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Scientific Journal of Earth Science June 2013, Volume 3, Issue 2, PP.29-40

Environmental Problems and Variable Characteristics of Karst Water in Northern China Yongpin Liang, Weitai Wang, Chunhong Zhao, Wei Wang Institute of karst geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin, Guangxi 541004 Email: lyp0261@sina.com

Abstract Karst groundwater of Northern China with characteristics as high concentration degree, dynamic stability and good water quality, it provides water supply for local city life, industrial and agricultural production. In recent 30 years, along with the change of natural surrounding and the intensified human activities; the input-structure-transport forms-output was changed fundamentally. As a result, a big amount of springs dried up, another’s flux had a dramatically degradation, regional karst groundwater level declined, water contaminated and quality deterioration. And all these direct results brought a lot of hydro-geological problems such as karst collapses, ground fissures, seawater intrusion, lower of travel function and lost of ecological function, etc. Finally, it will aggravate the situation of human requirement for more and more water, threaten water security directly, and even affect society stability. This article according to investigation and data sorting, summaries problems of hydro-geological environment and its development trend of karst area in Northern China, and take some typical case to illustrate the problem, aim at attract attentions of people and government, to promote the protection of karst groundwater and provide reference for programme setting and research at the same time. Keywords: Northern China; Karst Groundwater System; Environmental-geological Problem

中国北方岩溶水变化特征及其环境问题* 梁永平,王维泰,赵舂红,王玮 中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部 壮族自治区岩溶动力重点实验室,广西 桂林 541004 摘

要 : 我国北方岩溶地下水以集中程度高、动态稳定、水质良好成为当地重要的城市生活及工农业生产供水水源。

近 30 年来,随着自然条件改变和人类活动强度的加大,岩溶水系统从输入—结构—水资源要素转换关系-输出均发生变 化,岩溶泉水干涸、流量大幅度衰减、区域岩溶地下水位持续下降、水质污染且总体趋向恶化并带来诸如岩溶地面塌陷、 地裂、海水入侵、旅游功能降低、生态功能丧失等诸多的岩溶水文地质环境问题,加剧了水资源需求日趋紧张的状况。 本文根据实地调查资料和前人成果的综合分析,对北方岩溶水变化特征及其环境问题进行初步归纳总结,采用一些典型 事例加以说明,意在引起社会各界对此问题的关注,加大岩溶水资源保护力度,同时,也为广大学者开展相关立项与研 究提供参考依据。 关 键 词 : 中国北方; 岩溶水系统; 环境地质问题

引言 北方岩溶水所固有的集中程度高、动态稳定、水质良好的属性,不仅成为 30 多个地市级以上城市和 100 多个县级城市以及广大岩溶山区乡村人畜饮用水、数十个大中型火电厂冷却用水,北方 70%以上大型煤矿生 活、生产用水和上千万亩农田灌溉用水水源,同时不少泉水由于其丰富的历史和文化内涵、独特自然景观成 *

国土资源部公益性行业科研项目:中国北方岩溶区地下水环境问题成因机制与保护对策研究(编号:200811022) - 29 http://www.j-es.org/


为重要旅游资源,并发挥着维系河流沿岸良性生态环境功能。岩溶水特别在北方城市供水和能源基地建设中 发挥者不可替代的支撑性作用。近 30 年来,受气候变化和人类活动的影响,北方岩溶地下水环境问题凸显 并带来了一系列负面效应。

1 北方岩溶水流量与水位变化 1.1 岩溶泉水断流 中国北方岩溶地下水主要以相对独立、规模不等的水资源系统进行循环[1],岩溶泉水是系统最主要的天 然排泄形式。椐统计,全区流量大于 1000 l/s 的泉水有 41 处、大于 100 l/s 的 170 余处。近 30 年来,北方超 过 30%的大泉断流或接近断流。其中包括了山东济南趵突泉、山西太原晋祠泉、河南辉县百泉、北京玉泉山 泉等国内外著名的岩溶大泉。北方断流的主要岩溶泉水见图 1、表 1。

图1 北方岩溶环境水文地质略图 1-岩溶水系统边界 2-系统分区界线 3-行政区界线 4-矿坑突水点 5-岩溶塌陷区 6-岩溶泉 7-间歇性断流岩溶泉 8-干涸岩溶泉 9-无样品的系统 10-系统 代表样的TDS<300mg/L的系统 11-300≤系统代表样的TDS<500mg/L的系统 12-500≤系统代表样的TDS<1000mg/L的系统 13-1000≤系统代表样的 TDS<2000mg/L的系统 14-系统代表样的TDS>2000mg/L的系统

