0 引言
干旱半干旱地区大气降水、地表水、地下水的转化关系是区域水循环模式的重要研究内容，天然流域与煤矿开采影响下流域大气降水、地表水、地下水与矿井水之间相互转化的空间差异性及转化量的增减尚不明确。
国内外对于大气降水、地表水与地下水之间的关系研究多关注流域水体之间转化过程［1-3］，近年来受自然环境因素与人类活动的影响，地表水与地下水之间的转化关系也趋于复杂［4-6］。目前对流域大气降水、地表水与地下水转化关系研究主要应用稳定同位素［7-9］、水化学分析法［10-12］、混合端元分析方法［13-14］、算术平均法、加权平均法［15］和数值仿真模拟［16］等方法，研究范围涉及全球［17-18］、美国［19-20］、非洲西部［21］、墨西哥［22］、中国［23-25］等。在全球大部分地区，大气降水是地表水与地下水的主要补给来源，也是影响地表水与地下水补给方式的最重要因素；在中国干旱地区，影响地表水与地下水补排关系的因素主要是冰雪融水和降水；在山区，地形地貌则为影响区域地表水与地下水补给关系的重要因素；平原地区降水、蒸发和人类活动则成为影响地表水与地下水转化关系的关键因素。
自18世纪以来，随着大工业对能源需求的增长，煤炭作为重要能源开采量也大幅增加。目前对于矿区地下水与地表水转化关系研究［26-27］多在单矿区进行，对流域尺度下采矿区与非采区的降水、地表水、地下水与矿井水之间转化关系差异性仍需进一步研究。在采煤初期，地表水与地下水转化关系主要受大气降水与地形因素控制［28-30］；采煤增长期，受煤炭开采和岩溶地下水开采的控制；采煤剧增期，受煤炭开采主控［31］；煤炭所在含水层水文地质条件较为封闭，地下水循环交替差；采矿区局部地下水循环系统受到煤矿开采的影响，改变了裂隙水和孔隙水原有的循环模式，具体表现为地下水向采空区集中排泄，使得采煤区地表水下渗补给量增加［32-33］。
选取海流兔流域为研究区，该流域具有典型的干旱半干旱地区特征，并且区内煤矿长期作业。基于野外勘测，通过分析水化学和稳定同位素的空间变化特征，确定天然流域与采煤区域不同自然环境条件下流域的大气降水、地表水、地下水与矿井水转化关系及转化量的变化，以期为海流兔流域水循环模式提供参考。
1 研究区概况及研究方法
1.1 研究区概况
海流兔流域（37°58′57″—38°50′42″N、108°42′53″—109°24′19″E，图1），面积约3 817 km2，海拔994—1 477 m，流域北部以风沙草滩地貌为主，南部则以黄土丘陵地貌为主。研究区属于干旱半干旱地区，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，降水随季节变化较大，夏季降水量占全年降水量的65%—70%。区内已开采矿山集中在海流兔流域中下游，主要有营盘壕煤矿、巴拉素煤矿、纳林河二号矿等。
图1
海流兔流域根据赋水特征划分为松散层孔隙潜水含水层和基岩孔隙裂隙潜水及承压含水层，研究区地下水含水层自上而下分别为第四系全新统风积、冲击层潜水含水层，上更新统萨拉乌苏组（Q
图2
1.2 样品采集
在水文地质调查的基础上，于2019年8月共采集水样50组，包括地下水样24组，地表水样17组，矿井水4组，大气降水5组（图1）。采样点按照河流流向自上而下布设，地下水采样点按补排关系，于地表水上下游位置布点，其中地下水主要取自第四系上更新统萨拉乌苏组（Q
1.3 样品测定
水化学常规离子和氢氧同位素测试在内蒙古农业大学实验室分析测试。其中阴阳离子（
氢氧同位素（δD、δ18O）采用LGR（Los Gatos Research）液态水同位素分析仪（型号IWA-45EP）进行测试。仪器的测试精度δ18O优于±0.1‰，δD优于 ±0.5‰，两者均满足测量精度要求。同位素的测试结果均以相对于V-SMOW的千分偏差值表示，同位素比率δ：
式中：
