高校地质学报

邱文杰, 杜卓然, 尹子悦, 孙媛媛, 祝晓彬, 吴剑锋

2025, 31(01): 1-13. DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024091

摘要 ( 205 )

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采矿活动形成的酸性矿山废水（AMD）是世界范围内的环境问题，研究AMD的产酸机制及影响重金属和硫酸盐的释放、迁移和转化等的生物地球化学过程，能够为定量预测AMD的形成过程与修复方案提供科学依据。文章基于TOUGHREACT/EOS3程序构建水—气二相流的多组分反应运移模型，模拟尾矿堆中硫化物矿物（如黄铁矿）在大气降水和氧气作用下的氧化溶解产酸过程。同时，进一步考虑相关组分在含水介质中迁移转化的物理和地球化学反应过程，反应网络包括硫化物矿物氧化溶解释放的H+、铁离子以及硫酸根迁移转化过程，主要矿物的溶解和沉淀反应引起pH缓冲过程。最后，将硫稳定同位素考虑到反应运移模型中，以识别AMD形成过程中发生的细菌硫酸盐还原过程及相应的硫同位素分馏。模型首先定量得出黄铁矿在不同氧化途径下的产酸贡献，结果表明同时考虑O₂(aq)和Fe^³⁺的平行氧化过程会增加产酸、铁离子和硫酸根浓度，pH受黄铁矿氧化释放的H⁺以及矿物溶解—沉淀对应的中和反应控制。稳定同位素反应运移模型结果表明，在不同分馏动力学富集系数下，δ³⁴S值变化差异较大，在开放系统中采用瑞利分馏模型则很大程度上会高估富集系数。该研究有利于理解并预测矿山环境中酸性水的形成与迁移过程，对于防治采矿活动引起的环境污染问题具有重要意义。

基于升尺度离散裂隙—基质模型的裂隙水反应运移数值模拟与软件开发

刘殿广, 杨蕴, 袁奕梁, 窦智, 吴剑锋, 吴吉春

2025, 31(01): 14-23. DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024089

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裂隙水反应运移模拟是地球科学和环境工程领域的研究热点与难点，传统的等效多孔介质模型或离散裂隙网络模型在刻画复杂裂隙网络中的水流和溶质运移过程时存在一定的局限性。文章开发裂隙水反应运移数值模拟软件FracRTM，基于离散裂隙网络（Discrete Fracture Network, DFN），采用升尺度离散裂隙—基质模型（Upscaled Discrete Fracture MatrixModel，UDFM）构建连续体网格并计算等效渗透率和孔隙率，采用开源反应运移数值模拟程序模拟裂隙—基质系统中地下水流动、溶质运移和化学反应的物理—化学过程。文章介绍了FracRTM的总体设计与功能模块，同时基于FracRTM进行了酸性矿坑水在碳酸盐岩裂隙网络中迁移过程的数值模拟案例分析，以验证软件的有效性。

基于自组织映射机器学习方法的酸性矿坑水污染特征聚类分析：以福建龙岩林坑煤矿为例

贾文慧, 叶淑君, 车巧慧, 许万强, 郑文明, 王帮团

2025, 31(01): 24-33. DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024088

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酸性矿坑水（Acid Mine Drainage, AMD）是煤炭开采过程中产生的主要环境问题之一，对生态系统和人类健康构成严重威胁。该研究选取福建龙岩林坑煤矿为研究区，运用自组织映射（Self-Organizing Map, SOM）技术对研究区AMD污染特征进行系统的聚类分析，旨在准确评估该区域AMD污染现状并有效识别主要污染源。本研究利用SOM方法对37个水样的4种水质指标pH、Fe、Mn和SO₄^2-）进行综合分析，最终将水样划分为4个不同污染程度的聚类，明确揭示了不同污染程度水体的空间分布特征。各聚类按污染程度从高到低顺序，依次为聚类Ⅳ、聚类Ⅲ、聚类Ⅱ和聚类Ⅰ，其中聚类Ⅲ和聚类Ⅳ的样本表现出严重的污染特征，主要位于煤矿涌水点和煤矸石堆放区附近，是未来治理工作的重点；聚类Ⅱ的样本主要受污染水流汇入的影响；聚类Ⅰ包含样本量最多，表明该区域大部分水体受AMD影响程度有限。SOM方法为AMD污染特征的评估提供了有效工具，具有推广至其他煤矿区的应用潜力。未来研究需增加监测频率，以捕捉季节性变化对水质的影响。随着监测数据量的不断增加，SOM方法的应用潜力将更加明显。

