淮南采煤塌陷湖泊水環境評價

張銀

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

關鍵詞：礦區;塌陷湖泊;水環境

中圖分類號 X824文獻標識碼 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開采，導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，地表塌陷集聚形成了大面積積水區域[1]?；茨喜擅撼料輩^是我國采煤沉陷的典型代表，依據淮南礦區相關研究資料表明，淮南沉陷積水區面積約100km2，至2020年可儲備約7億～10億m3的淡水資源[2]，塌陷積水區已成為淮南礦區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。塌陷積水區水體生態系統營養結構和礦區生態環境相互影響，礦區水質環境受煤層地質、周圍農業活動、人為干擾和自然環境的影響，水質演變復雜。受采礦活動影響，礦區內塌陷水體的生態環境、利用方式不同，水體污染程度、營養狀態也存在一定的差異[3]。目前，對淮南塌陷區水生態環境研究主要集中在水量評估和水質的評價方面[4]，淮南采煤沉陷積水區營養水平具有“中營養-輕度富營養”、“中度富營養”至“富營養化”多類營養狀態。本研究通過對塌陷區水生態環境質量進行監測以及對水環境進行評價，為塌陷區水資源利用、污染控制及生態修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況 淮南礦區位于我國南北地理分界線附近，地表水系豐富，長期的采煤活動導致大面積的村莊、農田沉降，形成塌陷水體[5]。礦區每年煤炭資源開采、發電產生的煤矸石和粉煤灰高達500萬t，占用耕地約45km2[6]，對礦區生態環境、經濟發展造成了重大影響。

1.2 樣品采集與分析 潘謝礦區塌陷水域較多，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，每個礦區塌陷水域設置不等平行采樣點，分豐、平、枯水期3個時期進行采樣分析。依據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》和塌陷區現狀，現場主要測定：水溫、溶解氧、pH值和電導率;實驗室分析：TSS、COD、氮（TN、三氮）、磷（TP、PO4-P）和葉綠素a濃度等水質常規指標，分析方法如表1所示。

1.3 數據分析方法

1.3.1 水環境質量評價 本研究選取單因子指數法和綜合污染指數法，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，說明水體污染程度。綜合指數評價法是對各污染指標的相對污染指數進行統計，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量指標。假設各參與評價因子對水質的貢獻基本相同，采用各評價因子標準指數加和的算術平均值進行計算，同時也反映了多個水質參數與相應標準之間的綜合對應關系，計算公式如下：

1.3.2 富營養化評價 湖泊富營養化問題是湖泊水體在自然因素和人類活動影響下，大量營養鹽輸入湖泊水體，使湖泊由貧營養狀態向生產力水平較高的富營養狀態變化現象[9]。湖泊富營養化導致了植物生長所需的N、P等營養物質的增加，破壞了水體的生態平衡，使原有生態系統結構發生改變、功能退化[10-11]。目前我國湖泊富營養化評價的基本方法主要有修正的營養狀態指數、綜合營養狀態指數和卡爾森營養狀態指數3種方法進行計算，本研究主要采用綜合營養狀態指數進行計算。營養狀態參數的計算采用均值方法，用綜合營養狀態指數進行營養狀態評價，計算公式如下[12]：

式中：TLI（∑）表示綜合營養狀態指數;wj為j種參數的營養狀態指數的相關權重;rij為第j種參數與基準參數Chl-a的相關系數;m為評價參數的個數;TLI（j）代表第j種參數的營養狀態指數。

根據水體營養物質的污染程度，分成貧營養、中營養和富營養3種水平。采用0～100的一系列連續數字對湖泊營養狀態進行分級，在同一營養狀態下，指數值越高，其營養程度越重（表2）。

2 結果與分析

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

2.2 水體評價 從礦區湖泊水體評價結果顯示（表4），依據綜合污染指數評價方法，礦區沉陷水域大部分季節保持Ⅲ-Ⅳ類水體。謝橋塌陷湖泊形成時間較早，與濟河連通，接受來自濟河農業面源污染和生活污染源影響，TN濃度較高，污染指數相比較其他湖泊偏高，3個采樣時期水質均為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田排水外，基本不受周圍河流點源污染影響，湖泊內采樣點的水質總體好于其他塌陷水域，在平水期、豐水期水質均達到Ⅲ類水標準。顧橋由于漁業投加肥料較為嚴重，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，其水質狀態較差，水質污染程度相比較其他塌陷湖泊較為嚴重，在枯水期水質達到Ⅴ類水。

根據水體富營養化評價結果，隨著人為活動擾動或影響程度增加，水體富營養化程度逐漸加重，營養狀態指數在68～89，水體富營養化狀態較嚴重，塌陷湖泊水體大都處于“重度富營養狀態”，而N、P是礦區塌陷湖泊的主要特征污染物，水體中富含N、P營養物質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化問題。

