淮南顧橋采煤沉陷積水區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀研究

母玉敏，高良敏，李少朋，劉 利，葉圓圓

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

淮南顧橋采煤沉陷積水區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀研究

母玉敏1，高良敏1，李少朋1，劉 利2，葉圓圓1

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

以安徽淮南顧橋采煤沉陷積水區(qū)水體為研究對(duì)象，利用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法進(jìn)行綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)富營養(yǎng)化狀況評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：分析樣本中64%達(dá)到Ⅱ類或Ⅲ類水質(zhì)，水質(zhì)總體較好；該沉陷積水區(qū)總體不存在重金屬污染，有機(jī)物指標(biāo)對(duì)該區(qū)域水體污染貢獻(xiàn)率較大；該沉陷積水區(qū)富營養(yǎng)化狀況不容樂觀，應(yīng)加強(qiáng)重視；超標(biāo)采樣點(diǎn)及重度富營養(yǎng)化采樣點(diǎn)多集中在村莊相對(duì)密集的南部沉陷區(qū)域；農(nóng)村面源污染是該積水區(qū)富營養(yǎng)化的主要來源。

采煤沉陷區(qū)；水質(zhì)評(píng)價(jià)；富氧氧化狀況；污染源

我國是煤炭大國，煤炭開采為我國創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題，許多礦區(qū)出現(xiàn)了不同程度的地面沉陷[1]。高潛水位采煤沉陷區(qū)由于其地下水位較高，采煤沉陷后，地下水容易露出地面，同時(shí)在大氣降水、地表徑流等綜合作用下，使得原來的陸地系統(tǒng)逐漸向沼澤或湖泊系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，容易在采煤沉陷區(qū)形成常年或季節(jié)性的積水區(qū)域，耕地系統(tǒng)遭到嚴(yán)重的破壞[2-4]，且這些耕地的破壞常常是永久的[5]。如何合理利用這些水資源，促進(jìn)此類沉陷區(qū)的可持續(xù)發(fā)展已成為一個(gè)亟待解決的問題。

近年來，漁業(yè)經(jīng)濟(jì)在國內(nèi)許多塌陷水域得以發(fā)展[6]，如兩淮地區(qū)的淮南礦區(qū)謝三礦和淮北礦區(qū)杜集礦都取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，2013年5月份選擇安徽省淮南市顧橋采煤沉陷區(qū)積水區(qū)域的25個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行分析研究[7]，以確定其是否滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)漁業(yè)養(yǎng)殖的要求。

1 研究區(qū)概況

潘謝礦區(qū)位于淮河以北，淮北平原南緣，是我國規(guī)劃的大型煤炭基地中兩淮基地的一部分。顧橋礦區(qū)位于淮南市潘謝礦區(qū)中西部，目前因采煤沉陷以形成大面積的積水區(qū)域。顧橋-丁集公路、大壩將積水區(qū)域分為四個(gè)部分，礦區(qū)區(qū)內(nèi)淺層地下水埋深僅1～2 m，塌陷后積水嚴(yán)重，是典型的高潛水位礦區(qū)，塌陷積水區(qū)平均水深。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，礦區(qū)水體主要包括自然形成的水體、采煤塌陷積水形成的水體以及水利工程建設(shè)、坑塘開挖、漁業(yè)養(yǎng)殖等形成的水體等。礦區(qū)人口密集、水系發(fā)達(dá)、耕地廣布，環(huán)境污染的影響面較廣，包括面源及點(diǎn)源的影響。目前，當(dāng)?shù)鼐用褚呀?jīng)對(duì)這些沉陷區(qū)進(jìn)行開發(fā)利用，發(fā)展?jié)O業(yè)經(jīng)濟(jì)。

2 采樣點(diǎn)布設(shè)、評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法

2.1 采樣點(diǎn)的布設(shè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)及監(jiān)測方法

2013年5月對(duì)顧橋沉陷水域的水體進(jìn)行樣品采集，布設(shè)采樣點(diǎn)25個(gè)，采樣點(diǎn)的布設(shè)基本覆蓋了整個(gè)塌陷水體，基本能反應(yīng)出顧橋沉陷水域的整體水質(zhì)狀況，如圖1所示。采樣時(shí)用GPS進(jìn)行定位，并現(xiàn)場進(jìn)行水溫、pH等指標(biāo)的測定，之后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)TP、TN等指標(biāo)的測定。樣品的采集和保存過程主要參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》。