水质易变参数pH、可溶性固形物（Total Dissolved Solid，TDS）浓度和电导率EC（Electrical Conductance）现场使用便携式多参数水质仪（HI98129·HI98130）测定。
1.4 数据分析
利用数理统计分析、舒卡列夫分类、Piper三线图和Gibbs模型分析不同水体的水化学特征、类型及其影响因素；使用反距离权重法分析离子趋势变化；氢氧同位素关系使用氢氧同位素关系图进行分析。Gibbs图、氢氧同位素关系图使用Excel软件绘制，Piper三线图用Aq·QA软件绘制，离子趋势图利用ArcGIS10.6进行绘制。
根据质量平衡方程和浓度平衡方程建立多端元混合模型，定量分析不同水体的贡献率，利用IsoSource软件计算。具体公式如下：
式中：
2 结果与分析
2.1 离子空间变化特征
由海流兔流域地表水、地下水的pH、TDS浓度、EC及离子浓度空间趋势可以看出，地表水TDS浓度、pH和EC变化趋势为上游到中游增长达到最高值后至下游逐渐减小（图3）。这是由于中游为采矿区，矿区疏干排水，洗煤水的排放等生产活动对地表水造成一定污染；地下水pH变化趋势与地表水基本相同，TDS浓度与EC则为上游达到最高之后开始减少，中游至下游又逐渐增加，表明在中游采矿区及邻近区域地表水与地下水之间交换更为频繁。地表水中
图3
图3
研究区地表水（A）和地下水（B）pH、可溶性固形物（TDS）浓度、电导率（EC）及离子浓度空间趋势
Fig.3
pH， TDS， EC and ion trends of surface water （A） and groundwater （B） in the study area
2.2 水化学特征
2.2.1 主要离子浓度
海流兔流域地下水的TDS浓度平均值最小，地表水、地下水、矿井水TDS浓度值域分别为157—997、109—328、653—1 065 mg·L-1，平均值分别为370、173、887.75 mg·L-1，矿井水TDS浓度的变异系数最小，为0.02，说明矿井水TDS浓度的总体变化较为稳定。地表水、地下水、矿井水pH均值分别为8.33、8.01、7.98，弱碱性。地表水中阳离子质量浓度
2.2.2 水化学类型特征
图4
矿区及以下流域主要由纳林河、海流兔河干流和硬地梁河3个子流域组成，大部分地表水离子在菱形区中靠近
矿区及以下流域纳林河、海流兔河干流和硬地梁河地表水主要水化学类型分别为
2.3 同位素组成特征
由于水中的δ18O和δD相对稳定，在研究各类水体的运动状况和演化过程常用作示踪剂［35-36］。Craig［37］通过计算全球大气降水中的氢氧同位素关系，得到了全球大气降水（global meteoric water line，GWML）方程：δD=8δ18O+10。利用全球大气降水线（GWML）与不同水体氢氧同位素组成的关系，识别流域各类水体地表水、地下水和矿井水的来源并分析其相互转化关系［38-39］。全区大气降水的δ18O和δD之间存在明显的线性关系（图5），通过对本次降水水样的氢氧同位素检测分析，得到海流兔流域大气降水线为δD=7.64δ18O+6.51，分布范围分别为 -13.42‰—-9.32‰和-97.07‰—-61.00‰。实测所得的降水线方程的斜率小于全球大气降水线，这是由于海流兔流域位于中国西北内陆地区，大气中的水汽在移动过程中受到蒸发作用的影响，导致分馏作用增强，使剩余水汽中的氢氧同位素贫化。
图5
海流兔流域地表水、地下水及矿井水的氢氧同位素组成均在全球大气降水线与实测大气降水线以下，表明大气降水为该地区的地表水、地下水与矿井水的主要补给来源。天然流域不同水体稳定同位素关系见图6，地表水沿河流流向与地下水的水力联系较弱，地表水的δ18O和δD值大于地下水，是因为蒸发作用使地表水的同位素更加富集。煤矿开采区，氢氧同位素组成明显存在地表水、地下水与矿井水的混合区域，说明地下水与地表水之间存在明显的转化关系。地下水主要由大气降水与河水渗漏补给。采矿区下游与天然流域相比，采矿区下游地表水与地下水氢氧同位素组成接近，地表水与地下水的水力联系较强；与采矿区相比，采矿区下游地下水氢氧同位素组成与采矿区接近，但地表水同位素更为富集。
