跨F2断层相邻老窑出水点补给-排泄系统的多证据识别：以中国春景洼闭坑煤矿为例

《Water》：Multi-Evidence Identification of Distinct Recharge–Discharge Systems Across the F2 Fault: A Case Study of the Chunjingwa Closed Coal Mine, China

　　

确定闭坑煤矿中相邻老采空区出水点（old-working water outlets）的补给来源及其水力联系，是实施分区污染控制的关键。研究人员以中国山西宁武县春景洼闭坑煤矿区内相距174 m的两个出水点S1与S2为对象，联合天然监测期的流量动态、水化学、氢氧稳定同位素（hydrogen–oxygen stable isotopes）及采空区（goaf）抽水试验开展研究。天然监测期间，S1流量为1.172–1.958 m3/h，S2为1.012–8.630 m3/h，S2变幅7.618 m3/h为S1变幅0.786 m3/h的9.7倍；多数污染指标中位数超标水平S2更高，SO42?中位数S2为14.6、S1为8.4。同位素上S1与钻孔ZK2、ZK3重叠，S2明显不同。27天抽水试验中，S1流量下降约91%，S2无明显响应。多证据识别出自F2断层两侧、在试验尺度上属于两套不同补给-排泄系统：F2宜解释为构造分隔带（structural divide）而非均一隔水断层；S1主要受南部采空区蓄水调控，S2受北部浅部汇流与快速入渗补给主导。该框架为难以开展人工示踪试验条件下的出水点尺度源识别与分区修复提供了实用替代方案。

研究背景方面，闭坑煤矿随着水位恢复，采空区（goaf，即煤层开采后形成的空洞及塌陷空间）、废弃巷道与老采空区逐渐成为潜在污染来源。老窑水（old-working water）水质受水位恢复、采空区蓄水、水-岩作用与采矿扰动共同塑造，单一水化学或空间邻近关系难以判断出水点是否共享补给源或水力联系。山区采矿区中断层可成为通道也可成为屏障，相邻出水点未必属于同一系统，但既有研究多聚焦区域含水层或采空区之间连通性，出水点尺度、且以断层相隔时的系统分异研究不足，限制了可靠源解析与分区修复设计。

该研究发表于《Water》。研究人员以山西宁武县春景洼闭坑煤矿为案例，针对F2正断层相隔的S1、S2两个老窑水出水点，融合流量动态、水化学、氢氧稳定同位素（δD、δ¹⁸O）与采空区抽水试验四类独立证据，判别二者是否属于同一补给-排泄系统，并解释F2两侧构造与采矿扰动差异。

主要关键技术方法上，研究人员布设S1、S2流量与采样观测，并以ZK2、ZK3为采空区抽水井、ZK4为观测孔；样本队列来自2021年6月至12月天然监测期S1与S2逐次约10天间隔流量记录、2021年7月至2022年1月每月水化学样、2021年12月6至25日稳定同位素样，以及ZK2/ZK3/ZK4水位与出水点流量同步记录。方法包括流量动态与降雨表观响应分析、以《地下水质量标准》III类限计算超标倍数（exceedance factor）、δD–δ¹⁸O投图对比全球与汾河源局部大气水线（GMWL、LMWL）、采空区27天分期抽水并用水位降深（drawdown）与三角堰流量响应诊断连通性、对同频匹配日值做Spearman秩相关（Spearman rank correlation）量化孔水位降深与出水点流量关系。

研究结果如下。

4.1 S1与S2的流量动态及降雨响应对比：天然监测显示S2流量变幅为S1的9.7倍，S2对10月3–5日77.4 mm降雨在下次观测中由4.111升至8.630 m³/h，S1无清晰响应。研究人员据此认为S1受蓄水体调节、S2对短期补给更敏感。

4.2 S1与S2的水化学特征与超标水平：两口点均具酸性、TDS、总硬度、SO₄^2?、Fe、Mn、耗氧量、NH₄⁺-N超标等老窑水异常；S2的TDS、SO₄^2?、Fe、Mn、耗氧量、NH₄⁺-N中位数超标均高于S1，2021年11月部分指标S1升、S2降，呈反相位变化，支持二者受相对独立水文地球化学过程控制。

4.3 出水点与采空区水的氢氧同位素组成：所有样靠近GMWL与LMWL，无显著蒸发偏移；S1、ZK2、ZK3的δ¹⁸O均值差≤0.08‰并聚簇，S2较该组偏重约0.33‰且范围不重叠；抽水期同位素稳定，说明S1与采空区水来源相似，S2属不同补给水。

4.4 对采空区抽水试验的响应：27天抽采约2.99×10⁴ m³采空区水后，ZK2/ZK3/ZK4降深约1.94、2.25、2.29 m；S1由1.090降至停泵前约0.10 m³/h、降幅约91%并在停泵后部分恢复，与三孔降深强负相关系数ρ为?0.933至?0.958且p<0.001；S2维持约5.06 m³/h，与ZK2/ZK3相关不显著，与ZK4虽正显著但符号违背连通机理，故未检出与南部采空区水可类比的水力联系。

讨论部分总结：研究人员强调四类证据分属流量行为、化学成分、保守示踪与主动扰动维度且指向同一结论，天然观测提假设、水化学与同位素从成分侧佐证、抽水试验从水力侧验证。F2为走向近东西、南倾65–75°、落差20–30 m、破碎带3–5 m的正断层，其南北侧分别保留完整采空区蓄水系统与浅部煤露头、小窑（small-pit）、塌陷裂隙及坡积物快速入渗系统；F2不是均一隔水边界，而是试验尺度上的构造分隔带，F3逆断层才是南部采空区水南界。研究也说明显著正相关的S2–ZK4来自时间趋势而非水力因果，日值聚合仍可能有残差时间依赖，p值仅作辅助。局限包括同位素仅采于12月低流量期、天然流量约10天一点故事件滞时只能做表观比较、抽水仅作用于南部采空区故对北部系统是直接证据缺失、F2内部渗透结构未由专门水力试验量化。意义在于闭坑煤矿相邻出水点不可凭空间邻近归为同一源，应按采空区头控排水、处理蓄存水、封补径流通道，以及北部封小窑、回填裂隙、截坡面径流的分区治理。

结论部分翻译如下。

（1）天然监测期S2流量变幅为S1的9.7倍且降雨表观响应更快；多数污染指标中位数超标水平S2更高；稳定同位素将S1与ZK2、ZK3归为一组，S2组成不同；旱季采样中S2平均δ¹⁸O比较S1–ZK2–ZK3组合高约0.33‰。

（2）抽水试验进一步证实两系统差异：抽除约2.99×10⁴ m³采空区水后，S1流量降约91%且停泵后部分恢复，S2无明显响应；支持S1与南部采空区水系统水力联系，试验尺度未检出S2具可类比联系。

（3）综合证据识别出跨F2的两套不同补给-排泄系统：S1主要受南部采空区蓄水调控，S2受北部浅部汇流快速入渗补给主导；F2在出水点与试验尺度为构造分隔带，但不应视为均一隔水断层。该出水点尺度源解析为断层发育闭坑煤矿区划定修复目标与分区管控提供了实用依据。