3 討論

淮南礦區長時間的采煤活動，形成了大面積塌陷積水區存儲量大量的水資源，對區域社會環境可持續發展產生了重要影響。由于塌陷區水體具有較大的水資源潛能，對水資源的開發利用的同時也要保持水體生態環境健康。根據綜合水質評價結果，結合塌陷湖泊實際生態環境特征，塌陷水體可以執行水體Ⅲ、Ⅳ類標準，以滿足區域工農業用水和漁業養殖的綜合水體功能。而大部分水體處于“重度富營養化”狀態，丁集、顧北部分水體富營養化狀態相對較低，而N、P是塌陷湖泊的主要特征污染物。

塌陷湖泊N、P營養物質的來源主要有：（1）近年來隨著礦區周圍居民對水體的利用，在塌陷區發展漁業越來越普遍，網箱養魚的密度逐漸增大，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田和生活區，農業面源污染和生活污水的排放，水體中營養物質較為豐富。據調查，我國化肥行業排放的氨氮、磷化物等居全國各工業行業首位[13]，而農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等營養物質流入塌陷水體。隨著塌陷水體N、P等營養物質的積累，水體富營養化嚴重，整體處于“重度富營養化”狀態，水體富營養化能引起水質惡化，水體生物多樣性下降，影響水體景觀和空氣質量，危害人體健康。

未來淮南塌陷區水質管理的關鍵仍然在于N、P營養物質的控制，堅持對塌陷水體“保護優先、合理利用、科學恢復”的原則，根據塌陷水域實際情況因地制宜，對塌陷水體進行功能區劃分，明確定位塌陷水體功能，對于水源保護區、生態恢復濕地等功能的水體，應盡量控制農業、生活污染物的排放特別是有機物的輸入，從而減少N、P等營養物質的積累。加強沉陷區水域生態系統營養結構調控的“上行效應”和“下行效應”的研究[15]，通過合理的發展漁業活動等生態系統調控手段，進行水資源保護和管理，在發揮生態環境效益的前提條件下合理利用、保護水資源。

4 結論

淮南塌陷區水域大部分時期水質為Ⅲ、Ⅳ類水體，整體表現為弱堿性水體，由于農業活動、生活廢水的排入水中營養物質比較豐富，N、P為主要營養鹽類，隨著人為活動擾動或影響程度增加，水體富營養化程度逐漸加重，大部分水體處于重度富營養，富營養化嚴重。未來淮南塌陷水域在發展漁業、開發利用的同時，要注重對水資源的保護。

參考文獻

[1]孟磊，馮啟言，周來，等.采煤驅動下潘謝礦區水體演變及其景觀生態效應[J].地球與環境，2011，39（2）：219-223.

[2]謝凱，張雁秋，易齊濤，等.淮南潘一礦塌陷水域沉積物中磷的賦存和遷移轉化特征[J].中國環境科學，2012，32（10）：1867-1874.

[3]章磊，易齊濤，李慧，等.兩淮礦區小型塌陷湖泊水質特征與水環境容量[J].生態學雜志，2015，34（4）：1121-1128.

[4]Xie K，Zhang YQ，Yi QT，et al.Optimal resource utilization and ecological restoration of aquatic zones in the coal mining subsidence areas of the Huaibei Plain in Anhui Province，China[J].Desalination and Water Treatment，2013，51（19/20）：4019-4027.

[5]Wenming Pei，Suping Yao，Joseph F.Knight，et al.Mapping and detection of land use change in a coal mining area using object-based image analysis[J].Environ Earth Sciences，2017，76（3）.

[6]顧康康，儲金龍，汪勇政.基于遙感的煤炭型礦業城市土地利用與生態環境承載力時空變化分析[J].生態學報，2014，34（20）：5714-5720.

[7]陸衛軍，張濤.幾種河流水質評價方法的比較分析[J].環境科學與管理，2009，34（6）：174-176.

[8]徐祖信.我國河流綜合水質標識指數評價方法研究[J].同濟大學學報，2005，33（4）：482-488.

[9]吳鋒，戰金艷，鄧祥征，等.中國湖泊富營養化影響因素研究——基于中國22個湖泊實證分析[J].生態環境學報，2012，21（1）：94-100.

[10]Capriulo G M，Smith G，Troy R，et al.The planktonic food webstructure of a temperate zone estuary，and its alteration due to eutrophication [J].Hydrobiologia，2002，475/476：263-333.

[11]Richardson K.Harmful or exceptional phytoplankton blooms in the marine ecosystem[J].Advances in Marine Biology，1997，31：301-385.

[12]王明翠，劉雪芹，張建輝.湖泊富營養化評價方法及分級標準[J].中國環境監測，2002，18（5）：47-49.

[13]陳廣桂，韋林洪.我國化肥產業氮磷污染及防治對策[J].農業環境與發展2012（5）：63-67.

[14]張紹冰.農業面源污染的來源及防治措施[J].現代農業科技，2007（8）：110-111.

[15]曲喜杰，易齊濤，胡友彪，等.兩淮采煤沉陷積水區水體營養鹽時空分布及富營養化進程[J].應用生態學報，2013，24（11）：3249-3258.

（責編：張宏民）