淮南潘集采煤沉陷區(qū)地表水與淺層地下水中的氮磷特征

谷得明

摘要：根據(jù)2012年11月至2013年9月的9次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了淮南潘集開(kāi)放型和封閉型采煤沉陷區(qū)地表水與淺層地下水中氮磷的時(shí)空分布及組成特征。結(jié)果表明，氨氮和溶解性總磷的時(shí)空差異性較小，KB（開(kāi)放型地表水）、FB（封閉型地表水）、KD（開(kāi)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(tài)氮、凱氏氮和總氮的時(shí)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(shí)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(shí)空差異性主要受降水量、地表徑流及農(nóng)業(yè)面源、人為干擾等因素的影響。無(wú)機(jī)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(kāi)放型沉陷積水區(qū)內(nèi)溶解態(tài)磷的比重更高。

關(guān)鍵詞：采煤沉陷區(qū)；地表水；淺層地下水；氮磷；時(shí)空分布；組成特征

中圖分類(lèi)號(hào)：X824 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(qū)煤炭?jī)?chǔ)量豐富，煤炭產(chǎn)量的95%以上為井工開(kāi)采[1]，煤層厚且穩(wěn)定，產(chǎn)狀平緩，第四系松散層厚度大。大規(guī)模的煤炭開(kāi)采導(dǎo)致了大面積沉陷區(qū)的形成。同時(shí)，較高的地下水水位和密集的地表河網(wǎng)，導(dǎo)致了大面積沉陷積水區(qū)的形成。相關(guān)研究表明，截至2009年底，淮南采煤沉陷區(qū)面積約130 km2，積水區(qū)面積占30%～50%，約為全市總面積的5%[2]。到2020年淮南沉陷區(qū)面積將進(jìn)一步擴(kuò)展至300 km2 以上，可儲(chǔ)備約7～10億m3以上的淡水資源[3]。淮南礦區(qū)服務(wù)年限結(jié)束時(shí)，耕地面積將比目前減少46.75%，水面增加173.14%[4]。這些積水區(qū)為地表水資源的匯集創(chuàng)造了良好條件，有效地調(diào)整了水資源，極大地促進(jìn)了地區(qū)經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)發(fā)展。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)采煤沉陷區(qū)的研究主要集中在水質(zhì)調(diào)查監(jiān)測(cè)，分析水體中重金屬元素和部分理化生物指標(biāo)評(píng)價(jià)水質(zhì)，建立水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型，試圖找出水質(zhì)的主控因素[1，5，6]。國(guó)外學(xué)者主要開(kāi)展水體地形地貌、水文、生態(tài)和景觀特點(diǎn)等研究[7，8]。但有關(guān)沉陷區(qū)地表水及地下水中營(yíng)養(yǎng)鹽組成及其時(shí)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(qū)為研究對(duì)象，將沉陷區(qū)劃分為開(kāi)放和封閉兩種類(lèi)型，對(duì)比分析了同類(lèi)和不同類(lèi)型沉陷區(qū)地表水和淺層地下水中氮磷的來(lái)源、時(shí)空分布及組成等特征，為礦區(qū)水資源利用管理和水環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處淮河沖積平原，屬暖溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫15.3 ℃，年均降水量為939.3 mm，季節(jié)分布不均勻，7～9月為豐水期，淮河為鄰近本區(qū)的主要河流。區(qū)內(nèi)地形平坦，地面標(biāo)高一般為19～23.0 m，總體趨勢(shì)為西北高、東南低。泥河位于潘一、潘三沉陷區(qū)南緣，自西北向東南流向，為淮河北岸支流，全長(zhǎng)約67 km，流域面積626 km2，河道沿岸地勢(shì)低洼，雨季易形成內(nèi)澇，內(nèi)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(shí)最高洪水水位21.94 m，其主要功能為農(nóng)田灌溉和排澇泄洪。

淮南潘一、潘三采煤沉陷區(qū)屬于不穩(wěn)定沉陷區(qū)，東西長(zhǎng)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(bǔ)給，還有泥河經(jīng)過(guò)，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(lián)系，稱(chēng)為“開(kāi)放型”沉陷區(qū)[10]。后湖采煤沉陷區(qū)東西長(zhǎng)約2.938 km，南北寬1.697 km，面積約為4.986 km2，周?chē)挥械乇砻鏍顝搅鲄R入，無(wú)線(xiàn)狀水流的補(bǔ)排，與地下水存在一定的水力聯(lián)系，稱(chēng)為“封閉型”沉陷區(qū)[9]。目前研究區(qū)周邊大都為田地，主要種植農(nóng)作物、花卉及景觀植被等。距研究區(qū)約1 km內(nèi)基本沒(méi)有居民，水域主要作為農(nóng)業(yè)灌溉和漁業(yè)自然散養(yǎng)。

