淮南潘集典型采煤沉陷積水區(qū)的水質(zhì)變化規(guī)律

程方奎，宮傳剛，劉和武

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001)

淮南煤礦區(qū)主要是井工開采，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為土地沉陷、矸石山壓占土地、景觀破壞、矸石淋溶水污染周圍水環(huán)境、礦井地下水疏排破壞地下水資源環(huán)境，以及地面建(構(gòu))筑物損壞等。沉陷積水區(qū)水源為淺層地下水和大氣降水補(bǔ)給［1］。礦區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，地下水潛水位高，地表水系復(fù)雜，而且江淮地區(qū)雨水充沛，因此，礦區(qū)地下水補(bǔ)給量較大，地下水資源豐富?；茨系V區(qū)沉陷水域分布廣、面積大，沉陷區(qū)水位受季節(jié)影響大［2－3］，并且由于地勢(shì)低，大氣降水短時(shí)間內(nèi)難以外排，造成沉陷區(qū)水量變化大，進(jìn)而導(dǎo)致水體水質(zhì)隨季節(jié)而變化［4］。目前，礦區(qū)開采尚在繼續(xù)，預(yù)計(jì)淮南礦區(qū)到服務(wù)年限結(jié)束時(shí)，耕地面積將比目前減少46.75%，水面增加173.14%［5］。如此大的沉陷水域蘊(yùn)含了大量的水資源，對(duì)其進(jìn)行地表水水質(zhì)調(diào)查與水質(zhì)變化規(guī)律研究，掌握其水質(zhì)特點(diǎn)與現(xiàn)狀，對(duì)于保護(hù)和合理利用沉陷水域水資源具有重要意義。筆者以淮南番集區(qū)典型采煤沉陷區(qū)為研究對(duì)象，分析地表水水質(zhì)變化規(guī)律及影響因素，為該區(qū)域采煤沉陷積水資源綜合利用提供了依據(jù)。

1 水樣采集與檢測(cè)

1.1 水樣采集

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)淮南潘集區(qū)典型的采煤沉陷積水區(qū)地表水進(jìn)行人工采樣分析。根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)布置原則，參照HJ/T 91—2002《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，避開研究區(qū)域中農(nóng)村點(diǎn)源污染和農(nóng)業(yè)面源污染區(qū)域，沿水域周邊選取具有代表性的點(diǎn)位，然后進(jìn)行點(diǎn)位GPS定位。選定16個(gè)采樣點(diǎn)，其中1#～5#、7#～11#水樣采集點(diǎn)位于潘一礦和潘三礦采煤沉陷區(qū)，6#、12#～16#水樣采集點(diǎn)位位于潘一礦東采煤沉陷區(qū)。具體點(diǎn)位布置如圖1所示。采樣頻率為1～2月采樣一次，分別于2012年11月，2013年1月、4月、5月對(duì)研究區(qū)進(jìn)行樣品采集。

圖1 采樣點(diǎn)點(diǎn)位布置Fig.1 Sampling station locations

1.2 檢測(cè)方法

采集的水樣根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版增補(bǔ)版)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行樣品檢測(cè)。根據(jù)客觀條件和研究需要，選取無機(jī)類指標(biāo)pH、氟化物(F－)，有機(jī)物指標(biāo)化學(xué)需氧量(CODCr)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)，富營養(yǎng)化指標(biāo)氨氮(NH3－N)、總磷(TP)、總氮(TN)為研究指標(biāo)。

1.3 分析方法

由于每個(gè)點(diǎn)位的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的變化值不同，不能反映總體區(qū)域該項(xiàng)指標(biāo)的變化情況［6］。因此，用沉陷區(qū)各種指標(biāo)的均值代表其在每個(gè)月份的值［7］，并結(jié)合沉陷區(qū)的氣象條件等因素，分析沉陷區(qū)水體中該項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律。

2 地表水水質(zhì)變化規(guī)律

2.1 pH

監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)各月份淮南市的降水量和地表水pH變化情況如圖2、3所示。

