穩定同位素采用Picarro L2130-i同位素分析儀測定，測試結果以相對維也納標準海水（VSMOW）的百分偏差δ表示，δD的精度為±0.01%，δ18O的精度為±0.002 5%。3H含量和14C含量均采用超低本底液體閃爍譜儀Quantulus 1220測定，3H含量測試結果以氚單位（TU）表示（典型精度1TU），14c以現代碳百分比（PMC）表示（典型精度1pmC），部分調查及測試結果見表1。

3 結果與分析

3.1 水化學特征

將河水、礦坑水及不同含水層地下水的水化學分析結果繪制在Piper圖上（見圖3）。由圖3可知，不同含水層水化學差異明顯，對水循環具有良好的指示作用。

沖洪積層和薩拉烏蘇組地下水TDS含量一般小于300mg/L，水化學類型為HCO。-Ca型，含水層巖性均為砂層，地形切割較強烈，水交替更新快，溶濾短促。部分沖洪積層地下水中SO42-、NO3-含量較高，TDS含量>300mg/L，水化學類型為HCO3·SO4-Ca或HCO3·NO3-Ca型，反映出人為污染影響，可能是混入了礦坑水或含礦坑水的河水，同時說明該含水層處于開放條件，循環速度快。

延安組地下水化學類型多樣，按陰離子分類，主要包括HCO3型HCO3·SO4型HCO3·Cl型，同時TDS含量較大，為182～842mg/L。延安組地下水化學特征的差異，反映其水循環條件的不同。延安組淺層風化裂隙、燒變巖發育，地下水開放性好，補給條件良好，因此采樣深度小于40m或水位埋深小于10m的水樣化學類型為HCO3-Ca·Mg型或HCO3·SO4-Ca·Mg型等，TDS含量為200～750mg/L。采樣較深的延安組地下水化學類型以 HCO3型為主，近溝谷源頭處陽離子水化學類型一般為Ca型或Ca·Mg型，溝谷中下游則以Na型為主，溝谷下游主要為HCO3·Cl-Na型（TDS含量一般大于500mg/L）。這種水化學特點反映了深層延安組沿徑流路徑水化學類型的演化。延長組地下水化學類型為Cl-Na型，TDS含量一般在700mg/L左右。

3.2 氫氧穩定同位素特征

研究區附近降水氫氧穩定同位素研究成果較為豐富，俞發康根據鄂爾多斯及其周邊地區收集到的雨水同位素數據（國際原子能機構及省、地區級監測站），繪制出區域降水線（RWML）方程為

δD=6.35δ18O-4.69

（降水樣個數n=120，擬合優度R2=0.91）

區域大氣降水的δ18O和δD的平均值分別為-0.831%和-5.670%。

郭巧玲等在研究區南約30km采集夏季降水樣品，測試分析得到的當地降水線（LWML）方程為

δD=6.51δ18O-13.09（n=9）

當地降水線的δ18O和δD的平均值分別為-0.904%和-7.194%。

兩條降水線斜率均小于8，且截距小于10，反映鄂爾多斯地區氣候干旱，降水有較大蒸發。從圖4可以看出，當地河水、地下水數據點均位于區域降水線的下方、當地降水線兩側，反映河水、地下水主要由當地降水補給，并在補給過程中產生較大蒸發。河水δ18O的變化范圍為-1.16%～-0.64%，δD變化范圍為-8.7%～-5.5%；地下水δ18O的變化范圍為-1.17%～-0.74%，δD變化范圍為-7.5%～-5.5%。河水主要來源于礦坑排水、泉水及大氣降水，河水的氫氧穩定同位素值相差較大，反映了補給其的地下水同位素特征的差異。整體上，延長組地下水的重同位素貧于延安組地下水的，延安組地下水的重同位素貧于第四系地下水的，這反映了補給環境的差異。根據已有研究，近3萬a以來氣候總體趨暖，說明延長組地下水來源于早先溫度低時的補給。

3.3 放射性同位素特征

放射性同位素3H和14C含量的大小可以粗略反映地下水的循環速率，其中：3H的半衰期為12.32a，14C的半衰期一般采用5730a。一般認為1952年以前補給的地下水中不含氚，而3H含量大于1TU，表明地下水主要來自于1952年以后的補給。

區域地下水3H含量具有較強的空間分布規律：第四系、淺層延安組風化裂隙水，H含量一般為10～18TU，反映其循環更替較快；延安組基巖裂隙水，H含量變化范圍較大，為0～19TU；延長組地下水，H含量則小于1TU，反映非現代地下水補給。

研究區地下水的14c活度為0.8～54.0pmC，其中：延長組地下水存在0.8pmC的極低值，反映水循環極慢；淺層第四系地下水14c活度為40～54pmC，反映水循環相對較快；延安組地下水14c活度為15～30pmC，反映水循環速率居中；延安組一延長組混合水樣的14C含量為15pmC。

