采煤沉陷區(qū)淺層地下水中的營養(yǎng)鹽時(shí)空分布

范廷玉 王月越 嚴(yán)家平 王順 李國瑞 陳威

摘要：以淮南潘一、潘三礦采煤沉陷區(qū)（開放型沉陷區(qū)）和后湖采煤沉陷區(qū)（封閉型沉陷區(qū)）為研究區(qū)域，通過對(duì)沉陷區(qū)淺層地下水中氮、磷等營養(yǎng)鹽指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，研究了兩種類型采煤沉陷積水區(qū)淺層地下水中營養(yǎng)元素的時(shí)空分布特征，采用相關(guān)性分析初步研究了不同類型沉陷區(qū)營養(yǎng)鹽的遷移特征，同時(shí)分析了營養(yǎng)鹽的限制性組成。結(jié)果表明，NH3-N年內(nèi)時(shí)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(nèi)空間差異性較小，時(shí)間差異性較大，豐水期低于平枯水期；總氮年內(nèi)時(shí)空差異性均較小，基本呈FD>KD。PO43-和總磷年內(nèi)時(shí)間差異性較大，溶解性總磷年內(nèi)時(shí)空差異性較小。開放型沉陷區(qū)淺層地下水內(nèi)各營養(yǎng)鹽指標(biāo)的相關(guān)性更強(qiáng)，封閉型沉陷區(qū)淺層地下水中磷的污染風(fēng)險(xiǎn)更大。

關(guān)鍵詞：采煤沉陷區(qū)；淺層地下水；營養(yǎng)鹽

中圖分類號(hào)：X824 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dāng)今世界的主要基礎(chǔ)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(chǔ)量占全國保有儲(chǔ)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(jìn)而引起大面積地表沉陷[3，4]，為地表水資源蓄積的形成創(chuàng)造了良好條件?；茨系V區(qū)自20世紀(jì)50年代規(guī)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(wěn)沉或非穩(wěn)沉地表沉陷積水區(qū)，改變了地形微地貌單元，使得在一定條件下的區(qū)域水文地質(zhì)條件、水文循環(huán)模式不斷發(fā)生變化，并引起一定區(qū)域范圍內(nèi)地下水的補(bǔ)、徑、排條件發(fā)生變化[5，6]。因此，研究動(dòng)態(tài)開采條件下采煤沉陷區(qū)的淺層地下水環(huán)境特點(diǎn)及影響因素，探求其變化規(guī)律備受關(guān)注。

煤礦開采區(qū)地表沉陷初期至形成大面積積水均未進(jìn)行系統(tǒng)的防滲防漏等工程措施，沉陷前土地利用類型主要為農(nóng)田和村莊，伴隨著沉陷及積水范圍的增加，原有的陸生生態(tài)環(huán)境逐漸向水生生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)換，改變了區(qū)域原有水循環(huán)及生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)[7]。同時(shí)，淮南采煤沉陷區(qū)外圍基本無集中工業(yè)點(diǎn)源排放，地表積水區(qū)主要污染源為農(nóng)業(yè)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(nèi)源釋放等。在常年積水區(qū)，地表與淺層地下水之間存在一定的滲透及水力聯(lián)系，因此，地表與淺層地下水水質(zhì)之間存在相應(yīng)的關(guān)系[8]。

本研究選取淮南采煤沉陷積水區(qū)為研究對(duì)象，并根據(jù)積水區(qū)與地下水體間的水力聯(lián)系將沉陷區(qū)劃分為開放型和封閉型兩種采煤沉陷區(qū)，對(duì)比分析了同類和不同類型采煤沉陷區(qū)淺層地下水中的氮磷特征、組成及相關(guān)性，對(duì)礦區(qū)水資源的綜合利用、礦區(qū)環(huán)境修復(fù)治理以及改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[9]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于淮河沖積平原，地形平坦，地面標(biāo)高一般為19～23 m，總體趨勢(shì)為西北高、東南低，年平均降水量為939.3 mm，季節(jié)分配不均。淮河為鄰近該區(qū)的主要河流，泥河位于潘一、潘三礦采煤沉陷積水區(qū)南緣，流向自西北向東南，沿岸地勢(shì)低洼。潘一、潘三礦采煤沉陷積水區(qū)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(bǔ)給，且有泥河經(jīng)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(lián)系，水位受淺埋帶地下水蒸發(fā)、大氣降水入滲和泥河與淺水層的水量交換強(qiáng)度等影響，稱為開放型沉陷區(qū)（圖1）[6]。后湖采煤沉陷積水區(qū)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(bǔ)排，僅考慮大氣降水的補(bǔ)給和自然蒸發(fā)作用對(duì)沉陷區(qū)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(lián)系，稱為封閉型沉陷區(qū)（圖1）[6]。