圖2 監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)各月份降水量Fig.2 Rainfall capacity of each month in monitoring process

圖3 監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)地表水的pHFig.3 pH values of surface water in monitoring process

由圖3可以看出，監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)地表水體的pH均大于8，呈堿性。結(jié)合氣象條件中降水量(圖2)分析，降水量呈先下降后上升的趨勢(shì)，而pH呈先上升后下降的趨勢(shì)。pH的變化趨勢(shì)與降水量相反，可見，降水量與地表水體的pH變化有一定關(guān)系。降水造成的地表徑流，通過沖刷、淋洗將地表的酸性物質(zhì)帶入開放程度不高的采煤沉陷積水區(qū)，對(duì)水體的pH產(chǎn)生了較為明顯的影響。

2.2 高錳酸鹽指數(shù)

監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)地表水高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)變化情況如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)地表水的CODMnFig.4 CODMnvalues of surface water in monitoring process

如圖4所示，在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，采煤沉陷積水區(qū)地表水水體的CODMn變化不大，比較穩(wěn)定，但其趨勢(shì)與降水量是一致的。隨著降水量增加，地表水水體中的CODMn增高，可以推測(cè)，水體中的CODMn來源主要是地表土壤通過雨水淋溶進(jìn)入到水體中，導(dǎo)致水體中的CODMn與降水量存在明顯的正相關(guān)性。如果沉陷區(qū)水體相對(duì)封閉，沉陷區(qū)地表水水體中的CODMn會(huì)隨沉陷時(shí)間的增加逐步增大，水體水質(zhì)逐漸變差。

2.3 化學(xué)需氧量

監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)地表水化學(xué)需氧量(CODCr)變化情況如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)地表水的CODCrFig.5 CODCrvalues of surface water in monitoring process

如圖5所示，監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)沉陷積水區(qū)水體中CODCr的變化趨勢(shì)是先下降后上升。在后三個(gè)月份，CODCr的變化趨勢(shì)與降水量一致，說明其與降水量也存在一定的相關(guān)性。在相對(duì)封閉的沉陷區(qū)域內(nèi)，地表水中CODCr也存在時(shí)間上的積累效應(yīng)，從而導(dǎo)致水體水質(zhì)的惡化。

2.4 氨氮量

監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)地表水氨氮(NH3－N)量變化情況如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)地表水的NH3－NFig.6 ρNH3-Nvalues of surface water in monitoring process

如圖6所示，地表水水體中NH3－N的含量與水體中其他指標(biāo)有一定的關(guān)系，水體中氨、氮的形態(tài)和轉(zhuǎn)化很容易受pH和溶氧兩個(gè)因素的影響。當(dāng)水中pH較高時(shí)銨鹽易轉(zhuǎn)化成游離氨，容易釋放;在溶氧高的地表水中，NH3－N很容易受微生物作用形成亞硝酸鹽氮。由2.1節(jié)分析可知，pH在時(shí)間上的變化趨勢(shì)是先升高再降低，所以水中NH3－N的含量應(yīng)該先下降再升高，又因?yàn)?、5月份氣溫升高幅度較大，生物硝化作用加強(qiáng)，水體中NH3－N含量進(jìn)一步減少，從而很好地解釋了4月而不是1月出現(xiàn)NH3－N含量最高值的原因。

2.5 總氮含量

監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)地表水總氮(TN)含量變化情況如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)地表水的TNFig.7 ρTNvalues of surface water in monitoring process

從圖7可以看出，采煤沉陷積水區(qū)地表水水體中TN在時(shí)間上的變化呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。TN含量在監(jiān)測(cè)初期相當(dāng)高，達(dá)到了劣Ⅴ類水質(zhì)的限值。水質(zhì)總體上呈好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，一定程度上與降雨的稀釋作用有關(guān)，也與農(nóng)業(yè)面源污染有關(guān)，1～5月農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)不是很頻繁，所以TN值比較低。

