贵州省凯里市鱼洞岩溶大泉成因与水质污染研究.pdf
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1、第42 卷第5期2023年10 月水环境贵州省凯里市鱼洞岩溶大泉成因与水质污染研究李仁启,罗康生,陆治斌,罗邦良,付宏学3,张先慧(1.贵州省地质矿产勘查开发局一0 一地质大队,贵州凯里556 0 0 0;2.贵州省地质环境监测院,贵阳550 0 0 0;3.中国煤炭地质总局第三水文地质队,河北邯郸0 56 0 0 1)摘要:为推进凯里市鱼洞河流域酸性矿井水治理,进而改善鱼洞河流域水环境现状,采用资料收集、地质及水文地质测绘、物探、钻探、水质分析、地下水动态长观等工作方法,深入研究了鱼洞河岩溶大泉形成及水质污染成因。研究结果表明鱼洞岩溶大泉出露于平路河断层破碎带中,由泥盆系尧梭组承压水与栖霞茅
2、口组潜水混合而成,受地形切割,在平路河(鱼洞河支流)右岸出露。水质污染主要是因为原高家庄煤矿、州煤矿采矿破坏了顶板二叠系栖霞茅口组岩层中地下水径流管道,顶板含水层中地下水充入采空区中与黄铁矿(FeS,)发生水解反应,致使铁(Fe)、锰(M n)、硫酸盐(SO2-)、p H 等指标严重超标,煤矿关闭后老空区水位上升,老空水再次通过斜井、导水裂缝带等进入岩溶管道,进而污染了鱼洞泉。通过该项研究,夯实了鱼洞河流域煤矿酸性矿井水地学治理的理论基础,进一步完善了鱼洞河流域酸性矿井水治理路径,对类似流域酸性矿井水治理研究更是一个不可或缺的经验参考。关键词:鱼洞河流域;鱼洞岩溶大泉成因;污染现状;污染成因;
3、地学治理中图分类号:X522Study on the Cause of Formation and Water Pollution ofYudong Karst Spring in Kaili City,Guizhou ProvinceLI Ren-qi,LUO Kang-sheng,LU Zhi-bin,LUO Bang-liang,FU Hong-xue,ZHANG Xian-hui(1.No.101 Geological Brigade of Guizhou Provincial Bureau of Geological&Mineral Exploration&Development,K
4、aili,Guizhou 556000,China;2.Guizhou Geological Environment Monitoring Institute,Guiyang 550000,China;3.The Third Hydrogeological Team of China Coal Geology Administration,Handan,Hebei 056001,China)Abstract:In order to promote the treatment of acid mine water and improve the current water environment
5、 of Yudong Riverbasin in Kaili City,the formation of Yudong River Karst Spring and the causes of water pollution were studied in depth by meansof data collection,geological and hydrogeological mapping,geophysical exploration,driling,water quality analysis,and long-termobservation of groundwater dyna
6、mics.The results showed that the Yudong Karst Spring is exposed in the fault fracture zone ofPinglu River,which is composed of the pressure water of Devonian Yaosuo Formation and the phreatic water of Qixia MaokouFormation.It is cut by the terrain and emerges on the right bank of Pinglu River(a trib
