我国南方岩溶矿区通常具有岩溶发育强烈、涌水量大，非均质性强等特点^{[1 − 3]}，因此涌突水问题成为制约矿区安全生产的主要因素之一^[4]。岩溶矿区高度发育的溶蚀裂隙、溶洞、暗河等形成了复杂的地下水网络，而矿区内断裂带、褶皱核部等构造薄弱区可作为良好的导水通道，增加了突涌水风险^[5]。此外，岩溶水系统的开放性，也会导致地表水和污染物极易污染地下水且难以治理^{[6 − 7]}。因此，分析矿区地下水充水来源，判断主井区域地下水的充水水源与充水途径，对研究区井巷防治水与地下水污染防控具有重要的实际意义。

现今，充水水源的判别方法愈发成熟，但对于岩溶矿区径流路径的精细化表征技术仍处于发展阶段。地下水离子组分特征和同位素组分作为地下水的天然标记，携带记录着地下水自补给、径流至排泄过程的信息。结合水文地质条件的分析法^[8]，成为判别矿区充水条件的重要方法和工具，已成功应用到不同矿区研究和其它工程实践中^[9]。如丁正芬^[10]根据水文地质条件预测了老虎洞磷矿的主要充水水源及通道。随着原子吸收光谱法等测试技术的快速发展，微量元素以及同位素的分析技术也得到了广泛应用。于杨等^[11]、Yang等^[12]、王甜甜等^[13]、Qu等^[14]结合水化学数据与氢氧、硫、锶等多种稳定同位素及非稳定同位素表征了不同含水层间水力联系，定性识别矿井水来源。人工示踪试验是岩溶水文地质领域的重要研究手段，广泛运用于识别岩溶含水层结构及径流通道特征^[15]，Cen等^[16]、赵一等^[17]通过野外示踪试验分析喀斯特地下水的传输机制和含水层的结构特征。但单独依靠一种方法具有多解性，难以准确查清矿段的充水来源及充水水源。

莲花山磷矿是荆襄磷矿的重要部分，矿产资源储量大，区域内碳酸盐岩地层分布面积广且岩溶水资源丰富。矿山的长期开采活动和岩溶系统的开放性导致区域地下水极易发生突涌水及污染问题，矿区安全生产遭受到巨大威胁^[18]。相关学者在莲花山及周边矿区开展了广泛的研究工作，涵盖磷矿地质特征、矿床成因以及矿山环境现状等^{[19 − 20]}，但是对于该矿区矿井充水水源的相关研究工作较少，且主井施工过程中多次发生涌突水事故，严重影响施工进程。因此，本文在莲花山矿区进行地下水采样测试分析及野外示踪试验，结合水化学数据和同位素分析，深入研究了地下水的补给来源、径流方向、径流特征以及抽放水前后水化学变化，对矿区岩溶水害及污染防治具有重要的指导意义。

1.   研究区水文地质概况

莲花山矿段位于湖北省钟祥市胡集镇（图1），处于胡集矿区南部，矿段面积约11.89 km²。研究区为大陆性季风气候，冬冷夏热，年平均气温约15℃；年降水分布不均匀，主要集中在6—8月。地势北高南低，海拔高度为122～408.4 m。地形为以丘陵为主，兼具山地、岗地和平原的复合地貌。主要山脉延伸方向与构造方向基本一致，为NNW向。莲花山矿段内地表水系不发育，仅有零星季节性溪流。主井附近存在2处地表水体，分别为南部的磷石膏渣场及西南部的莲花山尾矿库。

图  1  研究区位置图

Figure  1.  Geographical location of the study area

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莲花山矿段内主要出露的地层包括前震旦统崆岭群（Pt₂k）、下震旦统陡山沱组（Z₁d）、上震旦统灯影组（Z₂dn）、寒武系和奥陶系（∈-O）以及第四系（Q）（图2）。矿段内含水层为灯影组以及陡山沱组下段和上段一至四亚段（Z₁d₁-Z₁d₂^1-4）。灯影组岩性主要为部分夹燧石条带白云岩，节理裂隙发育良好，富水性较强；陡山沱组下段和上段一至四亚段（Z₁d₁-Z₁d₂^1-4）岩性为部分夹硅质、锰质含磷白云岩，节理裂隙较发育，富水性中等。隔水层主要为陡山沱组顶部的隔水层（Z₁d₂^5-6），岩性以含硅质白云岩为主。区域内隔水底板为崆岭群的黑云斜长片麻岩，岩体完整且构造裂隙极其不发育。寒武系和奥陶系主要为白云岩、灰岩及泥岩等。第四系为松散砂砾石、黏土沉积物。

