淮南采煤塌陷湖泊水環(huán)境評價

張銀

摘? 要：選取淮南5個礦區(qū)的塌陷湖泊作為研究站點（XQ、ZJ、GQ、GB、DJ），對塌陷水體的水質(zhì)情況進行分析評價。結(jié)果表明，淮南礦區(qū)塌陷水體主要為Ⅲ、Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水體富營養(yǎng)化問題比較嚴重，基本為“重度富營養(yǎng)化”，N、P營養(yǎng)物質(zhì)是塌陷水體主要特征污染物?；茨喜擅撼料輩^(qū)水體富營養(yǎng)化控制的關(guān)鍵在于對N、P的控制，未來在對塌陷水體開發(fā)利用的同時，也要加強對水資源的保護。

關(guān)鍵詞：礦區(qū);塌陷湖泊;水環(huán)境

中圖分類號 X824文獻標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2019）04-0108-04

Abstract：The collapsed lakes in the five mining areas of Huainan were selected as research sites （XQ， ZJ， GQ， GB， DJ） to analyze and evaluate the water quality of the collapsed water bodies. The results show that the water bodies in the Huainan mining area are mainly Grade III and IV water quality standards. The problem of water eutrophication is relatively serious， which is basically“severe eutrophication”. N and P nutrients are the main characteristic pollutants of the collapsed water body. The key to the control of eutrophication in the Huainan coal mining subsidence area lies in the control of N and P. In the future， the development and utilization of subsided water bodies should also strengthen the protection of water resources.

Key words：Mining area;Collapsed lake;Water environment

近年來，我國煤炭資源的持續(xù)開采，導(dǎo)致了大面積的土地資源遭到破壞，地表沉陷。在地下水位埋藏淺的東部平原礦區(qū)，地表塌陷集聚形成了大面積積水區(qū)域[1]?；茨喜擅撼料輩^(qū)是我國采煤沉陷的典型代表，依據(jù)淮南礦區(qū)相關(guān)研究資料表明，淮南沉陷積水區(qū)面積約100km2，至2020年可儲備約7億～10億m3的淡水資源[2]，塌陷積水區(qū)已成為淮南礦區(qū)一種特殊的地表水體，其水源主要由雨水、地表徑流和淺層地下水形成。塌陷積水區(qū)水體生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境相互影響，礦區(qū)水質(zhì)環(huán)境受煤層地質(zhì)、周圍農(nóng)業(yè)活動、人為干擾和自然環(huán)境的影響，水質(zhì)演變復(fù)雜。受采礦活動影響，礦區(qū)內(nèi)塌陷水體的生態(tài)環(huán)境、利用方式不同，水體污染程度、營養(yǎng)狀態(tài)也存在一定的差異[3]。目前，對淮南塌陷區(qū)水生態(tài)環(huán)境研究主要集中在水量評估和水質(zhì)的評價方面[4]，淮南采煤沉陷積水區(qū)營養(yǎng)水平具有“中營養(yǎng)-輕度富營養(yǎng)”、“中度富營養(yǎng)”至“富營養(yǎng)化”多類營養(yǎng)狀態(tài)。本研究通過對塌陷區(qū)水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測以及對水環(huán)境進行評價，為塌陷區(qū)水資源利用、污染控制及生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 淮南礦區(qū)位于我國南北地理分界線附近，地表水系豐富，長期的采煤活動導(dǎo)致大面積的村莊、農(nóng)田沉降，形成塌陷水體[5]。礦區(qū)每年煤炭資源開采、發(fā)電產(chǎn)生的煤矸石和粉煤灰高達500萬t，占用耕地約45km2[6]，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展造成了重大影響。

1.2 樣品采集與分析 潘謝礦區(qū)塌陷水域較多，本研究選取謝橋、張集、顧北、顧橋、丁集5個礦區(qū)為研究對象，分別命名為XQ（2）、ZJ（5）、GB（1）、GQ（4）、DJ（3），塌陷水域面積約53km2，每個礦區(qū)塌陷水域設(shè)置不等平行采樣點，分豐、平、枯水期3個時期進行采樣分析。依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和塌陷區(qū)現(xiàn)狀，現(xiàn)場主要測定：水溫、溶解氧、pH值和電導(dǎo)率;實驗室分析：TSS、COD、氮（TN、三氮）、磷（TP、PO4-P）和葉綠素a濃度等水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)，分析方法如表1所示。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 水環(huán)境質(zhì)量評價 本研究選取單因子指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法，單因子評價法可用于確定主要污染物和主要污染源，而后者能反映水體綜合污染狀態(tài)，說明水體污染程度。綜合指數(shù)評價法是對各污染指標(biāo)的相對污染指數(shù)進行統(tǒng)計，以確定水體污染程度和主要污染物，并對水污染狀況進行綜合判斷[7-8]，是水體所含污染物對水體綜合污染程度的一種數(shù)量指標(biāo)。假設(shè)各參與評價因子對水質(zhì)的貢獻基本相同，采用各評價因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)加和的算術(shù)平均值進行計算，同時也反映了多個水質(zhì)參數(shù)與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)之間的綜合對應(yīng)關(guān)系，計算公式如下：

