淮南潘集采煤沉陷區地表水與淺層地下水中的氮磷特征

谷得明

摘要：根據2012年11月至2013年9月的9次監測數據，分析了淮南潘集開放型和封閉型采煤沉陷區地表水與淺層地下水中氮磷的時空分布及組成特征。結果表明，氨氮和溶解性總磷的時空差異性較小，KB（開放型地表水）、FB（封閉型地表水）、KD（開放型地下水）、FD（封閉型地下水）中氨氮最大值分別為0.621 mg/L（6月）、0.813 mg/L（6月）、1.45 mg/L（5月）、1.207 mg/L（5月），溶解性總磷最大值分別為0.055 5 mg/L（11月）、0.039 05 mg/L（5月）、0.350 3 mg/L（11月）、0.140 7 mg/L（7月）；硝態氮、凱氏氮和總氮的時間差異性較大，空間差異性較小，KB、FB、KD、FD中硝酸鹽氮最大值分別為0.635 mg/L（11月）、0.623 mg/L（4月）、1.13 mg/L（4月）、1.258 mg/L（4月），凱氏氮最大值（6月）分別為1.398 mg/L、1.397 mg/L、1.068 mg/L、1.025 mg/L，總氮最大值分別為2.295 mg/L（11月）、2.261 mg/L（1月）、1.309 mg/L（11月）、2.21 mg/L（1月）；正磷酸鹽和總磷的時空差異性較大，KB、FB、KD、FD中正磷酸鹽最大值分別為0.103 7 mg/L（11月）、0.029 8 mg/L（6月）、0.367 9 mg/L（4月）、0.389 5 mg/L（9月），總磷最大值分別為0.114 1 mg/L（8月）、0.196 9 mg/L（5月）、0.411 8 mg/L（4月）、0.450 9 mg/L（9月）。氮磷時空差異性主要受降水量、地表徑流及農業面源、人為干擾等因素的影響。無機氮與總氮和正磷酸鹽與溶解性總磷的比率均大于50%，正磷酸鹽是溶解性總磷的主要存在形式，開放型沉陷積水區內溶解態磷的比重更高。

關鍵詞：采煤沉陷區；地表水；淺層地下水；氮磷；時空分布；組成特征

中圖分類號：X824 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）19-4714-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.19.014

Abstract：Based on the nine sets of monitoring data from November 2012 to September 2013， the temporal and spatial distribution and composition characteristics of nitrogen and phosphorus in surface water and shallow groundwater of open and closed coal mine subsidence area in Panji of Huainan were investigated. Results showed that the temporal and spatial distribution differences of ammonia nitrogen and soluble phosphorus were small. In KB（opend surface water）， FB（closed surface water）， KD（opend shallow groundwater） and FD（closed shallow groundwater）， the maxima of ammonia nitrogen was 0.621mg/L（June）， 0.813mg/L（June）， 1.45mg/L（May）， 1.207mg/L（May） and the maxima of soluble phosphorus was 0.0555mg/L（November）， 0.03905mg/L（May）， 0.3503mg/L（November）， 0.1407mg/L（July）， respectively. The temporal distribution differences of nitrate nitrogen， kjeldahl nitrogen and total nitrogen werebigger were larger， while the spatial distribution differences were smaller. In KB， FB， KD and FD， the maxima of nitrate nitrogen was 0.635mg/L （November）， 0.623mg/L（April）， 1.13mg/L（April）， 1.258mg/L（April）； the maxima of Kjeldahl nitrogen was all in June， at the content of 1.398mg/L， 1.397mg/L， 1.068mg/L， 1.025mg/L； and the maxima of total nitrogen was 2.295mg/L（November）， 2.261mg/L（January）， 1.309mg/L（November）， 2.21mg/L（January）， respectively. Meanwhile， the temporal and spatial distribution differences of orthophosphate and total phosphorus were both larger. In KB， FB， KD and FD， the maxima of orthophosphate was 0.1037mg/L（November）， 0.0298mg/L（June）， 0.3679mg/L（April）， 0.3895mg/L（September）； and the maxima of total phosphorus was 0.1141mg/L（August）， 0.1969mg/L（May）， 0.4118mg/L（April）， 0.4509mg/L（September） ， respectively. The temporal and spatial differences of nitrogen and phosphorus were mainly affected by rainfall， surface runoff and agricultural non-point source， human disturbance and other factors. The ratio of inorganic nitrogen in total nitrogen and orthophosphate in soluble phosphorus was higer than 50% in all. Moreover， orthophosphate was the main existence form of soluble phosphorus； and the soluble phosphorus in open subsidence area was higher.

