范各庄井田奥灰水NO_3_离子形成机理及在水源判别中的应用

范各庄井田奥灰水NO_3_离子形成机理及在水源判别中的应用 - 离子形成机理及 范各庄井田奥灰水 3 N O 在水源判别中的应用 马培智 郑士田 黄贤瑞 )(710054 煤炭科学研究总院西安分院水文所 摘要 在范各庄井田水文地质特征的基础上, 利用水文地球化学理论初步探讨了奥陶系 -离子的形成机理, 介绍了应用这一水化学特征分析矿井充 灰岩含水层地下水中赋存高含量 3 N O 水条件的方法。 关键词 硝酸根 离子 岩溶水 奥陶纪 机理 地下水源 判别 中国图书资料分类法分类号 13641P 作者简介 马培智 男 34 岁 师 水文地质 盐经过溶滤迁移而赋存于地下水中。 有机成因主要 1 引言 是地下水污染引起的, 如在氧化条件下, 有机氮可转 河北唐山市范各庄矿自建井以来, 多次发生突 化成氨氮、亚硝氮及硝酸氮而形成硝酸盐。本文主要 探讨其有机成因。 水灾害事故, 但出水点水源难以确定, 拖延了水害预 -3 形成的机理 防和治理的时机。我们于 1989 年在该矿进行水化学 311 地下水高含量 N O -( ) 离子主要是动植物蛋白质的 天然水中的 3 N O 研究, 寻找出一种判别奥陶纪灰岩 以下简称奥灰 演化产物, 一般含量甚微, 当其含量较高时, 可作为 水源的较为直观的定量化的水化学指标, 它为进行 -的另一重要 有机还原环境的指标。 天然水中 3 N O 水文地质条件分析和奥灰突水监测提供了一个较为 来源是大气降水, 当空气放电时产生的 N O 为大气 有用的方法, 并对原来有些出水点的水源分析有了 - - 1- 2 降水所吸收, 含量较低, 为 10, 10ƒ, N O 2 m gL 重新认识。-- 1为 10, 10 ƒ有时甚至大于 100 ƒ。 , N O 3 m g m gL L 2 判别奥灰水的水化学特征指标 -是氧化环境里溶解氮最稳定的形式, 在水 N O 3 -最不易被吸附, 很少或不 中很容易迁移, 由于 通过水化学方法判别矿区各主要含水层的特征 3 N O 会受到阻滞。 在透水性好的松散沉积物及裂隙岩层 是矿井防治水的重要工作。 经过大量的取样化验和 - 里, 浅部潜水通常含有较多的溶解氧, 所以 3 可分析对比, 发现判别范各庄井田奥灰水的水化学特 N O - ; 在径流条件好、岩溶 迁移到补给区以外很远的地方征指标为 , 其含量为 7, 12 而其它含水 ƒ, 3 N O m gL 裂隙发育的奥陶纪灰岩承压含水层中, 水量充沛, 含层地下水中, 基本上没有或只有痕迹量, 后经多次验 -比较稳定的存 , 从而确保了 有较多的溶解氧3 N O 证和动态监测, 表明该水文地球化学指标可信度是 - 在。由于水中氧化组分被还原的次序为> > 3 O 2 N O 很高的。为了达到快速判别水源的目的, 我们开发了 3+ 2- > > , 故 承 压 含 水 层 中 具 有 高 含 量 F eSO 4 CO 2 在 5 内即能完成的快速检测法, 为快速、准确判 m in -N O 的地带应为氧化环境, 为地下水径流条件好的 别奥灰水提供了方法。 3 境, 径流条件差, 地下水交替及流速缓慢, 尽管反硝 的氧化还原反应, 多半发生在水面以上的包气带里, -- + -2- ) ( 化 作用 5 有机物+ 4 = 2+ 5这种反应的结果是使 、、等成分增加, CH 2O N O 3 N 2 H CO 3 SO 4 N O 3 H - + + + 1反应式为 2+ = + 2+ 。 + + 23 ] 不 强, 但 由 于 交 替 缓 慢, 可 去 除 O 2 N H 4 N O H H 2O H H 2O - -3121212 含水层中有机物及其还原剂的含量 含 离子的形成、径流迁移途径如 。地下水中 3 3 N O N O 水层中有机物含量及有机物的活性变化很大。 沉积 图 1。 -岩里, 虽然存在着许多有机物, 但多数可能是难溶解 312 形落各庄井田奥灰含水层水中高含量 3 N O 的非活性有机物, 它们很难为细菌所利用, 从这一点成机理 -) (= 2 , 反硝化作用 5有机物+ 4 来说3 CH 2O N O N 2 + 31211 水文地质特征简述 落各庄矿位于开平煤田+ - 5+ + 2过程十分缓慢, 在石灰岩地 H CO 3 H H 2O 东南翼, 为全隐伏井田, 区, 尤其在地下径流条件好、水交替程度高的奥灰含 走向近南北向延伸, 南部和北部为向斜构造, 中部为 -s 水层地下水中 单斜构造。 煤系本身有两个含水层: 5顶板砂岩含 N O 3 较高, 地下水中 E h 值不低, 处 ss 于相对氧化环境。 水层和 12, 14砂岩含水层, 其上下各存在一个强 ( 3121213 地下水循环途径由于引起 值 地下 含水层, 即上覆冲积层含水层和下伏奥灰含水层, 它 E h ) 水氧化还原参数降低所涉及的细菌氧化还原反应们为煤系含水层的直接补给源。 第四系冲积含水层 是缓慢的, 所以地下水的 值在很大程度上取决 E h 是通过卵砾石层在局部其底部粘土缺失地段补给煤 于地下水在含水层中的滞留时间。一般来说, 滞留时 系含水层; 奥灰含水层厚度大, 岩溶裂隙发育, 在北 间取决于地下水流速以及从补给到排泄的径流长 部巍山有大片出露, 补给充足, 是本区水量丰富的含 度。 滞留时间越长, 水中的 值越低, 奥灰含水层 E h ( ) (特别是在具有导水通道的地段 如导水陷落柱, 地 水层, 它通过特殊的导水构造 如陷落柱和垂直导水 下水径流条件好, 流速快, 滞留时间短, 水中的 E h ) 裂隙等导水通道向煤系含水层补给或排泄。 奥 灰 值就大, 相对来说是较为氧化状态。如果地下水处于 -赋存及径流迁移主要受地下水系统 地下水中 3 N O 地球化学环境的控制。 - , 就有利于 较强的氧化环境下3 的迁移赋存。N O 31212 控制地下水氧化还原状态的因素 31213 在地下水与岩土相互作用过程中, 吸附作用 3121211 含水层的透气性 北山奥灰露头区, 裂隙 对地下水化学成分的形成和演变起着重要作用。 从发育, 水通过包气带补给时, 含氧量高, 又没有更多 -最不易被吸附。 阴离子被吸附的顺序来看, 3 N O 的有机物分解消耗水中溶解氧, 地下水面以上的包 -离子 在 氧 化 环 境 里 是 较 稳 定 3 综上所述, 气带均为氧化环境, 其氧化带深度较大。氧是强氧化 N O 的, 而范各庄井田位于奥灰含水层地下水集中径流 剂, 它可以使许多物质氧化。 地下水系统中, 消耗氧 -离子最不 带, 正是一个相对氧化的环境; 同时 3 N O -的富集和运移 易被岩土吸附, 从而使井田内 3 N O 成为可能, 见表 1。 - 其它含水层为什么没有高含量 离子? 这 N O 3 是因为这些含水层本身透气性差, 更重要的是构造 裂隙较不发育, 地下水的径流排泄条件不好, 滞留时 间较长, 尽管反硝化作用不强, 但水交替缓慢, 可除 -离子。 去 3 N O -4 奥灰水赋存高含量 3 的水化学特征在水文 N O 地质条件分析中的应用 411 12 煤层底板砂岩放水试验过程中, 可利用该 表 1 范各庄井田各主要含水层富水性及水化学特征 探, 证实该处存在垂直导水通道, 后来定名为 10 号 -导水陷落柱, 证明上述判断是正确的, 从而避免了一 含量 渗透系数 单位涌水量 N O 3 含水层 水化学类型 - 1 - 1( ) ?? ?ƒƒm dL sm - 1m g?L ƒ场大的突水淹井事故。 311817 1593 2C a2M g 6H CO 奥陶纪灰岩 10, 1210 73 5 结论 ss 12 , 140, 2198 2211725 01988 H CO 3 C aM g 底板砂岩 0, 1121 s 511 通过理论分析和实践证实, 范各庄井田奥灰水 2211339 01644 H CO 3 C aM g 5 顶板砂岩 0, 012 - 第四系底 11197 01187 H CO 2C a2M g 中赋存有高含量 N O 3 的水化学特征, 为此我们建 3 卵石层 立 了 一 种 快 速 检 测 方 法, 只 要 水 样 到 地 表 后 约 5 , 就能判明是否属奥灰水质以及其中奥灰水所m in , 奥灰水、唐山灰岩水及 从已有水化学资料知道 ss 占大致比例。 