图  2  研究区水文地质略图

Figure  2.  Schematic hydrological map of the study area

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主井区域主要的褶皱构造为张家冲向斜与滴水崖背斜，方向为NNW—SSE。矿段内主井主要受到张家冲向斜和F13、F09、F07断层等构造影响。张家冲向斜核部位于主井东侧，F07断层位于西部，F09断层位于北部，且F09断层走向为EW，倾向180°，在主井施工过程中揭露其断层破碎带。F13断层位于主井南部，其与磷石膏渣场均存在于张家冲向斜核部。矿区内地下岩溶十分发育，溶洞可见率约为92.21%，具有不均一性，结构复杂。天然条件下，研究区南部为地下水的主要补给区，主要排泄区为主井东部和东南部附近出露的泉群。目前开采条件下，周边矿段的同步疏干对莲花山矿段的排泄条件产生影响，致使南北泉点已经干涸，地下水排泄的主要方式由地下水露头形式转换为人工坑道开采。因此，在周边矿段抽水疏干的影响下，形成以开采坑道为中心的地下水流场。

2.   材料与方法

2.1   样品采集与测试

采样点分布如图2所示。2024年2—6月分别在莲花山矿区采集地下水样品20组（主井2组、ZK01钻孔混合水样3组及灯影组水样3组、ZK03钻孔混合水样3组及灯影组水样3组、ZK02钻孔灯影组水样6组）和渗滤液样品2组（磷石膏渣场1组、莲花山尾矿库1组）。地下水样品均来自钻孔抽水试验的不同抽水阶段（表1）。用便携式多参数水质分析仪（Thermo Scientific Orion Star A320）野外现场测定水样pH、溶解性总固体（total dissolved solids，TDS）、氧化还原电位（oxidation-reduction potential，ORP）、电导率（electrical conductivity，EC）等物理化学指标，取样24 h内通过盐酸滴定法确定水样中${\mathrm{CO}}_3^{2-}$和${\mathrm{HCO}}_3^{-}$质量浓度；水样经0.45 μm聚酯纤维滤膜过滤后收集于50 mL采样瓶中，用于测定阳离子含量的水样需要加入浓硝酸酸化至pH<2。氢氧同位素样品使用100 mL棕色PET瓶采集，采集过程中保证水样充满采样瓶且顶部无气泡存在，在水下拧紧瓶盖后用PM996封口膜密封瓶口，防止蒸发作用影响；测定硫同位素的水样使用5 L的聚乙烯塑料水样瓶采集，加入适量饱和BaCl₂溶液后经沉淀、过滤、干燥等前处理操作后生成足量BaSO₄固体后上机测试。

表  1  研究区样品水化学数据及同位素组成

Table  1.  Hydrochemical data and isotopic composition of samples from the study area

