1. 引言

在我国所拥有的自然资源中，煤炭资源量占比最高，煤炭资源对于保障国家能源安全、确保能源平稳供给至关重要，伴随着工业发展以及其他领域的发展，需求日渐增加，有很多领域需要使用煤炭取代石油和天然气等资源，这便导致煤炭资源大量开采[1] [2]，但是，煤炭的开采也伴随生态环境的破坏，而作为生态环境系统中最重要的因子，水环境的保护成为矿区生态建设的首要问题([3], p. 139)。

诸多学者对煤炭开采区水环境进行研究，如方文惠等[4]通过对淮南矿区塌陷塘水环境状况的监测分析，得出塌陷塘的水体已受到一定程度的污染，水体的主要影响因子为富营养化。Liu H等[5]利用两种多元统计方法——因素分析法和主成分分析法对陈旗盆地潜水水质样本的归一化数值进行了分析，进而揭示出陈旗盆地潜水水质的宏观分布规律。程晓静等[6]测定淮南典型矿区不同年龄沉陷塘水样的微量元素Mn，Ni，V，As和Cr的含量，运用Pearson相关性和主成分析法识别微量元素的来源，同时采用美国环境保护局(USEPA)推荐的健康风险模型对其进行健康风险评价，得出受采煤活动影响，煤矿开采初期，沉陷水体微量元素浓度较大，应做好敏感微量元素治理和安全风险管控；随塌陷年龄增加，沉陷塘水体的微量元素对人体产生的健康风险越小的结论。而针对采矿区地下水水化学特征及水质评价研究较少，因此本文以宿东矿区采煤塌陷塘周边地下水作为研究对象，采用数理统计法、水化学图解法进行地下水水化学类型和物质来源进行了分析。运用综合水质指数(WQI)饮用评价、灌溉水质评价进行水质评价。研究结果为该区地下水资源的保护和利用提供理论依据，对该区水环境评价具有参考意义。

2. 样品与实验方法

2.1. 研究区概况

研究区位于安徽省宿州市埇桥区朱仙庄镇东侧采煤沉陷区内。朱仙庄矿位于市东南13 km处，朱仙庄镇，北起植物园南边缘(界洪河)，穿303省道向东南延伸，地表为平原，宿灵公路贯穿矿区，专用运煤铁路与京沪铁路连接，交通运输便利。朱仙庄煤矿于1983年建成投产，煤种为三分之一焦煤和气煤，产能为120万t/年，矿区井田面积约21.56 km²，是淮北煤田的重要组成部分，位于宿东向斜北翼，轴部为二叠系，两翼由石炭系和二叠系组成，总体呈SN向。区内地层有奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、新近系和第四系。朱仙庄煤矿含水层由新生界松散含水层、侏罗系含水层、二叠纪砂岩含水层、太灰含水层以及奥灰含水层组成，由于第四纪含水层的特殊位置，造成其是矿井水的主要来源，也是塌陷区域水来源。目前，宿州朱仙庄煤矿塌陷塘面积约为23.36 km。研究区内居民的经济来源主要以种植业为主，并在塌陷塘内有水产养殖活动进行。

2.2. 样品采集与测试

2023年12月在宿州市埇桥区东部采煤塌陷塘塘水及附近村庄与农田地下水进行系统水样采集工作，共采集水样36件，采样点分布见图1。在采集地下水水样时，先用预采集水样对事先用纯水清洗过的样品瓶润洗3次后装瓶至溢出，贴好标签密封保存。使用GPS工具箱(中国小狼信息技术有限公司)对采样点经纬度信息进行现场记录。利用便携式测试仪，对pH、TDS (溶解性总固体)、ORP (氧化还原电位)进行现场测定、记录。其余水化学指标在安徽省矿井水资源化利用重点实验室测试。采集样品经0.45 μm滤膜抽滤后低温保存，随后进行主离子测试。采用美国赛默飞公司ICS-600型和ICS-900型离子色谱仪分别对阳离子(Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Li⁺)、阴离子( ${\text{SO}}_4^{2-}$ 、Cl⁻、F⁻、 ${\text{NO}}_3^{-}$ )检测分析， ${\text{HCO}}_3^{-}$ 和 ${\text{CO}}_3^{2-}$ 采用滴定法测定[7]。

