沛北采煤塌陷區(qū)水質(zhì)特征及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

王 鐸，吳權(quán)佳，董佳甜，李向東

(中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤炭資源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基石，為我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，由于煤礦資源的持續(xù)開采，導(dǎo)致礦區(qū)地表沉降，形成塌陷區(qū)，在降水以及淺層地下水的作用下，塌陷區(qū)會(huì)形成塌陷湖泊[1]。全國因煤炭開發(fā)使用造成的土地塌陷面積累計(jì)已超過110萬hm2[2]，形成大面積的積水區(qū)域，造成水土流失、破壞植被、耕地減少以及損壞交通道路和線路管道等危害，給經(jīng)濟(jì)社會(huì)以及環(huán)境帶來巨大損失[3]。對塌陷區(qū)的治理以及對塌陷湖泊的開發(fā)利用成為亟待解決的問題。本文以沛北采煤塌陷區(qū)作為研究對象，采用單因子評價(jià)法、綜合污染指數(shù)法、分級評價(jià)法以及綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對塌陷區(qū)水體進(jìn)行綜合評價(jià)，充分認(rèn)識塌陷區(qū)水體，準(zhǔn)確識別這類區(qū)域的污染特征，為采煤塌陷區(qū)的污染防治、綜合利用以及生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

沛縣位于江蘇省西北部，地勢西高東低，地表水系屬淮河流域泗水水系，境內(nèi)河道縱橫，水資源充沛。東、西走向的主要河道有楊屯河、沿河、鹿口河等，南、北流向的主要河道有大沙河、姚樓河、蘇北堤河、順堤河等，由西南向東北流入昭陽、微山兩湖。京杭運(yùn)河、蘇北堤河、徐沛運(yùn)河、八段河等調(diào)度河貫穿南北，構(gòu)成河網(wǎng)[4]。沛縣煤炭資源豐富，是中國煤炭基地之一，煤礦主要分布在沛縣北部，位于龍固鎮(zhèn)、安國鎮(zhèn)、大屯街道和沛城街道等地，保有資源量16.33億t、累計(jì)查明資源量21.22億t，占江蘇省總儲(chǔ)煤量的40%以上，自1977年以來，已累計(jì)開采原煤2.3億t[5]。

沛縣采煤塌陷區(qū)主要位于沛縣北部礦區(qū)，該地區(qū)地處北緯34°37′～35°6′、東經(jīng)116°41′～117°09′，東至微山湖湖西大堤，西達(dá)豐沛邊界，南至豐沛路，北到龍固鎮(zhèn)，東西跨度34 km，南北長度41 km 左右。目前礦區(qū)內(nèi)塌陷區(qū)面積超過10 000 hm2，主要包括龍固鎮(zhèn)、張雙鎮(zhèn)、安國鎮(zhèn)、楊屯鎮(zhèn)和大屯鎮(zhèn)等鎮(zhèn)和街道。隨著煤炭資源的繼續(xù)開采，塌陷區(qū)域?qū)⒗^續(xù)擴(kuò)大，預(yù)計(jì)至2030年，沛北礦區(qū)內(nèi)塌陷區(qū)域達(dá)到15 000 hm2[6]。

沛北礦區(qū)毗鄰南水北調(diào)東線，塌陷區(qū)的水經(jīng)大沙河、沿河和徐沛運(yùn)河等河道流入南四湖，南四湖是南水北調(diào)東線重要的輸水通道，其水環(huán)境狀況對淮河流域乃至整個(gè)南水北調(diào)東線工程調(diào)水水質(zhì)都有很大影響。

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

為了掌握沛縣煤礦塌陷區(qū)的水質(zhì)情況及其特征，根據(jù)塌陷區(qū)地理位置以及水體污染來源和塌陷區(qū)的修復(fù)利用情況，將沛北礦區(qū)內(nèi)的采煤塌陷區(qū)分為5個(gè)區(qū)域，分別為A徐莊煤礦塌陷區(qū)(1#、2#)、B龍東煤礦塌陷區(qū)(3#、4#、5#)、C龍固煤礦塌陷區(qū)(6#、7#)、D三河尖煤礦塌陷區(qū)(8#)和E張雙樓煤礦塌陷區(qū)(9#)。

采樣過程中的布點(diǎn)、采樣、保存參照《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》(GB 12998—91)，采樣位置避開死水區(qū)、回水區(qū)以及排污口處，盡量選擇順直河段、河床平穩(wěn)、水流平穩(wěn)處。本研究共設(shè)置了9個(gè)采樣點(diǎn)，塌陷區(qū)現(xiàn)狀以及采樣點(diǎn)位置見表1和圖1所示，分別在豐水期和枯水期各采取一次水樣，對水體中的總氮(TN)、總磷(TP)、pH、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(COD)、溶解氧(DO)等指標(biāo)進(jìn)行取樣監(jiān)測。在采樣過程中，選擇水位平穩(wěn)時(shí)將采樣瓶壓制沉入水中10～20 cm深度處取樣，并避免晃動(dòng)水體。采樣完成后，立即蓋緊瓶蓋，防止水體發(fā)生氧化反應(yīng)，并密封避光保存。