地下水污染监测网优化设计研究综述

刘明力, 骆乾坤, 吴剑锋, 宋健, 杨蕴, 孙晓敏

2025, 31(01): 34-47. DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024090

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矿山开采、垃圾填埋及化工产品生产过程都可能对地下水造成污染。无论是追溯污染源信息还是监测污染物运移趋势都需要合理设置相应的监测网。长期运行设计不合理的地下水污染监测网势必会造成高昂的监测成本。因此，必须要开展地下水污染监测网的优化设计研究，力争用较少的监测成本最大精度地获取污染物浓度变化数据。地下水污染监测网的主要优化内容包括监测井在空间上监测位置的优化和时间上监测频率的优化两个方面。目前，针对地下水污染监测网优化设计问题的求解已经提出了多种定性（如水文地质分析法）和定量（如模拟—优化模型方法和克里格法）的方法，并取得了诸多成效，但每种方法都有其特定的适用场景和优缺点。论文首先系统总结了近40年地下水污染监测网优化设计的主要研究成果，然后对目前国内外应用较多的7种地下水污染监测网优化设计的方法进行介绍、评价和比较，最后对今后地下水污染监测网优化设计的主要研究方向进行了展望。

中国高硫煤矿区地下水特征污染物筛选

丁浩然, 程天航, 黄沿畅, 尹子悦, 路平

2025, 31(01): 48-57. DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024086

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中国煤矿储量丰富，部分矿区煤及矸石中含有大量的含硫矿物，煤层开采后氧化还原条件变化，化学组分释放并进入水环境，造成地下水或地表水污染。该文基于中国高硫煤矿地下水化学组分的实地测试数据和调研数据，对潜在危害指数法、综合评分法和Hasse图解法进行结合和改进，筛选出中国煤矿区地下水中的特征污染物，筛选结果表明酸性地下水特征污染物为Mn、Ni、Fe、Se、SO₄^2-、Al、Co、Cd和As；非酸性地下水特征污染物为SO₄^2- 、Mn、Ni、Fe、Pb、Co和Cd，其中硫酸盐在强酸性条件下和弱碱环境中出现2个峰值，尤其在强酸条件下含量普遍较高，最高达17870 mg/L。Fe、Mn、Al、Co、Zn和Ni一般在酸性环境中较高，随着pH值的升高而逐渐降低，表明碱性条件不利于这类重金属元素在地下水中富集。矿区地下水中SO₄^2-浓度与Fe、Mn、Al和Zn离子浓度存在一定程度的正相关，表明：部分SO₄^2-与Fe、Mn、Al、Zn离子可能共同来源于硫化矿物氧化。

基于综合物探的金属矿山地下导水通道识别

方运海, 钱家忠, 马雷, 丁丹, 谢伟

2025, 31(01): 58-66. DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024087

摘要 ( 86 )

