淮南潘集采煤沉陷区地表水与浅层地下水中的氮磷特征

谷得明

摘要：根据2012年11月至2013年9月的9次监测数据，分析了淮南潘集开放型和封闭型采煤沉陷区地表水与浅层地下水中氮磷的时空分布及组成特征。结果表明，氨氮和溶解性总磷的时空差异性较小，KB（开放型地表水）、FB（封闭型地表水）、KD（开放型地下水）、FD（封闭型地下水）中氨氮最大值分别为0.621 mg/L（6月）、0.813 mg/L（6月）、1.45 mg/L（5月）、1.207 mg/L（5月），溶解性总磷最大值分别为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）；硝态氮、凯氏氮和总氮的时间差异性较大，空间差异性较小，KB、FB、KD、FD中硝酸盐氮最大值分别为0.635 mg/L（11月）、0.623 mg/L（4月）、1.13 mg/L（4月）、1.258 mg/L（4月），凯氏氮最大值（6月）分别为1.398 mg/L、1.397 mg/L、1.068 mg/L、1.025 mg/L，总氮最大值分别为2.295 mg/L（11月）、2.261 mg/L（1月）、1.309 mg/L（11月）、2.21 mg/L（1月）；正磷酸盐和总磷的时空差异性较大，KB、FB、KD、FD中正磷酸盐最大值分别为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），总磷最大值分别为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）。氮磷时空差异性主要受降水量、地表径流及农业面源、人为干扰等因素的影响。无机氮与总氮和正磷酸盐与溶解性总磷的比率均大于50%，正磷酸盐是溶解性总磷的主要存在形式，开放型沉陷积水区内溶解态磷的比重更高。

关键词：采煤沉陷区；地表水；浅层地下水；氮磷；时空分布；组成特征

中图分类号：X824 文献标识码：A 文章编号：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

淮南地区煤炭储量丰富，煤炭产量的95%以上为井工开采[1]，煤层厚且稳定，产状平缓，第四系松散层厚度大。大规模的煤炭开采导致了大面积沉陷区的形成。同时，较高的地下水水位和密集的地表河网，导致了大面积沉陷积水区的形成。相关研究表明，截至2009年底，淮南采煤沉陷区面积约130 km2，积水区面积占30%～50%，约为全市总面积的5%[2]。到2020年淮南沉陷区面积将进一步扩展至300 km2 以上，可储备约7～10亿m3以上的淡水资源[3]。淮南矿区服务年限结束时，耕地面积将比目前减少46.75%，水面增加173.14%[4]。这些积水区为地表水资源的汇集创造了良好条件，有效地调整了水资源，极大地促进了地区经济的平稳发展。

近年来，国内学者对采煤沉陷区的研究主要集中在水质调查监测，分析水体中重金属元素和部分理化生物指标评价水质，建立水质综合评价模型，试图找出水质的主控因素[1，5，6]。国外学者主要开展水体地形地貌、水文、生态和景观特点等研究[7，8]。但有关沉陷区地表水及地下水中营养盐组成及其时空分布特征的研究较少。本研究以淮南潘一、潘三及潘一东部后湖沉陷积水区为研究对象，将沉陷区划分为开放和封闭两种类型，对比分析了同类和不同类型沉陷区地表水和浅层地下水中氮磷的来源、时空分布及组成等特征，为矿区水资源利用管理和水环境治理提供科学依据和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处淮河冲积平原，属暖温带湿润季风气候，年均气温15.3 ℃，年均降水量为939.3 mm，季节分布不均匀，7～9月为丰水期，淮河为邻近本区的主要河流。区内地形平坦，地面标高一般为19～23.0 m，总体趋势为西北高、东南低。泥河位于潘一、潘三沉陷区南缘，自西北向东南流向，为淮河北岸支流，全长约67 km，流域面积626 km2，河道沿岸地势低洼，雨季易形成内涝，内涝水位为22.2 m，洪水水位为20.5～21.94 m，1991年7月10日8时最高洪水水位21.94 m，其主要功能为农田灌溉和排涝泄洪。

