Characterisation of Acid Mine Drainage Using a Combination of Hydrometric, Chemical and Isotopic Analyses, Mary Murphy Mine, Colorado

The legacy of mining continues to affect stream water quality throughout the western United States. Traditional remediation, involving treatment of acid mine drainage from portals, is not feasible for the thousands of abandoned mines in the West as it is difficult and expensive. Thus, the development of new methods to address acid mine drainage is critical. The purpose of this study was two fold; to identify and test new tools to identify sources of metal pollution within a mine and to identify low-cost treatment alternatives through the use of these tools. Research was conducted at the Mary Murphy Mine in Colorado, a multiple-level underground mine which produced gold, silver, copper, lead and zinc from 1870 to 1951. Source waters and flowpaths within the mine were characterised using analysis of hydrogen and oxygen isotopes of water (water isotopes) in combination with solute analysis and hydrometric techniques. Hydrometric measurements showed that while discharge from a central level portal increased by a factor of 10 during snowmelt runoff (from 0.7 to 7.2 Ls^–1), Zn concentrations increased by a factor of 9 (from 3,100 to 28320gL^–1). Water isotopes were used as conservative tracers to represent of baseflow and snowmelt inputs in a hydrologic mixing model analysis. The results showed that less than 7% of peak discharge was from snowmelt. Within the mine, approximately 71% of the high-flow Zn loading was caused by a single internal stream characterised by extremely high Zn concentrations (270600gL^–1) and low pH (3.4). Somewhat surprisingly, hydrologic mixing models using water isotopes showed that new water contributed up to 79% of flow in this high-Zn source during the melt season. Diversion of this high-Zn source within the mine resulted in a decrease in Zn concentrations at the portal by 91% to 2,510gL^–1, which is lower than the base-flow Zn concentration. The results suggest that in some mines remediation efforts can be concentrated on specific areas within the mine itself. Using the characterisation techniques demonstrated in this study, problem areas can be identified and contaminated flows diverted or isolated. The results also suggest that it may be possible to dewater contamination areas, greatly reducing costs of remediation.     

甘肃武山地热田水化学与地热水起源

通过对武山地热田地热水和地下冷水的水化学和同位素分析,结果表明武山地热水的出露温度为18.2~42.1℃,TDS含量为238~255 mg/L,属于低矿化度的HCO3型水。相对于地下冷水,地热水有更高的S iO2、F含量,说明经历了比冷水更长的循环深度。水化学特征表明武山地热水为大气降水与岩石相互作用的初级阶段。武山冷水和地热水的同位素沿着西北大气降水线分布,由于地热水的水岩相互作用时间较长,有更低的δD和δ18O值,说明武山地热水是大气来源的。综合运用各种地热温标估算武山地热水的热储温度范围在70~106℃之间,按照甘肃东部的平均地温梯度(35℃/km),得出武山地热水循环深度为1.74~2.77 km,属于中低温地热系统。此研究为今后可持续开发武山地热水提供了科学依据。     

汾河流域浅层地下水水化学和氢氧稳定同位素特征及其指示意义

汾河流域是黄河的第二大支流,本文利用Piper三线图、Gibbs模型、主成分分析法、相关矩阵和正向演替模型等方法,分析了汾河流域浅层地下水的水化学和氢氧稳定同位素分布特征及其控制因素,揭示了流域水循环及水质演化过程.结果表明,汾河流域地下水属弱碱性和微硬水;优势阴阳离子分别为HCO₃^-和Ca²⁺;地下水水化学类型以Mg-Ca-HCO₃和Mg-Ca-Cl-SO₄为主,水质整体较好,Ⅰ~Ⅲ类水占比超94%.地下水δD和δ¹⁸O平均值分别为-70.2‰和-9.6‰,与7~9月降水同位素值相似,指示地下水可能主要来源于该时期的降水,并发现地下水补给方式（优势流和活塞流）存在一定的空间变化.岩石风化是地下水溶质的主要来源（87%）,而大气输入和人类活动相对较小,分别占8%和5%.在岩石风化中,硅酸盐岩、蒸发盐岩和碳酸盐岩对地下水溶质的贡献相当,分别占32%、28%和26%.本研究结果可为促进可持续开发利用汾河流域地下水资源提供依据.     

