采煤沉陷區淺層地下水中的營養鹽時空分布

范廷玉 王月越 嚴家平 王順 李國瑞 陳威

摘要：以淮南潘一、潘三礦采煤沉陷區（開放型沉陷區）和后湖采煤沉陷區（封閉型沉陷區）為研究區域，通過對沉陷區淺層地下水中氮、磷等營養鹽指標的監測，研究了兩種類型采煤沉陷積水區淺層地下水中營養元素的時空分布特征，采用相關性分析初步研究了不同類型沉陷區營養鹽的遷移特征，同時分析了營養鹽的限制性組成。結果表明，NH3-N年內時間差異性較小，整體呈開放型淺層地下水（KD）>封閉型淺層地下水（FD）；NO2--N、NO3--N和凱氏氮年內空間差異性較小，時間差異性較大，豐水期低于平枯水期；總氮年內時空差異性均較小，基本呈FD>KD。PO43-和總磷年內時間差異性較大，溶解性總磷年內時空差異性較小。開放型沉陷區淺層地下水內各營養鹽指標的相關性更強，封閉型沉陷區淺層地下水中磷的污染風險更大。

關鍵詞：采煤沉陷區；淺層地下水；營養鹽

中圖分類號：X824 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）21-5272-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.21.017

Nutrients Distribution in Shallow Underground Water of Coal Mine Subsidence Area

FAN Ting-yu，WANG Yue-yue，YAN Jia-ping，WANG Shun，LI Guo-rui，CHEN Wei

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan， 232001， Anhui， China）

Abstract：To find out temporal and spatial distribution characteristics of nutrients such as nitrogen， phosphrous， etc in the shallow groundwater of different types of coal mine subsidence area， open （Pan1and Pan3） and closed（Houhu） subsidence area in Huainan were selected and nine sets of monitoring data from November 2012 to September 2013 were analyzed. Correlation analysis revealed different response relationship and migration characteristics of nitrogen and phosphorus in the same water body. Compositions of nitrogen and phosphorus in two types of water body were analyzed based on their ratios of various forms. Results showed that the temporal difference of NH3-N was small in both water bodies， though it was larger in KD（open shallow groundwater）than in FD （closed shallow groundwater） in general. On average， the temporal differences of NO2--N、NO3--N and KN were big， and the spatial differences were small， while both were lower during wet season than in dry or normal reason. The temporal and spatial distribution difference of total nitrogen（TN） were both little and presented FD>KD. The spatial difference of PO43- and TP was large， while the temporal and spatial difference of TSP was small. The nutrient elements were more related to each other in open subsidence area than in closed subsidence area as to the compositions of nitrogen and phosphorus， certain differences existed in the two water bodies and phosphorus pollution risk was greater in shallow underground water of closed coal mine subsidence area.

Key words：coal mine subsidence area； shallow groundwater； nutrient

煤炭是中國乃至當今世界的主要基礎能源之一，中國約96%的煤炭為井工開采，4%為露天開采[1]。井工開采萬噸原煤造成的沉陷地約0.20～0.33 hm2[2]。華北平原煤炭儲量占全國保有儲量的49.25%，煤炭開采量伴隨著需求量的急劇升高而大幅度增加，進而引起大面積地表沉陷[3，4]，為地表水資源蓄積的形成創造了良好條件。淮南礦區自20世紀50年代規模型開采以來，至今已有60多年。在大氣降水、河流匯入以及較高的新生界含水層地下水位等作用下，形成了不同格局的穩沉或非穩沉地表沉陷積水區，改變了地形微地貌單元，使得在一定條件下的區域水文地質條件、水文循環模式不斷發生變化，并引起一定區域范圍內地下水的補、徑、排條件發生變化[5，6]。因此，研究動態開采條件下采煤沉陷區的淺層地下水環境特點及影響因素，探求其變化規律備受關注。

煤礦開采區地表沉陷初期至形成大面積積水均未進行系統的防滲防漏等工程措施，沉陷前土地利用類型主要為農田和村莊，伴隨著沉陷及積水范圍的增加，原有的陸生生態環境逐漸向水生生態環境轉換，改變了區域原有水循環及生態循環系統[7]。同時，淮南采煤沉陷區外圍基本無集中工業點源排放，地表積水區主要污染源為農業面源污染、大氣降水引起地表徑流匯入、外源地表水體匯入以及內源釋放等。在常年積水區，地表與淺層地下水之間存在一定的滲透及水力聯系，因此，地表與淺層地下水水質之間存在相應的關系[8]。