7、utary of Yudong River).The waterpollution is mainly caused by the mining of the original Gaojiazhuang Coal Mine and Zhouzhou Coal Mine,which damaged thegroundwater runoff pipeline in the strata of the Permian Qixia Maokou Formation of the roof,and the groundwater in the roofaquifer filled the goaf t
8、o hydrolyze with pyrite(Fe S,),r e s u l t i n g i n i r o n (Fe),m a n g a n e s e (M n),s u l f a t e (SO 2-),p H a n dother indicators seriously exceeding the standard.After the coal mine was closed,the water level in the old goaf rose,and the oldempty water again passed through the inclined shaf
9、t and the water conducting fracture zone entered the karst pipeline and pollutedthe Yudong Spring.Through this study,the theoretical basis of geological treatment of acid mine water in Yudonghe River basinhas been consolidated,and the treatment path of acid mine water in Yudong River basin has been
10、further improved,which is anindispensable experience reference for the study of acid mine water treatment in similar river basins.Keywords:Yudong River basin;cause of formation of karst big spring in Yudong;pollution status;causes of pollution;收稿日期:2 0 2 2-0 8-31基金项目:贵州省地质矿产勘查开发局地质科研项目鱼洞河流域煤矿井下封堵还原环
11、境再造地学治理研究(黔地矿科合【2 0 2 1 19 号);黔东南州科技计划项目“黔东南州岩溶区场地土壤污染物迁移规律研究”(黔东南科合丁字 2 0 2 0 0 6 2 号)。作者简介:李仁启(19 9 1-),男,贵州镇远人,2 0 14年毕业于贵州大学水文与水资源工程专业,工程师,主要从事水文地质、工程地质和环境地质相关工作。四川环境SICHUANENVIRONMENTD0I:10.14034/ki.schj.2023.05.017文献标识码:A文章编号:10 0 1-36 44(2 0 2 3)0 5-0 118-10geoscience governanceVol.42,No.5Oct
12、ober 20235期引言凯里市鱼洞岩溶大泉为鱼洞河流域最大污染源,梁浩乾等 I研究表明鱼洞河下游水体pH值、SO2-、Fe、M n 明显超标,评价结果为重度污染。为加强生态文明建设,贯彻落实党中央、国务院关于保护环境,治理环境,恢复生态的政策精神,推进凯里市鱼洞河流域酸性矿井水治理,进而改善鱼洞河流域水环境现状,本文对鱼洞河流域鱼洞岩溶大泉形成及水质污染成因进行了研究,可为鱼洞河流域煤矿酸性矿井水治理方面,在地学视角提供理论基础。目前针对煤矿酸性矿井水成因及治理的相关研究较多,李庭、李怀展等 2-3 研究指出矿井闭坑后停止抽排地下水,水位回弹后将淹没废弃的矿坑、巷道、采空区和工作面等,除采矿