样品	点位	类型	pH	TDS/ （mg·L−1）	K+/ （mg·L−1）	Ca2+/ （mg·L−1）	Na+/ （mg·L−1）	Mg2+/ （mg·L−1）	CO32-/ （mg·L−1）	Cl−/ （mg·L−1）	SO42-/ （mg·L−1）	δD /‰	δ18O /‰	δ34S /‰	d
灯影组- 陡山沱组 混合水样	ZK01	抽水前	7.24	371.11	1.12	99.59	5.07	78.02	0.42	4.74	64.63	−50.4	−7.92	3.74	12.96
		抽水中	7.15	420.43	0.85	96.86	4.72	89.93	0.35	5.17	105.045	/	/	/	/
		抽水后	7.20	419.20	0.69	94.45	5.09	75.77	0.41	4.68	106.27	−50.5	−7.93	3.08	13.04
	ZK03	抽水前	7.15	954.60	1.50	171.07	21.23	163.47	0.42	23.89	513.96	−48.0	−7.44	1.11	11.52
		抽水中	7.16	953.27	2.35	163.71	20.02	165.92	0.43	20.73	514.51	—	—	—	—
		抽水后	7.19	853.27	3.48	144.21	17.05	152.90	0.42	16.18	447.35	−48.9	−7.54	1.15	11.42
渗滤液 水样	渣场		2.23	10919.19	410.39	518.42	232.60	4586.08	—	169.20	5930.00	—	—	1.67	—
	尾矿库		6.05	11667.92	101.38	500.95	1268.74	318.06	0.03	64.05	9890.00	—	—	−0.96	—
灯影组 水样	ZK01	抽水前	7.12	407.68	1.30	107.00	4.39	66.40	—	7.97	93.80	−50.6	−7.92	4.33	12.76
		抽水中	7.02	372.20	1.12	80.89	3.92	49.40	0.29	6.33	88.70	—	—	—	—
		抽水后	7.00	375.78	0.70	87.91	4.38	52.70	0.27	5.36	96.0 0	−50.5	−7.95	3.89	13.10
	ZK02 （小流量）	抽水前	6.48	2814.02	12.90	236.10	67.70	293.01	0.16	35.20	2090.01	−43.3	−6.17	1.84	6.06
		抽水中	6.55	2659.25	12.90	226.11	63.11	247.12	0.18	32.70	2010.02	−43.3	−6.19	/	6.22
		抽水后	6.63	2563.52	12.70	209.03	60.52	275.05	0.21	65.90	1860.10	−43.9	−6.32	1.76	6.66
	ZK02 （大流量）	抽水前	6.52	2735.59	12.20	213.07	61.80	254.02	0.17	32.80	2080.03	−43.6	−6.23	1.80	6.24
		抽水中	6.54	2382.13	16.40	186.12	55.60	152.03	0.17	29.20	1840.12	−43.7	−6.29	—	6.62
		抽水后	6.74	2158.61	12.30	199.05	56.40	227.00	0.26	28.10	1550.05	−44.5	−6.44	1.71	7.02
	ZK03	抽水前	6.73	946.34	2.44	153.08	15.60	120.01	0.19	15.00	551.00	−47.9	−7.37	2.03	11.06
		抽水中	6.78	917.44	2.85	152.11	15.70	111.00	0.20	14.40	541.01	—	—	—	—
		抽水后	6.77	919.01	3.47	141.21	15.90	96.50	0.19	15.20	556.03	−48.7	−7.49	1.76	11.22
	主井	抽水前	7.90	444.72	9.12	91.99	8.78	75.77	1.65	14.27	170.88	−50.8	−7.90	3.08	12.40
		抽水后	7.38	684.81	7.70	122.65	12.42	113.52	0.58	14.38	342.41	−49.3	−7.62	1.30	11.66
注：“—”为低于检测值，未检测出具体数据或未检测；“d”为“d-excess值”，代指氘盈余；ZK02钻孔进行2次抽水试验（小流量、大流量）。

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阴离子采用离子色谱仪（DX-120）测试，精度为0.01 mg/L；阳离子采用电感耦合等离子体发射光谱仪（iCAP 7200）测试，测试精度为0.001 mg/L；氢氧同位素测试用液态水同位素分析仪（美国LGR，IWA-45EP），测试精度分别为±2‰和±0.01‰，以维也纳平均海洋水标准（V-SMOW）为参考标准；硫同位素（δ³⁴S）测试所用仪器为同位素比值质谱仪（DELTA V PLUS），测试精度优于0.20‰。

2.2   示踪试验方法

示踪剂选择原则为易溶、无毒、背景值低、不受围岩干扰、化学性能稳定、灵敏度高、易检测且成本低。根据研究区岩溶发育的特点，选取荧光增白剂、罗丹明及食盐3种互不干扰的示踪剂进行试验。罗丹明检测限极低（10⁻² μg/L），且岩溶地下水中天然背景值几乎为0，具有高敏感性；荧光增白剂易溶于水，不易被岩溶管道或裂隙吸附；食盐成本极低且易大量获取，适合短距离示踪试验。2024年4月28日在ZK01钻孔、ZK02钻孔、ZK03钻孔同时分别投放罗丹明1 kg、荧光增白剂1 kg及食盐300 kg，投放点与监测点见图2。使用野外自动化荧光仪（GGUN-FL30型）及Solinst水位电导率三参自动记录仪分别监测荧光增白剂、罗丹明信号值和电导率值。