研究區(qū)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?；春右员睆V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(zhì)半膠結(jié)的砂礫層，埋深在140 m以下，累計(jì)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(qū)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(wěn)定，富水性因地區(qū)而異。本研究所指的淺層含水層是指埋深在30～40 m以內(nèi)的第四系沉積物。全區(qū)邊界補(bǔ)給條件差，均為隔水邊界。因受到南北方向的擠壓，形成復(fù)式向斜，其軸部裂隙發(fā)育，后期又發(fā)育了北西和東西向斷裂構(gòu)造，為區(qū)內(nèi)地下水流動(dòng)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(qū)）和封閉型（后湖采煤沉陷區(qū)）采煤沉陷區(qū)周邊分別布置8個(gè)和4個(gè)人工觀測(cè)孔（圖2），利用GPS精確定位，孔深為6～8 m，觀測(cè)層位為第四系第一個(gè)含水層。1～8號(hào)觀測(cè)孔分布于開放型采煤沉陷區(qū)周邊，1、2、8號(hào)孔位于潘北路左側(cè)，屬潘三礦采煤沉陷區(qū)水域周邊，該區(qū)多養(yǎng)殖野生魚，3～7號(hào)孔位于潘一礦采煤沉陷區(qū)內(nèi)，周邊基本為農(nóng)田；9～12號(hào)觀測(cè)孔分布于封閉型采煤沉陷區(qū)周邊，大部分被農(nóng)田環(huán)繞。采樣時(shí)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(cè)孔內(nèi)淺層地下水，并將開放型和封閉型采煤沉陷區(qū)淺層地下水的水樣分別命名為KDm和FDm，m為對(duì)應(yīng)觀測(cè)孔編號(hào)。水樣采集、固定及保存均按照HJ 493-2009進(jìn)行，并及時(shí)運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。

具體檢測(cè)指標(biāo)及方法[10]見表1。采用Excel 2013和Origin 8分析區(qū)內(nèi)同類型或不同類型淺層地下水中氮磷的時(shí)空分布特征，采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 17分析區(qū)內(nèi)同類型淺層地下水中氮磷間的相關(guān)性，通過P<0.05（95%）和P<0.01（99%）兩種置信度水平，研究區(qū)內(nèi)地下水中不同形態(tài)氮磷之間的響應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而分析其遷移轉(zhuǎn)化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩類沉陷區(qū)淺層地下水體內(nèi)營養(yǎng)鹽時(shí)空分布

由表2可知，NH3-N在兩類沉陷區(qū)淺層地下水中的年內(nèi)時(shí)間差異較小，整體上，同時(shí)段的兩類水體內(nèi)NH3-N含量基本呈KD>FD，NH3-N最大值均出現(xiàn)在5月，分別為1.45 mg/L和1.21 mg/L；兩類水體內(nèi)NO2--N含量年內(nèi)時(shí)間差異大，同時(shí)段內(nèi)NO2--N含量空間差異性較小，KD與FD內(nèi)NO2--N含量在5～6月普遍升高，最大值均出現(xiàn)在5月，分別為0.09 mg/L和0.07 mg/L，研究區(qū)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(nèi)時(shí)間差異較大，同時(shí)段兩類沉陷區(qū)水體中NO3--N空間差異較小，KD與FD內(nèi)NO3--N最大值均出現(xiàn)在4月，分別為1.13 mg/L和1.26 mg/L； KN年內(nèi)時(shí)間差異較大，空間差異較小，KD與FD內(nèi)KN最大值均出現(xiàn)在6月，含量分別為1.07 mg/L和1.30 mg/L，最小值均出現(xiàn)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(nèi)KN含量及空間差異性均呈豐水期低于平枯水期；TN年內(nèi)時(shí)空差異均較小，含量基本呈FD>KD，KD與FD內(nèi)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(qū)淺層地下水內(nèi)不同形態(tài)的氮存在一定時(shí)空差異，主要原因：首先，研究區(qū)6月農(nóng)忙時(shí)節(jié)整體上NH3-N含量較低，硝態(tài)氮和KN含量升高，因?yàn)樵摃r(shí)段農(nóng)用化肥施用量增加，農(nóng)田作物對(duì)氮肥的利用率為30%～35%[11]。研究表明，農(nóng)藥和化肥的使用是造成水體污染和富營養(yǎng)化的最主要來源。美國每年生產(chǎn)大量的農(nóng)藥，其中由于用于農(nóng)田引起的地表水和地下水體污染的事例非常多。USEPA把農(nóng)業(yè)列為全美河流和湖泊污染的第一污染源[12]。此外，農(nóng)村家畜糞便和垃圾隨意堆放，在降雨季節(jié)隨著地表徑流也會(huì)進(jìn)入水體形成大面積污染。同時(shí)，土壤顆粒在一定程度上對(duì)NH3-N有較強(qiáng)的親和性，對(duì)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(jīng)地表徑流匯入周邊采煤沉陷區(qū)地表水并由側(cè)面入滲至臨近的淺層地下水形成環(huán)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(jī)氮次之[16]。此外，1號(hào)孔旁邊堆積大量粉煤灰，7號(hào)和12號(hào)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(jī)物、氨氮和重金屬等主要污染成分[17，18]，這些氮類物質(zhì)通過地表徑流進(jìn)入沉陷區(qū)地表水，因KD與對(duì)應(yīng)地表水及周邊泥河之間均存在一定水力聯(lián)系，而受到氮類污染。最后，研究區(qū)7～9月為豐水期，約占年降水量的50%，地表水與地表徑流對(duì)淺層地下水的入滲量明顯增加，對(duì)氮類物質(zhì)起到一定稀釋作用，引起各形態(tài)氮的含量在豐水期均有所降低。各因素綜合導(dǎo)致兩類沉陷區(qū)淺層地下水內(nèi)不同形態(tài)的氮存在一定時(shí)空差異。