本研究選取淮南采煤沉陷積水區為研究對象，并根據積水區與地下水體間的水力聯系將沉陷區劃分為開放型和封閉型兩種采煤沉陷區，對比分析了同類和不同類型采煤沉陷區淺層地下水中的氮磷特征、組成及相關性，對礦區水資源的綜合利用、礦區環境修復治理以及改善礦區生態環境具有十分重要的現實意義[9]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于淮河沖積平原，地形平坦，地面標高一般為19～23 m，總體趨勢為西北高、東南低，年平均降水量為939.3 mm，季節分配不均。淮河為鄰近該區的主要河流，泥河位于潘一、潘三礦采煤沉陷積水區南緣，流向自西北向東南，沿岸地勢低洼。潘一、潘三礦采煤沉陷積水區東西長5 km，南北寬3.9 km，面積19.5 km2，平均水深2～6 m，周邊有溝渠徑流補給，且有泥河經過，存在外源水體流入和輸出的水量，與淺層地下水及泥河均存在一定水力聯系，水位受淺埋帶地下水蒸發、大氣降水入滲和泥河與淺水層的水量交換強度等影響，稱為開放型沉陷區（圖1）[6]。后湖采煤沉陷積水區東西長2.938 km，南北寬1.697 km，面積4.986 km2，周圍只有地表面狀徑流匯入，無線狀水流的補排，僅考慮大氣降水的補給和自然蒸發作用對沉陷區水位的影響，污染類型為面源污染，與淺層地下水存在一定的水力聯系，稱為封閉型沉陷區（圖1）[6]。

研究區新生界含水層地下水屬松散巖類孔隙水，賦存于第三系及第四系松散沉積物中。淮河以北廣泛分布著第三系深層含水組，含水層巖性主要為中、粗沙及泥質半膠結的砂礫層，埋深在140 m以下，累計厚度大于150 m，富水性在空間上存在一定差異性。沿淮河及淮河以北的平原區廣泛分布著埋深在30～130 m的中深層含水組，一般沙層厚度大，層位較穩定，富水性因地區而異。本研究所指的淺層含水層是指埋深在30～40 m以內的第四系沉積物。全區邊界補給條件差，均為隔水邊界。因受到南北方向的擠壓，形成復式向斜，其軸部裂隙發育，后期又發育了北西和東西向斷裂構造，為區內地下水流動提供了良好的徑流通道。

1.2 樣品采集及分析方法

開放型（淮南潘一、潘三礦采煤沉陷區）和封閉型（后湖采煤沉陷區）采煤沉陷區周邊分別布置8個和4個人工觀測孔（圖2），利用GPS精確定位，孔深為6～8 m，觀測層位為第四系第一個含水層。1～8號觀測孔分布于開放型采煤沉陷區周邊，1、2、8號孔位于潘北路左側，屬潘三礦采煤沉陷區水域周邊，該區多養殖野生魚，3～7號孔位于潘一礦采煤沉陷區內，周邊基本為農田；9～12號觀測孔分布于封閉型采煤沉陷區周邊，大部分被農田環繞。采樣時間為2012年11月至2013年9月，共采樣9次，每次水樣取自各人工觀測孔內淺層地下水，并將開放型和封閉型采煤沉陷區淺層地下水的水樣分別命名為KDm和FDm，m為對應觀測孔編號。水樣采集、固定及保存均按照HJ 493-2009進行，并及時運往實驗室檢測。

具體檢測指標及方法[10]見表1。采用Excel 2013和Origin 8分析區內同類型或不同類型淺層地下水中氮磷的時空分布特征，采用統計分析軟件SPSS 17分析區內同類型淺層地下水中氮磷間的相關性，通過P<0.05（95%）和P<0.01（99%）兩種置信度水平，研究區內地下水中不同形態氮磷之間的響應關系，進而分析其遷移轉化特征。