为了进一步验证水化学及同位素结果并定性分析矿坑充水通道，在主井放水试验期间，利用其周边钻孔进行一组高精度示踪试验。利用solinst水位电导率三参自动记录仪（Levelogger5，水位精度0.01 m）监测研究区内3个监测钻孔水位，放水条件下，区域地下水形成稳定流场，地下水由SW向NE径流。

2.3   数据分析

室内采用Mapgis6.7等绘图软件绘制取样点图，使用Excel、Origin等软件对测试数据进行水化学指标数理统计分析，利用Qtracer2软件估算径流通道的部分地下水动力学参数。

3.   结果

3.1   水化学特征

研究区地下水及地表渗滤液的水化学指标数据结果如表1所示。地下水pH值在6.48～7.24内变化，均值为6.97；EC、ORP以及TDS的变化范围分别为821.5～3377 μS/cm、3.1～426.5 mV、407.9～1651 mg/L。地下水样品中阳离子浓度关系为：Mg²⁺>Ca²⁺>Na⁺>K⁺，以Mg²⁺和Ca²⁺为主，分别占阳离子总量的46.17%和44.18%；阴离子平均浓度关系为：${\mathrm{SO}}_4^{2-}$>${\mathrm{HCO}}_3^{-}$>Cl⁻>${\mathrm{CO}}_3^{2-}$，以${\mathrm{SO}}_4^{2-}$和${\mathrm{HCO}}_3^{-}$为主，分别占阴离子总量的60.23%和38.23%。渗滤液样品（渣场、尾矿库）的pH为2.23，6.05，为强酸性和弱酸性；ORP在146.9～354.6 mV附近波动，为强氧化环境；TDS分别为10919.19，11667.92 mg/L；${\mathrm{SO}}_4^{2-}$占阴离子总含量97%，阳离子中Mg²⁺和Na⁺占主导地位。研究区各岩溶含水层地下水硫酸盐和δ³⁴S特征差异明显。地下水中ZK02钻孔中硫酸盐浓度最高可达2090.01 mg/L，距离渣场越远，其硫酸盐浓度越低。

3.2   氢氧同位素特征

研究区内不同钻孔地下水的氢氧同位素变化范围较大。主井δD变化范围为−50.8‰～−49.3‰，δ¹⁸O变化范围为−7.9‰～−7.62‰。ZK03钻孔混合水样δD变化范围为−50.8‰～−49.3‰，δ¹⁸O变化范围为−7.9‰～−7.62‰；ZK03钻孔灯影组水样δD变化范围为−47.9‰～−48.7‰，δ¹⁸O变化范围为−7.49‰～−7.37‰。ZK02钻孔富集重同位素，灯影组水样δD变化范围为−44.5‰～−43.3‰，δ¹⁸O变化范围为−6.44‰～−6.17‰。ZK03钻孔混合水样δD变化范围为−50.8‰～−49.3‰，δ¹⁸O变化范围为−7.9‰～−7.62‰；ZK01钻孔灯影组水样δD变化范围为−50.6‰～−50.5‰，δ¹⁸O变化范围为−7.95‰～−7.92‰。

3.3   示踪试验结果

根据2024年4月27日主井监测数据，主井内地下水中罗丹明、荧光增白剂及食盐的质量浓度背景值分别为3，2，650 μg/L。整理示踪试验监测数据，剔除背景值后可以获得示踪剂罗丹明、荧光增白剂以及食盐的浓度变化曲线（图3）。通过Qtracer2软件估算得到各个径流通道的部分地下水动力学参数如表2所示。

图  3  主井监测点示踪剂浓度变化

Figure  3.  Tracer concentration change at main well monitoring site

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表  2  基于示踪试验求得的部分径流通道参数

Table  2.  Calculated flow channel parameters based on tracer tests

参数	N-ZK01	N-ZK02	N-ZK03
投放时间	2024年4月28日	2024年4月28日	2024年4月28日
示踪剂	罗丹明	荧光增白剂	食盐
投放量/kg	1	1	300
平面距离/m	129.87	64.52	46.97
平均流量/（m3·h−1）	90	90	90
初次检测时间/min	1490	325	104
放水条件下平均流速 /（m·d−1）	135.94	170.45	279.49
天然条件下平均流速 /（m·d−1）	22.54	31.09	91.23
峰值浓度/（μg·L−1）	98.95	20	832
回收率/%	0.19	0.3	0.43
弥散系数/（m2·s−1）	0.85	0.15	0.42
径流通道储水量/m3	128.97	31.92	16.83
径流通道横截面积/m2	0.66	0.33	0.24
管道平均直径/m	0.92	0.64	0.55
雷诺数	1447	1263	1779
佩克莱数	0.24	0.85	0.36