京杭大运河中下游段天然水化学变化特征及驱动因素

为揭示京杭大运河天然水化学特征及人为活动的影响,于2019~2020年采集徐州至嘉兴段主要城市站点河水测试,同时收集苏锡常段1959~1962年和1975~1977年的水化学数据与沿线主要城市近年的社会经济数据,在此基础上进行了分析.结果表明,研究区水化学类型主要受流域碳酸盐岩风化作用,但K⁺+Na⁺当量浓度占总阳离子高达40.39%,高于一般地表水,说明运河天然水化学已受到人为因素的显著影响.空间上,运河主要离子质量浓度、总硬度和总碱度从徐州站向下游总体上有减小的趋势,但在无锡和苏州站各参数显著升高;分析苏锡常段60年来的水化学变化发现,其Na⁺和SO₄^2-分别升高了约16倍和12倍,总溶解固体（TDS）也升高了近3倍,同时苏锡常段河水目前（Ca²⁺+Mg²⁺）/HCO₃^-比值普遍大于1,显著高于1959~1962年,反映了人类活动影响的结果.结合运河流域社会经济发展情况的分析显示,人为活动排放的硫氧化物加速了流域碳酸盐岩的风化,这是导致这一变化的主要因素.进一步统计分析表明,城市生活污水和工业废水的排放等是造成大运河天然水化学盐渍化的主要驱动因素.本研究可为协调城市发展和保护大运河流域水生态环境提供科学基础.     

新疆叶尔羌河流域地表水水化学特征及控制因素

本文运用Piper三线图、Gibbs图、饱和指数和离子比例关系等方法分析新疆叶尔羌河流域地表水水化学特征及其控制因素,对流域地表水资源合理开发利用具有重要意义.结果表明,地表水pH范围为7.40~8.33,均值为7.92,整体呈弱碱性.河水、渠水和水库水的溶解性总固体（TDS）均值呈现依次递增的趋势,其中河水的TDS均值为429.24 mg·L^-1,高于世界河流的平均值（115 mg·L^-1）.河水的水化学类型主要为HCO₃·SO₄-Ca·Na和SO₄·HCO₃·Cl-Ca·Na·Mg型.渠水的水化学类型主要为HCO₃·SO₄·Cl-Ca·Na型.水库水的水化学类型主要为SO₄·Cl-Na·Ca型.叶尔羌河沿程河水TDS呈连续增加趋势,提孜那甫河沿程河水TDS呈连续波动变化,而主要离子的变化趋势较为复杂.地表水体离子主要受岩石风化、蒸发结晶和阳离子交换作用影响,其中岩石风化作用过程中以石膏和岩盐的溶解为主.此外,人类活动对下游地表水水化学组分具有重要影响.     

贵州草海水化学特征及离子来源分析

为明确草海水体化学的时空分布特征,揭示水-岩作用以及人类活动对水化学的影响,分别在枯水期和丰水期对草海湖水、河水及地下水进行系统采样,并通过Piper、Gibbs等水文地球化学方法分析水化学控制因素和主要离子来源.结果表明,草海水化学类型主要为HCO3-Ca和HCO3-SO4-Ca-Mg型.HCO3-、Ca2+为优势离...     

托木尔峰青冰滩72号冰川径流水化学特征初步研究

利用2008年8月采集的样品,分析了托木尔峰青冰滩72号冰川径流水化学特征.结果表明,72号冰川水化学类型为HCO3--Ca2+型,其离子浓度顺序为:HCO3->SO24->Ca2+>Cl->Na+>NO3->Mg2+>K+>NH4+.主要离子浓度的变化趋势基本相同,影响河水离子浓度变化的原因主要是冰川表碛覆盖区和冰川侧脊区受到降水等引起的水岩相互作用使可溶性离子融入径流,而温度条件也是影响河流离子浓度的重要因素.此外,流量和离子浓度呈负相关关系.河水中离子的来源为3种类型,第一类为局地源的离子,包括Cl-、Na+、K+、Mg2+、HCO3-和SO24-;第二类为来源比较特殊,基本不受其它离子影响的NO3-;第三类为来源多样的Ca2+.岩石及土壤风化作用是控制河水离子变化的主要因素.     