Figure 1. Geographical location and sampling point distribution of research area

图1. 研究区地理位置及采样点分布图

3. 实验结果与讨论

3.1. 水化学类型与水化学特征分析

对研究区采集的36件水样水化学指标进行统计分析结果见表1，研究区地下水中阳离子主要以Na⁺为主，其离子质量浓度占阳离子总量的58.09%，平均浓度为131.34 mg/L，阳离子平均质量浓度呈现Na⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > K⁺的关系；阴离子主要以 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 为主，其离子质量浓度占阴离子总量的60.66%，平均浓度为346.63 mg/L，阴离子呈现 ${\text{HCO}}_3^{-}$ > ${\text{SO}}_4^{2-}$ > Cl⁻ > ${\text{NO}}_3^{-}$ > F⁻的关系。地下水pH值范围为7.32~8.67，平均值为8.02，整体呈弱碱性。36件样品中有4件样品TDS值超出仪器测量范围，剩余32件样品的TDS含量介于451.00~978.00 mg/L之间，平均值为529.64 mg/L，属于淡水类型[8]。氧化还原电位(ORP)为94.00~187.00 mV，平均值为136.81 mV，适于硝化反应的进行[9]，有助于净化水质，减少水中的有害物质。

Table 1. Statistical analysis of groundwater hydrochemistry characteristic value in the study area

表1. 研究区地下水水化学特征值统计分析

Piper三线图是一种常用于反映水化学主离子的相对丰度和分布特征，分析水化学成分演化规律的水化学类型图示方法[10]。基于地下水测试结果，绘制地下水Piper图，如图2所示。研究区地下水阳离子三角图中，水样点沿Na⁺-K⁺边线分布，Na⁺为优势阳离子；阴离子主要沿阴离子三角图 ${\text{HCO}}_3^{-}$ + ${\text{CO}}_3^{-}$ -Cl⁻边线分布，表明阴离子以 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 和 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 为主， ${\text{HCO}}_3^{-}$ 占主导优势。根据舒卡列夫分类，研究区地下水样品水化学类型大部分为Na-HCO₃型，共21件，占总水样的58.33%，部分为Ca-HCO₃型，共8件，占总水样的22.22%，少量为Na-SO₄型，共3件，极少量为Na-Cl型和Mg-HCO₃型，皆为2件。

3.2. 影响因素及主离子来源分析

3.2.1. 岩石风化

Gibbs图解法是揭示研究区水体来源机制分析与水化学形成作用的重要方法之一[11]。Gibbs [12]通过对世界多数地下水的TDS与Na⁺/(Na⁺ + Ca²⁺)及Cl⁻/(Cl⁻ + ${\text{HCO}}_3^{-}$ )关系研究，总结出影响地下水化学组成的三大控制因素：蒸发浓缩作用控制型、岩石风化作用控制型、降水作用控制型。其中，溶解性物质含量较低且Na⁺/(Na⁺ + Ca²⁺)的比值或Cl⁻/(Cl⁻ + ${\text{HCO}}_3^{-}$ )的比值接近1时，具有该特征的点分布于Gibbs模型的右下角，表明此种地下水离子来源以降水控制为主；溶解性物质含量中等且Na ⁺/(Na⁺ + Ca²⁺)的比值或Cl⁻/(Cl⁻ + ${\text{HCO}}_3^{-}$ )的比值小于0.5或位于0.5附近时，该地下水的水化学组分以岩石风化作用控制为主导，此种特征点分布于Gibbs模型中部靠左；溶解性物质含量较高且Na⁺/(Na⁺ + Ca²⁺)的比值或Cl⁻/(Cl⁻ + ${\text{HCO}}_3^{-}$ )的比值接近1时，该地下水的特征点位于模型的右上角，反映该地下水离子来源受蒸发–结晶控制为主。研究区溶解性物质质量浓度中等，Na⁺/(Na⁺ + Ca²⁺)的比值在0.93~0.22，Cl⁻/(Cl⁻ + ${\text{HCO}}_3^{-}$ )的比值在0.02~0.47。如图3所示，研究区地下水化学组成主要受岩石风化作用控制。