13、活动遗留的润滑油、液压油等污染物外,采场、含煤地层和相邻含水层等中的有害物质都会汇人地下水系统,使废弃矿井成为潜在的污染源,同时矿坑废水还可通过采动裂隙、断层和封闭不良钻孔等通道造成地下水串层污染,或溢出地表造成大面积的地表水污染。尹国勋等 41 研究表明在煤矿水污染的类型中,酸性矿井水的危害最显著。目前国内外对矿山酸性清C69水S306河福泉贵定S306C321麻江S309黔南州)州(市、地)城县(市、区)城铁路一高速公路一一国道一一省、县道等图1鱼洞河流域地理位置图Fig.1Geographic Location of Yudong River Basin李仁启等:贵州省凯里市鱼洞岩溶大泉
14、成因与水质污染研究瓮安重安江鱼洞河3308水G321鑫东南州江G32120km-州(市、地)界119水处理方法主要有化学处理、物理处理及生物处理等,其中最常用的工艺方法主要包括中和法、微生物法、人工湿地法及膜法等 5。近年,李曦滨 6 提出了源头控制+末端治理的综合治理技术。现有污染机理研究,多是针对污染物本身化学成分进行,未充分考虑污染形成的水文地质条件,因而治理方式多为末端治理,即使近年提出源头控制,也比较宏观,未提出清晰路径,因而在治理时不仅投资成本高,而且治理效果较差。因此,本文选取贵州省凯里市鱼洞岩溶大泉为典型案例,充分分析研究区水文地质条件,深入探讨了鱼洞岩溶大泉形成及污染成因,进
15、而为下步鱼洞河流域酸性矿井水治理工作奠定了坚实的地学治理基础,也可以对类似流域酸性矿井水治理提供经验参考。1材料与方法1.1研究区概况鱼洞河流域位于贵州省黔东南苗族侗族自治州凯里市北西方向,中心点至凯里市城区直距16 km左右(见图1),地理坐标极值:东经10 7 42 2 7 1075742,北纬2 6 35 16 2 6 44 47 。鱼洞河施秉S204S306阳黄平舞S806清台江剑河雷山40km县(市、区)界河流鱼洞河流域镇远120流域面积2 40 km,其范围内蕴藏大量的煤炭资源,自2 0 世纪8 0 年代开始的近2 0 年中,鱼洞河流域的煤矿开采处于无序状态,造成了河流的严重污染,
16、河水呈现黄、褐黄、褐红色,铁离子含量严重超标,为劣类水质,污染现状触目惊心 6 。由于无序的采煤活动,鱼洞河流域生态环境遭到了严重破坏,形成了山青水“锈”的境况,严重影响了区内五镇9.6 万居民的日常生活,减少了当地耕地面积约2 330 hm,每年间接经济损失达1.6 亿元 7 9)。全流域涌水矿井41处,铁(Fe)、锰(M n)、硫酸盐(SO2-)、p H 值严重超标,流量0.014475.74L/s,平均39.52 9 L/s,总涌水量1.62m/s,占鱼洞河流量4.2 3m/s的38%,即三分之一还多 10 1,而鱼洞河岩溶大泉流量0.47 5m/s,占总矿井酸性废水的2 9%左右,占整
17、个鱼洞河的10%左右,对整个鱼洞河污染贡献最大。1.2水文地质条件鱼洞河为平路河及白水河交汇而成,然后汇入重安江,凯里市鱼洞河岩溶大泉(图中简称“鱼洞泉”)位于鱼洞河流域南东部鱼洞河支流平路河中游右岸(见图2),出露于平路河断层破碎带中,高程7 0 8 m。该岩溶大泉为梁山组下盘泥盆系碳酸盐岩(白云岩)承压含水系统与上盘二叠系栖霞四川环境茅口组碳酸盐岩(灰岩)潜水含水系统共同的排泄点,二叠系栖霞茅口组潜水含水系统面积约7km,泥盆系承压含水系统面积约2 9 km。系统范围整体地势南东高北西低,高程一般7 10 9 6 0 m,为小起伏低山溶蚀地貌,地表岩溶漏斗、岩溶洼地、落水洞、天窗等发育,地
18、表无常年性河流、水库、湖泊等大的地表水体积,地表、地下水受地形控制整体自南东向北西径流,平路河(鱼洞河支流)为该区最低侵蚀基准面,鱼洞岩溶大泉在其右岸排泄,通过2 0 2 2 年18 月地下水动态长观(矩形堰测量,一般10 天观测一次,降雨加密观测),观测期间流量9 547 5L/s,地下水稳定系数0.2,为较稳定型,可知岩溶大泉系统不仅地下水流动空间大且补给源丰富 ,通过本次研究也证明了此观点。系统范围内自上而下地层分别为第四系(Q),二叠系栖霞茅口组(Pzq+m)、二叠系梁山组(P,l)及泥盆系尧梭组(D,y)。第四系岩层主要分布于岩溶洼地等低缓地带,岩性主要为灰黄色、砖红色褐黄色粘土、亚