表 1 北方干涸(接近干涸)、间歇性干涸泉水汇总表 行政区

泉水名称

北京市

玉泉山泉,上清水泉*,马刨泉**,万佛堂泉,(秦城泉,九龙泉)

天津市

公乐亭泉

河北省

黑龙洞泉**,邢台百泉,十股泉,一亩泉,潘桃峪泉,(白龙洞泉,邢台达活泉)

河南省

九里山泉,辉县百泉,珍珠泉**,超化泉,柏树嘴泉,三李泉,妙水寺泉**,龙涧泉,石羊关泉,庙沟泉

内蒙区

拉僧庙泉,伊克尔双泉北泉* - 30 http://www.j-es.org/


山东省

趵突泉**,明水泉**,老龙王泉**,羊庄泉,渊源泉,十里泉,西长旺泉*,郭娘泉,沣水泉,白泉,两城 泉,荆泉,葫芦套泉,芦泉,楼德泉,神头泉**,临沂大泉,枣庄大泉,两城泉,龙口泉,(泰安旧县泉, 渭河头泉,东泉)

山西省

晋祠泉,兰村泉,古堆泉,辛安泉***,娘子关泉***,郭庄泉*,洪山泉,峡口泉,海头泉,南梁泉,(五 龙泉,兴道泉,东固壁泉,悬泉寺泉,枝柯泉,台北泉,吴城泉)

陕西省

筛珠洞泉,龙岩寺泉,周公庙泉,神泉,(滚泉)

甘肃省

平凉暖泉

宁夏区

(滚泉)

江苏

三官庙泉

注:*为接近断流泉水,**为间歇性断流的泉水,***为部分泉组断流的泉群,()内为未划分出岩溶水系统的泉水

1.2 泉水流量衰减 北方80%的岩溶大泉流量出现大幅度持续性衰减的趋势。图2是山西省有流量记录的15个岩溶大泉总流量 曲线[2]。1956—1979和1980—2008年前、后两期总流量由73 m3/s减少到46 m3/s,到2008年仅为34.84 m3/s,不 足早期流量的50%。

图 2 山西 15 个岩溶大泉年总流量动态曲线

河南珍珠泉在1990年前,泉水平均流量1.46m3/s,到1991年后,泉水流量骤减为0.61m3/s,且枯水期经常 出现断流。 河南小南海泉,1966年—1976年十年间泉的平均流量为7.5 m3/s;1977—1989年的泉平均流量为5.51 m3/s;1990 —1999年泉平均流量为4.45 m3/s;2000—2002年泉的平均流量为4 m3/s,特别是2000年春夏,流量降至1.95 m3/s。 山东章丘明水泉,上世纪70年代前平均流量达到3.99 m3/s,80年代开始衰减,到达90年代后期流量锐减 到1.00 m3/s以下,其中1983年4月、1984年4月、1987年5月、1989年4月至1990年6月、1993年4—5月、1999 年7月至2003年8月断流,连续断流的时间逐渐加长。 河北黑龙洞泉流量上世纪80年代以前,流量为自然变化,受降水量影响较大;上世纪80年代,由于人工 开采和煤矿开采排水影响,泉流量急速下降期,泉流量由6.98 m3/s下降到2.21 m3/s,减少了4.87 m3/s,且经常 出现断流。

1.3 区域岩溶地下水位持续下降 区域岩溶地下水位的下降与泉水流量衰减相伴出现。近二十几年来,我国北方岩溶地下水位普遍呈现出 区域性持续下降趋势,年下降速度一般在1~2m。 山西三姑泉域20世纪80年代等水位线图表明,600m标高岩溶水等水位线在北石店以南,到2004年向北推 - 31 http://www.j-es.org/


移约20km,形成了晋城—北石店—巴公—高平低槽状漏斗群,南北长40km。 山西晋祠泉于1994年断流后,2008年泉口地下水位已低于地面34.36m。 山西兰村1986年断流后,泉口S1孔2010年平均地下水位低于地面35.48m。

图 3 山西兰村泉口 S1 孔岩溶水位动态曲线图(山西省兰村泉域管理处资料)

