劉 錦，孫青言，柳炳俊，褚俊英，楊立疆

(1.煤礦生態(tài)保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南 232001;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

1 研究背景

作為重要的基礎(chǔ)能源與化工原料，煤炭在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有極其重要的戰(zhàn)略地位。長(zhǎng)期以來的煤炭開采引發(fā)地表沉陷，在河網(wǎng)眾多、高潛水位地區(qū)，導(dǎo)致沉陷區(qū)積水，形成一種特殊的地表水體。當(dāng)前我國(guó)煤炭開采造成的沉陷面積達(dá)70萬(wàn)hm2，約有70%左右為沉陷積水區(qū)域［1］。沉陷區(qū)蓄水水源主要包括地表徑流、雨水、淺層地下水［2］，礦井疏排水、豐水期引河道水也是部分沉陷水域的重要水源［3］。

沉陷水域形成后，礦區(qū)及其周邊工礦企業(yè)廢水和生活污水的排放、農(nóng)田化肥農(nóng)藥的使用均對(duì)沉陷水域水環(huán)境質(zhì)量造成威脅，成為制約礦業(yè)城市可持續(xù)發(fā)展的消極因素。沉陷水域形成與演化的特殊性為礦區(qū)水環(huán)境、水資源的研究、規(guī)劃與管理增加了難度。本研究對(duì)當(dāng)前沉陷水域水環(huán)境研究的進(jìn)展進(jìn)行了評(píng)述，旨在為采煤沉陷區(qū)水污染防治與水環(huán)境保護(hù)提供參考。

采煤沉陷區(qū)水環(huán)境質(zhì)量受到諸多因素的影響，主要包括降雨、蒸發(fā)、水力條件、地理狀況等;由于水體底泥主要為沉陷土壤，同時(shí)受到土壤巖石礦物化學(xué)成分的影響。沉陷水體中的水生生物種類、數(shù)量與初級(jí)生產(chǎn)力的代謝，通常與沉陷水域形成的時(shí)間、水域面積大小、深淺等因素有關(guān)，同時(shí)還受到周邊污染源的影響，如漁業(yè)養(yǎng)殖，礦井水、廠礦廢水與生活污水排入，農(nóng)田排水等。

沉陷區(qū)水域與湖泊、水庫(kù)具有一定的相似性，如有降雨匯入，具有較寬闊的面積，季節(jié)性淹沒，與地下水存在水力聯(lián)系等，但也有其本身的特點(diǎn)，具有與湖泊、水庫(kù)不同的特殊性差異，如水底的動(dòng)態(tài)下沉(動(dòng)床)、不同水域的兼并聯(lián)合等。沉陷水域與湖泊、水庫(kù)的比較分析見下表。

采煤沉陷水域與湖泊、水庫(kù)的特點(diǎn)比較分析表

2 主要研究方法

沉陷水域水環(huán)境的研究方法一般借鑒其他水域的研究方法，如調(diào)查分析與原始觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、水質(zhì)評(píng)價(jià)方法、水質(zhì)模型模擬預(yù)測(cè)等，但需要對(duì)相應(yīng)的方法做符合沉陷水域特殊性的改進(jìn)?，F(xiàn)對(duì)水環(huán)境研究中已經(jīng)應(yīng)用于沉陷水域水環(huán)境研究的一系列方法作如下評(píng)述。

2.1 調(diào)查分析與原始觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

煤炭持續(xù)開采導(dǎo)致沉陷區(qū)水域擴(kuò)大、合并，不同水域水環(huán)境交互影響，污染源變化不定，增大了沉陷水域水環(huán)境研究的難度，為此，制定詳細(xì)條理的沉陷水域及其污染源調(diào)查方案，并對(duì)調(diào)查后的成果進(jìn)行分析，為隨后現(xiàn)場(chǎng)采樣的順利開展提供第一手資料。原始觀測(cè)實(shí)驗(yàn)作為認(rèn)識(shí)沉陷水體水質(zhì)的基礎(chǔ)性方法，主要通過現(xiàn)場(chǎng)獲取水樣與實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比分析，對(duì)沉陷水域的水環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法能夠獲得比較原始的數(shù)據(jù)，但采樣點(diǎn)布設(shè)的合理性和采樣操作的規(guī)范性，是影響樣本代表性和可靠性的重要因素，成為該方法實(shí)施的關(guān)鍵。

該方法日益發(fā)展完善，主要體現(xiàn)在采樣范圍的逐步擴(kuò)展，從僅限于沉陷水域采樣，向與之關(guān)聯(lián)的河道、土壤、底泥、排水口等影響沉陷區(qū)水環(huán)境的自然人工要素的全方位采樣發(fā)展;還體現(xiàn)在水質(zhì)分析指標(biāo)種類的增多，從傳統(tǒng)的物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)向重金屬、生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)發(fā)展。這些發(fā)展使沉陷區(qū)水環(huán)境的研究更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。