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地下导水通道精细刻画对于矿山安全开采以及矿坑水多技术协同治理至关重要。废弃采空区和导水断裂深埋于地下，其复杂的空间结构难以低成本、快速识别。该研究以天马山硫金矿区作为研究区，综合运用瞬变电磁法和高频大地电磁法识别地下导水通道发育情况。研究结果表明，矿区接受大气降水补给的导水通道主要有三处，分别位于矿区西侧的尾矿回填区、40线以南冲沟地形区以及冲沟区西南侧的断层破碎带。其中规模最大的是冲沟地形区域，由于地势较低，地表水汇聚于此形成向下补给的渗漏通道。第四系松散覆盖层之下，局部发育长条形破碎带，形成自地表向下延伸至-700 m的导水通道。整个渗漏区沿着冲沟地形走向，呈北西向展布，在-400 m和-600 m高程分别存在连续的局部最小电阻异常区，推测为岩溶发育的富水区。上述结果表明，应用高频大地电磁技术初步识别局部富水区域以及地层结构特征，再利用瞬变电磁法对主要导水通道进行精细探测，是实现金属矿山地下导水通道低成本、快速、准确识别的有效途径。

ERT 法监测含水层重金属污染及原位化学修复过程研究

张勇, 骆乾坤, 刘鑫, 李迎春, 邓亚平, 马雷, 钱家忠

2025, 31(01): 67-83. DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024093

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含水层重金属污染修复需要经济高效的动态监测手段作为支撑。然而传统的监测方法存在耗时长、成本高、数据滞后以及对现场扰动较大等问题。该文以铜离子为例，采用电阻率成像法（Electrical Resistivity Tomography，ERT），这种方法具有快速、低成本、实时动态监测和原位无损的优势，并通过一维和二维砂箱实验验证ERT方法监测含水层重金属污染及原位化学修复过程的可行性，同时探讨监测精度的影响因素。研究结果表明：一维砂柱实验，污染阶段ERT监测数据与取样数据的相关性系数（R²）超过0.96，相对误差（δ）低于4.04%；修复阶段R²超过0.94，δ低于6.43%。二维砂箱实验，使用污染羽空间矩评估方法结合取样数据对ERT监测结果进行量化分析，铜离子运移过程中的一阶矩误差低于9%，二阶矩误差低于14%；修复过程中的一阶矩误差低于11%，二阶矩误差低于19%。此外，ERT装置的信息捕捉精度受铜离子运移速率和反应速率的影响。铜离子运移速率和反应速率越慢，ERT装置的信息捕捉精度越高。该研究验证了ERT方法在地下水重金属污染监测和修复过程监测中的可行性和准确性，为实际应用提供了重要的方法借鉴。

基于可变模糊集理论的高硫矿区地下水质量评价

谢伟, 钱家忠, 马雷, 方运海, 丁丹

2025, 31(01): 84-91. DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024092

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对高硫矿区进行水质评估、全面掌握地下水环境质量是实现酸性矿坑水治理与防控的前提。在水质评价中地下水的污染程度是一个模糊的慨念，这种模糊属性源自于水质分类标准及其阈值固有的不确定性。为解决模糊数学方法在矿山地下水水质评估中存在的评价标准不匹配以及隶属度绝对化问题，该研究以铜官山矿区作为研究区，引入可变模糊集理论，建立高硫矿区地下水质量综合评价模型，动态识别水质类别的模糊性。结果表明，相对隶属度定量表征了评价指标与评价标准间亦此亦彼的隶属关系，当评价指标浓度处于某分级标准范围内，该等级和相邻两侧等级的隶属度均大于0。研究区大部分地下水质处于第Ⅳ和Ⅴ等级，占比89%，水质较差。其中，监测点M3-M7为井下涌水，酸性矿坑水特征明显，硫酸盐、铁、锰、溶解性总固体、总硬度含量以及酸度超标。矿井疏排水经异位末端治理后，虽然能降低其生态环境污染的风险，但处置成本较高，建议后续协同治理示范工程在“源头控制”和“过程阻断”方面提升综合效益。

典型干旱区地下水动态对农业灌溉响应的模拟研究

王北大, 宋健, 尹子悦, 林锦, 吴剑锋

2025, 31(01): 92-103. DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024010