南小河沟流域地表水和地下水的稳定同位素和水化学特征及其指示意义

南小河沟流域为典型的黄土高原沟壑区,本文分析了该流域地表水和地下水的氢氧稳定同位素和水化学特征,揭示了地表水与地下水之间的相互关系.结果表明,大气降水的δD和δ~(18)O值呈现春夏高,秋冬低的季节变化特征.水库水的δD和δ~(18)O值的季节性变化规律呈现夏秋高、冬春低的特征.地下水的δD和δ~(18)O值季节性变化规律相对不显著.流域内地表水和地下水水化学类型主要为Na·Mg-HCO_3型.地表水和地下水电导率的季节性变化规律均呈现冬季高、夏季低的特点.当地大气降水和深层地下水可能是南小河沟流域内地表水(水库水、沟道水)和泉水的主要补给来源.流域内的常流泉可能主要由深层地下水补给,而季节泉,例如,董庄沟和杨家沟的源头泉则可能是由深层地下水和当地大气降水共同补给.     

然乌湖流域地表水水化学特征及控制因素

为研究然乌湖流域地表水水化学特征及离子来源,在然乌湖流域采集了地表水样品和雨水样品,综合利用相关性分析、Piper三线图和Gibbs模型等方法,分析了该区地表水主要离子特征及其控制因素,揭示了该区地表水水中的主要物质来源.结果表明,然乌湖流域地表水pH为7.54～8.48,呈弱碱性,并具有较低的溶解性总固体(59.89～96.75 mg·L~(-1)),阳离子主要以Ca~(2+)和Mg~(2+)为主,Ca~(2+)当量浓度占阳离子总量的63.3%～76.2%,均值为67.2%, Mg~(2+)当量浓度占阳离子总量的23.4%～36.2%,均值为31.4%, Ca~(2+)和Mg~(2+)约占阳离子总量的98.5%.阴离子以HCO~-_3为主, HCO~-_3占阴离子总量的74.31%～84.29%,均值为78.21%, SO_4~(2-)占阴离子总量的9.59%～19.37%,二者约占阴离子总量的93.55%.水化学类型为HCO_3-Ca和HCO_3-Ca·Mg型,水文地球化学过程受人类活动影响较弱,主要受岩石风化作用控制,主要离子来源于碳酸盐岩及硅酸盐岩的风化溶解.     

基于水化学和氢氧同位素的东宫河流域不同水体转化关系研究

为明晰秦皇岛东宫河流域水环境特征,以该流域大气降水、地下水及地表水为研究对象,通过对水化学和氢氧稳定同位素样品测试及特征分析,揭示其时空变化特征及大气降水、地下水和地表水的相互转化关系.结果表明:①东宫河流域地下水（第四系孔隙水、岩溶水、裂隙水）和地表水（河水、泉水）的水化学类型,枯水期较丰水期丰富.丰水期水化学类型主要以HCO₃-Ca型、HCO₃·SO₄-Ca型和HCO₃-Ca·Mg型为主;枯水期水化学类型以HCO₃-Ca型、HCO₃-Ca·Mg型、HCO₃·SO₄-Ca型、HCO₃·SO₄-Ca·Mg型为主.②研究区第四系孔隙水和泉水的离子含量变化受季节影响较大,枯水期离子含量变化较丰水期显著;岩溶水和裂隙水各离子含量变幅较小,基本趋于稳定.岩溶含水层和裂隙含水层中富含石膏,为SO₄2-的主要来源;Na+和Cl-主要来源于易溶解盐NaCl,Ca2+和Mg2+主要来源于方解石的风化溶解.③东宫河流域地下水、地表水及大气降水之间存在密切的水力联系,针对氢氧同位素的组成分析表明,大气降水为地下水和河水的主要来源;不同泉水补给来源存在差异性,泉水主要接受岩溶水补给,同时也受蒸发作用影响;第四系孔隙水接受大气降水和河水的双重补给;裂隙水主要接受山区降水径流补给.研究显示,东宫河流域不同水体中离子含量受降雨量、温度和地质背景等影响,不同水体间联系密切,相互补给排泄.