在重金屬指標(biāo)方面，劉飛等［4］以淮北礦區(qū)3個(gè)煤礦的沉陷湖水體為研究對(duì)象，采用原子熒光光譜(HGAFS)法對(duì)沉陷湖上覆水體不同深度、不同時(shí)期水樣及背景水體中銻進(jìn)行了測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn):不同沉陷湖水體中銻濃度水平分布差異明顯，與沉陷湖形成時(shí)間、矸石堆距離等因素有關(guān)，同一沉陷湖中銻濃度垂向分布從表層向深層緩慢增加，沒有異常富集;枯水期水體銻濃度高于豐水期。在生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)方面，何春桂［5］通過采樣與實(shí)驗(yàn)分析對(duì)淮南謝二礦南大塘沉陷水體的浮游動(dòng)物群落生態(tài)進(jìn)行了研究，分析了浮游動(dòng)物的組成、群落變化以及水質(zhì)理化因素與群落結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系;周曉燕［6］通過采樣與監(jiān)測(cè)，分析了安徽淮南大通區(qū)南沉陷塘的浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu);郭友紅［7］對(duì)兗礦集團(tuán)的南屯礦和鮑店礦沉陷積水區(qū)、精養(yǎng)魚塘和網(wǎng)箱養(yǎng)魚區(qū)進(jìn)行水體采樣，對(duì)浮游植物的物種特征、個(gè)體分布以及營(yíng)養(yǎng)化程度進(jìn)行了分析，提出了沉陷積水前的耕地土壤肥力是影響水體浮游植物的主要因素;王振紅等［8］通過對(duì)淮南礦區(qū)不同沉陷年齡的采煤沉陷塘的水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，分析了不同沉陷年齡沉陷塘的主要限制性因子和塘內(nèi)浮游植物種類組成及其生長(zhǎng)的限制性因子。

2.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的難點(diǎn)在于水質(zhì)系統(tǒng)受到多種因子的影響，每種因子都能從某一方面反映水體質(zhì)量，然而污染物因子指標(biāo)之間又具有不同程度的相關(guān)性，且對(duì)水環(huán)境的影響存在差異，僅從單一指標(biāo)上識(shí)別水環(huán)境質(zhì)量往往有失偏頗甚至產(chǎn)生極端結(jié)果，因此對(duì)水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)就成為水環(huán)境研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。為了適應(yīng)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的要求，眾多水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法不斷涌現(xiàn)，并隨著學(xué)科交叉意識(shí)的增強(qiáng)向多樣化方向發(fā)展。當(dāng)前主要的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有污染指數(shù)法、模糊綜合評(píng)判法、灰色聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、主成分分析等，這些方法各有特點(diǎn)，為水環(huán)境研究提供了重要支持。

計(jì)承富［9］依據(jù)灰色理論建立了隸屬函數(shù)模型，通過多目標(biāo)綜合指數(shù)評(píng)價(jià)矩陣，分析了水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響因素;馮娜娜等［10］采用主成分分析對(duì)淮南潘集楊莊沉陷水域水體進(jìn)行了評(píng)價(jià);童柳華等［11］采用模糊綜合評(píng)判法對(duì)淮南潘集礦區(qū)潘一礦典型的兩個(gè)塌陷水域進(jìn)行了水質(zhì)評(píng)價(jià)，為該地區(qū)的水資源綜合利用提供了依據(jù);徐良驥等［12］則改進(jìn)了主成分分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法，構(gòu)建了煤礦塌陷水域水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)淮南潘集礦區(qū)沉陷水域的水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)價(jià);賈俊等［13］和蘇桂榮等［14］基于 ArcGIS的空間插值分析，對(duì)污染物單因子的空間插值柵格圖進(jìn)行疊加，建立了多因子綜合污染評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了具有空間分布特點(diǎn)的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，使評(píng)價(jià)成果直觀地體現(xiàn)在水質(zhì)評(píng)價(jià)模擬圖上。

盡管沉陷水域與湖泊、水庫(kù)存在差異，但上述用于沉陷水域的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法與江河湖庫(kù)的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法并無(wú)明顯區(qū)別?？梢?，評(píng)價(jià)方法的發(fā)展與水體的性質(zhì)關(guān)聯(lián)不大，任何水質(zhì)評(píng)價(jià)方法都可用于沉陷水體的水質(zhì)評(píng)價(jià)，這為沉陷區(qū)水環(huán)境的研究創(chuàng)造了有利條件。

2.3 水質(zhì)模型模擬預(yù)測(cè)