4 討論

4.1 地下水循環特征

地下水同位素和水化學差異反映了研究區大規模采煤條件下水循環條件的改變。以δ18O值-0.95%為界限（見圖4虛線），研究區地下水的同位素水化學特征具有顯著差異。第四系地下水（以及多數河水）δ18O值大于-0.95%，而部分延安組地下水δ18O值也大于-0.95%，說明第四系地下水與這部分延安組地下水存在較好水力聯系或相似的水循環特征。從δ18O與3H含量關系和δ18O與TDS含量關系更能說明上述推斷。如圖5（a）所示，δ18O值>-0.98%的點分布在右上角，3H含量>3TU，表明第四系地下水和部分延安組地下水更新交替較快；δ18O值<-0.98%的點分布在左下角，3H含量<3TU，表明部分延安組地下水和延長組地下水更新緩慢。如圖5（b）所示，以δ18O值-1%為界，δ18O值>-1%的點分布在右下角，TDS含量一般小于500mg/L，反映地下水溶濾時間較短；δ18O值<-1%的點，TDS含量多大于500mg/L，反映溶濾時間較長。

結合研究區水文地質條件，上述水化學和同位素特征反映了含水層之間的水力聯系及水更新能力。研究區延安組與其上覆的第四系風積砂、沖洪積物等不存在穩定連續的隔水層，大氣降水經滲透性良好的第四系松散層入滲到地下后，直接通過延安組上層的風化裂隙進入砂巖含水層。故這部分延安組地下水更新交替速度較快，δ18O值大于-1%（與當地降水δ18O值接近），TDS含量一般小于500mg/L，3H含量大于3TU。延安組底部泥巖隔水性較好，因此延安組與下伏延長組地下水化學特征與同位素特征差異較大，兩者沒有水力聯系。

以往認為延安組地層存在3個相對封閉的含水層，地下水在砂巖含水層內沿地層傾向徑流。本次調查發現，研究區延安組地下水位埋深可顯著分為2組：一組埋深小于10m，另一組埋深大于40m。兩組的水化學特征與同位素特征基本與上述用δ18O值-0.95%～-1.00%為界的特征吻合，這表明采煤導致區域隔水層破壞后，含水層連通性增強。僅有少量延安組地下水3H含量小于1TU，說明延安組地層封閉性遭到破壞，補給有所增強，降水和淺層地下水可以通過垂直入滲補給深層延安組地層。因此研究區延安組地下水賦存條件已經發生顯著改變，基本可概化為兩層。

4.2 地下水循環模式

地下水年齡直觀反映地下水循環快慢和更新能力，是地下水循環模式的關鍵內容之一。在已知某種放射性同位素初始輸入濃度的基礎上，可以根據放射性同位素衰變方程計算地下水年齡：

t=-1/[λln（A/A0）]式中：t為地下水年齡，a；λ為放射性同位素（3H或14C）衰變常數，3H的衰變常數為0.056 26/a，14C的衰變常數為1.2096×10-4/a；A為樣品放射性同位素（3H或14c）含量；A0為補給時地下水3H或14C含量。

本研究歷年降水3H含量主要參考文獻，地下水14C初始含量由3H與14C含量關系外推法確定為36.5pmC。

運用圖解法確定的地下水，H年齡見表2。

由此計算的延安組地下水14C年齡為0～7700a，延長組（Z2-2）地下水年齡為32000a。

為分析研究區地下水循環模式，將水化學及同位素特征加以概化后沿典型剖面A-B（位置見圖2）繪制，如圖6所示。根據研究區地下水化學特征和同位素空間分布特征，將其概化為受地形和地質條件共同控制的淺、中、深3個層次的水流系統。

（1）淺層第四系孔隙一延安組風化裂隙水流系統。淺層地層孔隙一裂隙發育，降水入滲補給條件好，地下水循環更替速度快，年齡一般為0～20a，循環深度為10～50m。該水流系統呈零散分布，多以次級溝谷為排泄基準面，地下水TDS含量一般小于300mg/L，水化學類型為HCO3-Ca型。

（2）中層延安組裂隙一孔隙水流系統。孔隙一裂隙發育條件較差，具有不均一性，地下水補給歷程較長，循環更新較慢，年齡從丘陵頂部到河谷逐漸增大，最大可達6000a，循環深度在50～150m以淺。該水流系統連續分布，以（牜孛）牛川及其主要支流為排泄基準面。地下水TDS含量一般為200～500mg/L，水化學類型以HCO3型為主。

（3）深層延長組裂隙-孔隙水流系統。孔隙-裂隙發育條件極差，地下水補給歷程漫長，更新極慢，年齡可達數萬年，地下水補給主要在研究區東部延長組出露區接受，順地層傾向流動。地下水循環深度一般在100～150m以深，溝谷低洼處循環深度為50m以深，水化學類型為Cl-Na型。

5 結論

（1）研究區地下水的補給來源為大氣降水，第四系地層與淺層延安組地層水力聯系良好，降水經表層松散砂層和裂隙發育的延安組地層入滲補給地下水。各級溝谷是地下水的排泄基準面，地下水以泉水或潛流的形式向河流（床）排泄，最終在（牜孛）牛川匯集。

（2）區域地下水循環可概化為淺、中、深三層水流系統。在采煤活動影響下，研究區水循環條件發生強烈改變。采煤活動破壞了隔水層，增強了地層的垂直入滲能力，加大了參與中層水循環地下水的比例，使得主要依賴淺層地下水流系統排泄的河川徑流量大為減少。