高潜水位采煤沉陷区地下水水化学特征及控制因素——以中国济宁市鹿洼采煤沉陷区为例

《Water》：Hydrochemical Characteristics and Controlling Factors of Groundwater in a Typical High-Water-Table Coal Mining Subsidence Area: A Case Study of the Luwa Mining Subsidence Area, Jining City, China

　　

理解采煤沉陷区地下水水化学特征对矿区水环境保护与生态修复具有关键科学意义。研究人员在鹿洼沉陷区（山东济宁）开展系统性水化学调查，以揭示高潜水位沉陷背景下地下水的组分、演化行为及控制因素。分析方案由三部分组成：常规水化学剖面、基于离子比率的源解析和多变量统计建模。结果显示，研究区地下水呈弱碱性（pH=7.33±0.217），总溶解固体（TDS）介于1180至2280 mg/L，所有采样点均超过中国地下水Ⅲ类标准。Na+、SO42?和Cl?为主要超标污染物，超标率分别为91.3%、95.7%和91.3%，主要归因于煤矿排水与生活污水输入。地下水化学组分受岩石风化、蒸发浓缩过程及人为活动的共同控制：Na+和Cl?主要来自硅酸盐矿物与石盐溶解及生活污水输入；SO42?主要受蒸发岩溶解与工业废水排放控制；Ca2+和Mg2+源于碳酸盐与硅酸盐矿物风化；NO3?主要受农业活动影响。主成分分析（PCA）提取出三个主控因子：（1）蒸发岩溶解与污水输入，（2）碳酸盐溶解与pH缓冲过程，（3）农业输入。本研究揭示高潜水位采煤沉陷区地下水“自然富集叠加人为输入”的双重驱动演化模式，为类似采矿影响区地下水可持续管理与污染风险削减提供知识基础。

研究背景方面，地下水占全球陆地淡水储量30%以上，其水质演化受天然水岩作用与人为输入双重控制。已有采煤沉陷区（CMSA）研究多聚焦水质评价与补给源，对高潜水位沉陷区地下水水化学演化及控制因素的系统解析仍较匮乏。鹿洼采煤沉陷区位于山东济宁鱼台县，属黄淮海冲积平原，浅层地下水埋深0.5—2.5 m，平均1.5 m，长期开采诱发地面沉降与积水，断裂与陷落柱增强含水层间水力联系，使水化学过程复杂化。在此背景下，研究人员以该区为对象，整合水化学分析、离子比率图与多变量统计，系统刻画地下水组分并识别主控机制，论文发表于《Water》。

关键技术方法上，研究人员于2024年6月采集23组第四系孔隙地下水样与3组废水样，现场测定pH与电导率（EC），实验室以ICP-MS测阳离子、离子色谱测阴离子、盐酸滴定测HCO₃^?，电荷平衡误差（CBE）控制在±5%内；借助ArcGIS成图，OriginPro绘离子比图，R语言做描述统计、Spearman相关与主成分分析（PCA），并以Gibbs图判识大气降水/岩石风化/蒸发结晶端元，辅以WQI（水质指数）按GB/T 14848-2017Ⅲ类标准评价。

研究结果部分，3.1节水化学特征显示地下水弱碱性，TDS 1180—3090 mg/L（均超Ⅲ类1000 mg/L限），阳离子顺序Na⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺，阴离子HCO₃^?>SO₄^2?>Cl^?>NO₃^?，Na⁺、SO₄^2?、Cl^?超标率91.3%、95.7%、91.3%，NO₃^?变异系数235%反映农业与污水空间异质输入。3.2节水质评价表明43.5%站点“差”、52.2%“极差”、4.35%“不可饮”，沿流向WQI递增，近沉陷湿地站点偏高，系蒸发浓缩、黄铁矿氧化释SO₄^2?及断裂通道使地表积水/污水下渗共同所致。3.3节Gibbs图显示样品落于岩石风化—蒸发结晶过渡带，但高TDS并非原位蒸发而是沉陷积水经蒸发浓缩后经裂隙下渗混合的结果，即“蒸发—入渗—混合”路径。3.4节离子比率解析指出Na⁺/Cl^?高于1:1线，盈余Na⁺来自硅酸盐风化与富钠地表水混合；Ca²⁺+Mg²⁺对HCO₃^?+SO₄^2?比值近1、小于1、大于1均有分布，Ca²⁺—SO₄^2?极显著正相关印证石膏（CaSO₄·2H₂O）溶解贡献；NO₃^?/Ca²⁺对SO₄^2?/Ca²⁺散点偏向废水端元，显示煤矿废水为首要人为源。3.5节相关分析得TDS与SO₄^2?(r=0.82)、Na⁺(r=0.70)、Ca²⁺(r=0.66)、Cl^?(r=0.63)极显著正相关，NO₃^?与K⁺显著正相关(r=0.45)指向肥药输入，pH与Cl^?、HCO₃^?显著负相关反映酸性矿山排水混合。3.6节PCA提取三主成分累积方差77.9%：PC1(38.4%)载TDS、SO₄^2?、Na⁺、Cl^?、Ca²⁺，对应蒸发岩溶解+生活污水+工业废水；PC2(25.5%)载HCO₃^?正、pH负，对应碳酸盐溶解与pH缓冲；PC3(14.1%)载NO₃^?、K⁺，对应农业输入。

讨论部分总结，研究人员指出该区地下水非单一自然演化，而是高潜水位下沉陷积水蒸发浓缩经采矿裂隙下渗，叠加煤矿排水、生活污水与农业肥源的多端元混合；WQI空间分异与PCA正交因子共同证明自然富集—蒸发浓缩—人为叠加的三重机制，其中“蒸发—入渗—混合”为区别于普通矿区的关键过程。结论部分翻译如下：采煤沉陷区地下水质量普遍较差，受煤矿排水、含煤地层、农肥与生活污水共同影响；SO₄^2?、Na⁺、Cl^?超标率95.7%、91.3%、91.3%；Na⁺与Cl^?主源自硅酸盐与石盐溶解及生活污水，SO₄^2?主受蒸发岩溶解与工业废水控制，Ca²⁺、Mg²⁺来自碳酸盐与硅酸盐风化，NO₃^?偏农业；PCA分三主控因子即蒸发岩溶解+污水输入、碳酸盐溶解+pH缓冲、农业输入。高潜水位沉陷区特色在于“蒸发—入渗—混合”通路使积水蒸发信号经裂隙传入浅层含水层，形成自然富集—蒸发浓缩—人为叠加的三重框架；后续需结合多季多年监测、多同位素示踪（δ¹⁸O、δ²H、δ³⁴S、δ¹⁵N）与数值模拟定量解析源贡献并预测演化，为同类高潜水位矿区地下水防护提供依据。