地表水水質(zhì)模型種類眾多［15］，從僅適用于河流的、一維的、靜態(tài)的水質(zhì)模型發(fā)展到適用于各種水體的、多維的、動(dòng)態(tài)的多介質(zhì)模型、形態(tài)模擬模型，并隨著模糊數(shù)學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、3S等新技術(shù)方法的引入，水質(zhì)模型研究進(jìn)入深入、廣泛發(fā)展的階段。然而，專門用于采煤沉陷水域的水質(zhì)模型則較少出現(xiàn)，多從其他水體的水質(zhì)模型挪用到沉陷水體的水質(zhì)模擬中，卻往往忽略沉陷水域水質(zhì)模擬的復(fù)雜性與特殊性，即沉陷水域除了具有與湖泊、水庫(kù)相似的季節(jié)與年份豐枯變化外，還具有湖泊、水庫(kù)不存在的水底動(dòng)態(tài)沉降的特性。采煤活動(dòng)停止，沉陷區(qū)達(dá)到“穩(wěn)沉”狀態(tài)之前，這一特性應(yīng)是沉陷水域水質(zhì)模擬需要考慮在內(nèi)的。

沉陷區(qū)水域水環(huán)境研究要求對(duì)水體未來的污染物動(dòng)態(tài)、水環(huán)境容量作出一定的預(yù)測(cè)，以服務(wù)于水環(huán)境規(guī)劃與管理工作。為此，一些學(xué)者在原始觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了水質(zhì)模型，對(duì)沉陷水域的主要指標(biāo)進(jìn)行模擬分析。王成等［16］建立了淮南采煤沉陷區(qū)各水平年不同水文條件下的二維非穩(wěn)態(tài) (FVS格式)水質(zhì)模型及富營(yíng)養(yǎng)化預(yù)測(cè)模型，基于水量、水質(zhì)同步實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了率定驗(yàn)證，通過數(shù)值模擬定量分析了不同需水條件和治理措施下的水質(zhì)濃度場(chǎng)分布及其富營(yíng)養(yǎng)程度水平。李守勤等［17］建立了生態(tài)—水質(zhì)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)沉陷水域水質(zhì)演變。模型采用有限差分法離散，生態(tài)動(dòng)力學(xué)項(xiàng)與擴(kuò)散項(xiàng)脫耦處理，水質(zhì)狀態(tài)變量選擇氨氮、溶解氧、磷酸鹽、葉綠素a等7個(gè)指標(biāo)，對(duì)淮南張集礦和顧橋礦不同沉陷年齡的水域水質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算。該數(shù)學(xué)模型考慮了沉陷水域動(dòng)床的影響，采用下沉系數(shù)換算，使水質(zhì)模擬更符合沉陷水域水體的特殊性。

3 存在的問題與發(fā)展趨勢(shì)

3.1 存在的問題

(1)從污染負(fù)荷研究的范圍看，當(dāng)前主要關(guān)注點(diǎn)源污染負(fù)荷，對(duì)于非點(diǎn)源污染負(fù)荷的研究，僅限于小尺度的研究且往往套用國(guó)外的模型，缺乏針對(duì)研究區(qū)域的原始實(shí)驗(yàn)的支撐。此外，點(diǎn)源與非點(diǎn)源的綜合研究也比較少。

(2)地表沉陷積水后，原來的陸地生態(tài)系統(tǒng)會(huì)逐漸被水—陸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)取代，水體中水生動(dòng)植物大量繁殖，各種生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)成為影響水環(huán)境的重要因素之一。然而，目前的研究側(cè)重于沉陷水域的物理、化學(xué)與重金屬指標(biāo)的監(jiān)測(cè)、分析、評(píng)價(jià)與模擬預(yù)測(cè)，對(duì)沉陷水域生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)與研究較為薄弱，應(yīng)引起重視。

(3)縱觀以往的沉陷水域水環(huán)境研究，從水體的縱向關(guān)聯(lián)看，通常沒有考慮地下水污染的通量，對(duì)于底泥與水體的交換作用考慮不足，僅限于對(duì)水體和底泥分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。隨著沉陷區(qū)的擴(kuò)大，在沉陷水域周邊土壤與底泥的轉(zhuǎn)變過程中，污染物的遷移轉(zhuǎn)化關(guān)系不明晰;從水體的橫向關(guān)聯(lián)看，缺乏沉陷水域與相關(guān)河流水系之間的水量水質(zhì)過程的動(dòng)態(tài)耦合，也沒有將陸域污染負(fù)荷與沉陷水域的水質(zhì)響應(yīng)過程關(guān)聯(lián)起來。

(4)從時(shí)間動(dòng)態(tài)看，當(dāng)前的研究主要側(cè)重于現(xiàn)狀水質(zhì)分析與評(píng)價(jià)，對(duì)于未來水污染的預(yù)測(cè)以及水環(huán)境的演變趨勢(shì)研究不足。