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

KD內(nèi)各形態(tài)磷在11月的含量均較高，主要是該時(shí)段周邊居民將積水區(qū)水體大量抽走，捕撈魚蝦，引起底泥擾動(dòng)釋放大量磷類物質(zhì)至地表水體[19]，并入滲至周邊地下水中。相關(guān)研究[20，21]表明，影響底泥內(nèi)源污染釋放的主要因素包括泥-水界面營養(yǎng)鹽的濃度差、泥-水界面的氧化還原狀態(tài)等，另外，河流入水的氮磷濃度較高對(duì)底泥氮磷的釋放也會(huì)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?yàn)樵摃r(shí)段施用大量農(nóng)用化肥，農(nóng)作物對(duì)磷肥的利用率僅為l0%～20%，同時(shí)泥河沿岸排放的工礦企業(yè)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(lián)系，引起KD內(nèi)TP升高。此外，降雨時(shí)間、降雨強(qiáng)度和地下水位變動(dòng)在一定程度上會(huì)隨時(shí)影響地下水中磷的含量[24]，因此各形態(tài)磷在豐水期和平枯水期的含量存在一定的時(shí)空差異性。

開放型沉陷區(qū)外圍泥河中NH3-N、NO2--N、NO3--N、KN和TN年內(nèi)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(nèi)均值分別為0.036 7、0.024 8、0.128 9 mg/L。同時(shí)期泥河與KD內(nèi)各形態(tài)氮含量的年均值差異較小但整體略高于KD，各形態(tài)磷含量的年均值呈KD>泥河，說明泥河對(duì)KD內(nèi)氮、磷均存在一定影響，對(duì)氮類物質(zhì)的影響更嚴(yán)重。

2.2 兩類沉陷區(qū)淺層地下水體內(nèi)各營養(yǎng)鹽指標(biāo)相關(guān)性分析

由表3和表4可知，KD內(nèi)NO3--N與PO43-呈顯著正相關(guān)，TP與PO43-呈極顯著正相關(guān)；FD內(nèi)TP與PO43-呈極顯著正相關(guān)。其他不同形態(tài)氮磷之間均存在不同程度的相關(guān)性，開放型采煤沉陷區(qū)淺層地下水內(nèi)相關(guān)性更強(qiáng)，說明兩類沉陷區(qū)淺層地下水內(nèi)氮磷之間存在遷移轉(zhuǎn)化和響應(yīng)關(guān)系。

2.3 兩類沉陷區(qū)淺層地下水體內(nèi)氮磷比值

2.3.1 氮類指標(biāo)的比值 無機(jī)氮（IN）與TN比值表現(xiàn)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(nèi)對(duì)應(yīng)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(huán)和水體交換強(qiáng)度、溶解氧、溫度、pH等多種環(huán)境因素引起兩類水體中同一時(shí)期內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌種不一樣造成的；兩類水體內(nèi)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(biāo)的比值 PO43-和DTP與TP的比值關(guān)系均表現(xiàn)為KD>FD，PO43-與DTP的比值表現(xiàn)為FD>KD，KD與FD內(nèi)PO43-/DTP均>50%（圖4），說明兩類沉陷區(qū)淺層地下水內(nèi)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(shí)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(qū)淺層地下水中磷的面源污染風(fēng)險(xiǎn)更大[25]，同時(shí)開放型沉陷區(qū)淺層地下水中的氮磷也與地表水系的水質(zhì)、土層性質(zhì)密切相關(guān)。

3 結(jié)論

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

2）同類沉陷區(qū)淺層地下水內(nèi)各形態(tài)氮磷之間存在不同程度的相關(guān)性，開放型沉陷區(qū)中氮磷的相關(guān)性更強(qiáng)。

3）各形態(tài)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(qū)淺層地下水中磷的污染風(fēng)險(xiǎn)更大。

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