圖1 顧橋沉陷積水區(qū)采樣點(diǎn)分布圖

本文選擇COD、TN、TP、CODMn、Cu、Cd六項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)，選取TN、TP、CODMn、chla、SD五項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行水體富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)，各指標(biāo)的監(jiān)測方法見表1。

表1 監(jiān)測指標(biāo)的試驗(yàn)方法

2.2 評(píng)價(jià)方法

2.2.1 綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí)指數(shù)法是在單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，相對(duì)于模糊評(píng)價(jià)法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，能夠定性、定量評(píng)價(jià)河流綜合水質(zhì)，在水質(zhì)評(píng)價(jià)方法中得以廣泛應(yīng)用。其計(jì)算包括單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的計(jì)算和綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的計(jì)算兩部分[8-10]。

(1)單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)。

單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)由整數(shù)位、小數(shù)后三位或四位有效數(shù)字組成，可表示為[11-12]

P=X1.X2X3X4

式中：X1為某項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別；X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處的位置；X3為水質(zhì)類別與設(shè)定功能區(qū)類別的比較結(jié)果，用以判別綜合水質(zhì)類別是否劣于水環(huán)境功能區(qū)類別，視綜合水質(zhì)的污染程度，為一位或兩位有效數(shù)字。

(2)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)。

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Iwq由整數(shù)位、小數(shù)后三位或四位有效數(shù)字組成[8,13-14]，表示為：

Iwq=X1.X2X3X4

式中：X1為河流總體的綜合水質(zhì)類別；X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處的位置；X3為參與水質(zhì)評(píng)價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)中劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的單項(xiàng)指標(biāo)個(gè)數(shù)；X4為綜合水質(zhì)類別與設(shè)定功能區(qū)類別的比較結(jié)果，用以判別綜合水質(zhì)類別是否劣于水環(huán)境功能區(qū)類別，視綜合水質(zhì)的污染程度，為一位或兩位有效數(shù)字。

2.2.2 水質(zhì)富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法

本研究選取簡單易行的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)富營養(yǎng)化狀況的評(píng)價(jià)[15-16]，其計(jì)算公式為：

式中：TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。以chl.a為基準(zhǔn)參數(shù)，則中國湖泊的其他參數(shù)之間的Wj如表2所示。

表2 中國湖泊(水庫)部分參數(shù)與chl.a的相關(guān)關(guān)系Wj值

各指標(biāo)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式為：

TLI(chl.a)=10(2.5+1.086Lnchla)

TLI(TN)=10(5.453+1.694LnchTP)

TLI(TP)=10(9.436+1.624LnchTP)

TLI(SD)=10(5.118-1.94LnSD)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661LnCODMn)

采用0～100的一系列數(shù)字對(duì)湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)：TLI(∑)﹤30為貧營養(yǎng)；30≤TLI(∑)≤50為中營養(yǎng)；TLI(∑)>50為富營養(yǎng)，其中50﹤TLI(∑)≤60為輕度富營養(yǎng),60﹤TLI(∑)≤70為中度富營養(yǎng)，TLI(∑)>70為重度富營養(yǎng)。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

顧橋塌陷水域水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

3.1 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果分析

由單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果知，25個(gè)水樣的水質(zhì)參評(píng)指標(biāo)中，重金屬指標(biāo)Cu在監(jiān)測點(diǎn)9處未達(dá)到環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)，Cd在采樣點(diǎn)23處未達(dá)到環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)，其它采樣點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)。總體上，在顧橋采煤沉陷區(qū)，重金屬污染總體可忽略不計(jì)，而富營養(yǎng)化指標(biāo)卻污染嚴(yán)重，其中，COD除在采樣點(diǎn)9處達(dá)到環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)，為Ⅲ類水質(zhì)外，在其它采樣點(diǎn)均未達(dá)到環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)，且多次出現(xiàn)劣Ⅴ類水質(zhì)，即在該采煤沉陷區(qū)，COD污染嚴(yán)重，TN在采樣點(diǎn)8～17未達(dá)到功能區(qū)目標(biāo)，在其它采樣點(diǎn)均達(dá)標(biāo)，在所有的采樣點(diǎn)中，CODMn未達(dá)標(biāo)率為68%，其中56%集中在采樣點(diǎn)8～17，TP在采樣點(diǎn)8～17采樣點(diǎn)污染嚴(yán)重，單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)甚至達(dá)到8.65，污染極為嚴(yán)重。將各采樣點(diǎn)的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)取平均值，如圖2所示。從中也能看出，該沉陷積水區(qū)富營養(yǎng)化指標(biāo)污染嚴(yán)重，該區(qū)域有可能存在嚴(yán)重的富營養(yǎng)化污染狀況。