图6
图6
地表水、地下水和矿井水氢氧同位素关系
Fig.6
The hydrogen and oxygen isotopes of surface water， groundwater and mine water
2.4 流域大气降水-地表水-地下水-矿井水转化关系
2.4.1 天然流域大气降水-地表水-地下水转化关系
δ18O、TDS在一定程度上可以描述区域不同水体的补给、径流、排泄方式［40］。天然流域地下水（H1—H4）δ18O沿程变化幅度较小，沿河流方向呈富集趋势（图7）；地下水TDS浓度呈先增加后减小的趋势，而地表水（h1）中TDS浓度明显大于地下水；由水文地质调查可知，上游天然流域处于毛乌素沙漠边缘地带，地下水水位埋深较大，与地下水相比河水的水位更高，表现为河水下渗补给地下水。使用二端元混合模型定量分析天然流域降水-地表水-地下水的补给关系，得出天然流域降水补给地表水和地下水的平均贡献率分别为15.5%和6.2%，地下水接受地表水补给地表水接受地下水补给的平均贡献率分别为56.7%和23.6%。由以上分析可知，天然流域降水、地表水与地下水转化关系以地表水下渗补给地下水为主。
图7
图7
天然流域地表水和地下水δ18O、可溶性固形物（TDS）浓度变化
Fig.7
Variation of TDS and δ18O concentration of surface water and groundwater in natural basin
2.4.2 采矿区大气降水-地表水-地下水-矿井水转化关系
流域采煤区主要在海流兔河中游及纳林河流域。海流兔沿河流方向地下水δ18O呈先富集后贫化又富集的趋势，地下水TDS浓度整体变化小，呈轻微上升趋势（图8）。地表水δ18O呈先富集后贫化的趋势，TDS浓度明显大于地下水，沿河流方向表现出下降趋势。海流兔河干流（h2—h4、h7、H5、H8—H11）地下水δ18O呈富集趋势且TDS浓度沿河增加，说明地下水受到了δ18O较为富集、TDS浓度较高的河水补给。对支流（h5、h6、H6、H7、H12、H13）水文调查结果显示，地下水埋深较小，高于河水水位，推测支流为地下水侧向渗漏补给河水。本次矿井水（K1、K2、K3、K4）主要为采煤过程中的矿坑排水，δ18O较为贫化，TDS浓度较高。纳林河地下水δ18O呈贫化趋势，TDS浓度呈轻微上升趋势，说明此段地下水接受了较为贫化的δ18O和TDS浓度大的河水补给。通过计算，海流兔河降水补给地表水和地下水的平均贡献率为26.9%和20.1%，地下水接受地表水补给和地表水接受地下水补给平均贡献率分别为63.3%、39.2%；纳林河流域降水补给地表水和地下水分别为19.9%和12.6%，地表水补给地下水及地下水补给地表水平均贡献率分别为59.4%和27.1%。由以上分析可得采矿区降水、地表水、地下水补给关系以地表水补给地下水为主。矿井水主要为煤层开采过程中的矿坑排水，对降水、地表水和上覆萨拉乌苏组地下水同位素进行多端元计算，混合比例分别为5.2%、17.9%和72.4%。采矿区地下水主要接受河水下渗补给，与天然流域相比，采矿区地下水接受降水补给量增加6.4%—13.9%，这是由于煤矿的开采改变了雨水的汇流条件，采煤疏干排水使矿区周围地下水水位降低，使上覆萨拉乌苏组含水层地下水向采空区汇流速度加快。
图8
图8
采矿区地表水、地下水和矿井水δ18O和可溶性固形物（TDS）浓度沿程变化
Fig.8
Variation of TDS and δ18O concentration of surface water， ground water and mine water in the mining area