1.2 樣品采集和分析方法

開(kāi)放型（淮南潘一、潘三采煤沉陷區(qū)）和封閉型（后湖采煤沉陷區(qū)）沉陷積水區(qū)周邊分別布置8個(gè)和5個(gè)人工觀測(cè)孔（圖1），孔深一般為6～8 m，觀測(cè)層位為第四系第一個(gè)含水層，利用GPS精確定位。研究區(qū)水域多用于漁業(yè)養(yǎng)殖，觀測(cè)孔大部分被農(nóng)田環(huán)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(cè)孔內(nèi)淺層地下水和對(duì)應(yīng)旁邊地表水，并將開(kāi)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(duì)應(yīng)觀測(cè)孔編號(hào)。

水樣采集、固定及保存均按照《水質(zhì)采樣樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》（HJ 493—2009）進(jìn)行，并及時(shí)運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)[10]。檢測(cè)方法依據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)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(guò)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(guò)Excel2013和Origin8分析同類(lèi)型或不同類(lèi)型沉陷區(qū)地表水與淺層地下水中的氮磷時(shí)空分布及組成特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)空分布

由圖2可知，氨氮在各類(lèi)沉陷區(qū)地表水與淺層地下水中的年內(nèi)時(shí)空差異性較小，整體上，同一時(shí)段氨氮含量為KD>KB、FB>FD、KB>FB、KD>FD，其中5月KD與FD內(nèi)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(nèi)時(shí)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(nèi)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(lèi)水體中亞硝酸鹽氮普遍升高，基本為FB>KB，KD>FD，KD>KB，F(xiàn)D>FB。硝酸鹽氮年內(nèi)時(shí)間差異性較大，空間差異性較小，KB、FB、KD、FD內(nèi)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(nèi)時(shí)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(nèi)凱氏氮最大值均出現(xiàn)在6月，含量分別為1.398、1.397、1.068、1.025 mg/L。總氮年內(nèi)時(shí)間差異性較大，空間差異性較小，整體呈KB>KD，F(xiàn)B>FD，F(xiàn)B>KB，F(xiàn)D>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(nèi)時(shí)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(nèi)時(shí)空差異性較小，整體呈KD>KB，F(xiàn)D>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(tài)磷含量均較高，因?yàn)榇藭r(shí)沉陷區(qū)積水被居民大量抽走以便捕魚(yú)，由此引起底泥釋放大量磷類(lèi)物質(zhì)，并遷移至對(duì)應(yīng)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(nóng)業(yè)施用化肥而升高。

開(kāi)放型沉陷積水區(qū)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(shí)期泥河各形態(tài)氮與KB、KD同種形態(tài)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(tài)磷的年均含量基本呈KD>泥河。說(shuō)明泥河對(duì)KB和KD的氮、磷均存在一定影響，對(duì)氮類(lèi)物質(zhì)的影響更嚴(yán)重，泥河中非溶解態(tài)磷含量較高，因此對(duì)KB正磷酸鹽和溶解態(tài)總磷的影響較小。

2.2 氮磷比率

2.2.1 氮類(lèi)指標(biāo) 無(wú)機(jī)氮與總氮比率大小關(guān)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(wú)機(jī)氮的比重較大，同類(lèi)沉陷區(qū)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(zhì)條件、溫度、pH、溶解氧含量等造成的優(yōu)勢(shì)菌種不同[12]。各類(lèi)水體中硝態(tài)氮和氨氮與無(wú)機(jī)氮的比率差異較小。各水體內(nèi)無(wú)機(jī)氮組成中，氨氮>硝酸鹽氮>亞硝酸鹽氮，亞硝酸鹽氮在無(wú)機(jī)氮中的比率基本低于5%。

2.2.2 磷類(lèi)指標(biāo) 溶解性總磷占總磷比率的大小關(guān)系為KB>KD>FB>FD；正磷酸鹽占總磷比率的大小關(guān)系為KB>FB>KD>FD；正磷酸鹽占溶解性總磷比率的大小關(guān)系為FB>KB>FD>KD>50%。說(shuō)明開(kāi)放型沉陷積水區(qū)內(nèi)溶解態(tài)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(qū)的比重高于開(kāi)放型（圖3）。

3 結(jié)論

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

2）泥河中非溶解態(tài)磷含量較高，對(duì)KB和KD內(nèi)氮、磷均存在一定影響，但對(duì)KB內(nèi)正磷酸鹽和溶解態(tài)總磷的影響較小。

3）無(wú)機(jī)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(qū)占的比重更高。

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