2 結果與分析

2.1 兩類沉陷區淺層地下水體內營養鹽時空分布

由表2可知，NH3-N在兩類沉陷區淺層地下水中的年內時間差異較小，整體上，同時段的兩類水體內NH3-N含量基本呈KD>FD，NH3-N最大值均出現在5月，分別為1.45 mg/L和1.21 mg/L；兩類水體內NO2--N含量年內時間差異大，同時段內NO2--N含量空間差異性較小，KD與FD內NO2--N含量在5～6月普遍升高，最大值均出現在5月，分別為0.09 mg/L和0.07 mg/L，研究區在7～9月期間降雨充沛，NO2--N含量在豐水期要低于平枯水期，豐水期NO2--N含量基本呈FD>KD，平枯水期則相反； NO3--N含量年內時間差異較大，同時段兩類沉陷區水體中NO3--N空間差異較小，KD與FD內NO3--N最大值均出現在4月，分別為1.13 mg/L和1.26 mg/L； KN年內時間差異較大，空間差異較小，KD與FD內KN最大值均出現在6月，含量分別為1.07 mg/L和1.30 mg/L，最小值均出現在豐水期8月，含量分別為0.32 mg/L和0.23 mg/L，豐水期KN含量大致呈KD>FD，平枯水期則反之，兩類水體內KN含量及空間差異性均呈豐水期低于平枯水期；TN年內時空差異均較小，含量基本呈FD>KD，KD與FD內TN最大值分別在11月和1月，含量分別為1.31 mg/L和2.21 mg/L。

由以上可知，兩類沉陷區淺層地下水內不同形態的氮存在一定時空差異，主要原因：首先，研究區6月農忙時節整體上NH3-N含量較低，硝態氮和KN含量升高，因為該時段農用化肥施用量增加，農田作物對氮肥的利用率為30%～35%[11]。研究表明，農藥和化肥的使用是造成水體污染和富營養化的最主要來源。美國每年生產大量的農藥，其中由于用于農田引起的地表水和地下水體污染的事例非常多。USEPA把農業列為全美河流和湖泊污染的第一污染源[12]。此外，農村家畜糞便和垃圾隨意堆放，在降雨季節隨著地表徑流也會進入水體形成大面積污染。同時，土壤顆粒在一定程度上對NH3-N有較強的親和性，對NO3--N的親和性較弱[13]。未被利用的氮一部分直接下滲至淺層地下水形成面狀氮源污染，剩余部分經地表徑流匯入周邊采煤沉陷區地表水并由側面入滲至臨近的淺層地下水形成環狀氮污染源[14，15]。其次，泥河沿岸排放大量礦井廢水和生活污水，其中生活污水含大量的氮素，NO3--N最多，有機氮次之[16]。此外，1號孔旁邊堆積大量粉煤灰，7號和12號孔旁邊存放著大量生活垃圾，粉煤灰淋溶液和垃圾滲濾液含多種有機物、氨氮和重金屬等主要污染成分[17，18]，這些氮類物質通過地表徑流進入沉陷區地表水，因KD與對應地表水及周邊泥河之間均存在一定水力聯系，而受到氮類污染。最后，研究區7～9月為豐水期，約占年降水量的50%，地表水與地表徑流對淺層地下水的入滲量明顯增加，對氮類物質起到一定稀釋作用，引起各形態氮的含量在豐水期均有所降低。各因素綜合導致兩類沉陷區淺層地下水內不同形態的氮存在一定時空差異。

PO43-年內時間差異較大，在4、5、9月含量普遍升高且空間差異較大，FD內更加明顯，其他時段空間差異較小，KD與FD內PO43-最大值分別出現在4月和9月，含量分別為0.37 mg/L和0.39 mg/L； DTP年內時空差異較小，KD內DTP含量在11月含量較高且空間差異性較大，KD與FD內DTP最大值分別出現在11月和7月，含量分別為0.35 mg/L和0.14 mg/L；TP年內時間差異較大，在4、9、11月空間差異較大，其他時段空間差異較小，KD與FD內TP最大值分別出現在4月和9月，含量分別為0.41 mg/L和0.45 mg/L。