山西郭庄泉域岩溶水系统北部汾阳市一带,在石盘山断层以东的山前形成了100km2以上的严重超采区。 汾酒集团石门沟水源地自1992到2007年水位下降近82.05m;南垣底孔1977年到2011年下降幅度74.71m;汾阳 市自来水SK1孔水位,从1990年到2011年,21年间累计下降84.58m。 山西娘子关泉域岩溶水系统,从1982年到2004年岩溶地下水整体下降约20m,410m岩溶地下水位等水位 线所封闭的面积从383km2扩大到681km2。 河北邢台市区,按1991—2000年资料统计,岩溶地下水位年平均下降1.4~1.6m,1999年最大埋深达 85.06m,已经发生多次“水荒”和工矿企业因“吊泵”而停产事件。2007 年邢台市地下水漏斗区面积占全 市平原总面积的近60%(邢台市水务局资料,2007年)。 河北黑龙洞泉域岩溶水系统,上世纪80年代以前,人工开采和矿井疏排水较少,仅在部分水源井的供水、 矿井排水地段形成了局部小漏斗,基本反映的是天然流场形态,进入上世纪80年代以后区域地下水位呈逐年 下降的趋势。到90年代初期,泉群多次出现断流,地下水天然流场已逐渐演变为人工开采型地下水流场。羊 角铺水源地水位已低于黑龙洞泉区水位。 徐州市区岩溶地下水位自上世纪70年代以来出现持续下降趋势,1980—2008年间,在小山子—九里山 地段,岩溶地下水位年均下降1.09m,丁楼水源地降落漏斗区从3.5km2扩大到65.5 km2;七里沟水源地降落漏 斗区从2.9km2扩大到36.2 km2。 内蒙桌子山地区拉僧庙泉,1984年干涸,到2000年泉口处地下水位已降至地面以下8m,2002年为22m, 2006年31.92m,到2007年达到42m。系统内棋盘井一带岩溶水位埋深从本世纪初114m到2008年降至约170m, 年均下降近10m。 据陕西渭北中部龙岩寺泉域、筛珠洞泉域系统内的地下水观测资料,1979年到2000年期间在仅有少量农 村人畜用水情况下,岩溶地下水位降幅都普遍在10m以上,最大永寿营里孔降幅度达17.51m[3];渭北东部袁 家坡泉—温汤泉—瀵泉域岩溶水系统,数千平方公里范围内地下水位标高在360~380m之间,地下水水力坡 度0.03‰左右,1995年以来,区域岩溶地下水位年降幅近1.0m左右(图4)。 山东泰安市区岩溶地下水位1960—1983年下降31.38m,1984—1990年下降17.30m/a,虽然1990年以后水 位有所上升,但对多年趋势性积累的降深远远无法弥补[4]。 山东淄博沣水泉域岩溶水系统内的南仇—辛店—大武水源地,从1976年6月到1984年5月该处水位已下降22m。 河南平顶山市寒武系岩溶水由于采煤降压排水,地下水位已由1957年的83m,降到2001年-110m以下,目 - 32 http://www.j-es.org/


前在李口集向斜南翼已形成了长约40km的降落漏斗[4]。

图 4 陕西渭北鲁桥孔岩溶地下水位动态图

河南荥巩岩溶水系统由于采煤排水,矿区岩溶水位一直呈阶梯状下降状态,自1987年到2005年岩溶地下 水位标高从150m降到20m。 据河南珍珠泉域岩溶水系统内的阜城西岩溶水动态观测资料,自1982—1995年,地下水位下降约20m。 北京玉泉山泉泉口标高47.2m,1974年断流,到2008年附近岩溶地下水位已下降至21.78m,特别在1996 年大规模开发后,岩溶水位呈直线下降(图5)。

图 5 北京玉泉山一带岩溶地下水位动态曲线图(北京市水文地质大队资料)

安徽淮北市区岩溶地下水位平均标高从1976年的29m,降到1999年的4m。 北方岩溶水水量变化是气候、人类活动以及岩溶水系统特定的水文地质条件相互作用的结果。以泉水断 流为例(图1),汾渭地堑两侧岩溶水系统的泉水成因多与具有导水性的山前断裂带有关,泉水对断层带内 的岩溶水开采活动反应敏感,目前在地堑两侧分布的21个系统中有12个主排泄带泉水断流;鲁中丘陵山区有 16个泉水断流,岩溶地下水位埋浅,开采成本低,农业灌溉是导致断流或季节性断流主因;太行山前、豫西 地区的岩溶水系统多数为“单斜顺置型”模式[1],泉口下游存在大面积承压区,煤矿开采的降压排(突)水 导致大量泉水干涸。