这样就为监视范各庄井下奥灰水的突 12, 14砂岩水皆为低矿化的 H CO 3 —C a—M g 水。 -出提供了非常及时的探测手段。通过实践, 证明这一 ( ) 但 3 离子在奥灰水中含量高 7, 12 在 ƒ; N O m g L s s 方法非常有效。 唐山灰岩水、12,14砂岩水中没有或含量甚微。因--512 , 作为判别奥灰水水文地球化学特征的 3 N O 此若局部地段地下水中 含量较高, 如 9—8 孔 3 N O 对它的成因, 只是初步探讨, 对于区域规律分析, 还 为 1120, 7196 、9—9 孔为 114, 218 、 ƒƒm gL m g L , 以便使该水化学指标能广泛应用。 需进一步做工作 2—19 孔为 01388, 0180 ƒ、孔为 116 ƒm gL K 下3 m g ss 则显示 12, 14砂岩含水层和唐山灰岩与奥灰 , L 梁仲华高级工程师参加了部分工作, 在本文撰 直接和间接地存在程度不同的水力联系; 而水力联 -写过程中梁仲华高工和王广才博士提出了不少宝贵 , 可从 的含量反映出来, 通过随后示 系的程度3 N O 意见, 在此深表感谢。 踪试验证明以上判别是正确的。 412 1990 年 6 月 25 日在 208 皮带巷打平 7 探水 参考文献 孔, 在钻进过程中出现大量涌水, 高峰水量达 1 600 沈照理主编 1 水文地球化学基础 1 北京: 地质出版社, 1993 1 3 3 -ƒ稳定水量 1 140 ƒ左右。经取样化验, 3 , m h m h N O 沈昌炽等 1 范各庄矿北翼地区放水试验 1 煤炭科学研究总 2 院西安分院等单位科研, 咨 47, 1990 含量达 1118 ƒ我们立即判明为奥灰水。后经长 , m gL ( )收稿日期 1997—03—24 -( ) 含量一直在 9, 期化验监测 1990, 1994 年, 3 N O 1015 ƒ范围内。 此外通过物探和钻探等综合勘 m gL -3 IN O RDO V IC IA N THE FO RM A T IO N REA SO N O F NO L IM ESTO NE W A TER A ND THE A PPL ICA T IO N O F D IST INGU ISH ING W A TER RESO URCE IN FA NGEZHA NG COAL M INE (), M a P e izh i Zh en g Sh it ian H u an g X ian ru i X i’an B ran ch CCR I , A bstrac t O n th e ba se o f ana ly sis o f h yd ro geo lo g ica l co nd it io n in F an Gezh uang Co a lM ineu sing h yd ro geo ch em ica l th eo 2 -. ry th e p ap e r d iscu sse s th e fo rm a t io n rea so n o f h igh co n ten t io n N O 3 in O rdo v ic ian lim e sto ne w a te rT h e ana ly sis m e tho d o f co a l m ine w a te r in ru sh co nd it io n s, u sing h yd ro geo ch em ica l ch a rac te r ist ic s, w e re in t ro duced. ; ; ; ; ; ; Keywords n it ra te rad ica lio n sKa r st w a te rO rdo v ic ian p e r io dm ech an ism g ro und w a te r so u rce sd isc r im in it io n