KD內各形態磷在11月的含量均較高，主要是該時段周邊居民將積水區水體大量抽走，捕撈魚蝦，引起底泥擾動釋放大量磷類物質至地表水體[19]，并入滲至周邊地下水中。相關研究[20，21]表明，影響底泥內源污染釋放的主要因素包括泥-水界面營養鹽的濃度差、泥-水界面的氧化還原狀態等，另外，河流入水的氮磷濃度較高對底泥氮磷的釋放也會有一定的抑制作用[22，23]。4月和5月PO43-和TP含量有所升高，TP含量為KD>FD，是因為該時段施用大量農用化肥，農作物對磷肥的利用率僅為l0%～20%，同時泥河沿岸排放的工礦企業及生活污水中含有大量磷，KD與泥河及地表水均存在一定的水力聯系，引起KD內TP升高。此外，降雨時間、降雨強度和地下水位變動在一定程度上會隨時影響地下水中磷的含量[24]，因此各形態磷在豐水期和平枯水期的含量存在一定的時空差異性。

開放型沉陷區外圍泥河中NH3-N、NO2--N、NO3--N、KN和TN年內均值分別為0.519 6、0.031 3、0.388 7、0.833 3、1.522 4 mg/L；PO43-、DTP、TP的年內均值分別為0.036 7、0.024 8、0.128 9 mg/L。同時期泥河與KD內各形態氮含量的年均值差異較小但整體略高于KD，各形態磷含量的年均值呈KD>泥河，說明泥河對KD內氮、磷均存在一定影響，對氮類物質的影響更嚴重。

2.2 兩類沉陷區淺層地下水體內各營養鹽指標相關性分析

由表3和表4可知，KD內NO3--N與PO43-呈顯著正相關，TP與PO43-呈極顯著正相關；FD內TP與PO43-呈極顯著正相關。其他不同形態氮磷之間均存在不同程度的相關性，開放型采煤沉陷區淺層地下水內相關性更強，說明兩類沉陷區淺層地下水內氮磷之間存在遷移轉化和響應關系。

2.3 兩類沉陷區淺層地下水體內氮磷比值

2.3.1 氮類指標的比值 無機氮（IN）與TN比值表現為KD>FD>50%（圖3），該比值較高的原因是NH3-N和NO3--N占IN的比重較大，兩類水體內對應的同種比值存在一定差異性，這是由淺層地下水的水力循環和水體交換強度、溶解氧、溫度、pH等多種環境因素引起兩類水體中同一時期內優勢菌種不一樣造成的；兩類水體內IN組成中，NH3-N>NO3--N>NO2--N，NO2--N占IN的比率均低于5%。

2.3.2 磷類指標的比值 PO43-和DTP與TP的比值關系均表現為KD>FD，PO43-與DTP的比值表現為FD>KD，KD與FD內PO43-/DTP均>50%（圖4），說明兩類沉陷區淺層地下水內PO43-是DTP的主要存在形式，且KD中的PO43-占TP的比值高于FD，同時FD中溶解性總磷中的正磷酸鹽所占比例高于KD，說明封閉型采煤沉陷區淺層地下水中磷的面源污染風險更大[25]，同時開放型沉陷區淺層地下水中的氮磷也與地表水系的水質、土層性質密切相關。

3 結論

1）開放型和封閉型采煤沉陷區中淺層地下水中的氮磷等營養鹽指標時空變化特征不同：NH3-N年內時間差異較小，整體呈KD>FD；NO2--N、NO3--N和KN年內時間差異較大，空間差異性較小，豐水期低于平枯水期；TN年內時空差異均較小，基本呈FD>KD；PO43-和TP年內時間差異較大，DTP年內時空差異較小。

2）同類沉陷區淺層地下水內各形態氮磷之間存在不同程度的相關性，開放型沉陷區中氮磷的相關性更強。

3）各形態氮磷同一比值在兩類淺層地下水中存在一定差異，封閉型采煤沉陷區淺層地下水中磷的污染風險更大。

參考文獻：

[1] 李新舉，胡振琪，李 晶，等.采煤塌陷地復墾土壤質量研究進展[J]. 農業工程學報，2007，23（7）：276-279.

[2] 胡振琪，肖 武，王培俊，等. 試論井工煤礦邊開采邊復墾技術[J]. 煤炭學報，2013，38（2）：301-307.

