采煤沉陷区浅层地下水中的营养盐时空分布

范廷玉 王月越 严家平 王顺 李国瑞 陈威

摘要：以淮南潘一、潘三矿采煤沉陷区（开放型沉陷区）和后湖采煤沉陷区（封闭型沉陷区）为研究区域，通过对沉陷区浅层地下水中氮、磷等营养盐指标的监测，研究了两种类型采煤沉陷积水区浅层地下水中营养元素的时空分布特征，采用相关性分析初步研究了不同类型沉陷区营养盐的迁移特征，同时分析了营养盐的限制性组成。结果表明，NH3-N年内时间差异性较小，整体呈开放型浅层地下水（KD）>封闭型浅层地下水（FD）；NO2--N、NO3--N和凯氏氮年内空间差异性较小，时间差异性较大，丰水期低于平枯水期；总氮年内时空差异性均较小，基本呈FD>KD。PO43-和总磷年内时间差异性较大，溶解性总磷年内时空差异性较小。开放型沉陷区浅层地下水内各营养盐指标的相关性更强，封闭型沉陷区浅层地下水中磷的污染风险更大。

关键词：采煤沉陷区；浅层地下水；营养盐

中图分类号：X824 文献标识码：A 文章编号：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

煤炭是中国乃至当今世界的主要基础能源之一，中国约96%的煤炭为井工开采，4%为露天开采[1]。井工开采万吨原煤造成的沉陷地约0.20～0.33 hm2[2]。华北平原煤炭储量占全国保有储量的49.25%，煤炭开采量伴随着需求量的急剧升高而大幅度增加，进而引起大面积地表沉陷[3，4]，为地表水资源蓄积的形成创造了良好条件。淮南矿区自20世纪50年代规模型开采以来，至今已有60多年。在大气降水、河流汇入以及较高的新生界含水层地下水位等作用下，形成了不同格局的稳沉或非稳沉地表沉陷积水区，改变了地形微地貌单元，使得在一定条件下的区域水文地质条件、水文循环模式不断发生变化，并引起一定区域范围内地下水的补、径、排条件发生变化[5，6]。因此，研究动态开采条件下采煤沉陷区的浅层地下水环境特点及影响因素，探求其变化规律备受关注。

煤矿开采区地表沉陷初期至形成大面积积水均未进行系统的防渗防漏等工程措施，沉陷前土地利用类型主要为农田和村庄，伴随着沉陷及积水范围的增加，原有的陆生生态环境逐渐向水生生态环境转换，改变了区域原有水循环及生态循环系统[7]。同时，淮南采煤沉陷区外围基本无集中工业点源排放，地表积水区主要污染源为农业面源污染、大气降水引起地表径流汇入、外源地表水体汇入以及内源释放等。在常年积水区，地表与浅层地下水之间存在一定的渗透及水力联系，因此，地表与浅层地下水水质之间存在相应的关系[8]。

本研究选取淮南采煤沉陷积水区为研究对象，并根据积水区与地下水体间的水力联系将沉陷区划分为开放型和封闭型两种采煤沉陷区，对比分析了同类和不同类型采煤沉陷区浅层地下水中的氮磷特征、组成及相关性，对矿区水资源的综合利用、矿区环境修复治理以及改善矿区生态环境具有十分重要的现实意义[9]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于淮河冲积平原，地形平坦，地面标高一般为19～23 m，总体趋势为西北高、东南低，年平均降水量为939.3 mm，季节分配不均。淮河为邻近该区的主要河流，泥河位于潘一、潘三矿采煤沉陷积水区南缘，流向自西北向东南，沿岸地势低洼。潘一、潘三矿采煤沉陷积水区东西长5 km，南北宽3.9 km，面积19.5 km2，平均水深2～6 m，周边有沟渠径流补给，且有泥河经过，存在外源水体流入和输出的水量，与浅层地下水及泥河均存在一定水力联系，水位受浅埋带地下水蒸发、大气降水入渗和泥河与浅水层的水量交换强度等影响，称为开放型沉陷区（图1）[6]。后湖采煤沉陷积水区东西长2.938 km，南北宽1.697 km，面积4.986 km2，周围只有地表面状径流汇入，无线状水流的补排，仅考虑大气降水的补给和自然蒸发作用对沉陷区水位的影响，污染类型为面源污染，与浅层地下水存在一定的水力联系，称为封闭型沉陷区（图1）[6]。

研究区新生界含水层地下水属松散岩类孔隙水，赋存于第三系及第四系松散沉积物中。淮河以北广泛分布着第三系深层含水组，含水层岩性主要为中、粗沙及泥质半胶结的砂砾层，埋深在140 m以下，累计厚度大于150 m，富水性在空间上存在一定差异性。沿淮河及淮河以北的平原区广泛分布着埋深在30～130 m的中深层含水组，一般沙层厚度大，层位较稳定，富水性因地区而异。本研究所指的浅层含水层是指埋深在30～40 m以内的第四系沉积物。全区边界补给条件差，均为隔水边界。因受到南北方向的挤压，形成复式向斜，其轴部裂隙发育，后期又发育了北西和东西向断裂构造，为区内地下水流动提供了良好的径流通道。