表1 采樣點(diǎn)分布與采煤塌陷區(qū)現(xiàn)狀

1#和2#采樣點(diǎn)位于徐莊煤礦塌陷區(qū)的河流，煤礦塌陷區(qū)被修復(fù)用于農(nóng)田種植和漁業(yè)養(yǎng)殖。3#、4#和5#采樣點(diǎn)位于龍東煤礦塌陷區(qū)，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于養(yǎng)魚和蓮藕種植，5#采樣點(diǎn)附近有一生態(tài)農(nóng)莊。6#和7#采樣點(diǎn)位于龍固煤礦塌陷區(qū)內(nèi)工業(yè)園區(qū)附近，周邊有化工企業(yè)、氯堿企業(yè)以及新材料公司等工業(yè)企業(yè)。8#采樣點(diǎn)位于三河尖煤礦塌陷區(qū)。9#采樣點(diǎn)位于安國湖濕地公園，濕地公園西部與龍口河相接，南部流入徐沛河，北部則通過左堯大溝京杭運(yùn)河和微山湖。濕地公園于2012年建立，2015年12月被國家林業(yè)局批準(zhǔn)為國家級濕地公園試點(diǎn)。

1.3 水質(zhì)評價(jià)方法

常用的水質(zhì)評價(jià)方法有單因子評價(jià)法[7]、綜合污染指數(shù)法[8]、分級評價(jià)法[9]以及綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法[10]。本文利用這4種水質(zhì)評價(jià)方法，對煤礦塌陷區(qū)的水質(zhì)污染狀況進(jìn)行綜合評價(jià)[11]。

1.3.1 單因子評價(jià)法

單因子評價(jià)法是《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的水質(zhì)評價(jià)方法，是通過實(shí)測水質(zhì)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)值相對比，選取水質(zhì)最差的因子作為最終評價(jià)結(jié)果。

1.3.2 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是在單因子評價(jià)的基礎(chǔ)上，將各個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的評價(jià)結(jié)果運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法綜合計(jì)算，得到污染綜合指數(shù)，計(jì)算公式如(1)所示[12]。

(1)

式(1)中，Ci為第i項(xiàng)污染物實(shí)測值，C0為所選取參考標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)限值。水質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 綜合污染指數(shù)法評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.3 分級評價(jià)法

此方法根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ類水質(zhì)賦予分值，分別為10、8、6、4、2、0分，計(jì)算各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的算數(shù)平均值[13]，計(jì)算公式如(2)所示。

(2)

式(2)中，Xi為各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的評分值。

1.3.4 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的表達(dá)式為：

I=X1.X2X3X4

(3)

式(3)中，X1為綜合水質(zhì)類別，X2為綜合水質(zhì)在水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處的位置，X3為參與水質(zhì)評價(jià)的指標(biāo)中低于功能區(qū)的指標(biāo)的數(shù)量，X4為綜合水質(zhì)類別與水環(huán)境功能區(qū)的比較結(jié)果[14]。

X1.X2的計(jì)算公式為：

(4)

式(4)中，P為是指水質(zhì)評價(jià)因子中單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的取值，m為參加水質(zhì)評價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。根據(jù)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的大小可將水質(zhì)類別分為7類，具體評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[15]見表3。

表3 綜合水質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 塌陷區(qū)水質(zhì)指標(biāo)特征

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，分別在豐水期和枯水期對采煤塌陷區(qū)的水體各取一次樣進(jìn)行檢測，各采樣點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表4可知，塌陷區(qū)水體的pH為7.2～8.9，均值為8.0，屬偏堿性水。TDS濃度隨季節(jié)變化不大，在豐水期和枯水期的平均值分別為1 211 mg/L和1 157 mg/L，屬于高礦度化水，說明水中溶解性無機(jī)鹽含量較大，可能是塌陷區(qū)周圍工業(yè)廢水和生活污水的排放導(dǎo)致水中TDS含量增加。在5個(gè)采煤塌陷區(qū)水體的DO含量較高，各采樣點(diǎn)的水體在豐水期和枯水期的均值分別為5.5 mg/L和7.7 mg/L，總體呈現(xiàn)出豐水期低于枯水期的趨勢，且大部分達(dá)到Ⅰ、Ⅱ類水質(zhì)，僅6#、7#在豐水期時(shí)DO含量為3.9 mg/L和3.1 mg/L，為Ⅳ類級別。水中的氧氣主要來源是大氣中的氧和水中浮游植物的光合作用，受周圍環(huán)境的影響較大，夏季豐水期溫度較高，氣壓降低，水中飽和溶解氧濃度越低[16]；此外，夏季浮游植物大量繁殖，生物的新陳代謝加速了氧氣的消耗，同時(shí)大量殘?bào)w被微生物分解，使水體溶解氧濃度降低。