3.2 各采樣點(diǎn)綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

由綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表3結(jié)果可知，在采樣點(diǎn)GQ10～18未達(dá)到環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)，為Ⅳ類或Ⅴ類水質(zhì)，其它采樣點(diǎn)處均達(dá)標(biāo)，具體如圖2所示。64%的達(dá)標(biāo)樣本中，采樣點(diǎn)GQ06處為Ⅱ類水質(zhì)，其它采樣點(diǎn)處均為Ⅲ類水質(zhì)。

表3 顧橋塌陷水域水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)單因子水質(zhì) 標(biāo)識(shí)指數(shù)平均值

顧橋沉陷水域富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，25個(gè)采樣點(diǎn)中，除采樣點(diǎn)5為中營養(yǎng)外，其它采樣點(diǎn)均存在富營養(yǎng)化狀況，其中：15個(gè)采樣點(diǎn)處存在輕度富營養(yǎng)化狀況，占總采樣點(diǎn)的60%；兩個(gè)采樣點(diǎn)處存在輕度富營養(yǎng)化狀況，占總采樣點(diǎn)的8%；7個(gè)采樣點(diǎn)處存在重度富營養(yǎng)化狀況，占總采樣點(diǎn)的28%，這些中營養(yǎng)的采樣點(diǎn)主要集中在采樣點(diǎn)9～17之間。由此可以看出，顧橋采煤沉陷積水區(qū)富營養(yǎng)化狀況不容樂觀。

4 結(jié)論

(1)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該區(qū)域總體不存在重金屬污染，有機(jī)物指標(biāo)對(duì)該沉陷區(qū)的污染貢獻(xiàn)率較大，參評(píng)樣本中，64%達(dá)到Ⅱ類或Ⅲ類水質(zhì)，水質(zhì)較好，36%的水質(zhì)為Ⅳ類或Ⅴ水質(zhì)，水質(zhì)有待改善，未達(dá)標(biāo)點(diǎn)主要集中在村莊相對(duì)密集的南部積水區(qū)域。

表4 顧橋沉陷積水區(qū)富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果

(2)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明：參評(píng)樣本中，96%的樣本存在富營養(yǎng)化趨勢，其中28%的樣本為重度富營養(yǎng)化，應(yīng)加強(qiáng)重視。重度營養(yǎng)化采樣點(diǎn)也主要集中在村莊相對(duì)密集的南部積水區(qū)域。

(3)農(nóng)村面源污染是該區(qū)域水體污染和富營養(yǎng)化趨勢的主要營養(yǎng)因素，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)農(nóng)村生活污水排放、畜牧飼養(yǎng)、農(nóng)田肥料使用等方面的重視。

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Study on twater quality status quo of Huainan Guqiao mining subsidence seeper area

MU Yu-min1, GAO Liang-min1, LI Shao-peng1, LIU Li2, YE Yuan-yuan1

(1.SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China;2.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

Anhui Huainan Guqiao mining subsidence seeper area is researched in the paper, and comprehensive water quality identification index method is used to assess water quality, while comprehensive nutrition state index method is used to evaluate the eutrophication condition of water quality, the results show that 64% of water samples are Ⅱclass or Ⅲ water quality, the water quality is good. There is no heavy metal pollution, the organic compounds have larger contribution in regional water pollutions. The subsidence seeper area eutrophication status is not optimistic and it should be paid more attention to. Comprehensive water quality assessment results of sampling points and the severe eutrophication of sample points are more concentrated in southern subsidence area in that village, and the main source of water eutrophication is rural non-point source pollution.

coal mining subsidence area; water quality evaluation; water eutrophication conditions; pollution sources

2013-09-30

母玉敏(1988-)，女，河南延津人，安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院碩士研究生。

1674-7046(2014)01-0045-06

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