1.3.2 富營養(yǎng)化評價 湖泊富營養(yǎng)化問題是湖泊水體在自然因素和人類活動影響下，大量營養(yǎng)鹽輸入湖泊水體，使湖泊由貧營養(yǎng)狀態(tài)向生產(chǎn)力水平較高的富營養(yǎng)狀態(tài)變化現(xiàn)象[9]。湖泊富營養(yǎng)化導(dǎo)致了植物生長所需的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的增加，破壞了水體的生態(tài)平衡，使原有生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變、功能退化[10-11]。目前我國湖泊富營養(yǎng)化評價的基本方法主要有修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)3種方法進行計算，本研究主要采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)進行計算。營養(yǎng)狀態(tài)參數(shù)的計算采用均值方法，用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)進行營養(yǎng)狀態(tài)評價，計算公式如下[12]：

式中：TLI（∑）表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);wj為j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重;rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chl-a的相關(guān)系數(shù);m為評價參數(shù)的個數(shù);TLI（j）代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

根據(jù)水體營養(yǎng)物質(zhì)的污染程度，分成貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)和富營養(yǎng)3種水平。采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進行分級，在同一營養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)值越高，其營養(yǎng)程度越重（表2）。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)分析 由表3可知，5個礦區(qū)塌陷湖泊的pH值在7.6～9.2，水體總體表現(xiàn)為弱堿性水體，DO濃度在5.2～16.0mg/L，平水期大部分湖泊DO濃度達到Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，水體DO含量較為飽和，豐水期、枯水期DO濃度較低，水質(zhì)偏向Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。COD濃度在5.8～9.8mg/L，湖泊水質(zhì)為Ⅳ、Ⅴ水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。NH4+-N濃度在0.03～0.32mg/L，濃度較低，5個塌陷湖泊水質(zhì)為除了XQ礦區(qū)以外，其他湖泊水質(zhì)均為Ⅰ類水。TP濃度在0.08～1.14mg/L，濃度相對較高，顧橋塌陷湖泊水質(zhì)達到劣Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其他湖泊水質(zhì)大都為Ⅳ、Ⅴ水質(zhì)。TN、Chla濃度分別為0.8～2.8mg/L、29.1～70.5μg/L，除了謝橋、顧橋個別時期水質(zhì)達到劣Ⅴ類，大部分湖泊水質(zhì)為Ⅳ、Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。豐水期Chla濃度較高，不同塌陷湖泊面積大小、受外界環(huán)境條件不同，不同季節(jié)降雨量、地表徑流大小等因素影響導(dǎo)致水體污染物濃度在監(jiān)測期間具有較大的季節(jié)變化。

2.2 水體評價 從礦區(qū)湖泊水體評價結(jié)果顯示（表4），依據(jù)綜合污染指數(shù)評價方法，礦區(qū)沉陷水域大部分季節(jié)保持Ⅲ-Ⅳ類水體。謝橋塌陷湖泊形成時間較早，與濟河連通，接受來自濟河農(nóng)業(yè)面源污染和生活污染源影響，TN濃度較高，污染指數(shù)相比較其他湖泊偏高，3個采樣時期水質(zhì)均為Ⅳ類水。丁集塌陷湖泊形成時間較短，人為活動較少，除接受雨水和部分農(nóng)田排水外，基本不受周圍河流點源污染影響，湖泊內(nèi)采樣點的水質(zhì)總體好于其他塌陷水域，在平水期、豐水期水質(zhì)均達到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。顧橋由于漁業(yè)投加肥料較為嚴重，所在的流域為永幸河流域，為人工灌渠道接受其上游污染源排放，其水質(zhì)狀態(tài)較差，水質(zhì)污染程度相比較其他塌陷湖泊較為嚴重，在枯水期水質(zhì)達到Ⅴ類水。