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由图3可知，投注示踪剂后第104分钟时，监测点最早检测到来自ZK03钻孔的食盐，曲线峰值出现在监测后第260分钟，持续时间较长，峰值为466 μg/L。荧光增白剂最早于监测后第325分钟开始监测到，首次峰值出现于监测后第426分钟，延续时间较长，峰值浓度为20.82 μg/L。罗丹明于监测后第1490分钟后检测到，并出现2个峰值，峰值分别出现于监测后第1925分钟和第3005分钟，峰值分别为98.95，62.21 μg/L，且峰型较陡。

4.   分析与讨论

4.1   抽水过程中水化学及同位素变化分析

不同采样点间TDS差异性较大，渗滤液样品的TDS远高于地下水样品。尾矿库中的多种选矿废渣通过淋滤作用渗透到地下，这是导致尾矿周围TDS值偏高的重要因素^[21]，所以渗滤液水样具有高TDS、${\mathrm{SO}}_4^{2-}$的特征。距离主井越近的钻孔地下水样品的TDS越高，其中ZK02的TDS最高，为2814.02 mg/L，而且ZK02钻孔的${\mathrm{SO}}_4^{2-}$含量远超区域内其它钻孔，与渗滤液样品的水化学数据具有一定的相似性。由图4可知，主井抽水前水化学类型与ZK03钻孔较为接近，抽水后水化学类型向ZK01钻孔的样品点靠近。渣场和尾矿库的水化学类型为SO₄—Mg和SO₄—Na；抽水试验后，主井水样地下水化学类型由HCO₃•SO₄—Mg•Ca转变为SO₄•HCO₃—Mg•Ca，${\mathrm{SO}}_4^{2-}$含量逐渐增加；ZK01灯影组水样中水化学类型由HCO₃—Mg•Ca转变为HCO₃—Ca·Mg，离子含量变化较微弱。ZK02钻孔水化学类型为SO₄—Mg•Ca型，且抽水试验前后水化学类型无变化。抽水后主井${\mathrm{SO}}_4^{2-}$含量上升且水化学特征离子接近ZK01钻孔水样（HCO₃—Ca•Mg），表明抽水试验短暂的改变了地下水径流路径。在主井抽水试验过程中形成以主井为中心的降落漏斗，致使ZK01钻孔方向的灯影组岩溶水以及ZK02钻孔方向的高${\mathrm{SO}}_4^{2-}$水补给主井。

图  4  研究区水样Piper三线图

Figure  4.  Piper diagram of water samples in the study area

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放水条件下，地下水的流场方向大致为SE—NW方向，沿着径流方向地下水的水化学类型逐渐从SO₄—Mg•Ca型演化为SO₄•HCO₃—Mg•Ca型及HCO₃•SO₄—Mg•Ca型，初步可以看出${\mathrm{SO}}_4^{2-}$浓度在逐渐下降，${\mathrm{HCO}}_3^{-}$含量逐步增加。

氢氧同位素是地下水补给来源示踪以及形成演化的重要参数^{[22 − 24]}。本研究引用宜昌市的大气降水线：δD=8.4δ¹⁸O+15作为当地大气降水线方程（local meteoric water line，LMWL）^[25]。研究区大气降水方程可拟合为δD=4.12δ¹⁸O−17（R²=0.99），样品的氢氧同位素拟合线斜率与截距小于全球和当地降雨线，这是由于降雨过程中的蒸发作用导致雨水氢氧同位素的不平衡分馏^[26]。从图5（a）可以看出主井水样与ZK01钻孔、ZK03钻孔水样同位素组成较为接近，且δD、δ¹⁸O同位素比值分布在LMWL附近，表明大气降水是3个钻孔取样点的主要补给来源之一，主井放水稳定后水样同位素组成与ZK03钻孔更为接近，且ZK03钻孔与主井位置距离最近，水化学类型以及TDS含量也接近。图5（a）中偏离大气降水线的ZK02水样的δD和δ¹⁸O差异值较大，且发生了较明显的δ¹⁸O正向漂移，反映该样品在地下水中运移时间更长、水岩作用更强或者其补给来源为蒸发作用较为强烈的混合水源。

