煤礦區(qū)塌陷塘富營(yíng)養(yǎng)化特征研究

褚 磊

(淮南市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站， 安徽 淮南 232001)

1 沉陷塘富營(yíng)養(yǎng)化簡(jiǎn)述

煤炭為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，然而，隨著煤炭資源的開(kāi)采，采空區(qū)地表變形沉陷，在降水、地下水等因素影響下，形成大面積采煤沉陷水域。煤炭生產(chǎn)礦區(qū)城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境遭受破壞，尤其采煤沉陷塘水質(zhì)影響[1]，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境“透支”嚴(yán)重[2]。

一般來(lái)說(shuō)，采煤沉陷水域多為封閉系統(tǒng)，受礦區(qū)生產(chǎn)生活污染和周?chē)h(huán)境影響較大。采煤沉陷水域位于煤炭生產(chǎn)礦區(qū)內(nèi)，礦井疏干排水、工業(yè)廣場(chǎng)污廢水、煤矸石堆場(chǎng)淋溶水都會(huì)污染采煤沉陷水體[3，4]；為保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，需要關(guān)注采煤沉陷水域環(huán)境，尤其富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。

富營(yíng)養(yǎng)化，指湖泊、水庫(kù)、海灣等封閉、半封閉性水體與某些季節(jié)性河流(流量<1m/min)因氮、磷等營(yíng)養(yǎng)素富集，使某些特征藻類(lèi)及其它水生植物異常繁殖、異養(yǎng)微生物代謝頻繁、水體腥臭、透明度與溶解氧濃度下降、水生生物大量死亡、水質(zhì)惡化等，生態(tài)系統(tǒng)破壞現(xiàn)象[5]。全球30%～40%湖泊水庫(kù)不同程度受到影響，氣候干燥區(qū)湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化相對(duì)嚴(yán)重，富營(yíng)養(yǎng)化湖泊主要集中在加拿大南部人口稠密地區(qū)[6]。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)剩直接導(dǎo)致藻類(lèi)新陳代謝加快，藻類(lèi)個(gè)體數(shù)量增加但種類(lèi)減少；死亡水生植物富集水體底部，被微生物分解，消耗溶解氧，影響水生動(dòng)物生存環(huán)境；水生動(dòng)物死亡后營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放于水體，再次被藻類(lèi)利用，如此惡性循環(huán)，加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程[7]。

2 沉陷塘水質(zhì)監(jiān)測(cè)

2.1 水樣采集

湖泊、水庫(kù)可按沏庫(kù)區(qū)不同水域，例如：入出水域、深淺水區(qū)、湖心區(qū)、岸邊區(qū)、湖邊城市水源區(qū)等水體功能布設(shè)監(jiān)測(cè)垂線。若無(wú)明顯功能區(qū)分，用網(wǎng)格法均勻布設(shè)斷面垂線。斷面垂線采樣點(diǎn)按湖庫(kù)深度確定[8]。

根據(jù)RL煤炭生產(chǎn)礦區(qū)環(huán)境條件、水文特征等，2016年3月設(shè)4個(gè)采樣點(diǎn)，分上、中、下層采樣。上層距水面0.5 m，下層距水底0.5 m左右，中層取平均深度，測(cè)量水深、透明度(SD)、pH值、總氮(TN)、總磷(TP)、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等。采樣點(diǎn)位見(jiàn)圖1。

圖1 采樣點(diǎn)區(qū)域分布

圖1中，L1為對(duì)照塘，在CK沉陷塘采樣，上中下層標(biāo)識(shí)：CK-1-上，CK-1-中，CK-1-下。L2，L3，L4在RL采煤沉陷塘采樣，上中下層標(biāo)識(shí)：RL-SW-1-上、RL-SW-1-中、RL-SW-1-下、RL-SW-2-上、RL-SW-2-中、RL-SW-2-下、RL-SW-3-上、RL-SW-3-中、RL-SW-3-下。

2.2 水樣保存

適當(dāng)保護(hù)措施可降低變化程度或減緩變化速度，但并不能完全抑制變化。某些分析項(xiàng)目，例如：溶解氧須采樣現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；氨氮、TN、TP、CODMn等須現(xiàn)場(chǎng)預(yù)處理；水樣允許保存時(shí)間與其性質(zhì)、分析項(xiàng)目、溶液酸度、貯存容器、存放溫度等因素相關(guān)。

2.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法

RL礦區(qū)采煤沉陷塘水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目10項(xiàng)，其中：pH值、EC、TDS、SD現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；其余6項(xiàng)監(jiān)測(cè)方法，見(jiàn)表1。