2 岩溶水水质恶化 岩溶水系统的高度开放性使得岩溶地下水具有与外界强烈的物质交换特点,更易于受到污染;岩溶地下 水系统发育规模大、汇水面积广,岩溶地下水补给具多元性而使得影响水质因素复杂化;北方多数岩溶水系 - 33 http://www.j-es.org/


统为“水煤共存”系统,而且具有“煤在楼上,水在楼下”结构特点,煤矿开采、发电、农业施肥等活动形成 的工业废气、废水不同程度地参与进地下水的循环过程,使得岩溶地下水水质遭受污染并出现不断恶化趋势。 根据我们2008—2010年对北方115个岩溶水系统主排泄区的系统代表性水化学性样品(一般为岩溶泉水, 没有泉水的由附近井水或系统内主要水源地代替)和历年收集的857个岩溶地下水水化学样品(区域分布上 不均匀,存在一定缺陷)的水质分类评价结果表明,Ⅰ类、Ⅱ类水所占比重都在58%以上,Ⅳ类、Ⅴ类水的 比重分别为18.14%~26.26%(表2)。按照国家饮用水标准,超标项目中主要有TDS、HB、SO42-、Cl-、F-、 三氮、TFe和挥发酚。其中山东35个样品(全部为2009年取样), NO3-平均含量为55.18 mg/L,有6个样品的 NO3-含量在100mg/l以上。 表 2 岩溶地下水分类评价数量比重统计表 系统排泄区代表样品

全区样品

样品 分类

样品数(个)

所占比重(%)

样品数(个)

所占比重(%)

Ⅰ类水

13

11.30

156

18.20

Ⅱ类水

56

48.7

259

30.22

Ⅲ类水

24

20.87

217

25.32

Ⅳ类水

11

9.57

65

7.59

Ⅴ类水

11

9.57

160

18.67

图6是1986—2009年娘子关泉水主要离子年平均含量(共采用201个样品,按照年度平均计算)的动态曲 线。从图中清楚地看出水化学含量组分呈增长的趋势。 山西三姑泉域的晋城市区一带SO42-含量,从上世纪90年代初的60mg/L增加到2000年后的100mg/L以上。 河南焦作九里山泉域岩溶水系统部分地段岩溶水Cl-自80年代后污染程度逐渐加重,系统内岩溶水Cl-背景 值为26.69mg/L,1998年测得最高值为128.73mg/L[6],2000年最高值达1191.22mg/L,最大样点达2135 mg/L。 东小庄、阎河、岗庄、化三等水源地(井)水中Cl-含量都呈现出逐年增加。

图 6 娘子关泉水年均水质动态曲线图

从趵突泉的水质含量动态图(图7)可以看出,其主要离子含量长期处在增长的状态。 山东平阴岩溶水系统内下马头水源地岩溶水TDS含量从1995年的488mg/L增加到2000年以后的560mg/L 以上。 江苏徐州岩溶地下水的强烈开采,使地下水水位持续下降,改变了水动力环境,加快了地下水水力交替 运动,使岩溶地下水化学成分发生了变化。表现在Cl-、SO42-、HB的浓度逐年增大(图8)。据1981—2008年 - 34 http://www.j-es.org/


岩溶地下水监测资料,在市区东区三官庙—七里沟—城中心区,氯离子浓度平均每年增加1.49~3.78mg/L, 硫酸根离子浓度增加1.69~3.76mg/L,总硬度浓度增加3.47~7.99mg/L。西区在小山子—九里山一带,1981 年Cl-浓度为24.36~77.09mg/L,平均每年增加1.52~7.83mg/L。局部地区地下水化学类型已由HCO3-Ca型水转 变为HCO3·Cl(Cl·SO4)-Ca型水,TDS大于1.0mg/L。

图 7 趵突泉水质多年变化图(据李常锁并增加新资料,2004 年)