Figure 2. Groundwater hydrochemical Piper diagram

图2. 地下水水化学Piper图

Figure 3. Groundwater Gibbs diagram of research area

图3. 研究区地下水Gibbs图

3.2.2. 离子来源分析

地下水水化学成分主要来源于岩石的风化溶解，Ca²⁺、Mg²⁺来源以碳酸盐岩、硅酸盐岩和蒸发岩的溶解为主，Na⁺、K⁺来源以蒸发岩和硅酸盐岩的溶解为主， ${\text{SO}}_4^{2-}$ 、Cl⁻来源以蒸发岩的溶解为主， ${\text{HCO}}_3^{-}$ 来源以碳酸盐岩和硅酸盐岩溶解为主，通常使用混合图揭示地下水水域中，化学风化作用产生的离子来源[13]。由图4研究区水样中Ca²⁺/Na⁺与 ${\text{HCO}}_3^{-}$ /Na⁺、Mg²⁺/Na⁺的离子浓度比值主要分布在硅酸盐岩附近，表明其离子来源受硅酸盐岩、碳酸盐岩、硫酸盐岩的风化溶解作用影响，以硅酸盐岩的风化溶解作用影响为主。

Figure 4. Relationship between Ca²⁺/Na⁺ and ${\text{HCO}}_3^{-}$ /Na⁺, Mg²⁺/Na⁺

图4. Ca²⁺/Na⁺与 ${\text{HCO}}_3^{-}$ /Na⁺、Mg²⁺/Na⁺关系

3.3. 地下水水质评价

3.3.1. WQI饮用评价

综合水质指数(WQI)被广泛运用于地表水、地下水水质评价工作中，根据世界卫生组织(WHO)水质参数标准[14]，见表2，采用加权算术指数法计算每个样品的WQI，本研究选取Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl⁻、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 、 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 、pH、TDS、 ${\text{NO}}_3^{-}$ ，10个指标进行地下水WQI饮用评价，其计算过程见文献[15]。基于WQI可将水质情况分为5类：WQI < 25，表明水质极好；26 < WQI < 50，表明水质好；51 < WQI < 75，表明水质差；76 < WQI < 100，表明水质极差；WQI > 100，表明水质不适宜饮用。由图5可知，研究区地下水样本中有68.75%分布于26 < WQI < 50区间内，表明水质较好；剩余水样WQI值均大于51，最大值达到164.83，说明样品水质差或极差，不适合饮用。

Table 2. Weight value of each chemical parameter

表2. 各化学参数权重值

Figure 5. WQI value of groundwater in the study area

图5. 研究区地下水WQI值

3.3.2. 灌溉水质评价

灌溉水中化学组分较高的水体进行灌溉时会导致土壤盐碱化，进而影响植物生长[3]。对此，选取EC (电导率)、Na% (钠百分比)作为研究区灌溉水质评价参数，用Wilcox图解法绘制灌溉水分类图(图6)对研究区地下水进行灌溉水质评价。结果显示，图6中水样位于水质过滤类和水质良好类两个区域，表明研究区地下水可直接作为灌溉水使用，且合理利用不会使土壤盐碱化。

Figure 6. Classification of irrigation water quality in the research area

图6. 研究区灌溉水质分类

4. 结论

通过对研究区进行样品采集、测试与分析，得出如下认识：

(1) 研究区地下水为淡水，呈弱碱性(7.32 < pH < 8.67)。地下水中阳离子以Na⁺为主，其离子质量浓度占阳离子总量的58.09%，Ca²⁺次之；阴离子以 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 为主，其离子质量浓度占阴离子总量的60.66%， ${\text{SO}}_4^{2-}$ 次之。

(2) Piper图分析得出研究区地下水水化学类型以Na-HCO₃为主，部分为Cg-HCO₃型。

(3) Gibbs图得出研究区地下水以岩石风化作用控制为主导。混合图分析得出水化学组分来源受硅酸盐岩、碳酸盐岩、硫酸盐岩的风化溶解作用影响，以硅酸盐岩的风化溶解作用影响为主。

(4) WQI评价结果表明，研究区地下水不适合饮用；灌溉水质评价结果表明，研究区地下水样品均可直接作为灌溉水使用，且合理利用不会使土壤盐碱化。

基金项目

安徽省大学生创新创业项目(淮北平原高硝酸盐地下水微生物群落群落结构及组装过程，S202410379177)；安徽省教育厅优秀人才项目(拔尖人才，gxbjZD2022075)；宿州学院虚拟教研室项目(勘查技术与工程虚拟教研室，szxy2022xnjys04)；宿州学院新建专业质量提升项目(勘查技术与工程新建专业质量提升项目，szxy2023xjzy02)。

参考文献