表1 采煤沉陷塘水質(zhì)主要分析方法

2.4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

RL煤炭生產(chǎn)礦區(qū)采煤沉陷塘水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分析結(jié)果，采用Excel2007處理分析。

3 沉陷塘水質(zhì)特征分析

RL煤炭生產(chǎn)礦區(qū)采煤沉陷塘水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分析結(jié)果，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，其監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 塌陷塘水體的水質(zhì)參數(shù)

3.1 塌陷塘理化性質(zhì)分析

RL礦區(qū)采煤沉陷塘水質(zhì)監(jiān)測(cè)，垂線均分為上中下三處采樣，以此分析各采樣點(diǎn)水質(zhì)平均值與對(duì)照點(diǎn)水質(zhì)平均及其垂向分布特征。

RL礦區(qū)采煤沉陷塘各采樣點(diǎn)中各污染物平均濃度值比較結(jié)果，見(jiàn)圖2～11。

圖2 采煤沉陷塘研究水體pH值

圖3 采煤沉陷塘研究水體EC值

圖3、9、10顯示，RL礦區(qū)采煤沉陷塘與對(duì)照沉陷塘相比，EC、TP、葉綠素a濃度高；CK沉陷塘EC均值1179 μs/cm，RL塘3個(gè)樣點(diǎn)EC均值3233 μs/cm、1568 μs/cm、1540 μs/cm，CK塘TP均值0.021 mg/L，RL塘3個(gè)樣點(diǎn)TP均值0.023 mg/L、0.023 mg/L、0.021 mg/L，CK塘葉綠素a平均值為0.81 mg/m3，RL塘3個(gè)樣點(diǎn)葉綠素a均值12.17 mg/m3、6.46 mg/m3、5.80 mg/m3。

圖4 采煤沉陷塘研究水體 TDS值

圖5 采煤沉陷塘研究水體DO值

圖6 采煤沉陷塘研究水體氨氮值

圖8 采煤沉陷塘研究水體總氮值

圖9 采煤沉陷塘研究水體總磷值

圖10 研究區(qū)水體的葉綠素a值

圖11 研究區(qū)水體的SD值

由此而論RL礦區(qū)采煤沉陷塘受到污染，氨氮、SD濃度較對(duì)照塘低，其余因子較對(duì)照塘高低不同。垂向分布特征，見(jiàn)圖12～20。

圖12 pH值隨深度變化

圖13 EC值隨深度變化

圖14 TDS值隨深度變化

圖15 氨氮值隨深度變化

圖16 DO值隨深度變化

圖17 COD值隨深度變化

圖18 TN值隨深度變化

圖19 TP值隨深度變化

圖20 chla值隨深度變化

圖1～20反映了RL煤礦采煤沉陷塘不同水深、9個(gè)環(huán)境因子濃度，各采樣點(diǎn)分別監(jiān)測(cè)上、中、下層水質(zhì)，垂向分布反映了RL煤礦沉陷塘水質(zhì)特征。圖15中氨氮濃度隨深度而增加，圖18中總氮濃度隨深度先降后升，圖19中葉綠素a含量隨深度而降低，近于0。

3.2 理化性質(zhì)相關(guān)性分析

3.2.1 pH值與其它因子關(guān)系

相關(guān)回歸分析，可反映煤炭生產(chǎn)礦區(qū)采煤沉陷塘各因子之間關(guān)系。筆者采取相關(guān)回歸方法，反映CK沉陷塘與RL礦區(qū)沉陷塘各因子間關(guān)系。SD僅4個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不參與分析；pH值與其它因子間相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)表3。

表3 pH值與其它因子相關(guān)關(guān)系

當(dāng)|r|>0.95時(shí)，顯著性相關(guān)；當(dāng)|r|≥0.8時(shí)，高度相關(guān)；當(dāng)0.5≤|r|<0.8時(shí)，中度相關(guān)；當(dāng)0.3≤|r|<0.5時(shí)，低度相關(guān)；當(dāng)|r|<0.3時(shí)，不相關(guān)；當(dāng)|r|=0時(shí)，兩者沒(méi)有相關(guān)關(guān)系。采用Excel2007，計(jì)算相關(guān)系數(shù)(r)。

由表3可見(jiàn)，RL煤礦采煤沉陷塘pH值與EC中度相關(guān)，且負(fù)相關(guān)，即pH值隨EC增大而降低；pH值與TDS中度相關(guān)，且正相關(guān)，即pH值隨TDS增大而上升；pH值與DO、TN低度相關(guān)，且負(fù)相關(guān)；pH值與氨氮、CODMn、TP、葉綠素a不相關(guān)；其中：pH值與氨氮、TP、葉綠素a相關(guān)關(guān)系近似0，即pH值與它們之間沒(méi)有關(guān)系。