图  5  莲花山矿区δD-δ¹⁸O关系图

Figure  5.  (a) Distribution characteristics of δD and δ¹⁸O in water samples in the mining zone; (b) Deuterium-excess and TDS distribution of water samples in the mining zone

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Dansgaard提出了“氘盈余（d-excess）”，可以反映当地和全球大气降水中氢氧同位素的分馏程度^[27]。由表1可知在ZK02钻孔灯影组水样中，d平均值小于全球平均值（10‰），研究区内其余水样d值均大于10‰。d与TDS之间的相关性可以判别地下水矿化过程。d值低而TDS高，指示地下水矿化主要由蒸发作用引起；而在矿物溶解过程中，d与TDS之间无明显关联。通过分析两者的关系，可以有效地区分地下水矿化的不同成因机制^[28]。从图5（b）中可知，在低TDS（<1000 mg/L）条件下，ZK02灯影组水样d值与TDS呈负相关，表明蒸发作用是该部分样品TDS升高的主要因素之一，其余水样的d值与TDS值无明显线性关系。根据实际情况，灯影组岩溶水特征氢氧同位素值应偏正，但实际情况与理论相反，推断除大气降水外存在其它地表水补给来源。

4.2   地下水中${\mathrm{SO}}_4^{2-}$来源及δ³⁴S特征分析

天然条件下地下水中${\mathrm{SO}}_4^{2-}$主要来源包括大气降水、硫化矿物氧化、石膏溶解及地表水中的硫酸盐入渗补给^[29]。水岩作用和不同补给来源的差异性会导致水化学成分的变化，不同离子之间的比值可以揭示地下水中硫酸盐的来源。如图6（a）（b）所示，ZK01钻孔、ZK03钻孔和主井的水样均位于碳酸盐岩控制端元，ZK02钻孔水样位于碳酸盐岩和硅酸盐岩端元之间，更靠近碳酸盐岩。

图  6  地下水主要离子关系图

注：N表示毫克当量浓度。

Figure  6.  Major ion relationships in groundwater

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图6（c）显示，区域内大部分水样点落在岩石风化的控制区域（1∶1线）附近，说明白云石、方解石和石膏的溶解是该区域内地下水地球化学演化的主要来源；ZK02钻孔的水样点明显偏离控制区，分布范围远离1∶1线，说明该部分地下水样品中尚有其它来源的${\mathrm{SO}}_4^{2-}$导致N(${\mathrm{SO}}_4^{2-}$+${\mathrm{HCO}}_3^{-}$)（N表示为毫克当量浓度）相对于N(Ca²⁺+Mg²⁺)过剩。${\mathrm{SO}}_4^{2-}$-Ca²⁺的关系通常可以用于判断地下水碳酸盐岩的溶解情况，如果仅有石膏溶解，Ca²⁺、Mg²⁺比值应为1∶1；若比值为3∶1，表明存在石膏、方解石和白云石的同时溶解^[30]。图6（d）显示ZK01钻孔的水样位于3∶1线上，ZK03钻孔水样位于石膏溶解线略偏右下方，表明石膏对其${\mathrm{SO}}_4^{2-}$来源的贡献很大，ZK02钻孔明显偏离，说明石膏溶解只占其${\mathrm{SO}}_4^{2-}$来源的一部分，更多的为渣场渗滤液渗透补给。主井水样在放水后更接近石膏溶解线，可知石膏的溶解作用会促进地下水平硫酸盐的溶解。

利用图6（e）（f）进一步探究可知，除ZK02钻孔及渣场渗滤液外，余下水样N(Ca²⁺+Mg²⁺)/N(${\mathrm{SO}}_4^{2-}$)值均大于1且位于N(Ca²⁺+Mg²⁺)/N(${\mathrm{HCO}}_3^{-}$)=1线附近，说明Ca²⁺、Mg²⁺的来源并非为单一的硫酸盐岩矿物溶解，结合图6（c）说明碳酸盐岩的对水中Ca²⁺、Mg²⁺、${\mathrm{SO}}_4^{2-}$和${\mathrm{HCO}}_3^{-}$离子浓度的贡献率更为显著。ZK02钻孔的N(Ca²⁺+ Mg²⁺)/N(${\mathrm{SO}}_4^{2-}$)小于1，其原因可能为：（1）矿区开采过程导致原本封闭的地下水环境逐渐变成开放系统，黄铁矿发生氧化从而导致地下水中${\mathrm{SO}}_4^{2-}$的含量升高；（2）ZK02钻孔与渗滤液具有相同的分布规律，可能受到来自渣场渗滤液的补给作用导致${\mathrm{SO}}_4^{2-}$含量偏高。