1.2 样品采集及分析方法

开放型（淮南潘一、潘三矿采煤沉陷区）和封闭型（后湖采煤沉陷区）采煤沉陷区周边分别布置8个和4个人工观测孔（图2），利用GPS精确定位，孔深为6～8 m，观测层位为第四系第一个含水层。1～8号观测孔分布于开放型采煤沉陷区周边，1、2、8号孔位于潘北路左侧，属潘三矿采煤沉陷区水域周边，该区多养殖野生鱼，3～7号孔位于潘一矿采煤沉陷区内，周边基本为农田；9～12号观测孔分布于封闭型采煤沉陷区周边，大部分被农田环绕。采样时间为2012年11月至2013年9月，共采样9次，每次水样取自各人工观测孔内浅层地下水，并将开放型和封闭型采煤沉陷区浅层地下水的水样分别命名为KDm和FDm，m为对应观测孔编号。水样采集、固定及保存均按照HJ 493-2009进行，并及时运往实验室检测。

具体检测指标及方法[10]见表1。采用Excel 2013和Origin 8分析区内同类型或不同类型浅层地下水中氮磷的时空分布特征，采用统计分析软件SPSS 17分析区内同类型浅层地下水中氮磷间的相关性，通过P<0.05（95%）和P<0.01（99%）两种置信度水平，研究区内地下水中不同形态氮磷之间的响应关系，进而分析其迁移转化特征。

2 结果与分析

2.1 两类沉陷区浅层地下水体内营养盐时空分布

由表2可知，NH3-N在两类沉陷区浅层地下水中的年内时间差异较小，整体上，同时段的两类水体内NH3-N含量基本呈KD>FD，NH3-N最大值均出现在5月，分别为1.45 mg/L和1.21 mg/L；两类水体内NO2--N含量年内时间差异大，同时段内NO2--N含量空间差异性较小，KD与FD内NO2--N含量在5～6月普遍升高，最大值均出现在5月，分别为0.09 mg/L和0.07 mg/L，研究区在7～9月期间降雨充沛，NO2--N含量在丰水期要低于平枯水期，丰水期NO2--N含量基本呈FD>KD，平枯水期则相反； NO3--N含量年内时间差异较大，同时段两类沉陷区水体中NO3--N空间差异较小，KD与FD内NO3--N最大值均出现在4月，分别为1.13 mg/L和1.26 mg/L； KN年内时间差异较大，空间差异较小，KD与FD内KN最大值均出现在6月，含量分别为1.07 mg/L和1.30 mg/L，最小值均出现在丰水期8月，含量分别为0.32 mg/L和0.23 mg/L，丰水期KN含量大致呈KD>FD，平枯水期则反之，两类水体内KN含量及空间差异性均呈丰水期低于平枯水期；TN年内时空差异均较小，含量基本呈FD>KD，KD与FD内TN最大值分别在11月和1月，含量分别为1.31 mg/L和2.21 mg/L。

由以上可知，两类沉陷区浅层地下水内不同形态的氮存在一定时空差异，主要原因：首先，研究区6月农忙时节整体上NH3-N含量较低，硝态氮和KN含量升高，因为该时段农用化肥施用量增加，农田作物对氮肥的利用率为30%～35%[11]。研究表明，农药和化肥的使用是造成水体污染和富营养化的最主要来源。美国每年生产大量的农药，其中由于用于农田引起的地表水和地下水体污染的事例非常多。USEPA把农业列为全美河流和湖泊污染的第一污染源[12]。此外，农村家畜粪便和垃圾随意堆放，在降雨季节随着地表径流也会进入水体形成大面积污染。同时，土壤颗粒在一定程度上对NH3-N有较强的亲和性，对NO3--N的亲和性较弱[13]。未被利用的氮一部分直接下渗至浅层地下水形成面状氮源污染，剩余部分经地表径流汇入周边采煤沉陷区地表水并由侧面入渗至临近的浅层地下水形成环状氮污染源[14，15]。其次，泥河沿岸排放大量矿井废水和生活污水，其中生活污水含大量的氮素，NO3--N最多，有机氮次之[16]。此外，1号孔旁边堆积大量粉煤灰，7号和12号孔旁边存放着大量生活垃圾，粉煤灰淋溶液和垃圾渗滤液含多种有机物、氨氮和重金属等主要污染成分[17，18]，这些氮类物质通过地表径流进入沉陷区地表水，因KD与对应地表水及周边泥河之间均存在一定水力联系，而受到氮类污染。最后，研究区7～9月为丰水期，约占年降水量的50%，地表水与地表径流对浅层地下水的入渗量明显增加，对氮类物质起到一定稀释作用，引起各形态氮的含量在丰水期均有所降低。各因素综合导致两类沉陷区浅层地下水内不同形态的氮存在一定时空差异。