3.2.2 EC與其它因子關(guān)系

表3列出了EC與pH值相關(guān)關(guān)系，為規(guī)避重復(fù)，EC與其它因子關(guān)系中忽略。RL煤礦采煤沉陷塘EC與其余7個(gè)因子相關(guān)關(guān)系分析，見(jiàn)表4。

表4 EC與其它因子相關(guān)關(guān)系

由表4可知，RL煤礦采煤沉陷塘EC與pH值、TDS、氨氮中度相關(guān)，且負(fù)相關(guān)，其中：EC與TDS相關(guān)性強(qiáng)；EC與TP中度相關(guān)，且正相關(guān)，EC與葉綠素a低度相關(guān)，且正相關(guān)；EC與DO、COD、TN不相關(guān)。

3.2.3 氨氮與其它因子關(guān)系

RL煤礦采煤沉陷塘氨氮與其余6個(gè)評(píng)價(jià)因子之間相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)表5。

表5 氨氮與其它因子相關(guān)關(guān)系

表5顯示，RL煤礦采煤沉陷塘氨氮與EC中度相關(guān)，且正相關(guān)；氨氮與TN、葉綠素a低度相關(guān)，且負(fù)相關(guān)；氨氮與其余5個(gè)因子不相關(guān)；其中：氨氮與DO相關(guān)性近乎0，無(wú)相關(guān)關(guān)系。

3.2.4 TDS與其它因子關(guān)系

RL煤礦采煤沉陷塘TDS與其它5個(gè)評(píng)價(jià)因子之間相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)表6。

表6 TDS與其它因子相關(guān)關(guān)系

表6表明，RL煤礦采煤沉陷塘TDS與pH值中度相關(guān)，且負(fù)相關(guān)；TDS與EC中度相關(guān)，且負(fù)相關(guān)；TDS與CODMn低度相關(guān)，且負(fù)相關(guān)；TDS與葉綠素a低度相關(guān)，且正相關(guān)；TDS與DO、TN、TP、氨氮不相關(guān)，其中：TDS與TN相關(guān)關(guān)系近似0，無(wú)相關(guān)關(guān)系。

3.2.5 DO與其它因子關(guān)系

RL煤礦采煤沉陷塘DO與其余4個(gè)評(píng)價(jià)因子之間相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)表7。

表7 DO與其它因子相關(guān)關(guān)系

由表7可見(jiàn)，RL煤礦采煤沉陷塘DO與葉綠素a中度相關(guān)，且負(fù)相關(guān)；DO與pH值、CODMn、TP低度相關(guān)，且負(fù)相關(guān)；DO與其余5個(gè)因子不相關(guān)，其中：DO與氨氮相關(guān)關(guān)系近似0，無(wú)相關(guān)關(guān)系。

3.2.6 CODMn與其它因子關(guān)系

RL煤礦采煤沉陷塘CODMn與其余3個(gè)評(píng)價(jià)因子之間相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)表8。

表8 CODMn與其它因子相關(guān)關(guān)系

由表8可知，RL煤礦采煤沉陷塘CODMn與TN低度相關(guān)，且正相關(guān)；CODMn與TDS、DO低度相關(guān)，且負(fù)相關(guān)；CODMn與其余5個(gè)因子不相關(guān)；CODMn與葉綠素a相關(guān)關(guān)系近似0，無(wú)相關(guān)關(guān)系。

3.2.7 TN與其它因子關(guān)系

RL煤礦采煤沉陷塘TN與其它評(píng)價(jià)因子之間相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)表9。

表9 TN與其它因子相關(guān)關(guān)系

表9顯示，RL煤礦采煤沉陷塘TN與CODMn低度相關(guān)，且正相關(guān)；TN與pH值、氨氮低度相關(guān)，且負(fù)相關(guān)；TN與其余5個(gè)因子不相關(guān)。

3.2.8 TP與其它因子關(guān)系

RL煤礦采煤沉陷塘TP與其它2個(gè)評(píng)價(jià)因子之間相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)表10。

表10 TP與其它因子相關(guān)關(guān)系

表10表明，RL煤礦采煤塌陷塘水體TP與DO中度相關(guān)，且正相關(guān)；TP與EC低度相關(guān)，且負(fù)相關(guān)；TP與其余6個(gè)因子不相關(guān)。

3.3 采煤沉陷塘水質(zhì)等級(jí)

依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)確定RL煤礦采煤沉陷塘水質(zhì)等級(jí)[12]。RL采煤沉陷塘pH值6～9，DO>5 mg/L，達(dá)到Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)；CODMn<15 mg/L，符合Ⅰ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)；氨氮<0.5 mg/L，達(dá)到Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)；TP<0.05 mg/L，符合Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)；TN<1 mg/L，達(dá)到Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)；RL采煤沉陷塘總體Ⅲ類(lèi)水，CODMn濃度較低，大部分采樣點(diǎn)DO濃度較高，然而，TP、TN濃度偏高。

