中国东部一个开放式煤矿沉降湖中的地下水排放及溶解无机碳通量

《Journal of Contaminant Hydrology》：Groundwater discharge and dissolved inorganic carbon flux into an open-type coal mining subsidence lake in eastern China

地下水排泄及溶解无机碳通量对开放型煤开采沉陷湖水循环和碳循环的影响研究。通过放射性同位素（222Rn）和稳定水同位素（δ1?O）示踪技术建立质量平衡模型，定量分析了安徽省北部开放型煤开采沉陷湖的地下水排泄速率（38.54±21.05 mm/d和27.89±3.53 mm/d）及其对湖泊水补给（15.56%和12.30%）的贡献，并评估了溶解无机碳（DIC）通量（70.33±1.41 mmol/(m2·d)）对湖泊碳收支和大气碳通量的影响。研究证实开放型沉陷湖地下水排泄是重要碳源，占湖泊总DIC库存的19.10%，贡献65.60%的湖面CO? evasion。

　　

姜春璐|张玉群|王倩倩

中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市221116

摘要

地下水排放及其相关的溶解碳通量是煤矿沉降湖泊湿地生态系统中的关键参数。先前的研究表明，地下水排放对孤立的煤矿沉降湖泊有显著影响。然而，开放型沉降湖泊中的地下水排放及其相关的溶解无机碳（DIC）通量仍知之甚少。在本研究中，使用放射性²²²Rn和稳定水同位素¹⁸O作为示踪剂，建立了同位素质量平衡模型，并量化了开放型煤矿沉降湖泊的地下水排放量。结果表明，利用²²²Rn和¹⁸O质量平衡模型估算的湖泊地下水排放量（LGD）分别为38.54±21.05毫米/天和27.89±3.53毫米/天，分别占湖泊总水量的15.56%和12.30%。在此基础上，结合DIC端元混合模型和CO₂扩散模型，计算出来自LGD的DIC通量为70.33±1.41毫米ol/(m²·d)，占湖泊总DIC储量的19.10%和湖泊总CO₂逸出的65.60%。研究结果表明，淡水湖泊中的CO₂释放可能是大气碳的重要来源，应将其纳入湖泊碳预算中。这些结果为准确评估开放型沉降湖泊的地下水排放量和碳预算提供了理论基础，这对于当地水环境保护和水资源合理利用具有重要意义。

引言

地下水排放被认为是煤矿沉降湖泊水量平衡的重要因素（Jiang等人，2023a；Jiang等人，2023b）。它对维持煤矿沉降湖泊的湿地生态系统起着重要作用。研究湖泊地下水排放（LGD）的常用方法包括湖泊水量平衡、地下水流动的数值模拟以及同位素示踪方法（Dimova等人，2013；Burnett和Dulaiova，2006；Hao等人，2019）。近年来，天然同位素示踪方法，特别是氢、氧和氡同位素方法，在LGD研究中受到了越来越多的关注（Liao等人，2018；Sun等人，2021）。Deng和Chen（2011）报告称，尽管淡水湖泊仅占陆地总面积的约2%，但它们向大气中的CO₂排放量不可忽视，约占总排放量的10%（Deng和Chen，2011；Sadat-Noori等人，2021；Sadat-Noori等人，2021）。地下水排放还可以作为溶解无机碳（DIC）输送到内陆和水生系统的途径之一，地下水输入可能导致地表水系统中CO₂浓度增加，从而形成较高的水-空气CO₂通量（Lupon等人，2019；Jahangir等人，2012）。

长期地下采矿会导致地表沉降，水逐渐积聚形成沉降湖泊。随着地下采矿的持续进行，湖泊面积逐渐扩大，沉降湖泊最终会与河流和渠道相连，使原始生态系统逐渐转变为被称为开放型沉降湖泊的复杂湿地生态系统（Chang等人，2017；Lin等人，2013）。与开放型沉降湖泊相比，未与地表渠道相连的沉降湖泊属于封闭系统，这类湖泊称为封闭型沉降湖泊。在湖泊形成过程中，湖岸和湖底的土壤容易开裂，因此地下水会优先沿着土壤剖面迁移，从而增强湖泊的补给（Yan等人，2018）。在这种情况下，沉降湖泊的水源包括大气降水、河水以及地下水，这些可以有效反映当地的水循环和物质平衡。与封闭型沉降湖泊不同，开放型沉降湖泊主要受河流径流变化的影响，季节性影响较小。因此，本研究选择开放型沉降湖泊作为研究对象。