图7（a）显示在抽水试验过程中，不同钻孔的混合水样和灯影组水样的${\mathrm{SO}}_4^{2-}$浓度具有近似的变化特征，而矿区内钻孔水样${\mathrm{SO}}_4^{2-}$毫克当量浓度远超背景样品值，表明整个矿段区域内${\mathrm{SO}}_4^{2-}$毫克当量浓度均较高。ZK01钻孔抽水后${\mathrm{SO}}_4^{2-}$毫克当量浓度微量升高，推测其径流通道和补给来源较为单一，因此接收到渣场渗滤液的补给较少。ZK02钻孔在大、小流量抽水后${\mathrm{SO}}_4^{2-}$毫克当量浓度均呈现下降趋势，而ZK03钻孔与ZK02钻孔连通性较好，在抽水后灯影组水样${\mathrm{SO}}_4^{2-}$毫克当量浓度略下降，呈现与ZK02钻孔一致的趋势，图7（b）显示抽水后主井δ³⁴S显著下降，ZK01与ZK03钻孔的灯影组水样δ³⁴S降低幅度相似，而ZK02钻孔水样变化微弱，表明其具有不同的δ³⁴S补给来源。ZK03钻孔在抽水前后${\mathrm{SO}}_4^{2-}$浓度及δ³⁴S变化与主井变化高度一致且接近渣场渗滤液δ³⁴S值。

图  7  地下水抽水前后SO₄^2-与δ³⁴S变化图

Figure  7.  Variations of SO₄^2- and δ³⁴S before and after pumping of groundwater

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4.3   地下水径流特征分析

通过Qtracer2软件估算可知3个钻孔中地下水雷诺数均小于2500，佩克莱数均小于1，这在一定程度上表征了径流通道中的地下水运动为层流^[31]。根据示踪剂迁移理论，对流作用与地下水流速直接相关，而分子扩散在流速较低或渗透性较差的介质中占据主导地位。表2显示ZK01钻孔的示踪剂流速较小、回收率较低，因此可知，ZK01钻孔示踪剂迁移以分子扩散为主，对流作用较弱；ZK02钻孔的佩克莱数值接近1，表明对流效应增强，但总体仍为扩散作用，回收率较低为0.3%，可能是荧光增白剂易吸附于有机质充填裂隙或胶体颗粒表面；ZK03钻孔储水量仅16.838 m³，但与监测点平面距离近，示踪剂可能通过多分支裂隙网络分散。

流速大小不同反映了不同通道中地下水运移的差异性^[32]。计算结果显示3个投放点天然条件下地下水平均流速分别为22.54，31.09，91.23 m/d。全球平均岩溶管道流速为1872 m/d^[33]，南方岩溶地区地下水管道-溶洞流的流速为100～10000 m/d^[34]。本研究的地下水最大天然流速为91.23 m/d小于南方岩溶地区管道流的最低值100 m/d，且研究区内未发现地下暗河，因此研究区内地下水为非管道流。在野外实地探查时发现过程中发现区域内存在多条导水断裂带连通地下水，在钻孔测井时3个监测孔中多见张开裂隙及较大裂纹，因此可说明研究区内地下水径流通道主要为裂隙流、断层带径流及溶洞裂隙复合流。

图3显示在放水实验过程中， ZK03钻孔与主井水力联系最强，最快接收到示踪剂数据，且示踪剂拖尾曲线时间较短，指示ZK03与主井间存在径流条件极好的的集中径流通道，曲线峰型呈现“平台”型特征，表明该区域构造裂隙发育，裂隙流形成了多个峰值的峰值平台，且在通道间发育有溶洞，对示踪剂存在稀释作用。ZK02曲线峰型为先高后低的多峰曲线，反映该区域内存在3条通道，峰值高的为主通道，峰值低的为支流通道；曲线呈现锯齿状，表明径流通道中存在溶蚀裂隙。ZK01钻孔浓度曲线存在2个峰，表明该区域至少存在2个径流条件较好的通道呈现锯齿状上升且波动幅度较大，表明该试验流经区域径流通道主要以岩溶裂隙和断裂破碎带。