图 8 徐州岩溶水系统九里山岩溶水源地部分水质组分含量动态曲线

淮北岩溶水系统一电厂水井,1974年水硬度为300mg/L,1992年已达450mg/L(王式成,2001年),2009 年11月测得该井水硬度为460.26mg/L。 气候、水动力和地球化学背景条件是决定岩溶水水质的重要因素,而这些条件的变化以及人类活动使得 “三废”通过各种途径进入岩溶水循环系统是导致水质变化的根本原因。按照国家地下水质量分类标准对山 西18个泉域的24个代表泉点1986年、1987年与2000年以后样品评价,水的质量类型降级的有12个,占总个数 的50%[2],其原因与山西能源基地的大规模建设息息相关。山东以及燕山山前的不少岩溶水系统,在区域岩 溶地下水位下降后使得受农业施肥污染的上覆松散层孔隙地下水反越流补给岩溶水,导致了岩溶地下水中 NO3-含量持续性增加。而在山西晋祠泉域、柳林泉域、河北黑龙洞泉域由于水动力条件变化导致了岩溶水的 开采型污染。

3 岩溶水变化带来的环境问题 岩溶水环境问题发生的实质是岩溶泉域水资源循环过程中的补、排关系的长期失衡和环境质量的变化, - 35 http://www.j-es.org/


这种变化同时也带来了负面效应与地质灾害。

3.1 影响供水功能 由于区域水位下降和地下水污染使原有水井吊泵、报废,影响了正常供水。 拉僧庙泉域岩溶水系统内棋盘井一带3眼井报废。 徐州市七里河岩溶供水水源地,总供水量35万m3/d,2001年5月,水源地中53口水井中发现了四氯化碳, 污染面积达17.5km2(韩宝平等,2004年)目前该水源地已不能供水。贾汪区自来水公司由于岩溶水严重超采, 水位埋深从2~3m降至最深100m以下,导致该水源报废(王光亚,2000年)。 汾渭地堑两侧多数泉水主要出露在山前高程相对较高地方,因此成为各盆地农田灌溉水源,泉水流量衰 减与断流无疑会影响到农业灌溉。如山西洪山泉上世纪80年代前是8万亩良田的灌溉水源,泉水断流后已成 无米之炊。 河南焦作九里山泉域内平广厂、工学院和岗庄水源地的深井,由于Cl-含量的严重超标而无法饮用(潘国 营,2000年,杨涛,2008年)。 娘子关泉域的平定张庄、锁簧和南坪一带,由于灰岩裸露区工业企业的废渣、废液和南川河污水的入渗, 造成了岩溶地下水严重污染(评价地下水类型均为Ⅴ类水),早期在这些地区的饮用水水井全部无法饮用。 同样著名的小河斜井由于水位下降不得不在井底打孔取水。更加严重的是2011年5月期间,阳泉市郊区杨家 庄一带有4个村的水井吊泵而引起恐慌。 山西汾阳市北部地质结构上岩溶含水层呈单斜构造,随着南部区域水位下降,形成北部岩溶水疏干带, 相子垣供水井10年前已吊泵无法提取到水源。与此条件类似的三姑泉域东部晋城市泽州区大兴善获、岭上一 带,天桥泉域东部补给区神池县大黑庄一带,饱水带厚度仅数十米,在区域水位持续下降条件下,同样面临 含水层被疏干、水井吊泵的潜在威胁。

3.2 旅游价值降低、生态功能丧失 山东济南趵突泉、山西太原晋祠泉、兰村泉、洪山泉,河南辉县百泉、珍珠泉,河北邢台百泉,北京玉 泉山泉,内蒙乌海拉僧庙泉等诸多泉水以优雅山光水色景致,天人合一的人文古迹,成为蜚声国内外的旅游 胜地。一些具有母亲河意义的河流同发源于岩溶泉水。如山西汾河发源于宁武县雷鸣寺泉,贯穿整个房山世 界地质公园的拒马河发源于河北来源岩溶泉。然而这些承载了数千年中华古老文明的岩溶大泉在短短几十年 的时段内接踵消亡,令人触目惊心。岩溶泉水流量的衰减使得维系泉口及下游沿岸良性生态环境水源难以为 继,以至生态功能丧失。邢台古城的百泉环城泉涌湿地,和大陆泽湖泊湿地、滏阳河河流湿地构成面积达400 多平方公里的中原第一大湿地。特殊的生态系统功能,为当地人们的生活提供饮用淡水,植物蛋白和生物蛋 白以及生活资料,在经济困难时期,它是哺育当地人民赖以生存的生命补给线。然而这片湿地随着环境变化 和百泉泉水断流消失。