PO43-年内时间差异较大，在4、5、9月含量普遍升高且空间差异较大，FD内更加明显，其他时段空间差异较小，KD与FD内PO43-最大值分别出现在4月和9月，含量分别为0.37 mg/L和0.39 mg/L； DTP年内时空差异较小，KD内DTP含量在11月含量较高且空间差异性较大，KD与FD内DTP最大值分别出现在11月和7月，含量分别为0.35 mg/L和0.14 mg/L；TP年内时间差异较大，在4、9、11月空间差异较大，其他时段空间差异较小，KD与FD内TP最大值分别出现在4月和9月，含量分别为0.41 mg/L和0.45 mg/L。

KD内各形态磷在11月的含量均较高，主要是该时段周边居民将积水区水体大量抽走，捕捞鱼虾，引起底泥扰动释放大量磷类物质至地表水体[19]，并入渗至周边地下水中。相关研究[20，21]表明，影响底泥内源污染释放的主要因素包括泥-水界面营养盐的浓度差、泥-水界面的氧化还原状态等，另外，河流入水的氮磷浓度较高对底泥氮磷的释放也会有一定的抑制作用[22，23]。4月和5月PO43-和TP含量有所升高，TP含量为KD>FD，是因为该时段施用大量农用化肥，农作物对磷肥的利用率仅为l0%～20%，同时泥河沿岸排放的工矿企业及生活污水中含有大量磷，KD与泥河及地表水均存在一定的水力联系，引起KD内TP升高。此外，降雨时间、降雨强度和地下水位变动在一定程度上会随时影响地下水中磷的含量[24]，因此各形态磷在丰水期和平枯水期的含量存在一定的时空差异性。

开放型沉陷区外围泥河中NH3-N、NO2--N、NO3--N、KN和TN年内均值分别为0.519 6、0.031 3、0.388 7、0.833 3、1.522 4 mg/L；PO43-、DTP、TP的年内均值分别为0.036 7、0.024 8、0.128 9 mg/L。同时期泥河与KD内各形态氮含量的年均值差异较小但整体略高于KD，各形态磷含量的年均值呈KD>泥河，说明泥河对KD内氮、磷均存在一定影响，对氮类物质的影响更严重。

2.2 两类沉陷区浅层地下水体内各营养盐指标相关性分析

由表3和表4可知，KD内NO3--N与PO43-呈显著正相关，TP与PO43-呈极显著正相关；FD内TP与PO43-呈极显著正相关。其他不同形态氮磷之间均存在不同程度的相关性，开放型采煤沉陷区浅层地下水内相关性更强，说明两类沉陷区浅层地下水内氮磷之间存在迁移转化和响应关系。

2.3 两类沉陷区浅层地下水体内氮磷比值

2.3.1 氮类指标的比值 无机氮（IN）与TN比值表现为KD>FD>50%（图3），该比值较高的原因是NH3-N和NO3--N占IN的比重较大，两类水体内对应的同种比值存在一定差异性，这是由浅层地下水的水力循环和水体交换强度、溶解氧、温度、pH等多种环境因素引起两类水体中同一时期内优势菌种不一样造成的；两类水体内IN组成中，NH3-N>NO3--N>NO2--N，NO2--N占IN的比率均低于5%。

2.3.2 磷类指标的比值 PO43-和DTP与TP的比值关系均表现为KD>FD，PO43-与DTP的比值表现为FD>KD，KD与FD内PO43-/DTP均>50%（图4），说明两类沉陷区浅层地下水内PO43-是DTP的主要存在形式，且KD中的PO43-占TP的比值高于FD，同时FD中溶解性总磷中的正磷酸盐所占比例高于KD，说明封闭型采煤沉陷区浅层地下水中磷的面源污染风险更大[25]，同时开放型沉陷区浅层地下水中的氮磷也与地表水系的水质、土层性质密切相关。

3 结论

1）开放型和封闭型采煤沉陷区中浅层地下水中的氮磷等营养盐指标时空变化特征不同：NH3-N年内时间差异较小，整体呈KD>FD；NO2--N、NO3--N和KN年内时间差异较大，空间差异性较小，丰水期低于平枯水期；TN年内时空差异均较小，基本呈FD>KD；PO43-和TP年内时间差异较大，DTP年内时空差异较小。

2）同类沉陷区浅层地下水内各形态氮磷之间存在不同程度的相关性，开放型沉陷区中氮磷的相关性更强。

3）各形态氮磷同一比值在两类浅层地下水中存在一定差异，封闭型采煤沉陷区浅层地下水中磷的污染风险更大。

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