作为水循环的理想示踪剂，稳定的氢和氧同位素能够准确反映环境变化，在水循环研究中得到广泛应用（Sun等人，2014；Petermann等人，2018；Liao等人，2018）。它们可以用来定量评估不同水源对湖泊供水、蒸发和渗漏的贡献（Hao等人，2019；Wassenaar等人，2011；Adallal等人，2019）。同样，氡同位素可用于评估地下水和地表水之间的转化关系。估算地下水流量的最常用且最准确的方法是氡-222（²²²Rn）质量平衡模型（Burnett和Dulaiova，2003）。地表水中的²²²Rn活性通常比地下水中低两个数量级，其较短的半衰期（3.83天）使其易于测量，成为追踪地下水排放的有效示踪剂（Cable等人，1996；Burnett和Dulaiova，2006）。研究人员利用²²²Rn研究了鄱阳湖（Zhang等人，2016a；Zhang等人，2016b）和洞庭湖（Sun等人，2021）等湖泊的地下水排放及相关化学通量输入。仅使用单一同位素进行LGD评估可能会导致不确定性。在质量平衡模型中结合多种同位素可以减少不确定性，减少对大量现场数据的依赖，并提高评估结果的可信度（Liao等人，2018；Petermann等人，2018；Sun等人，2021）。

然而，湖泊在碳循环中起着中介作用。在某些条件下，DIC的碳同位素（δ¹³C_DIC）可用于理解水体中的生物地球化学反应（Zigah等人，2011；Scharnweber等人，2014；Zwart等人，2017）。湖泊水中的DIC不仅是湖泊中碳通量的主要形式，还在湖泊流域的碳循环和水-空气碳通量交换中起着关键作用（Li等人，2022）。湖泊及其相应的地下水排放可以输送陆地物质，如溶解碳。Sadat-Noori等人（2021）指出，悉尼最大淡水湖泊中来自地下水输入的碳通量占温室气体排放量的25%（Sadat-Noori等人，2021），而在澳大利亚一个热带河口，地下水输入的DIC占碳损失的22%（Sadat-Noori等人，2015）。

先前的研究表明，地下水排放对孤立的煤矿沉降湖泊有显著影响。然而，开放型沉降湖泊（即与河流相连的湖泊）中的地下水排放及其相关的溶解无机碳（DIC）通量仍知之甚少。在此，我们首次结合放射性²²²Rn和稳定水同位素¹⁸O，量化了中国安徽省北部一个开放型沉降湖泊的LGD。然后，我们评估了LGD对湖泊水量预算和溶解碳来源的贡献。通过结合每个端元的DIC含量、端元模型和CO₂扩散模型，确定了来自地下水排放的碳通量。

然而，关于开放型煤矿沉降湖泊的地下水排放量、DIC通量或地表河水贡献的具体数据尚不明确。因此，本研究以中国安徽省北部的一个开放型沉降湖泊作为研究对象。使用放射性同位素²²²Rn和稳定同位素¹⁸O来估算该湖泊的LGD及其贡献。此外，通过平面湖泊采样和分层采样相结合的方法提高了同位素质量平衡模型的准确性。通过整合每个端元的DIC含量、端元模型和CO₂扩散模型，确定了来自地下水排放的碳通量。这些研究结果可以为研究沉降湖泊的LGD和准确评估碳平衡提供理论基础，这对当地水环境保护和水资源的合理开发利用具有重要意义。

研究地点描述

研究区域位于中国东部的淮南煤田，行政上属于安徽省阜阳市迎东区。整个地区属于淮河冲积平原的一部分，地形平坦，地面海拔高度在26–27米之间，整体坡度从西北向东南方向倾斜（Liu等人，2015）。该地区的地貌相对简单，根据形成方式可分为两大类型：冲积地貌

煤矿沉降湖泊中的基本化学参数和同位素

煤矿沉降湖泊水中的^δ18O值范围为?5.98‰至?5.27‰，平均值为?5.54‰。沿深度剖面的^δ18O值范围为?5.98‰至?5.50‰，随着深度增加，^δ18O值逐渐减小（表S1）。地下水中^δ18O的值范围为?7.28‰至?6.97‰，平均值为?7.06‰。湖泊水样（包括地表水和分层水样）中的²²²Rn活性范围为30.98至434.84 Bq/m³

结论

本研究以中国安徽省北部的一个开放型沉降湖泊作为研究对象，利用放射性同位素和稳定同位素（²²²Rn和¹⁸O）估算了地下水的流速及其对沉降湖泊的贡献。通过²²²Rn和¹⁸O质量平衡模型，估算出LGD速率为26.30±8.48毫米/天，占湖泊总水量的10.62%；以及27.89±3.53毫米/天，占湖泊总水量的8.90%。进行了敏感性分析

作者贡献声明

姜春璐：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源获取。张玉群：撰写 – 原稿，可视化，软件应用，方法学研究，数据分析。王倩倩：撰写 – 原稿，软件应用，资金获取，数据分析。

未引用参考文献

Bachman等人，2016

He和Richards，2016

Jiang，2020

Kong等人，2017

Liang等人，2017

Lin等人，2018

Luo等人，2018

Ogrinc等人，2008

Rosenberry等人，2015

Scardi和Harding Jr，1999

Tian等人，2010

Wang等人，2019

Yang等人，2012

Zhang等人，2018

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们非常感谢编辑和匿名审稿人的辛勤工作及宝贵建议，这些工作极大地提高了本文的质量。作者同时感谢国家自然科学基金（编号：42577063）的财政支持。