19、粘土夹碎石等,含松散岩类孔隙水,区内未见泉点出露,富水性贫乏。二叠系栖霞茅口组大面积分布研究区,岩性主要为灰、深灰色中厚一厚层晶灰岩、生物碎屑灰岩,厚117 32 7 m,含碳酸盐岩岩溶水,含水介质重安冷水大风码镇狗河洞鱼42卷白水河路河消水洞白天生桥水炉山镇河东门水库洛帮水库五里桥水库龙滩沟大两泡木林水库万潮镇岔图2 鱼洞河流域水系分布图Fig.2Water System Distribution Map of Yudong River Basin平鱼洞泉河龙场镇图例乡镇被污染鱼洞泉山河未受污染河流被污染河流12.3 km5期为溶洞管道,整个鱼洞河流域范围内分布泉点39个,流量0.0 141
20、7 4.2 9 L/s,平均流量8.678L/s,暗河出人口5个,流量8.59 2 800.000L/s,平均流量2 37.56 8 L/s,地下径流模数4.2910.26L/skm,富水性强,地下水埋藏类型为潜水。二叠系梁山组隐伏于栖霞茅口组地层下,岩性为以石英砂岩、铝土岩、碳质页岩及烟煤、铝土质页岩及菱铁矿等,厚14 2 2 m,含基岩裂隙水,含水介质为风化裂隙,整个鱼洞河流域范围内分布5个泉点,流量0.333 2.2 9 4L/s,平均流量1.2 33L/s,地下水径流模数 1L/skm,富水性弱,为相对隔水岩组。泥盆系尧梭组隐伏于二叠系梁山组之下,岩性主要为灰黄、灰白色厚层块状白云质生
21、物屑灰岩,粗晶白云岩,砾屑白云岩等,厚6 0 32 0 m,含碳酸盐岩岩溶水,含水介质为溶孔溶隙,整个鱼洞河流域范围内分布泉点15个,流量0.0 14 136.6 10 L/s,平均流量16.450L/s,地下水径流模数3.17 6.7 13L/skm,富水性强,地下水埋藏类型为承压水。系统范围内断层构造不发育,为单斜构造。1.3研究方法本次研究主要通过资料收集、地质及水文地质测绘、物探、钻探、水质分析、地下水动态长观等工作方法,对凯里市岩溶大泉形成与水质污染成因进行了深入剖析。收集资料主要为矿山井上井下对照图及地质图,在通过MAPCIS校正、数字矢量化后叠加于收集的地质图中作为地质及水文地质
22、测绘163落水洞高(m)715-6000注:1二叠系栖霞茅口组碳酸盐岩潜水含水系统,富水性强,2 二叠系梁山组碎屑岩隔水岩组,富水性弱(相对隔水层),3-泥盆系尧梭组碳酸盐岩承压含水系统,富水性强,4-二叠系栖霞茅口组,5二叠系梁山组,6-泥盆系尧梭组,7-灰岩,8 白云岩,9-炭质粘土岩,10 铝土质粘土岩,11断层破碎带,12 受污染的岩溶大泉(上:编号,下:流量)2.1.1二叠系栖霞茅口组碳酸盐岩潜水含水系统该系统面积约7 km,北侧以地表分水岭为界,东边及南部以二叠系梁山组地层界线为边,西侧以地表分水岭界,北侧以平路河为边(见图4),系李仁启等:贵州省凯里市鱼洞岩溶大泉成因与水质污染研
23、究岩溶大泉成因分析自然条件下,研究区地层沉积呈连续完整状态,梁山组中发育铝土、粘土岩相对隔水层,梁山组底部煤系之上的栖霞-茅口组(Pzq+m)岩溶含水岩组与下部泥盆系尧梭组(D3y)岩溶含水岩组之间不存在水力联系,为单独的含水系统 12 。鱼洞河岩溶大泉主要由二叠系栖霞茅口组碳酸盐岩潜水含水系统及泥盆系尧梭组碳酸盐岩承压含水系统因断层破碎带影响共同在此排泄地下水形成,其形成模式见图3。暗河入口8 8 0天窗2器浴管道PL岩浴管道D.y10P.q+m23121底图。采用穿越法及追索法对含煤层地质界线及重要地质构造进行核查、修正,保证地质内容准确、测绘精度符合规范要求,地层岩性及构造特征是划分地下
24、水系统边界的重要依据。水文地质测绘主要是对岩溶地貌形态(落水洞、天窗、岩溶洼地、漏斗等)、泉点、暗河出入口、矿井口分布等进行调查,进而大致查明地下水系统的补径排特征。通过高密度电法、音频大地电磁法、瞬变电法及充电法等物探主要目的为查明采空区、确定地下水主径流带等。钻探能验证物探同时、还能掌握地下水流场特征、采空区或煤层分布特征及顶底板水文地质特征。通过水质全分析确定研究区污染因子及污染程度。地下水动态长观包含了枯、丰季(矩形堰测量,一般10 天观测一次,降雨加密观测),可定性推断岩溶大泉的储水空间及补给情况。2结果与讨论2.12000PI5D.y4图3鱼洞泉成因示意图Fig.3Origin o
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