Key words： coal mine subsidence area； suface water； shallow groundwater； nitrogen and phosphorus； time and spatial distribution； composition characteristics

淮南地區煤炭儲量豐富，煤炭產量的95%以上為井工開采[1]，煤層厚且穩定，產狀平緩，第四系松散層厚度大。大規模的煤炭開采導致了大面積沉陷區的形成。同時，較高的地下水水位和密集的地表河網，導致了大面積沉陷積水區的形成。相關研究表明，截至2009年底，淮南采煤沉陷區面積約130 km2，積水區面積占30%～50%，約為全市總面積的5%[2]。到2020年淮南沉陷區面積將進一步擴展至300 km2 以上，可儲備約7～10億m3以上的淡水資源[3]。淮南礦區服務年限結束時，耕地面積將比目前減少46.75%，水面增加173.14%[4]。這些積水區為地表水資源的匯集創造了良好條件，有效地調整了水資源，極大地促進了地區經濟的平穩發展。

近年來，國內學者對采煤沉陷區的研究主要集中在水質調查監測，分析水體中重金屬元素和部分理化生物指標評價水質，建立水質綜合評價模型，試圖找出水質的主控因素[1，5，6]。國外學者主要開展水體地形地貌、水文、生態和景觀特點等研究[7，8]。但有關沉陷區地表水及地下水中營養鹽組成及其時空分布特征的研究較少。本研究以淮南潘一、潘三及潘一東部后湖沉陷積水區為研究對象，將沉陷區劃分為開放和封閉兩種類型，對比分析了同類和不同類型沉陷區地表水和淺層地下水中氮磷的來源、時空分布及組成等特征，為礦區水資源利用管理和水環境治理提供科學依據和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處淮河沖積平原，屬暖溫帶濕潤季風氣候，年均氣溫15.3 ℃，年均降水量為939.3 mm，季節分布不均勻，7～9月為豐水期，淮河為鄰近本區的主要河流。區內地形平坦，地面標高一般為19～23.0 m，總體趨勢為西北高、東南低。泥河位于潘一、潘三沉陷區南緣，自西北向東南流向，為淮河北岸支流，全長約67 km，流域面積626 km2，河道沿岸地勢低洼，雨季易形成內澇，內澇水位為22.2 m，洪水水位為20.5～21.94 m，1991年7月10日8時最高洪水水位21.94 m，其主要功能為農田灌溉和排澇泄洪。

淮南潘一、潘三采煤沉陷區屬于不穩定沉陷區，東西長約5 km，南北寬約3.9 km，面積約19.5 km2，常年平均水深2～6 m，周邊有溝渠徑流補給，還有泥河經過，存在外源水體流入和輸出的水量，與地下水及泥河均存在一定水力聯系，稱為“開放型”沉陷區[10]。后湖采煤沉陷區東西長約2.938 km，南北寬1.697 km，面積約為4.986 km2，周圍只有地表面狀徑流匯入，無線狀水流的補排，與地下水存在一定的水力聯系，稱為“封閉型”沉陷區[9]。目前研究區周邊大都為田地，主要種植農作物、花卉及景觀植被等。距研究區約1 km內基本沒有居民，水域主要作為農業灌溉和漁業自然散養。

1.2 樣品采集和分析方法

開放型（淮南潘一、潘三采煤沉陷區）和封閉型（后湖采煤沉陷區）沉陷積水區周邊分別布置8個和5個人工觀測孔（圖1），孔深一般為6～8 m，觀測層位為第四系第一個含水層，利用GPS精確定位。研究區水域多用于漁業養殖，觀測孔大部分被農田環繞。于2012年11月至2013年9月之間采樣9次，每次水樣取自各人工觀測孔內淺層地下水和對應旁邊地表水，并將開放型和封閉型地表水及淺層地下水的水樣分別命名為KBm、KDm、FBm和FDm，m為對應觀測孔編號。

水樣采集、固定及保存均按照《水質采樣樣品的保存和管理技術規定》（HJ 493—2009）進行，并及時運往實驗室檢測[10]。檢測方法依據《水和廢水監測分析方法（第四版）》，NH3-N采用納氏試劑光度法NO2--N，NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法，NO3--N采用酚二磺酸光度法，KN采用蒸餾—光度法，TN采用過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法，PO43-、DTP和TP均采用鉬酸抗分光光度法[11]。通過Excel2013和Origin8分析同類型或不同類型沉陷區地表水與淺層地下水中的氮磷時空分布及組成特征。

