山西省阳泉山底河流域煤矿“老窑水”动态特征、演化机理及对娘子关泉域的环境效应

【研究目的】煤矿“老窑水”以分布范围广、隐蔽性强、污染程度重、自然净化慢、持续时间长等特点,成为后采煤时代严重威胁中国生态文明建设的重要制约因素。【研究方法】本文以山西省阳泉市山底河流域煤矿“老窑水”为研究对象,通过长系列水质和水量系统性监测,运用统计学方法系统分析了山底河流域老窑水的水量和水质动态特征及其演化机理,评估了“老窑水”对娘子关泉域岩溶水的环境效应。【研究结果】研究表明,山底河“老窑水”总出口pH值平均为3.58,TDS平均为4744 mg/L,SO_(4)^(2-)平均为3327 mg/L;雨季地下水位上升后与采空区接触面积或体积增大和降雨量的影响滞后等是造成煤矿“老窑水”的流量与水化学特征指标电导率、SO_(4)^(2-)浓度非线性相关的主要原因;煤系地层中黄铁矿的强氧化反应主要发生在地下水位季节变动带、包气带和地表;煤矿采空积水区的一定深度为还原环境,具备开展微生物法治理的条件;山底河煤矿“老窑水”出流后进入下游碳酸盐岩河段渗漏,对娘子关泉域岩溶水的渗漏补给量达7247.08 m^(3)/d,水质差,是娘子关泉域岩溶地下水的重要污染源。【结论】山底河流域“老窑水”流量对降雨量的调蓄周期为半年;水化学特征指标与流量呈非线性相关,“老窑水”黄铁矿的强氧化反应主要发生在地下水位季节变动带、包气带和地表;“老窑水”出流后渗漏补给娘子关泉域达7247.08 m^(3)/d,SO_(4)^(2-)、Fe和Mn超标严重,对泉域岩溶水污染严重,急需开展煤矿“老窑水”的治理和废弃煤矿生态修复。

娘子关泉水流量的GM(1,2)时滞预测模型

娘子关泉位于山西省阳泉市平定娘子关附近,多年平均流量10.93m3/s,是我国北方最大的岩溶泉群。泉域西高东低,西部多为古生界二叠系、中生界三叠系砂页岩覆盖,大气降水入渗在这里形成浅层地下水,这些浅层水是深层岩溶含水层的间接补给水源;泉域东部为岩溶裸露区,大气降水直接入渗补给深层岩溶水。由于岩溶泉域地质结构的复杂性和含水介质的多重性,泉域降水对泉水补给具有明显的灰色动态特征和时滞效应。本文应用灰色系统理论方法,建立了GM(1,2)时滞模型,运用该模型对娘子关泉水流量进行了预测,结果与实际相接近。

娘子关泉域降水补给的时滞研究

针对娘子关泉域降水补给的时滞问题展开研究,根据泉域水文地质条件的灰色系统特征,提出了带有时滞的灰色关联分析模型,并运用该模型对泉域不同区域的降水量与泉水流量进行了时滞分析,结果表明,娘子关泉域不同区域的降水对娘子关泉的补给时滞存在差异,位于中间主流带的阳泉市、平定、盂县、昔阳与和顺的降水时滞为2年;位于西南、西北径流区边缘的寿阳和左权的降水时滞为4年。

山西娘子关泉水及污染成因再分析

山西娘子关泉水是我国北方最大的岩溶泉水之一,也是世界著名大泉,上世纪80年代前多年平均天然流量12.6m^3/s。文章利用1∶5万娘子关泉域岩溶水文地质环境地质调查项目勘探调查成果,对以下2个问题开展再分析:(1)娘子关泉水的成因,勘探等资料表明绵河南岸五龙泉、苇泽关等泉组主要接收下部中、上寒武统含水岩组岩溶水的补给,而非前人研究来源于上部中奥陶至下奥陶含水岩组补给;(2)结合水文地质条件,采用同位素等方法分析,认为部分地区煤矿老窑水的出流是导致娘子关泉水近年来加速污染的主要原因。

岩溶渗漏河段来水量与渗漏量间关系测试研究

通过对娘子关泉域桃河岩溶渗漏段上下断面14次洪峰过程测流结果分析,建立了河流来水量与渗漏量间的非线性方程,对河流来水量大小、水量在时间上的动态分布特征和计算过程中所采用的时间尺度对河流渗漏量的影响进行了讨论。

山底河流域煤矿酸性矿井水野外监测

酸性矿井水在我国鲁西南、山西、内蒙、云南和贵州等煤矿区普遍存在,酸性矿井水其pH往往在2~5之间,高SO_(4)^(2−)、HB、TDS、Fe、Mn。这些物质进入地下水、地表水或土壤后,会对其造成严重危害。文章选择山西阳泉市典型废弃煤矿区山底河流域为研究区,通过水文地质调查,水文地质钻探,水文地质剖面等方法阐述山底流域地层岩性,水文地质条件概况,得出受煤矿开采影响,与天然条件下相比山底河流域的地表水和地下水的补给、径流、排泄条件均发生了根本变化。补给通过破坏产生的导水裂隙带运移,以垂向运动为主;径流通过坑道,导水裂隙带运移,以横向运动为主;排泄以矿坑排水和泉水溢出方式为主。并简述山底河流域煤矿酸性矿井水试验站观测站分布情况与水化学特征。