塌陷區(qū)水體的TN、TP和氨氮濃度分別為0.6～3.4 mg/L、0.02～0.65 mg/L和0.3～2.5 mg/L，從季節(jié)變化來看，TN濃度沒有明顯變化，而TP和氨氮的濃度在夏季豐水期超過冬季枯水期。僅個(gè)別采樣點(diǎn)在枯水期達(dá)到Ⅱ、Ⅲ類級別，其他大部分采樣點(diǎn)的水質(zhì)超過Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，6#采樣點(diǎn)在豐水期的水質(zhì)最差，達(dá)到了劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。可能是塌陷地周圍居民生活污水、工業(yè)廢水以及化肥的施用使水體中氮磷含量增加[17]。TN和TP是評價(jià)湖泊富營養(yǎng)化的重要指標(biāo)，氮磷元素的超標(biāo)，說明塌陷區(qū)水體可能面臨富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)檢測結(jié)果來看，塌陷區(qū)水體COD和CODMn含量的平均值分別為33.35 mg/L和4.77 mg/L，污染較為嚴(yán)重且季節(jié)變化明顯，呈現(xiàn)出夏季豐水期高冬季枯水期低的趨勢。夏季豐水期水生植物的大量衰敗，使大量的有機(jī)物溶解，塌陷區(qū)水域內(nèi)的有機(jī)物濃度迅速提高。此外，夏季塌陷湖泊周邊的農(nóng)田退水、生活污水及畜牧養(yǎng)殖廢水隨雨水徑流匯入湖泊，也是造成塌陷區(qū)水體COD升高的原因。其中6#和7#采樣點(diǎn)的水體可能受到周邊化工廠在生產(chǎn)過程中排放的高濃度COD廢水的影響，水體COD異常升高[18]，為劣Ⅴ水質(zhì)。

2.2 地表水水質(zhì)評價(jià)

按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，研究選取COD、TN、TP、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和DO共6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)。不同方法的評價(jià)結(jié)果見表5。

表5 多方法水質(zhì)評價(jià)結(jié)果

由表5可知，單因子評價(jià)法顯示龍固煤礦塌陷區(qū)(6#、7#)水質(zhì)最差，在豐水期和枯水期水質(zhì)均為劣Ⅴ類。因其評價(jià)結(jié)果由污染最為嚴(yán)重的指標(biāo)參數(shù)決定，所以評價(jià)結(jié)果具有一定的片面性。根據(jù)綜合污染指數(shù)法，徐莊煤礦塌陷區(qū)(1#、2#)、龍東煤礦塌陷區(qū)(3#、4#、5#)、三河尖煤礦塌陷區(qū)(8#)和張雙樓煤礦塌陷區(qū)(9#)屬于輕污染，龍固煤礦塌陷區(qū)(6#、7#)屬于重污染。分級評價(jià)法和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法得出的水質(zhì)評價(jià)結(jié)果類似，即徐莊煤礦塌陷區(qū)水質(zhì)較好，龍固煤礦塌陷區(qū)水質(zhì)較差。

3 結(jié) 論

(1)水質(zhì)綜合評價(jià)結(jié)果表明：沛北采煤塌陷區(qū)的水體污染較為嚴(yán)重，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)在豐水期和枯水期的均值分別為4.204和3.477，大部分時(shí)期為Ⅳ、Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要污染物COD、TN、TP濃度最高分別達(dá)到64.71、3.320、0.640 mg/L；塌陷區(qū)水體在夏季豐水期污染更為嚴(yán)重，COD、TP、氨氮等污染物含量呈現(xiàn)出夏季高于冬季的趨勢；

(2)沛北采煤塌陷區(qū)的水質(zhì)主要受生活污水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)廢水等污染源以及氣候特征的影響，且工業(yè)廢水對塌陷湖泊水質(zhì)的影響較大，造成COD、TP、氨氮等污染物含量升高，可能會(huì)給南四湖的水質(zhì)甚至南水北調(diào)東線的調(diào)水水質(zhì)帶來不利影響；

(3)沛北采煤塌陷湖泊中COD、TN和TP應(yīng)重點(diǎn)治理，在綜合考慮塌陷湖泊的環(huán)境容量和環(huán)境目標(biāo)，特征污染物的自凈能力以及湖泊水力學(xué)特征，建立適合的水質(zhì)模型對各種治理措施進(jìn)行評估，確定可行性并提出優(yōu)化策略，增強(qiáng)區(qū)域生態(tài)保護(hù)以提高高質(zhì)量發(fā)展的保障。