2.6 總磷量

監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)地表水總磷(TP)含量變化情況如圖8所示。

圖8 監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)地表水的TP值Fig.8 ρTPValues of surface water in monitoring process

由圖8可以看出，采煤沉陷積水區(qū)地表水水體中TP的含量在時(shí)間上波動(dòng)較大，變化規(guī)律不是很明顯，這與其含量比較低有關(guān)?？傮w來看，沉陷區(qū)地表水水體中TP對(duì)水體水質(zhì)影響未起到主導(dǎo)作用。

2.7 氟離子量

監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)地表水氟離子(F－)含量變化情況如圖9所示。

圖9 監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)地表水的F－值Fig.9 ρF－values of surface water in monitoring process

從圖9可以看出，監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)沉陷積水區(qū)地表水中F－含量相對(duì)比較低，波動(dòng)幅度不是很大。從變化趨勢(shì)來看，其含量與降水量呈負(fù)相關(guān)，說明雨水對(duì)水體中F－含量有稀釋作用。沉陷積水區(qū)水體中F－存在一定的富集，有導(dǎo)致污染的風(fēng)險(xiǎn)。

3 水質(zhì)評(píng)價(jià)

3.1 W值水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

W值水質(zhì)評(píng)價(jià)法［8－9］是常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法之一，具體評(píng)價(jià)方法如下:根據(jù)國家GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，以某個(gè)點(diǎn)位水體各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)測(cè)值對(duì)照水質(zhì)類別進(jìn)行評(píng)分。水質(zhì)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ六類，即環(huán)境質(zhì)量理想、環(huán)境質(zhì)量良好、環(huán)境污染、環(huán)境重污染、環(huán)境嚴(yán)重污染、環(huán)境極重污染，其評(píng)分分別為10、8、6、4、2、0。以最低兩個(gè)單項(xiàng)得分之和確定該水體的水質(zhì)類別［10］。Ⅰ類:最低兩項(xiàng)評(píng)分之和為20或18;Ⅱ類:最低兩項(xiàng)評(píng)分之和為16或14;Ⅲ類:最低兩項(xiàng)評(píng)分之和為12或10;Ⅳ類:最低兩項(xiàng)評(píng)分之和為8或6;Ⅴ類:最低兩項(xiàng)評(píng)分之和為4或2;劣Ⅴ類:最低兩項(xiàng)評(píng)分之和為0。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

采樣點(diǎn)位布設(shè)后，2#、5#、10#、13#點(diǎn)位由于受到人為作用和自然作用破壞，采樣受到影響，故對(duì)其余12個(gè)點(diǎn)位水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行W值評(píng)價(jià)。為避免水質(zhì)受季節(jié)性的波動(dòng)影響，評(píng)價(jià)時(shí)，每個(gè)點(diǎn)位的地表水各項(xiàng)指標(biāo)均使用監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)四次采樣測(cè)試的均值，如表1所示，W值評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

表1 各點(diǎn)位監(jiān)測(cè)均值Table 1 Average monitoring value of each sampling station

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，除CODCr和TN兩個(gè)指標(biāo)超標(biāo)且超標(biāo)率較大外，其他指標(biāo)基本正常，因此主要影響地表水W值評(píng)價(jià)結(jié)果的指標(biāo)是CODCr和TN。這也是該研究區(qū)域水質(zhì)W值評(píng)價(jià)結(jié)果顯示污染嚴(yán)重的原因。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)域監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)沉陷積水區(qū)地表水體中pH、F－、CODMn、NH3－N、TP指標(biāo)變化規(guī)律不明顯，TN含量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，CODCr呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。

(2)研究區(qū)域沉陷積水區(qū)地表水水質(zhì)受降水等條件影響。

(3)淮南潘一、潘三礦采煤沉陷區(qū)積水區(qū)地表水水體質(zhì)量較差，主要污染物為CODCr和TN。

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