1. 引言

宿州市地处安徽最北部，与苏、鲁、豫三省多个县市接壤，粮食播种面积1400余万亩、居全省第二，粮食总产约占全省的11.1%，是标准的农业大市。全市多年平均年降水量850 mm左右，降雨主要集中在夏季(约占全年降水量70%)，平均水资源总量约30亿m³，人均水资源占有量580 m³，不到全省平均水资源占有量的一半、全国平均水资源占有量的1/4，由于全年降雨量少，导致河湖自净能力不足，农业的发达与水资源的匮乏形成了鲜明的矛盾[1]-[4]。

截至2021年，宿州市采矿业总产值约占全市工业总产值的三分之一，占全市经济总值的百分之十左右，其中煤炭是宿州市最大的优势矿产。煤矿开采过程中，为了保证采煤免受水害的影响，通常要排出大量的矿井水(从周围含水层和老的采空区汇集于矿井的水)，随着矿井水资源化技术的研究和开发，大量的矿井水如能很好地加以利用，能够部分缓解农业灌溉严重缺水的实际情况。但如果矿井水整体呈现出矿化度高、溶解性总固体含量大，悬浮物多、浑浊度高的特点，直接外排会污染矿区周边的生态环境，破坏生态平衡，引起矿区周边一系列的水环境问题。因此对研究区内水文地质条件、矿井水水化学特征、水质以及灌溉适宜性进行评价研究对流域的水土保持、水质管理和生态健康都具有重要意义。

2. 区域水文地质

宿南矿区位于淮北煤田的东南部，包括祁南矿、桃园矿、朱仙庄矿等多个煤矿(图1)。淮北煤田位于淮北平原的北部，大地构造单元处于华北板块东南缘，地势总体上呈现西北高而东南略低的微微倾斜趋势，四周大的断裂构造控制了该区地下水的补给、径流、排泄条件，中部还有宿北断层，其间又受徐宿弧形推覆构次一级构造的制约。区内河流较多，纵横交错，水位流量受气候影响季节性变化。

Figure 1. Location map of the study area

图1. 研究区区域位置图

淮北煤田可以分为南北两个水文地质分区，分界处以宿北断裂作为参考，研究区划属于南区，四周被大的断裂切割和制约，这些断裂大多充填较好，一般能起到隔水作用。矿区内煤系地层均被第四系、新近系土壤层覆盖，按岩性结构自上而下可分为四个含水层(组)和三个隔水层(组)，各含水层之间基本无水力联系，二叠系煤系地层裂隙不发育，含水性弱，矿井水文地质条件复杂。

3. 矿井水水化学特征

通过对矿区的22个样品进行阴阳离子平衡误差计算，所有样品全部来自宿南矿区，选取目标为煤系砂岩裂隙水。阴阳离子的平衡误差计算在水化学中用于检验测试数据可靠性的一种常用方法，具体计算方法为阳离子与阴离子的浓度差比上两种离子的浓度和，单位基于离子的毫克当量浓度(meq/L)，理想状态下两种离子浓度是相等的即计算结果接近零，但由于实验过程中少数离子会沾在器皿中导致该值不为零，通常只要误差在5%以内都认为数据是合格的[5]-[8]。

计算分析得出了宿南矿区矿井水的pH值均大于7，呈现碱性，这主要是由于地层中存在的碱性岩石以及煤层含硫量偏低所导致，水岩作用对矿井水各组分的变化具有重要影响，包括pH值的调节，从而影响了矿井水的化学性质。TDS (溶解固体总量)均值在1300 mg/L左右，矿化度较高，超过正常饮用水的标准。样品中离子主要以K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl⁻、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 、 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 、 ${\text{CO}}_3^{2-}$ 为主，阳离子中钠钾的浓度远远高于钙镁的浓度，阴离子以 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 为主。通过对筛选出来的22个数据进行处理，绘制出关于宿南矿区煤系砂岩水的Piper三线图(图2) (一种用于展示水样化学成分的图形工具[9] [10])。对图2进行整体分析，图中的样品点水化学类型比较单一，其中除少数样品是SO₄-Na型外其余绝大多数都是HCO₃-Na型，结合研究区内地质资料，阳离子即Na⁺的主要来源为砂岩中钠长石的风化作用，阴离子即 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 与 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 主要来源于砂岩中的长石和黄铁矿等矿物的溶滤作用，使得水中Na⁺、 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 和 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 离子的浓度偏高，水化学类型基本为HCO₃-Na型。

Figure 2. Piper three-line diagram of water chemistry of samples in Su’nan mining area