3.3 引发地质灾害 区域水位下降、变动是引发岩溶塌陷的重要原因。经统计,共记录中国北方岩溶塌陷114处(图1),塌 陷坑总计5879个[7]。其中现代岩溶塌陷72处,塌陷坑1583个,古岩溶塌陷(陷落柱)共有42处,塌陷坑有4296 个。现代岩溶塌陷主要分布在岩溶相对发育的东部地区(图1),以水源地抽水引起的塌陷最多,共计59处, 1243个坑,占现代塌陷总数的78.52%。 由于山区岩溶含水层疏干,向平原松散层含水层补给量减少,在山西太原、天津宝坻[8]一带促进了地面 沉降和地裂的发生。山东枣庄市峄城区榴园镇和吴林办事处一带,自1986年以来发生地裂缝以来,开裂坍塌 房屋13000余间,其原因与岩溶地下水位下降变动有关。淄博大武火车站,由于岩溶地下水超采而导致地面 开裂。 - 36 http://www.j-es.org/


3.4 岩溶含水系统间的资源袭夺 区域岩溶水位下降过程中,造成泉域间与地下水分水岭边界的移动,使岩溶地下水系统间发生汇水面积 和资源量的袭夺。太行山西侧从北向南分布的娘子关泉域、辛安村泉域和三姑泉域岩溶水系统间的边界均为 可移动的地下水分水岭边界,在区域岩溶地下水位下降的过程中,地下水分水岭边界也随之进行移动调整。 由于辛安泉域岩溶地下水最低排泄基准(615m)高出北部娘子关泉域(360m)和南部三姑泉域(342m)200m 以上,处于不利的地位,因此在经过20余年水位调整后,辛安泉域的南北边界都向内部压缩了20km以上。

3.5 海水入侵 辽宁旅大区岩溶水过度开采,使上世纪60年代中期开始出现海水入侵,当时面积仅4.2km2,1981年增加 到178.5km2,1986年288.6km2,到本世纪初入侵面积达486km2,入侵距离8.6km,与此同时,地下水中氯离子 平均含量为593 mg/L,最高达7900 mg/L,大魏家供水水源由于海水入侵,供水能力遭到严重影响[9]。与岩溶 水不合理开采相关的问题还有在大魏家、复州湾岩溶水集中开采区相继发生了较为严重的岩溶塌陷。

4 煤矿开采形成的岩溶水文地质环境问题 华北地台特殊的地层结构使得岩溶水与许多矿产(上古生界煤层、山西式铁矿和矽卡岩型铁矿床,中奥 陶统中石膏与盐岩矿,石炭系底部铝土矿等等)形成了矿山开发过程中对岩溶水环境影响的特定依存和影响 关系,其中尤其以煤矿对岩溶水影响最严重。在北方已划出的119个岩溶水系统中有83个为“水煤共存系统[1]; 而由于煤系地层的阻水性、加力东期古岩溶以及煤系地层酸性水的作用使得绝大多数岩溶地下水强径流带都 发育在中奥陶统岩溶含水层与煤系地层的接触面;垂向上,晚古生代下组煤与岩溶含水层顶面地层厚度一般 仅有20~50m,断裂构造往往使得岩溶含水层与煤系地层的直接对接(特别在太行山、燕山前)。这种条件 所决定的是严重的“矿坑突水”水害,并由此定义出了隐含着深受“奥灰水”突水威胁的“华北型煤田”的 概念。