娘子关泉域岩溶水氢氧同位素特征及影响因素浅析

为了研究娘子关泉域岩溶水状况及补给运移规律,系统采集了泉域内岩溶水、地表水样品,分析测试了样品的δD、δ^(18)O值,利用氢氧同位素方法,通过分析氢氧同位素特征及其影响因素研究岩溶水的补给来源及各含水层的相互联系。研究结果表明,大气降水和河流渗漏补给是泉域内岩溶水的主要补给来源。由于大气降水的高程效应和温度效应,导致泉域内δD、δ^(18)O值存在一定的差异。由于受到强烈蒸发后的大气降水及河流渗漏水的补给,河流沿岸岩溶水的δD、δ^(18)O值相对较高。同时对娘子关泉群城西泉、五龙泉和集泉站的D和^(18)O同位素分析结果表明,城西泉水来源于近源低海拔的补给源;而五龙泉和集泉站泉水来源于深循环、远距离、较高补给高程与地表水交换弱的补给源。通过以上研究,进一步明确了娘子关泉域岩溶水的补给运移规律,为当地政府合理开发及可持续利用娘子关泉域岩溶水资源提供了理论支撑。

山西娘子关泉钙华记录的MIS12/11以来的气候和植被历史

对山西娘子关绵河不同阶地上沉积的泉钙华进行了高精度的230Th定年和碳氧稳定同位素组成测定。结果发现,绵河II级阶地沉积的娘子关泉钙华的最老年龄在407～466ka,远老于早前通过钙华中的石英砂热发光法(TL)获得的年龄,即绵河II级阶地上的娘子关泉钙华是在中更新世MIS12/11阶段形成的,而非原来认为的是晚更新世的产物。由此推测,绵河III级阶地娘子关泉钙华形成的年代更早,可能是中更新世的MIS14/13阶段。230Th测年获得的绵河I级阶地顶部的钙华形成于5ka前,即是在全新世中期以前形成的。结合钙华规模及其碳氧稳定同位素组成分析进一步发现,上述绵河三级阶地上的娘子关泉钙华均主要是湿热气候下的产物。然而,自II级阶地钙华形成至今,气候总体上在向干冷方向发展,泉域植被则呈现退化的趋势。

娘子关泉域岩溶水脆弱性模糊综合评价

地下水脆弱性评价是区域地下水资源管理和保护的重要手段之一,针对娘子关泉域岩溶水的特殊性,基于欧洲脆弱性评价方法,选择包气带厚度、入渗补给量、包气带岩性、岩溶含水层的导水性能(泉水响应)四个因子,采用模糊综合评价法评价地下水脆弱性,并且绘制地下水脆弱性分区图。评价结果表明,极易污染区主要分布在娘子关泉群出露的地区,即泉源处;极难污染区主要分布在盂县—阳泉—平定—昔阳—和顺一带以西地区,寿阳县大部分地区。评价结果在合理制定保护娘子关泉域方面具有一定的参考价值。

娘子关泉域岩溶地下水SO_4^(2-),Ca^(2+),Mg^(2+)污染分析

分析了娘子关泉域岩溶地下水ＳＯ２－４，Ｃａ２＋，Ｍｇ２＋等组分含量增多的原因，并定量地探讨了ＳＯ２－４，Ｃａ２＋，Ｍｇ２＋的各种来源比例。研究表明，含水层中石膏溶解及硫化物氧化是造成ＳＯ２－４，Ｃａ２＋，Ｍｇ２＋高含量的主要原因，控制硫化物氧化水进入含水层，对水质改良有显著效果。

岩溶水源地安全供水的风险评价指标筛选--以娘子关泉水源地为例

以山西省阳泉市娘子关泉水源地为例,探索岩溶水源地评价指标体系的建立。在充分考虑娘子关泉水资源特点的基础上,结合DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-响应)评价模型和针对岩溶含水层脆弱性的欧洲模式指标框架,建立评价指标备选集。首先选择专家咨询与实际情况相结合的综合分析方法,收集2011—2015年相关指标数据,对所有备选指标进行第一次筛选;然后运用主成分分析法对定量指标进行第二次指标筛选,并用主成分分析法对筛选结果的合理性进行验证;最终确定了涵盖社会、经济、环境、政策4个方面,包含5个准则层19个指标的娘子关泉岩溶水水源地安全供水风险评价指标体系。经过验证,筛选的指标具有合理性和适用性,根据该指标可有效识别水源地风险来源。

优化技术在娘子关泉域岩溶地下水开采资源量评价与管理中的应用

我国北方岩溶地下水,多数是以泉域水资源系统为单元进行循环的,各岩溶地下水系统以规模大、系统结构复杂为典型特征。在岩溶地下水开发利用过程中,如何兼顾各开采水源地的开采量、井采与泉水流量间等关系,以避免出现水文地质环境问题,是多年来水文地质界一直关注的问题。本文将水资源系统与供水系统相结合,采用优化技术建立了娘子关泉域岩溶地下水评价管理模型,以此为基础提出了多种开发方案,为类似地区的地下水评价与开发管理提供范例。