2.4.3 矿区下游大气降水-地表水-地下水转化关系
矿区下游海流兔河地表水与地下水δ18O接近（图9），地表水与地下水TDS浓度整体较小。这表明在下游地表水与地下水之间存在频繁的转化关系。沿河水流向地表水δ18O呈富集趋势，海流兔河与硬地梁河汇流处（h11）δ18O最为富集，可能因为下游处于河口汇流处，地表水受到了强烈的蒸发作用影响。硬地梁河地下水水位较浅，与河水水位较为接近，沿河流流向地表水δ18O呈贫化趋势，TDS浓度缓慢增加，推测硬地梁河河水接受了低TDS浓度和δ18O较贫化的地下水补给。经计算得出，海流兔河降水补给地表水与地下水平均贡献率为24.6%和19.3%，地表水补给地下水和地下水侧向渗漏补给地表水的平均贡献率为58.9%和39.9%；硬地梁河降水补给地表水与地下水平均贡献率为21.9%和12.6%，地下水接受地表水补给、地表水接受地下水侧向渗漏补给的平均贡献率为45.3%和54.1%。由此可以得到，海流兔河下游以地下水接受地表水下渗补给为主，而硬地梁河则是以地表水接受地下水补给为主。
图9
图9
矿区下游地表水和地下水δ18O和可溶性固形物（TDS）浓度沿程变化
Fig.9
Variation of TDS and δ18O concentration of surface water and groundwater in the downstream of the mine
3 讨论
3.1 水化学特征影响因素
图10
图10
研究区不同水体水化学Gibbs图
Fig.10
Different water samples of Gibbs plots in the study area
天然流域地表水与地下水的TDS浓度小于500 mg·L-1，
3.2 大气降水-地表水-地下水-矿井水转化关系影响因素
海流兔流域降水δ18O和δD的值分别为-13.42‰—-9.32‰和-97.07‰—-61.00‰。实测所得的降水线方程的斜率小于全球大气降水线。结果与曾帝等［46］对西北地区降水同位素组成研究结果一致。研究区地表水、地下水与矿井水的主要来源为大气降水；矿区及下游与天然流域相比地表水与地下水同位素组成更为接近，表明煤矿开采改变了河水与地下水原本的转化关系，使地表水与地下水之间水力联系更密切。矿井水同位素组成与上覆萨拉乌苏组地下水更为接近，表明煤采矿活动扰动了上覆地下水含水层，增加了矿井水的补给来源。结果与冀瑞君等［47］在神府矿区研究结果一致。由矿井水混合计算结果可以看出，煤矿开采疏干排水使地表水转化量更多，但矿井水与萨拉乌苏组地下水转化关系更为密切，这与Zhang等［48］研究结果一致。采煤对海流兔流域影响主要集中在采矿区，天然流域和非矿区降水、地表水与地下水的转化主要受地形因素影响。
4 结论
海流兔流域地表水受煤矿开采影响硫酸盐、氯化物含量增幅较大，TDS浓度在采矿区达到最高值。与天然流域相比采矿区地表水水化学类型受到采煤和人类活动影响较大。
大气降水为海流兔流域地表水、地下水与矿井水的主要补给来源。天然流域地表水与地下水的转化关系主要为地表水下渗补给地下水，平均贡献率为56.7%；采矿区纳林河和海流兔河地表水与地下水转化关系主要为地下水接受地表水下渗补给，补给比例分别为59.4%和69.3%，补给比例略高于天然流域；矿区下游纳林河主要为地表水补给地下水，补给比例为58.9%，硬地梁河以地下水侧向渗漏补给地表水为主，平均贡献率为54.1%。
矿井水主要来源为上覆萨拉乌苏组地下水，补给占比为72.4%，采煤破坏了原本的地层结构，使得上覆含水层向采空区汇流速度加快，进而加快了采矿区降水与地表水向地下渗流速度。
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