4.1 大水矿床的突(排)水问题 在北方近30年的煤炭开采中,突水事故在数千次之多,以华北平原和鲁中山区最甚,包括河北邯邢煤田、 井陉煤田、开栾煤田,河南鹤壁—安阳煤田、焦作煤田,荥—巩煤田、偃龙煤田、平顶山煤田、新密煤田、 禹县煤田,山东济东煤田、淄博煤田、陶枣煤田、兖州煤田、肥城煤田、新汶煤田以及苏皖的徐州煤田、永 固煤田、淮南矿区等等。此外在山西霍州煤田、宁武煤田、太原东山以及陕西韩城煤田、澄蒲煤田、内蒙乌 海骆驼山煤矿也都发生过奥灰突水事故(图1)。出现特大型突水事故的事例如:1984河北唐山范各庄煤矿, 最大突水量123180m3/d,1979年河南焦做寅马煤矿,最大突水量14580 m3/d,1981年河南鹤壁马村煤矿,最 大突水量13500m3/d,1985年、1993年和1997年在山东肥城隆陶阳煤矿、国庄煤矿、隆庄煤矿发生特大型突水 量事故,最大突水量依次为17940 m3/d,32970 m3/d,15000 m3/d,1986年徐州张集煤矿,最大突水量24098m3/d。 采取人工降压排水保障岩溶水带压区的采煤安全是北方很多矿区的常用的做法,然而不少矿对降压排水未能 充分利用,造成水资源极大的浪费。 北方煤炭资源经过多年开采,多数地区浅部资源已接近枯竭,随着煤炭资源开发向深部发展,岩溶水头 压力将越来越大,是否会形成深部“岩溶突水”是必须回答的问题。由于华北地台在在铜川—保德—石家庄 —德州一线以南,河津—新乡间中奥陶统碳酸盐岩中大范围普遍性地存在“膏溶”岩溶,并发育形成大量岩 溶陷落柱,一些特殊地区深部岩溶比较发育。如柳林泉域岩溶水系统内的吴堡县横沟黄河河谷岩溶水勘探孔, 在标高接近0m,较泉域排泄基准低800m的深度仍然打出单孔涌水量5330m3/d的自流孔。在汾渭地堑、太行山 前断裂构造发育区,岩溶发育深度可达千米以下。因此,我们对深层采煤的岩溶突水问题不能抱以“乐观” 的态度,深部岩溶突水的风险依然存在。 - 37 http://www.j-es.org/


4.2 采煤造成的水质污染问题 在矿山勘探、开采、采后和洗选过程中及相关各类工矿企业形成的“三废”对岩溶水的污染是最普遍的 一种形式。以煤矸石为例,全区目前的积存量已达20亿吨以上,大小煤矸石山堆积数万座,且每年以10%左 右的速度递增,淋滤煤矸石的污水是地下水的重要污染源。采煤过程中排出的矿坑酸性水、高硬度水、高混 浊水、重金属污染水、有毒有害元素污染水、放射性污染水和有机污染水等通过各种途径进入岩溶含水层形 成对岩溶水的污染。 表 3 岩溶水系统有无煤系地层分布的代表样品水质平均含量对比表 分类(样品数)

有煤系(89)

无煤系(46)

有煤/无煤

分类(样品数) 2-

有煤系(89)

无煤系(46)

有煤/无煤

pH

7.33

7.46

0.98

SO4

154.86

66.1

2.34

K++Na+

46.67

28.99

1.61

CL-

60.03

34.63

1.73

HCO3-

278.11

274.58

1.01

TFe

0.0582

0.0328

1.78

-

0.4999

0.3728

1.34

0.000147

0.000082

1.79

HB

381.85

302.89

1.26

F

TDS

672.27

536.63

1.25

Hg

照片1山东淄博北斜井煤矿老窑水溢流地表

娘子关泉水中SO42-多平均含量达到219.9mg/l,且呈增长趋势(图6),泉水中SO42-主要形成于矿坑水进 入下游碳酸盐岩区渗漏和中奥陶统各组底部泥云岩中石膏的溶解。根据δ34S取样分析,娘子关泉水为16.3‰ (8样平均),石膏的平均值24.68‰(4样平均),矿坑水的δ34S平均值-2.48‰(5样平均),由此估算出泉 水中来自煤系地层的硫酸根含量比重为:

24.68  16.3  37.8% 24.68  2.48 对全区内115个系统主排泄点代表性样品(135个样品),按照系统内是否有无煤系地层的样品进行分类 - 38 http://www.j-es.org/


比较(表3),结果表明:有煤系地层的岩溶水pH偏低;而与煤层中硫铁矿、朱砂氧化有关的SO42-、TFe、 Hg含量都是无煤系系统样品的1.5倍以上;TDS、HB、CL-、F-含量和挥发性酚类明显偏高。 我国北方煤矿开采历史悠久,浅部矿区老窑星罗棋布,原中央直属的94个煤炭企业,有2/3的矿山已进入 中老年期及衰退期,全国有50多座矿业城市的资源处于衰减状态,约有400多座矿山已经或将要关闭(李凤 明,2004年)。初步估计北方累积的采空区体积在百亿立方以上,而且以每年10亿立方以上的速度递增。这 部分空间的绝大部分在未来煤矿停采后,将被地下水充填,并形成矿坑污水。在一些地区(特别是发生过矿 坑突水的地区)将通过各种途径渗入下伏岩溶含水层,直接污染岩溶地下水;更多的矿坑污水充满矿井后以 泉水或从矿坑系统排出地表。可以想象未来几十年闭坑后进入采空区的“老窑水”带来的千疮百孔、污水横 流的局面,“老窑水”必将成为影响范围广、影响程度深的“永久污染源”,是北方水环境包括岩溶水环境 在内的定时炸弹,必须尽早应对。 表 4 北方主要岩溶水文环境问题分区统计表 分区