2 結果與分析

2.1 時空分布

由圖2可知，氨氮在各類沉陷區地表水與淺層地下水中的年內時空差異性較小，整體上，同一時段氨氮含量為KD>KB、FB>FD、KB>FB、KD>FD，其中5月KD與FD內氨氮升高幅度較大，6月氨氮含量為FB>KB，KB、FB、KD、FD中氨氮最大值分別為0.621 mg/L（6月）、0.813 mg/L（6月）、1.45mg/L（5月）、1.207 mg/L（5月）。亞硝酸鹽氮含量年內時間差異性較大，空間差異性較小，整體為FD>FB，豐水期低于平枯水期，KB、FB、KD、FD內亞硝酸鹽氮最大值分別為0.048 5 mg/L（6月）、0.053 2 mg/L（6月）、0.091 4 mg/L（5月）、0.067 5 mg/L（5月），5、6月各類水體中亞硝酸鹽氮普遍升高，基本為FB>KB，KD>FD，KD>KB，FD>FB。硝酸鹽氮年內時間差異性較大，空間差異性較小，KB、FB、KD、FD內硝酸鹽氮最大值分別為0.635 mg/L（11月）、0.623 mg/L（4月）、1.13 mg/L（4月）、1.258 mg/L（4月）。凱氏氮年內時間差異性較大，空間差異性較小，整體呈FB>FD，KB>KD，豐水期高于平水期和枯水期，且豐水期凱氏氮含量為KD>FD，KB、FB、KD、FD內凱氏氮最大值均出現在6月，含量分別為1.398、1.397、1.068、1.025 mg/L。總氮年內時間差異性較大，空間差異性較小，整體呈KB>KD，FB>FD，FB>KB，FD>KD，KB、FB、KD、FD總氮最大值分別為2.295 mg/L（11月）、2.261 mg/L（1月）、1.309 mg/L（11月）、2.21 mg/L（1月）。

正磷酸鹽和總磷的年內時空差異性均較大，總磷含量基本呈KD>KB、FD>FB、FB>KB。KB、FB、KD、FD正磷酸鹽最大值分別為0.103 7 mg/L（11月）、0.029 8 mg/L（6月）、0.367 9 mg/L（4月）、0.389 5 mg/L（9月）；總磷最大值分別為0.114 1 mg/L（8月）、0.196 9 mg/L（5月）、0.411 8 mg/L（4月）、0.450 9 mg/L（9月）。溶解性總磷的年內時空差異性較小，整體呈KD>KB，FD>FD，KB>FB，KB、FB、KD、FD溶解性總磷最大值分別為0.055 5 mg/L（11月）、0.0390 5 mg/L（5月）、0.350 3 mg/L（11月）、0.140 7 mg/L（7月）。11月KD各形態磷含量均較高，因為此時沉陷區積水被居民大量抽走以便捕魚，由此引起底泥釋放大量磷類物質，并遷移至對應的淺層地下水中。KD和FD中正磷酸鹽和總磷在4～5月由于農業施用化肥而升高。

開放型沉陷積水區外圍泥河中氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、凱氏氮和總氮的年均值分別為0.519 6、0.031 3、0.388 7、0.833 3和1.522 4 mg/L；正磷酸鹽、溶解性總磷、總磷的年均值分別為0.036 7、0.024 8和0.128 9 mg/L。同時期泥河各形態氮與KB、KD同種形態氮的含量差異均較小，但整體略高；正磷酸鹽與溶解性總磷的年均含量為KB>泥河，總磷為泥河（0.128 9 mg/L）>KB（0.056 74 mg/L），各形態磷的年均含量基本呈KD>泥河。說明泥河對KB和KD的氮、磷均存在一定影響，對氮類物質的影響更嚴重，泥河中非溶解態磷含量較高，因此對KB正磷酸鹽和溶解態總磷的影響較小。

2.2 氮磷比率

2.2.1 氮類指標 無機氮與總氮比率大小關系為KD>FD>KB>FB>50%，該比率較高的原因分別是氨氮和硝酸鹽氮占無機氮的比重較大，同類沉陷區兩種水體之間該比率差異較大的原因是地表水與淺層地下水的水文地質條件、溫度、pH、溶解氧含量等造成的優勢菌種不同[12]。各類水體中硝態氮和氨氮與無機氮的比率差異較小。各水體內無機氮組成中，氨氮>硝酸鹽氮>亞硝酸鹽氮，亞硝酸鹽氮在無機氮中的比率基本低于5%。

2.2.2 磷類指標 溶解性總磷占總磷比率的大小關系為KB>KD>FB>FD；正磷酸鹽占總磷比率的大小關系為KB>FB>KD>FD；正磷酸鹽占溶解性總磷比率的大小關系為FB>KB>FD>KD>50%。說明開放型沉陷積水區內溶解態磷的比重更高。正磷酸鹽是溶解性總磷的主要存在形式，在封閉型沉陷積水區的比重高于開放型（圖3）。

3 結論

1）受水體交換、降水量等因素的影響，KB、KD、FB與FD內氨氮時空差異性較小，硝態氮、凱氏氮和總氮含量的年內時間差異性較大，空間差異性較小；正磷酸鹽和總磷的年內時空差異性均較大，溶解性總磷的年內時空差異性較小。

2）泥河中非溶解態磷含量較高，對KB和KD內氮、磷均存在一定影響，但對KB內正磷酸鹽和溶解態總磷的影響較小。

3）無機氮與總氮比率呈KD>FD>KB>FB>50%；正磷酸鹽是溶解性總磷的主要存在形式，封閉型沉陷積水區占的比重更高。

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