娘子关泉岩溶地下水水化学特征分析

天然地下水系统中的水-岩相互作用是控制地下水水质的主要水文地球化学过程,地下水水质取决于水-岩相互作用的程度。本文通过对阳泉市娘子关泉岩溶地下水水文地球化学的调查,并利用水-岩相互作用理论,分析了娘子关泉岩溶水系统地下水的水化学特征及其水质恶化的原因。结果表明:造成该地区岩溶地下水水质恶化的主要影响因素是采矿活动,其作用方式主要表现为采矿排水下渗补给和矿坑水越流补给两方面,其作用结果导致地下水中SO24-和部分微量元素含量升高;此外来自生活或工业污水的渗漏补给对该地区岩溶地下水水质也有影响,主要表现为地下水中NO3-、硼等污染组分含量上升。

水化学—稳定同位素技术在岩溶水文 地质研究中的应用

水化学—稳定同位素技术在岩溶水系统分析中得到了广泛的应用,尤其是在指示岩溶水文地球化学过程、识别岩溶水补给循环途径、溶质溯源及岩溶水污染监测防控等方面显示了独特的优势,产生了丰富的成果。本文着重阐述了环境稳定同位素δD、δ18O、87Sr/86Sr的工作原理,及水化学—稳定同位素技术在岩溶水文地质研究中的应用。此外,论文还以娘子关泉域和北京西山岩溶水系统为例,介绍了运用水化学—稳定同位素技术分析岩溶水系统补给的思路和方法,展望了该技术在岩溶水文地质和岩溶生态环境领域中的应用前景。

娘子关泉流量衰减原因的初步定量化分析

以娘子关泉为例,从水资源系统观点出发,通过系统水资源要素间转换关系的分析,对引起娘子关泉流量的衰减原因进行了初步量化计算。结果表明,在娘子关泉1956-1979年和1980-2000年前后两个系列平均流量所减少的4.07m3/s中,由于降雨减少、气温升高引起的泉流量减少量为1.28m3/s;泉域西部采煤等导致的水环境变化引起的泉流量减少量为0.84m3/s;岩溶地下水直接开采引起的泉流量减少量为1.48m3/s。

娘子关泉胶串珠藻生长和分布的季节动态

1992年 9月至 1994年 6月间 ,对分布于山西娘子关泉的胶串珠藻 (Batrachospermum gelati nosum)生长和分布的季节动态进行了研究 .定期测定水温、pH值、流速、藻体出现频度、平均盖度和藻体的一些形态特征 .结果表明 ,娘子关泉域水体温度、水体的pH值和流速季节变化幅度都不大 ;藻体出现频度和盖度有明显的季节性变化 ,从秋季到次年的春季逐渐增加 ,生长最旺盛的时期在 5月 ;藻体生长发育有明显的季节性变化规律 ,在晚秋到早夏生长良好 ,在春末夏初生长达到高峰 ,而且藻体各部分的生长和发育基本上同步 .

娘子关泉灰色系统模型研究

在研究娘子关泉水文地质条件及其开发利用现状的基础上 ,运用灰色系统理论 ,建立了娘子关泉灰色系统模型 ,对娘子关泉的流量进行了预测 ,对娘子关泉流量与泉域内各子区降水量的关系进行了研究 。

人类活动条件下娘子关泉流量的变化趋势预测

研究了娘子关泉的多年 (1 95 6～ 2 0 0 0年 )流量变化过程 ,指出人类活动在 1 988年以后对泉流量具有不可忽视的削减作用。在分析娘子关泉月流量 (1 988～ 2 0 0 0年 )动态特征的基础上 ,利用指数修匀法建立了泉流量拟合模型 ,模型精度验证表明该模型的拟合精度是可靠的。最后 ,通过所建模型对娘子关泉 2 0 0 1～ 2 0 0 5年的月流量变化趋势进行预测 ,预测结果表明这

娘子关泉域地下水污染现状评价

采用单项指标法和综合污染指数法两种方法对娘子关泉域地下水污染现状进行了水质评价。单项指标监测结果表明,氯离子、硫酸根离子、总硬度、溶解性总固体污染较为严重,主要分布在锁簧、荫营、韩庄一带。综合污染指数法表明,除李家庄坪上岩溶水经净化处理成为没有污染的水点外,其余均有不同程度的污染。

岩溶水水化学特征在水文地质条件分析中的应用——以娘子关泉群岩溶水系统寿阳区为例

娘子关泉群岩溶水系统寿阳区从补给区到迳流区、排泄区水化学特征变化具有明显的规律性,岩溶水自北向南随着中奥陶统灰岩含水层埋深由浅变深,富水程度由强变弱,径流条件由积极趋滞缓,矿化度、总硬度和SO42-由低变高。为水文地质条件的分析与建立水源地和矿山防治水提供了地质依据。