系统数

主要岩溶水文地质环境问题 中部原生污染、泉水流量衰减、断流(3)、部分地区严重超采,矿坑突

鄂尔多斯盆地西缘区(Ⅰ区)

13

吕梁山西侧区(Ⅱ区)

3

汾渭裂谷区(Ⅲ 区)

20

太行山—燕山接壤区(Ⅳ区)

5

太行山西部区(Ⅴ区)

6

太行山东部区(Ⅵ区)

10

矿坑突水(9)、泉水断流或间歇性断流(6)、水质污染

豫西区(Ⅶ区)

11

矿坑突水(6)、泉水干涸(7)

燕山——辽西区(Ⅷ区)

12

泉水干涸(6)、矿坑突水(2),岩溶塌陷(2)、地裂或地面沉降(2)

鲁中南区(Ⅸ区)

31

徐淮区(Ⅹ区)

2

泉水干涸(1)、水位下降、岩溶塌陷(1),地下水污染

太子河区(Ⅺ区)

2

水质污染、岩溶塌陷(2)、矿坑突水(1)

旅大区Ⅻ

1

水位下降、海水入侵、岩溶水污染、岩溶塌陷(1)

水(1) 泉水流量衰减、潜在矿坑突水 泉水流量衰减或断流(7)、区域水位下降、水质污染、沿山前断裂带矿 坑突水(4) 农业、生活污染(水质三氮普遍偏高),矿坑突水(1) 水质污染、泉水流量衰减、部分地区(潜在)的矿坑突水(1)、系统资 源袭夺(地下分水岭移动)

泉水流量衰减、干涸(16),矿坑突水(9)、水质污染、岩溶塌陷(8)、 地裂(2)

注:本表为本次工作收集资料,有些数据统计不完全,()内数据代表发生相关问题的系统数量

淄博北斜井1987年煤矿封井,10余年后,地下水充满矿井整个采空区并从回风巷溢流出地表(照片1), 2010年7月调查流量约20L/s(2011年7月雨后流量235 L/s),其矿化度2874.05mg/L,总硬度2109.43mg/L,硫 酸根含量941.45mg/L,有HB、TDS、SO42-、CL-、TFe、 Mn、COD、NH3-、N,9项指标超标。 依照大地构造控制下的岩溶水系统结构模式[1],并参考岩溶水文地质分区[11]分出的的岩溶水系统13个分 区,对主要岩溶水文地址环境问题归纳结果如表3: 岩溶水环境问题的发生发展是特定在岩溶水系统水文地质条件下对外部变化的综合影响结果。

5 结论与建议 (1)近30年来,北方岩溶水无论从水量还是水质都发生了根本性变化,目前有30%以上的大泉断流;80% 以上的泉水流量大幅度衰减;多数地区的区域岩溶地下水位以每年1~2m速度下降,总体发展势头不减;有 20%岩溶水系统主排泄区代表性样品的地下水水质分类为Ⅲ类以下。岩溶水质量变化所带来的一系列现在的、 发展的和潜在的岩溶水环境问题,极大地抑制了岩溶水资源、生态功能的发挥,给当地工农业生产和人民生 活造成了很大影响。 - 39 http://www.j-es.org/


(2)北方岩溶水的质量变化及环境问题所体现的是岩溶水系对系统的资源要素,转化关系,甚至于系统边 界及性质等水文地质条件变化的调整响应。目前中国地质调查局已启动北方岩溶区水文地质环境地质地点调 查示范项目,以岩溶水系统为单元开展新的条件下的水文地质条件,水环境问题、发展趋势及其成因的调查 研究,将更符合北方岩溶水的自然循环规律。

致谢 候光才教授级高工、贺可强教授对本论文提供了许多非常有益的意见与建议,在此表示衷心的感谢!

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【作者简介】 梁永平(1962-),男,研究员,长期从事中国北方岩溶地下水调查与研究工作。Email: lyp0261@sina.com; lyp0261@karst.ac.cn - 40 http://www.j-es.org/

Environmental problems and variable characteristics of karst water in northern china  

Yongping Liang, Weitai Wang, Chunhong Zhao, We Wang