图2. 宿南矿区样品水化学Piper三线图

4. 阴阳离子吸附交替作用

阳离子交替吸附作用是水文地球化学中的一个重要现象，其原理主要涉及到土壤或岩石颗粒表面带负电荷，能够吸附水溶液中的阳离子，不同的阳离子在岩土表面的吸附能力存在明显差异，简单来说，离子价位越高半径越小时吸附能力就更强。在一定的条件下，吸附的某些阳离子会改变地下水中的组分，比如在含水层中，常见的粘土矿物、氧化物、氢氧化物和有机质等物质作为吸附剂，与地下水不断发生吸附解吸或离子交替吸附作用，从而改变地下水的化学成分，这种作用在环境科学和生态工程领域具有重要意义，尤其是对于污染物在地下水中的迁移和转化过程，吸附解吸作用常常起着控制作用。

Chloralkali index (氯碱指数)是一种评估水化学特征的方法，结合上述阳离子交替吸附作用的原理，计算时有两个指标：

$\text{CAI-}1={\left({\text{Cl}}^{-}-{\text{Na}}^{+}-\text{K}\right)}^{+}/{\text{Cl}}^{-}$

$\text{CAI-}2=\left({\text{Cl}}^{-}-{\text{Na}}^{+}-{\text{K}}^{+}\right)/\left({\text{SO}}_4^{2-}+{\text{HCO}}_3^{-}+{\text{CO}}_3^{2-}+{\text{NO}}_3^{-}\right)$

这两个指标可以有效地指示岩土与地下水中发生的阳离子交替吸附作用。如果该值大于0则说明水中Na⁺和K⁺的含量在降低，也就是水中的Na⁺会置换了岩土中Ca²⁺和Mg²⁺，发生了逆向的交换，反之如果这两个值小于0则说明水中Na⁺和K⁺的含量在升高，也就是水中的Ca²⁺和Mg²⁺置换了岩土中的Na⁺。通过计算宿南矿区样品的氯碱指数CAI-1和CAI-2，结果显示绝大部分的结果为负数，其中CAI-1的值在−1.7~−15.6之间，CAI-2的值在−0.4~−1之间，说明宿南矿区的地下水存在正向离子交换即水中Ca²⁺和Mg²⁺被围岩中Na⁺和K⁺交换，导致水中Na⁺浓度偏高。

5. 灌溉适宜性评价

宿州处于皖北地区相对比较缺水，如果能使用矿井水直接对农田直接灌溉就可以大大缓解这种现象，因此对宿南矿区的矿井水灌溉适宜性进行研究显得极为迫切。计算水源的钠吸附比(SAR)和钠百分含量(SC)可以判定该水源是否适合灌溉，因为这两个指标涉及到水中阳离子是否对农作物生长存在碱害，计算公式如下所示，其中离子浓度单位为mmol⁻¹。

$\text{SAR}=\frac{c\left({\text{Na}}^{+}\right)+c\left({\text{K}}^{+}\right)}{\sqrt{c\left({\text{Ca}}^{2+}\right)+c\left({\text{Mg}}^{2+}\right)}}$

$\text{SC}=\frac{c\left({\text{Na}}^{+}\right)+c\left({\text{K}}^{+}\right)}{c\left({\text{Na}}^{+}\right)+c\left({\text{K}}^{+}\right)+2c\left({\text{Ca}}^{2+}\right)+c\left({\text{Mg}}^{2+}\right)}\times 10$

通过对样品水化学数据进行计算，绘制SAR和SC的相关散点图(图3)，查阅灌溉相关水质标准，当水源SAR值小于10时被认为可以直接用于灌溉，当SAR大于18时被认定不能直接用于灌溉，若该值介于两者之间需要处理方可，同理SC值小于20时被判定为灌溉适宜，大于40不能直接用于灌溉，介于20和40之间要进行进一步的化学处理，观察图3可知，只有1个样品点的SAR小于10，2个样品点的SAR介于10~18之间，其余皆大于18灌溉行被判定为不适宜。所有样品点的SC值均大于40，综上所述，研究区矿井水总体水质较差，不能直接用于农业灌溉。

6. 结论

1) 研究区矿井水TDS较大，超过常规的饮用水标准，整体呈弱碱性，常规离子以K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl⁻、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 、 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 、 ${\text{CO}}_3^{2-}$ 为主，阳离子中钠钾的浓度远远高于钙镁的浓度，阴离子以 ${\text{HCO}}_3^{-}$ 为主。

Figure 3. Evaluation of suitability of mine water irrigation in the study area

图3. 研究区矿井水灌溉适宜性评价

2) 研究区水化学类型比较单一，基本为HCO₃-Na型，与砂岩中长石矿物的溶解有关，地下水存在正向离子交换即水中Ca²⁺和Mg²⁺被围岩中Na⁺和K⁺交换。

3) 对宿南矿区矿井水水样进行灌溉适宜性评价分析，在计算钠吸附比和钠百分含量两个指标的基础上，判定研究区矿井水不能直接用于农业灌溉。

基金项目

宿州学院重点科研项目(2022yzd01)；宿州学院重点科研目(2023yzd08)。

参考文献