动态沉陷区氮素在积水区-包气带中迁移转化机制研究

Transportation and transformation of nitrogen in unsaturated zone is a hot research topic atand abroad. In dynamic subsidence area of coal mine, aiming at nitrogen, through monitoring, modes of occurrence would be analyzed. Through indoor static and dynamic leaching simulate experiments, release, transportation and transformation of nitrogen would be analyzed in water，sediment and unsaturated zone.Proer model would be chosen to determine the runoff and confluence, predict water quantity and subsidence boundary, and water table considering engineering for groundwater and unsaturated zone would be implemented to study the dynamic variation rule. Monitoring spots would be set in dynamic subsidence area and steady un-subsidence area to get the nitrogen content of different occurrence, and transportation and transformation of nitrogen during mining were analyzed comparing with un-subsidence area and based on the nitrogen content of saturated zone. Finally, the main factors of nitrogen transportation and transformation were determined, and proper pollutant predicting model of nitrogen would be constructed based on field test and indoor experimental analysis.

氮素在包气带中的迁移与转化一直是国内外专家研究的热点之一，在动态采煤沉陷区内,以氮素作为研究对象, 通过现场监测，得出氮素在沉陷区不同位置的赋存状况，通过室内静态及动态淋溶模拟实验，研究其在沉陷积水区水体、底泥、沉陷边界及包气带中的赋存、释放、迁移规律；选择合理模型确定沉陷区斜坡地带产汇流规律，对沉陷积水区水量、沉陷边界进行预测，实施地表水位、包气带水位观测工程，通过连续观测，确定地表积水区和包气带水量的动态变化规律；在沉陷边界及未沉陷区布置监测点，布设包气带水样采集装置，进行包气带水中不同形态氮含量测定，以未沉陷区作为对照，结合水文观测孔中饱和带水中氮的含量，分析采动过程中氮迁移转化规律；通过现场监测、实验室模拟分析氮素迁移的主要影响因素，建立适合采煤沉陷区的氮污染预测模型，揭示氮素在采动沉陷区积水区-包气带中的迁移转化规律，为合理制定采煤沉陷水体防治与保护措施提供理论参考。

煤炭在我国能源消费结构中占据主导地位，因井工开采导致的大面积采煤沉陷积水区改变了原有的地貌及水文循环，其影响不可忽略，氮素作为最普遍的地表水和地下水污染元素，在采煤沉陷积水区和浅层地下水中的迁移转化对于沉陷区水环境保护具有重要的意义。项目以安徽淮北临涣矿区和潘谢矿区作为研究对象，选择开放式和封闭式沉陷积水区，进行了氮素在采煤沉陷积水区地表水和地下水迁移转化机制研究。研究结果表明：（1）采煤沉陷区沉陷边界特征：通过对沉陷积水区底泥和土壤性质对比、底泥和土壤的营养盐释放潜能对比、吸附释放静态实验可以得出，沉陷区积水后的土壤pH、Eh值、有机质均会降低，底泥全氮的含量相对土壤中全氮含量增加了20%，说明水体与底泥之间的氮交换呈现水体向底泥中富集的趋势，Cd、Zn、Cu、Pb、As等重金属都有一定程度的富集；底泥释放以NH4+为主的无机氮，厌氧条件下氨化作用更强烈，而好氧、厌氧两种条件土壤中无机氮和总氮均是从上覆水向土壤富集。（2）采煤沉陷积水区地表水与浅层下水量交换特征：通过建立沉陷积水区地表水与浅层地下水水量交换模型研究发现，沉陷区地表水除与降水及蒸发因素有关外，与浅层地下水之间存在相互作用关系。封闭式沉陷区地表水与地下水之间的关系为地下水补给地表水，其补给量现对较小，在雨季虽然地表径流增加，但发生越流转化量减小；因受到泥河和农业灌溉影响，开放式沉陷区的地表水与地下水之间的补、排泄量呈现互为补排特征。（3）采煤沉陷积水区地表水与浅层地下水中氮迁移特征：基于水量交换模型，结合氮素的时空变化特征、δ15N分析，研究发现开放式沉陷区受到降雨、蒸发、河流等多个因素影响，氮迁移特征复杂；封闭式沉陷区，枯水期地下水补给地表水量大于丰水季节地下水补给地表水量，尤其在施肥季节，地下水的越流补给量增大，地表水中的15N明显增加，施肥季节地下水对于沉陷积水区的影响相对与其他季节更为显著。