[3] FAN T Y， YAN J P， WANG S， et al. Water quality variation of mining-subsidence lake during the initial stage： Case of Zhangji and Guqiao Mine[J]. Journal of Coal Science & Engineering，2012，18（3）：297-301.

[4] FAN T Y， YAN J P， WANG S， et al. The environment and the utilization status of the subsidence area in Xuzhou， Yanzhou and Huainan and Huaibei region of China[J]. AGH Journal of Mining and Geoengineering，2012，36（3）：127-135.

[5] 成春奇，徐 龍，徐 強.采礦活動對煤礦區地下水環境的影響評價原則[J].中國煤田地質，1995，7（3）：68-71.

[6] 范廷玉.潘謝采煤沉陷區地表水與淺層地下水轉化及水質特征研究[D].安徽淮南：安徽理工大學，2013.

[7] 谷得明，嚴家平，范廷玉，等. 潘集采煤沉陷區地表水中氮、磷特征[J].環境化學，2014，33（9）：1495-1500.

[8] 范廷玉，谷得明，嚴家平，等. 采煤沉陷積水區地表水與淺層地下水的氮、磷動態及相關性[J].環境化學，2015，34（6）：1158-1167.

[9] 曲喜杰，易齊濤，胡友彪，等.兩淮采煤沉陷積水區水體營養鹽時空分布及富營養化進程[J].應用生態學報，2013，24（11）：3249-3258.

[10] 國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法[M].第四版.北京：中國環境出版社，2002.

[11] 張紹冰.農業面源污染的來源及防治措施[J].現代農業科技，2007（8）：110-111.

[12] USEPA. 1995 National Water Quality Inventory：Report to Congress Executive Summary[M]. Washington D C：USEPA，1995.497.

[13] 楊文瀾，劉 力，朱瑞珺.蘇北某市垃圾填埋場周圍地下水氮污染及其形態研究[J].地球與環境，2010，38（2）：157-160.

[14] 楊 維，丁 斌，王恩德.地下水傍河水源地數值模擬實例[J].沈陽建筑大學學報，2004，20（4）：325-328.

[15] 喬光建，張均玲，唐俊智.地下水氮污染機理分析及治理措施[J].水資源保護，2004（3）：9-12.

[16] 孫大鵬，孫宏亮，胡 博.淺論地下水中的氮污染[J].地下水，2007，29（1）：68-71.

[17] 李仲根，馮新斌，湯順林，等.城市生活垃圾填埋場垃圾-土壤-植物中汞含量的分布特征[J].地球與環境，2006，34（4）：11-18.

[18] MASOOD G.Characteristic of leachate from hazardous waste landfill[J].J Environ Sci Health，1984，19（5）：579-620.

[19] REDDY K R，FISHER M M，IVANOFF D. Resuspension and diffusive flux of nitrogen and phosphorus in a hypereutrophic lake[J]. Journal of Environmental Quality，1996，25：363-371.

[20] ELIZABETH J P， ROBERT J G， MICHAEL D K， et al. Impact of point-source pollution on phosphorus and nitrogen cycling in stream-bed sediments[J]. Environmental Science and Technology， 2010， 44（3）： 908-914.

[21] ANTHONY J， LEWIS W. Low boundary layer response and temperature dependence of nitrogen and phosphorus releases from oxic sediments of an oligotrophic lake[J]. Aquatic Sciences， 2012，74（3）： 611-617.

[22] 羅玉紅， 高 婷， 蘇青青， 等. 上覆水營養鹽濃度對底泥氮磷釋放的影響[J]. 中國環境管理干部學院學報，2011，21（6）： 71-74.

[23] 陳紅紅， 毋福海， 周之榮， 等. 增氧及缺氧條件下硝酸鈣控制底泥氮磷有機物釋放效果的研究[J]. 中國衛生檢驗雜志， 2012，22（7）： 1563-1566.

[24] 蔡文靜，常春平，宋 帥，等.德州地區地下水中磷的空間分布特征及來源分析[J].中國生態農業學報，2013，21（4）：456-464.

[25] 吳豐昌，金相燦，張潤寧，等.論有機氮磷在湖泊水環境中的作用和重要性[J].湖泊科學，2010，22（1）：1-7.