山东枣庄陶枣煤田裂隙岩溶水水质评价研究

宋培学,朱天顺,杜健,张翔宇,袁丹青,杜一林,高丽,庞成宝

(1.枣庄学院 a.城市与建筑工程学院; b.生命科学学院;c.食品科学与制药工程学院,山东 枣庄 277160;2.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),山东 济宁 272100;3.山东省地矿局 岩溶地质重点实验室,山东 济宁 272100)

煤矿闭坑易引起地下水污染,闭坑矿坑内水位回升形成矿坑水,若矿坑水的水位高于裂隙岩溶水则易形成水力和化学联系,改变原本的地下水系统状态[1].陶枣煤田开采历史较长,随着煤炭资源枯竭,煤田内东、西部2个矿区已完全闭坑.煤田闭坑后,地下存在巨大的采空区,易形成采空塌陷地质灾害并囤积矿坑水.矿坑水以高硬度、高溶解性总固体、浓度偏高为主要特征.陶枣煤田目前已成为煤矿水害事故的重灾区[2],研究发现该地区的裂隙岩溶水已受到矿坑水的影响,污染程度较高,推测区内可能发生了串层污染,但并未进行具体验证[3].聚类分析作为数据分析的工具,在地下水污染评估中广泛的应用[4-5]. 本研究基于1∶50 000专项水文地质、生态环境地质测量工作,结合相关调查报告[6-10]与以往其他煤矿地区地下水污染研究经验,通过水质评价、分析水化学类型和多年离子变化规律,同时利用聚类分析的方法验证陶枣煤田地区地下水的污染途径,为地下水污染研究与治理提供参考.

1 研究区概况

陶枣煤田区域属暖温带半湿润大陆性季风气候,雨热同季,降水主要集中于6至9月,一般年内枯水期出现在4月上旬,丰水期多出现在9月中旬,多年平均降水量为815.35 mm(1990至2017年)(附录图S1).该煤田西起枣庄市薛城区陶庄镇,东至枣庄市市中区东郊田屯村,北至枣庄断裂带,南为煤层露头,东西走向,长约25 km,南北宽约5 km,面积约125 km2,主要含煤地层为石炭-二叠纪月门沟群太原组和山西组,共含煤18层(附录图S2),开采水平在-1 000～100 m.

2 研究方法

2.1 采样方法

选择39处具有代表性的岩溶水进行采样(附录表S1),同时选取了位于十里泉、丁庄-东王庄地区的3处地表水和4处矿坑水进行了水样采集(附录表S2,S3),以便进行串层污染和聚类分析,地表水样主要位于部分煤矿排污河附近,矿坑水均位于煤田内闭坑矿山废弃井内.水样采集过程中严格按照《水质采样样品的保存和管理技术规定(GB 12999-91)》执行,水样测试由山东省鲁南地质工程勘察院水土测试中心完成.

表S2 矿坑水取样点 Tab. S2 Pit water sampling points

表S3 地表水取样点 Tab. S3 Surface water sampling points

2.2 水质评价

表1 各类别评价分值表Tab. 1 Evaluation score table by category

表S4 地下水质量级别表Tab. S4 Groundwater quality levels table

2.3 地下水化学类型分析

2.4 聚类分析

(1)R型聚类分析

相关系数Rkz的取值在-1～1之间,相关系数的绝对值越接近1,表示两变量间的相关程度越大.

(2)Q型聚类分析

3 结果与讨论

3.1 水质分析

表2 调查区地下水质量综合评价结果表Tab. 2 Results of the comprehensive evaluation of groundwater quality in the survey area

3.2 地下水化学类型

3.3 主要受污染地区水质动态特征

3.4 聚类分析结果与分析

3.4.1R型聚类分析

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

3.4.2Q型聚类分析

本次计算的取样点共18件,包括岩溶水11件,地表水3件,矿坑水4件(表S6),得到聚类向量矩阵及谱系图Sij、cos(θij)(附录表S7、表S8,图3和图4).

表S6 十里泉、丁庄-东王庄地区取样点基本情况Tab. S6 Basic information of the sampling points of Shili Spring and Dingzhuang-Dongwangzhuang

表S7 十里泉、丁庄-东王庄地区平方欧氏距离(Sij)向量矩阵表Tab. S7 Table of vector matrix square Euclidean distance (Sij) in Shiliquan, Dingzhuang-Dongwangzhuang area

由图3和图4可知,2种聚类方法中S41、S54、S52、S63和l32可单独成群.S54和S52为排污河中的地表水,岩溶水样S41、S63和l32紧邻地表水(小于200 m),且远离煤系地层,同时区内第四系厚度较薄(小于10 m),岩溶裂隙发育,地表水可通过第四系越流补给岩溶水.因此,十里泉一带及远离煤系地层的岩溶水井可能受地表水的影响.根据以往的研究,陶枣煤田西部清凉泉地区的岩溶水主要也受到地表水的影响[5],因此地表水渗透作用也是导致陶枣煤田地区岩溶水污染的重要途径.

S70、S64、S42、l42、S68和S69可单独成群,S70、S64为岩溶水井,与矿坑水S65的相似系数分别为0.812和0.833(附录表S8),这是由于区内煤炭企业相继闭坑以后,大量的矿坑水无法排泄,致使其矿坑水水位迅速抬升,水位明显高于岩溶水水位,例如S70、S64为岩溶水井,水位均为34.72 m,S65为矿坑水井,水位为48.59 m,矿坑水水位明显高于岩溶水水位,水压差会导致岩溶水与矿坑之间产生水力联系,从而使矿坑水补给岩溶水,进而发生串层污染的现象.已有研究表明清凉泉地区的岩溶水与矿坑水也存在直接联系[5],说明陶枣煤田地区普遍存在地下水串层污染现象.

4 结 论

(1)区内地下水环境质量评价结果显示,采样点中30.77%为良好、2.56%为较好、25.64%为较差,41.03%为极差.

附录见电子版(DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2022.10.21.0001).