根據(jù)水體富營養(yǎng)化評價結(jié)果，隨著人為活動擾動或影響程度增加，水體富營養(yǎng)化程度逐漸加重，營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在68～89，水體富營養(yǎng)化狀態(tài)較嚴重，塌陷湖泊水體大都處于“重度富營養(yǎng)狀態(tài)”，而N、P是礦區(qū)塌陷湖泊的主要特征污染物，水體中富含N、P營養(yǎng)物質(zhì)會造成水體中浮游植物的異常繁殖，其帶來的后果就是水體的富營養(yǎng)化問題。

3 討論

淮南礦區(qū)長時間的采煤活動，形成了大面積塌陷積水區(qū)存儲量大量的水資源，對區(qū)域社會環(huán)境可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。由于塌陷區(qū)水體具有較大的水資源潛能，對水資源的開發(fā)利用的同時也要保持水體生態(tài)環(huán)境健康。根據(jù)綜合水質(zhì)評價結(jié)果，結(jié)合塌陷湖泊實際生態(tài)環(huán)境特征，塌陷水體可以執(zhí)行水體Ⅲ、Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，以滿足區(qū)域工農(nóng)業(yè)用水和漁業(yè)養(yǎng)殖的綜合水體功能。而大部分水體處于“重度富營養(yǎng)化”狀態(tài)，丁集、顧北部分水體富營養(yǎng)化狀態(tài)相對較低，而N、P是塌陷湖泊的主要特征污染物。

塌陷湖泊N、P營養(yǎng)物質(zhì)的來源主要有：（1）近年來隨著礦區(qū)周圍居民對水體的利用，在塌陷區(qū)發(fā)展?jié)O業(yè)越來越普遍，網(wǎng)箱養(yǎng)魚的密度逐漸增大，排泄物、投加餌料殘留物等積累逐漸增多，加劇了水體N、P污染。（2）塌陷湖泊周圍多為農(nóng)田和生活區(qū)，農(nóng)業(yè)面源污染和生活污水的排放，水體中營養(yǎng)物質(zhì)較為豐富。據(jù)調(diào)查，我國化肥行業(yè)排放的氨氮、磷化物等居全國各工業(yè)行業(yè)首位[13]，而農(nóng)田作物對氮肥的利用率僅為30%～35%，磷肥為10%～20%[14]，隨著降雨-徑流，N、P等營養(yǎng)物質(zhì)流入塌陷水體。隨著塌陷水體N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的積累，水體富營養(yǎng)化嚴重，整體處于“重度富營養(yǎng)化”狀態(tài)，水體富營養(yǎng)化能引起水質(zhì)惡化，水體生物多樣性下降，影響水體景觀和空氣質(zhì)量，危害人體健康。

未來淮南塌陷區(qū)水質(zhì)管理的關(guān)鍵仍然在于N、P營養(yǎng)物質(zhì)的控制，堅持對塌陷水體“保護優(yōu)先、合理利用、科學(xué)恢復(fù)”的原則，根據(jù)塌陷水域?qū)嶋H情況因地制宜，對塌陷水體進行功能區(qū)劃分，明確定位塌陷水體功能，對于水源保護區(qū)、生態(tài)恢復(fù)濕地等功能的水體，應(yīng)盡量控制農(nóng)業(yè)、生活污染物的排放特別是有機物的輸入，從而減少N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的積累。加強沉陷區(qū)水域生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)控的“上行效應(yīng)”和“下行效應(yīng)”的研究[15]，通過合理的發(fā)展?jié)O業(yè)活動等生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控手段，進行水資源保護和管理，在發(fā)揮生態(tài)環(huán)境效益的前提條件下合理利用、保護水資源。

4 結(jié)論

淮南塌陷區(qū)水域大部分時期水質(zhì)為Ⅲ、Ⅳ類水體，整體表現(xiàn)為弱堿性水體，由于農(nóng)業(yè)活動、生活廢水的排入水中營養(yǎng)物質(zhì)比較豐富，N、P為主要營養(yǎng)鹽類，隨著人為活動擾動或影響程度增加，水體富營養(yǎng)化程度逐漸加重，大部分水體處于重度富營養(yǎng)，富營養(yǎng)化嚴重。未來淮南塌陷水域在發(fā)展?jié)O業(yè)、開發(fā)利用的同時，要注重對水資源的保護。

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（責(zé)編：張宏民）