4 沉陷塘富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)《湖庫(kù)(水庫(kù))富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法與分級(jí)技術(shù)規(guī)定》，采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)評(píng)價(jià)。該法相對(duì)其它方法趨于成熟，評(píng)價(jià)范圍全面，評(píng)價(jià)因子綜合考慮了TP、TN、SD、chla、CODMn，克服了單因子評(píng)價(jià)不足[14]。

綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算式：

(1)

式(1)中：TLI(∑)為指綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)相關(guān)權(quán)重；TLI(j)為第j種參數(shù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

以葉綠素a(chla)為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)歸一化相關(guān)權(quán)重計(jì)算式為：

(2)

式(2)中：rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)chla相關(guān)系數(shù)；m為評(píng)價(jià)參數(shù)，個(gè)。

中國(guó)湖泊(水庫(kù))chla與其它參數(shù)之間相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果，見(jiàn)表11。

表11 中國(guó)湖泊水庫(kù)chla與其它參數(shù)相關(guān)關(guān)系

營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算式：

TLI(chla)=10×(2.5+1.086lnchl)

TLI(TP)=10×(9.436+1.624lnTP)

TLI(TN)=10×(5.453+1.694lnTN)

TLI(SD)=10×(5.118-1.94lnSD)

TLI(CODMn)=10×(0.109 +2.661lnCODMn)

其中：chl～葉綠素a，葉綠素a(chla)，mg/m3；SD，m；其余3項(xiàng)，mg/L。

通過(guò)上述方法，計(jì)算RL煤炭生產(chǎn)礦區(qū)采煤沉陷塘綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)，結(jié)果見(jiàn)表12。

表12 綜合富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

采用0～100連續(xù)數(shù)字，對(duì)湖庫(kù)(水庫(kù))營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)： 當(dāng)TLI(∑)<30時(shí)，貧營(yíng)養(yǎng)；當(dāng)30≤TLI(∑)≤50時(shí)，中營(yíng)養(yǎng)；當(dāng)TLI(∑)>50時(shí)，富營(yíng)養(yǎng)；其中： 當(dāng)5070時(shí)，重度富營(yíng)養(yǎng)。同一營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)越高，其營(yíng)養(yǎng)程度越高。計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表13。

表13 采煤沉陷塘營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

4.2 結(jié)果與分析

由表13可見(jiàn)，RL煤礦采煤沉陷塘營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)綜合指數(shù)37.2～50.8，CK沉陷塘中營(yíng)養(yǎng)，僅兩處輕度富營(yíng)養(yǎng)化；其中：表12單因子營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，就研究區(qū)域而言，其營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)主要貢獻(xiàn)因子為T(mén)N(極大值53.07)、葉綠素a(極小值50.8)、SD(極大值69.45)，CODMn、TP貢獻(xiàn)相對(duì)較??；因而，RL煤礦采煤沉陷塘水體污染因子為T(mén)N、葉綠素a、SD。

5 結(jié)論

(1)與對(duì)照采煤沉陷塘相比，RL煤炭生產(chǎn)礦區(qū)采煤沉陷塘EC、TP、葉綠素a濃度較對(duì)照采煤沉陷塘高，RL采煤沉陷塘受到一定污染。

(2)從《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)看，RL煤礦采煤沉陷塘pH值6～9，DO>5 mg/L，達(dá)到Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)；CODMn<15 mg/L，符合Ⅰ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)；氨氮<0.5 mg/L，達(dá)到Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)；TP<0.05 mg/L，符合Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)；TN<1 mg/L，達(dá)到Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)；RL礦區(qū)采煤沉陷塘總體為Ⅲ類(lèi)水體，CODMn濃度較低，大部分采樣點(diǎn)DO濃度較高，TP、TN濃度偏高。

(3)從綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)看，RL煤礦采煤塌陷塘水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)綜合指數(shù)37.2～50.8，CK沉陷塘中營(yíng)養(yǎng)，僅兩處輕度富營(yíng)養(yǎng)化；就研究區(qū)域單因子營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)而言，其營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)主要貢獻(xiàn)因子為T(mén)N、葉綠素a、SD，CODMn、TP貢獻(xiàn)相對(duì)較?。籖L礦區(qū)采煤沉陷塘主要污染因子為T(mén)N、葉綠素a、SD。

由此而論：RL煤炭生產(chǎn)礦區(qū)采煤沉陷塘基本未達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化水平，大部分水域處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，僅小面積水域處于輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。