淮南潘一、潘三采煤沉陷区属于不稳定沉陷区，东西长约5 km，南北宽约3.9 km，面积约19.5 km2，常年平均水深2～6 m，周边有沟渠径流补给，还有泥河经过，存在外源水体流入和输出的水量，与地下水及泥河均存在一定水力联系，称为“开放型”沉陷区[10]。后湖采煤沉陷区东西长约2.938 km，南北宽1.697 km，面积约为4.986 km2，周围只有地表面状径流汇入，无线状水流的补排，与地下水存在一定的水力联系，称为“封闭型”沉陷区[9]。目前研究区周边大都为田地，主要种植农作物、花卉及景观植被等。距研究区约1 km内基本没有居民，水域主要作为农业灌溉和渔业自然散养。

1.2 样品采集和分析方法

开放型（淮南潘一、潘三采煤沉陷区）和封闭型（后湖采煤沉陷区）沉陷积水区周边分别布置8个和5个人工观测孔（图1），孔深一般为6～8 m，观测层位为第四系第一个含水层，利用GPS精确定位。研究区水域多用于渔业养殖，观测孔大部分被农田环绕。于2012年11月至2013年9月之间采样9次，每次水样取自各人工观测孔内浅层地下水和对应旁边地表水，并将开放型和封闭型地表水及浅层地下水的水样分别命名为KBm、KDm、FBm和FDm，m为对应观测孔编号。

水样采集、固定及保存均按照《水质采样样品的保存和管理技术规定》（HJ 493—2009）进行，并及时运往实验室检测[10]。检测方法依据《水和废水监测分析方法（第四版）》，NH3-N采用纳氏试剂光度法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采用蒸馏—光度法，TN采用过硫酸钾氧化—紫外分光光度法，PO43-、DTP和TP均采用钼酸抗分光光度法[11]。通过Excel2013和Origin8分析同类型或不同类型沉陷区地表水与浅层地下水中的氮磷时空分布及组成特征。

2 结果与分析

2.1 时空分布

由图2可知，氨氮在各类沉陷区地表水与浅层地下水中的年内时空差异性较小，整体上，同一时段氨氮含量为KD>KB、FB>FD、KB>FB、KD>FD，其中5月KD与FD内氨氮升高幅度较大，6月氨氮含量为FB>KB，KB、FB、KD、FD中氨氮最大值分别为0.621 mg/L（6月）、0.813 mg/L（6月）、1.45mg/L（5月）、1.207 mg/L（5月）。亚硝酸盐氮含量年内时间差异性较大，空间差异性较小，整体为FD>FB，丰水期低于平枯水期，KB、FB、KD、FD内亚硝酸盐氮最大值分别为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月各类水体中亚硝酸盐氮普遍升高，基本为FB>KB，KD>FD，KD>KB，FD>FB。硝酸盐氮年内时间差异性较大，空间差异性较小，KB、FB、KD、FD内硝酸盐氮最大值分别为0.635 mg/L（11月）、0.623 mg/L（4月）、1.13 mg/L（4月）、1.258 mg/L（4月）。凯氏氮年内时间差异性较大，空间差异性较小，整体呈FB>FD，KB>KD，丰水期高于平水期和枯水期，且丰水期凯氏氮含量为KD>FD，KB、FB、KD、FD内凯氏氮最大值均出现在6月，含量分别为1.398、1.397、1.068、1.025 mg/L。总氮年内时间差异性较大，空间差异性较小，整体呈KB>KD，FB>FD，FB>KB，FD>KD，KB、FB、KD、FD总氮最大值分别为2.295 mg/L（11月）、2.261 mg/L（1月）、1.309 mg/L（11月）、2.21 mg/L（1月）。

正磷酸盐和总磷的年内时空差异性均较大，总磷含量基本呈KD>KB、FD>FB、FB>KB。KB、FB、KD、FD正磷酸盐最大值分别为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）；总磷最大值分别为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）。溶解性总磷的年内时空差异性较小，整体呈KD>KB，FD>FD，KB>FB，KB、FB、KD、FD溶解性总磷最大值分别为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各形态磷含量均较高，因为此时沉陷区积水被居民大量抽走以便捕鱼，由此引起底泥释放大量磷类物质，并迁移至对应的浅层地下水中。KD和FD中正磷酸盐和总磷在4～5月由于农业施用化肥而升高。

