山東棗莊陶棗煤田裂隙巖溶水水質評價研究

宋培學,朱天順,杜健,張翔宇,袁丹青,杜一林,高麗,龐成寶

(1.棗莊學院 a.城市與建筑工程學院; b.生命科學學院;c.食品科學與制藥工程學院,山東 棗莊 277160;2.山東省魯南地質工程勘察院(山東省地質礦產勘查開發局第二地質大隊),山東 濟寧 272100;3.山東省地礦局 巖溶地質重點實驗室,山東 濟寧 272100)

煤礦閉坑易引起地下水污染,閉坑礦坑內水位回升形成礦坑水,若礦坑水的水位高于裂隙巖溶水則易形成水力和化學聯系,改變原本的地下水系統狀態[1].陶棗煤田開采歷史較長,隨著煤炭資源枯竭,煤田內東、西部2個礦區已完全閉坑.煤田閉坑后,地下存在巨大的采空區,易形成采空塌陷地質災害并囤積礦坑水.礦坑水以高硬度、高溶解性總固體、濃度偏高為主要特征.陶棗煤田目前已成為煤礦水害事故的重災區[2],研究發現該地區的裂隙巖溶水已受到礦坑水的影響,污染程度較高,推測區內可能發生了串層污染,但并未進行具體驗證[3].聚類分析作為數據分析的工具,在地下水污染評估中廣泛的應用[4-5]. 本研究基于1∶50 000專項水文地質、生態環境地質測量工作,結合相關調查報告[6-10]與以往其他煤礦地區地下水污染研究經驗,通過水質評價、分析水化學類型和多年離子變化規律,同時利用聚類分析的方法驗證陶棗煤田地區地下水的污染途徑,為地下水污染研究與治理提供參考.

1 研究區概況

陶棗煤田區域屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,雨熱同季,降水主要集中于6至9月,一般年內枯水期出現在4月上旬,豐水期多出現在9月中旬,多年平均降水量為815.35 mm(1990至2017年)(附錄圖S1).該煤田西起棗莊市薛城區陶莊鎮,東至棗莊市市中區東郊田屯村,北至棗莊斷裂帶,南為煤層露頭,東西走向,長約25 km,南北寬約5 km,面積約125 km2,主要含煤地層為石炭-二疊紀月門溝群太原組和山西組,共含煤18層(附錄圖S2),開采水平在-1 000～100 m.

2 研究方法

2.1 采樣方法

選擇39處具有代表性的巖溶水進行采樣(附錄表S1),同時選取了位于十里泉、丁莊-東王莊地區的3處地表水和4處礦坑水進行了水樣采集(附錄表S2,S3),以便進行串層污染和聚類分析,地表水樣主要位于部分煤礦排污河附近,礦坑水均位于煤田內閉坑礦山廢棄井內.水樣采集過程中嚴格按照《水質采樣樣品的保存和管理技術規定(GB 12999-91)》執行,水樣測試由山東省魯南地質工程勘察院水土測試中心完成.

表S2 礦坑水取樣點 Tab. S2 Pit water sampling points

表S3 地表水取樣點 Tab. S3 Surface water sampling points

2.2 水質評價

表1 各類別評價分值表Tab. 1 Evaluation score table by category

表S4 地下水質量級別表Tab. S4 Groundwater quality levels table

2.3 地下水化學類型分析

2.4 聚類分析

(1)R型聚類分析

相關系數Rkz的取值在-1～1之間,相關系數的絕對值越接近1,表示兩變量間的相關程度越大.

(2)Q型聚類分析

3 結果與討論

3.1 水質分析

表2 調查區地下水質量綜合評價結果表Tab. 2 Results of the comprehensive evaluation of groundwater quality in the survey area

3.2 地下水化學類型

3.3 主要受污染地區水質動態特征

3.4 聚類分析結果與分析

3.4.1R型聚類分析

表S5 向量矩陣Rkz表Tab. S5 Table of vector matrix Rkz

3.4.2Q型聚類分析

本次計算的取樣點共18件,包括巖溶水11件,地表水3件,礦坑水4件(表S6),得到聚類向量矩陣及譜系圖Sij、cos(θij)(附錄表S7、表S8,圖3和圖4).

表S6 十里泉、丁莊-東王莊地區取樣點基本情況Tab. S6 Basic information of the sampling points of Shili Spring and Dingzhuang-Dongwangzhuang

表S7 十里泉、丁莊-東王莊地區平方歐氏距離(Sij)向量矩陣表Tab. S7 Table of vector matrix square Euclidean distance (Sij) in Shiliquan, Dingzhuang-Dongwangzhuang area

由圖3和圖4可知,2種聚類方法中S41、S54、S52、S63和l32可單獨成群.S54和S52為排污河中的地表水,巖溶水樣S41、S63和l32緊鄰地表水(小于200 m),且遠離煤系地層,同時區內第四系厚度較薄(小于10 m),巖溶裂隙發育,地表水可通過第四系越流補給巖溶水.因此,十里泉一帶及遠離煤系地層的巖溶水井可能受地表水的影響.根據以往的研究,陶棗煤田西部清涼泉地區的巖溶水主要也受到地表水的影響[5],因此地表水滲透作用也是導致陶棗煤田地區巖溶水污染的重要途徑.

S70、S64、S42、l42、S68和S69可單獨成群,S70、S64為巖溶水井,與礦坑水S65的相似系數分別為0.812和0.833(附錄表S8),這是由于區內煤炭企業相繼閉坑以后,大量的礦坑水無法排泄,致使其礦坑水水位迅速抬升,水位明顯高于巖溶水水位,例如S70、S64為巖溶水井,水位均為34.72 m,S65為礦坑水井,水位為48.59 m,礦坑水水位明顯高于巖溶水水位,水壓差會導致巖溶水與礦坑之間產生水力聯系,從而使礦坑水補給巖溶水,進而發生串層污染的現象.已有研究表明清涼泉地區的巖溶水與礦坑水也存在直接聯系[5],說明陶棗煤田地區普遍存在地下水串層污染現象.

4 結 論

(1)區內地下水環境質量評價結果顯示,采樣點中30.77%為良好、2.56%為較好、25.64%為較差,41.03%為極差.

附錄見電子版(DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2022.10.21.0001).