3个钻孔的径流通道储水量大小为ZK01>ZK02>ZK03，流速为ZK01<ZK02<ZK03，水力梯度分别为0.64，1.32，1.22，ZK01储水量大但是流速较小原因可能是ZK01的水力梯度较小，导致其径流速度慢。而ZK03钻孔储水量最小但径流速度最快，可能是由于在单一局部导水通道中，水流路径短，储水量积累少，但水力梯度集中导致流速较快。

4.4   主井矿井水充水来源辨识

莲花山矿段地处碳酸盐岩广泛分布区，岩溶管道与构造裂隙高度发育，构成复杂的地下水网络系统。区内灯影组白云岩作为主井附近主要裸露地层，因其富水性较强，成为大气降水快速入渗的优先通道。氢氧同位素分析（图5）显示，主井与ZK03钻孔水样氢氧值均紧邻当地大气降雨线，表明大气降水是主井充水的主要补给来源之一。示踪试验表明研究区域内岩溶情况复杂，地下水在岩溶管道和溶洞以及断裂破碎带中运移。结合水文地质结构分析，主井与磷石膏渣场均位于张家冲向斜核部，且渣场中存在的F13断层走向为WE向，横向切割矿层，导致渣场渗滤液从F13渗漏到地下水中，沿着张家冲向斜向N径流至F09断层时，由于F09断层走向为WE，且倾向为180°，地下水沿着倾向面径流至主井处涌出。由图8可知，因主井其与ZK03钻孔连通性较好，而ZK03钻孔与ZK02钻孔连通性较好，且ZK02钻孔${\mathrm{SO}}_4^{2-}$浓度较高，主井进行抽水后${\mathrm{SO}}_4^{2-}$浓度显著增加，δ³⁴S接近渣场渗滤液值，张家冲向斜褶皱的导水性良好，因此推断可能混入了磷石膏渣场渗滤液的渗漏补给。此结果验证了示踪试验的径流通道，说明地下水径流方向总体为磷石膏渣场—ZK02—ZK03—主井。

图  8  莲花山示踪试验径流通道图

Figure  8.  Tracer test runoff channel of Lianhuashan

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5.   结论

（1）渣场和尾矿库的水化学类型为SO₄—Mg和SO₄—Na；ZK01水样中水化学类型主要为HCO₃—Mg•Ca型，表明该钻孔封闭性较好，以水岩作用为主；ZK02钻孔水化学类型（SO₄—Mg•Ca）与磷石膏渣场渗滤液特征高度相似，抽水前后水化学类型无变化，表明其受渗滤液持续补给；主井抽水后水化学类型由HCO₃•SO₄—Mg•Ca转变为SO₄·HCO₃—Mg•Ca，${\mathrm{SO}}_4^{2-}$含量显著增加，反映抽水形成的降落漏斗促使ZK01的灯影组岩溶水和ZK02的渗滤液污染水共同补给主井。

（2）氢氧同位素和氘盈余分析可知，矿区岩溶地下水主要补给来源为大气降水入渗，且ZK02钻孔水样明显偏离当地大气降水线方程，显示出较强的蒸发作用，表明存在地表水补给该钻孔，${\mathrm{SO}}_4^{2-}$和δ³⁴S分析显示ZK03钻孔及ZK02钻孔与磷石膏渣场存在水力联系。进一步证实，渣场渗滤液是导致ZK02钻孔异常值的主要原因。

（3）示踪结果与水化学数据特征分析相互佐证，表明主井充水以大气降水补给为主，沿着径流方向，渣场渗滤液通过F13、F09断层以及向斜核部良好的导水性渗漏补给。ZK03钻孔作为关键中转节点，连通ZK02与主井，加剧污染扩散。地下水流向总体为SE-NW，沿渣场→ZK02→ZK03→主井方向迁移，证实渣场渗滤液通过张家冲向斜核部污染主井区域。

水化学分析与示踪试验方法的耦合应用克服了单一方法的局限性，优缺互补，为研究典型岩溶充水矿区中的矿井水来源以及径流特征提供了有效依据。