开放型沉陷积水区外围泥河中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、凯氏氮和总氮的年均值分别为0.519 6、0.031 3、0.388 7、0.833 3和1.522 4 mg/L；正磷酸盐、溶解性总磷、总磷的年均值分别为0.036 7、0.024 8和0.128 9 mg/L。同时期泥河各形态氮与KB、KD同种形态氮的含量差异均较小，但整体略高；正磷酸盐与溶解性总磷的年均含量为KB>泥河，总磷为泥河（0.128 9 mg/L）>KB（0.056 74 mg/L），各形态磷的年均含量基本呈KD>泥河。说明泥河对KB和KD的氮、磷均存在一定影响，对氮类物质的影响更严重，泥河中非溶解态磷含量较高，因此对KB正磷酸盐和溶解态总磷的影响较小。

2.2 氮磷比率

2.2.1 氮类指标 无机氮与总氮比率大小关系为KD>FD>KB>FB>50%，该比率较高的原因分别是氨氮和硝酸盐氮占无机氮的比重较大，同类沉陷区两种水体之间该比率差异较大的原因是地表水与浅层地下水的水文地质条件、温度、pH、溶解氧含量等造成的优势菌种不同[12]。各类水体中硝态氮和氨氮与无机氮的比率差异较小。各水体内无机氮组成中，氨氮>硝酸盐氮>亚硝酸盐氮，亚硝酸盐氮在无机氮中的比率基本低于5%。

2.2.2 磷类指标 溶解性总磷占总磷比率的大小关系为KB>KD>FB>FD；正磷酸盐占总磷比率的大小关系为KB>FB>KD>FD；正磷酸盐占溶解性总磷比率的大小关系为FB>KB>FD>KD>50%。说明开放型沉陷积水区内溶解态磷的比重更高。正磷酸盐是溶解性总磷的主要存在形式，在封闭型沉陷积水区的比重高于开放型（图3）。

3 结论

1）受水体交换、降水量等因素的影响，KB、KD、FB与FD内氨氮时空差异性较小，硝态氮、凯氏氮和总氮含量的年内时间差异性较大，空间差异性较小；正磷酸盐和总磷的年内时空差异性均较大，溶解性总磷的年内时空差异性较小。

2）泥河中非溶解态磷含量较高，对KB和KD内氮、磷均存在一定影响，但对KB内正磷酸盐和溶解态总磷的影响较小。

3）无机氮与总氮比率呈KD>FD>KB>FB>50%；正磷酸盐是溶解性总磷的主要存在形式，封闭型沉陷积水区占的比重更高。

参考文献：

[1] TINGYU F，JIAPING Y，SHUN W， 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.

[2] 张 伟.两淮采煤塌陷区土地复垦模式及其工程技术研究[D].合肥：安徽农业大学，2008.

[3] 王婷婷，易齐涛，胡友彪，等.两淮采煤沉陷区水域水体富营养化及氮、磷限制模拟实验[J].湖泊科学，2013，25（6）：916-926.

[4] 谢 凯，张雁秋，易齐涛，等.淮南潘一矿塌陷水域沉积物中磷的赋存和迁移转化特征[J].中国环境科学，2012，32（10）：1867-1874.

[5] 计承富，桂和荣，王和平，等.淮南矿区塌陷塘水体水质的变化[J].煤田地质与勘探，2008，36（1）：44-48.

[6] 徐良骥，严家平，高永梅，等.淮南矿区塌陷水域环境效应[J].煤炭学报，2008，3（4），419-422.

[7] BUKOWSKI P， BROMEK T. Augustyniak， mine water and the environment[J]. Mine Water Environ，2006，25（1）：15-22.

[8] YOUNGER P L， WOLKERSDORFER C.Mining impacts on the fresh water environment：Technical and managerial guidelines for catchment scale management[J]. Mine Water and the Environment，2004，23（1）：2-80.

[9] 范廷玉.潘谢采煤沉陷区地表水与浅层地下水转化及水质特征研究[D].淮南：安徽理工大学，2013.

[10] GB12999-1991，水质采样样品的保存和管理技术规定[S].

[11] GB3838-2002，国家地表水环境质量标准[S].

[12] 金相灿，等.中国湖泊环境（第一册）[M].北京海洋出版社，1995.267-271.