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研究干旱和半干旱区不同作物生长条件下农业灌溉对地下水动态的影响，对区域地下水合理开发利用具有重要现实意义。文章基于GMS软件中的MODFLOW-NWT程序及非饱和带模拟子程序包UZF1，建立了邻近焉耆盆地开都河北岸的数值模型，结合逐日地下水水位数据进行校验和水均衡分析。该研究采用作物系数法计算5种典型农作物（辣椒、番茄、小麦、甜菜、玉米）需水量，开展盆地不同种植情景下地下水埋深动态变化与农业灌溉关系的过程模拟。结果表明，种植高耗水量的甜菜对应的平均地下水埋深最大，种植小麦时对应的平均地下水埋深最小，而种植番茄、辣椒、玉米时对应的平均地下水埋深接近。种植甜菜时平均地下水埋深比小麦大0.85 m，当需水量增加100 mm，生育期内地下水埋深平均增大0.31 m，表明作物需水量是影响研究区地下水位波动的重要因素。研究结果可为干旱和半干旱区水资源可持续管理及农业种植策略制定提供科学依据。

气候变暖对典型半干旱地区地下水潜在补给量的影响

强郁城, 谢月清, 陆士昂, 戴鑫

2025, 31(01): 104-112. DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024038

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降雨入渗是干旱半干旱地区地下水补给的主要来源，研究其补给机制对于这些地区地下水资源合理开发利用具有重要意义。当前全球气候变暖日益加剧，气候变暖会改变降雨时空变异性从而对地下水补给量产生显著影响，然而气候变暖对于干旱半干旱地区地下水补给量的影响尚不明确。该研究选取典型半干旱地区鄂尔多斯高原作为研究区，构建了野外气象和土壤水分层数据观测站，基于HYDRUS-1D建立了一维非饱和水流模型，并利用实际观测数据校正与验证模型，基于该模型系统研究了ssp1-2.6、ssp2-4.5、ssp3-7.0、ssp5-8.5四种气候变暖情景下该地区地下水补给的机理过程与潜在补给量的变化趋势。研究结果表明：（1）气候变暖对研究区降雨量的影响较小，对气温产生的影响更加明显。研究区未来降雨量将缓慢上升，而气温变化趋势则随气候变暖情形不同而不同；（2）气候变暖会导致研究区地下水潜在补给量减少，仅在气候变暖程度最低的ssp1-2.6情形下补给量会上升；（3）研究区的地下水潜在补给量受到降雨量变化影响较小，受到蒸散发强度变化影响较大。

基于水均衡分析与记忆曲线模型估算流域地下水径流量

陈子昂, 曾献奎, 吴吉春

2025, 31(01): 113-122. DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024043

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地下水循环是全球陆地水循环的重要组成部分，精确描述流域地下水径流量对查明流域地下水循环过程至关重要。文章基于水文气象遥感数据，通过构建蒸发、地表径流等记忆曲线模型，结合水量平衡方程，并进行参数不确定性分析，估算了流域降水释放的地下水径流量。以巴西热基蒂尼奥尼亚河流域（Jequitinhonha river basin）为研究区，结果表明：记忆曲线模型能较好地模拟研究区蒸发、地表径流与陆地水储量变化过程。研究区蒸发模拟值与基于GLEAM的蒸发观测数据拟合较好，识别期与验证期R2分别为0.74与0.81；地表径流模拟值与观测值在识别期R2为0.69，在验证期为0.63；陆地总水储量变化（TWSC）模拟值与GRACE TWSC序列在识别期与验证期的R2分别为0.73与0.6。同时，基于地下水径流记忆曲线模型，估算研究区降水在各月累积释放的地下水径流量在50~350 m3/s之间波动，呈现明显的年内变化规律。研究成果为大尺度、地下水观测数据缺乏的流域地下水径流量估计提供了一种新思路。

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2025, 31(01): 123.

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2025, 31(01): 124.

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