(5)水質(zhì)模型方面，需要進(jìn)一步發(fā)展、完善適用于沉陷水域的模型。沉陷區(qū)隨著采煤區(qū)的不斷加深和擴(kuò)展，造成沉陷區(qū)水域底部的持續(xù)下沉以及不同沉陷區(qū)的銜接合并，因此，除了考慮沉陷水域水底動(dòng)態(tài)沉降的因素外，也應(yīng)注重不同沉陷區(qū)的合并，這些特性在湖泊、水庫(kù)的水質(zhì)模擬中都是不曾遇到的。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

(1)沉陷水域的污染源解析。污染源解析至今仍是沉陷水域水環(huán)境研究的空白。作為水體污染物及其來源識(shí)別的重要方法，通過確定兩者之間的因果對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出減少和控制污染物輸入的途徑和措施，為水污染控制與綜合管理提供科學(xué)依據(jù)［18］，在水資源與水環(huán)境的保護(hù)、規(guī)劃管理和開發(fā)利用中發(fā)揮著重要作用。河流湖庫(kù)污染源解析的方法與模型在用于沉陷水域時(shí)應(yīng)考慮其特殊性，使源解析的成果更加科學(xué)合理。

(2)水環(huán)境與水循環(huán)的有機(jī)結(jié)合。在機(jī)理研究方面，水量是水環(huán)境演變的重要影響因素，水量的研究不能脫離水循環(huán)過程，因此，沉陷水域水循環(huán)過程伴隨的污染物通量及水質(zhì)變化的研究將是水環(huán)境研究的重要趨勢(shì)之一。

(3)沉陷水域污染負(fù)荷與水動(dòng)力學(xué)水質(zhì)模型體系的構(gòu)建。在建模方面，傳統(tǒng)的模型體系仍有改進(jìn)的空間。一是要體現(xiàn)水域的縱向關(guān)聯(lián)，即將沉陷區(qū)水域的地下水與地表水進(jìn)行耦合，體現(xiàn)底泥與水體的污染物遷移轉(zhuǎn)化關(guān)系;二是要體現(xiàn)水域的橫向關(guān)聯(lián)，也就是將沉陷水域與其他相關(guān)水體關(guān)聯(lián)起來，如受沉陷影響的河流水系和湖泊，考慮沉陷水域水環(huán)境與其他水體水環(huán)境的相互作用與影響;三是在考慮環(huán)境本底的基礎(chǔ)上，研究污染物遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理，建立陸域點(diǎn)、面源污染負(fù)荷的強(qiáng)度和分布與水質(zhì)之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系。在此過程中，沉陷水域的特殊性尤其予以體現(xiàn)。

(4)空間分析手段的充分利用。利用遙感、GIS等空間分析手段，是水環(huán)境研究的一大趨勢(shì)，對(duì)不同時(shí)空尺度的沉陷區(qū)水環(huán)境過程進(jìn)行分布式的模擬與預(yù)測(cè)，有助于提升沉陷水域水環(huán)境研究的信息化程度和現(xiàn)代化水平。

4 結(jié)論

采煤沉陷水域水環(huán)境系統(tǒng)不同于湖泊與水庫(kù)，具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性與特殊性。水環(huán)境的調(diào)查、評(píng)價(jià)、模擬與預(yù)測(cè)，是當(dāng)前采煤沉陷區(qū)水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。本文對(duì)沉陷區(qū)水域水環(huán)境研究的主要方法作了歸納總結(jié)，包括調(diào)查分析與原始觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、水質(zhì)評(píng)價(jià)方法和水質(zhì)模型模擬預(yù)測(cè)。對(duì)采煤沉陷區(qū)水環(huán)境研究存在的問題進(jìn)行了探討，指出污染負(fù)荷的研究范圍有待擴(kuò)展，生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)應(yīng)在水質(zhì)的監(jiān)測(cè)、分析、評(píng)價(jià)與模擬預(yù)測(cè)中得到足夠的重視，水環(huán)境研究的空間關(guān)聯(lián)以及時(shí)間展布宜酌情考慮，水質(zhì)模型的構(gòu)建需要體現(xiàn)沉陷水域的特殊性。最后展望了沉陷水域水環(huán)境研究的未來發(fā)展趨勢(shì)，主要包括沉陷水域的污染源解析、水環(huán)境與水循環(huán)的有機(jī)結(jié)合、沉陷水域污染負(fù)荷與水動(dòng)力學(xué)水質(zhì)模型體系的構(gòu)建以及空間分析手段的充分利用等，以為沉陷水域水環(huán)境的深入研究提供參考。

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