宿南礦區(qū)不同時(shí)期塌陷塘水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

夏玉婷，桂和榮，李 俊

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232000； 2.國家煤礦防治工程技術(shù)研究中心(宿州學(xué)院)，安徽宿州 234000)

0 引言

采煤形成的地表塌陷區(qū)，由于低于潛水位而接受淺層地下水的補(bǔ)給，所形成的水體通常稱為“塌陷塘”。塌陷塘也是匯聚雨水、地表徑流的場(chǎng)所，有的煤礦從井下排出的礦井水有時(shí)也輸入其中。因此，采煤塌陷塘水環(huán)境比較特殊[1-3]。向塌陷塘補(bǔ)給的各種來源的水如地表徑流、礦井水等，會(huì)攜帶各種污染物，一定程度上改變了塌陷塘的理化性質(zhì)，造成水質(zhì)污染等問題，例如塌陷塘富營養(yǎng)化、重金屬污染等[4-5]。塌陷塘大都是封閉水體[3]，水體自凈能力弱，污染物在水體中很容易富集。塌陷塘的功能主要有水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)灌溉等，進(jìn)入塌陷塘中的污染物有可能通過食物鏈在生物體內(nèi)富集，對(duì)居民飲食安全和健康會(huì)構(gòu)成威脅[5-8]。

近年來，很多學(xué)者對(duì)地表水環(huán)境質(zhì)量問題開展了大量研究。Ingyu Lee[9]等用數(shù)值模擬的方法研究了馬來西亞加拉河沿河污染源對(duì)水質(zhì)的影響；XiaoyanZhai[10]等以受高度干擾和嚴(yán)重污染的淮河流域作為研究區(qū)，用動(dòng)態(tài)模擬的方法詳細(xì)探討了水文動(dòng)態(tài)變化過程中的污染機(jī)制；E Garcia-ordiales[11]等對(duì)礦山下游水體沉積物中重金屬和人類活動(dòng)的相關(guān)性進(jìn)行了分析，闡明了采礦活動(dòng)對(duì)地表水環(huán)境的影響機(jī)理。從研究內(nèi)容上看，多集中于一般的湖泊地表水環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)與分析。對(duì)于塌陷塘水環(huán)境問題，目前不少學(xué)者也展開相應(yīng)的研究。如桂和榮[12]等通過對(duì)采煤塌陷塘和非采煤塌陷塘水中藍(lán)藻的生態(tài)環(huán)境比較，研究了采煤塌陷塘特殊水域藍(lán)藻的生態(tài)特征；張冰[1]等以淮北礦區(qū)臨渙礦采煤塌陷塘為研究對(duì)象，對(duì)其水環(huán)境特征及污染性狀進(jìn)行了評(píng)價(jià)；徐良驥[13]等研究了淮南礦區(qū)采煤塌陷塘水環(huán)境質(zhì)量，并探討了采煤塌陷塘綜合污染評(píng)價(jià)的方法。

已有的研究表明，采煤塌陷塘的形成時(shí)間不同，水生生物演替及水環(huán)境質(zhì)量亦有差異。此外，塌陷塘的水環(huán)境質(zhì)量與季節(jié)關(guān)系密切。因此，本文以宿南礦區(qū)塌陷塘為研究對(duì)象，對(duì)不同時(shí)期形成的塌陷塘以及不同季節(jié)塌陷塘水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)與比較，為采煤塌陷塘水環(huán)境演變、水質(zhì)保護(hù)和水資源利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

皖北礦區(qū)位于淮北平原的北部 , 面積約3萬km2。境內(nèi)有皖北煤電集團(tuán)和淮北礦業(yè)集團(tuán)兩個(gè)國家級(jí)特大型企業(yè) , 是華東地區(qū)重要的煤炭基地[14]。隨著煤炭的不斷開采，采煤活動(dòng)造成地面不斷塌陷。已有資料顯示，皖北采煤塌陷水域面積已達(dá)300km2[13]。本文研究對(duì)象為宿南礦區(qū)的蘆嶺、朱仙莊采煤塌陷塘(圖1)。通過取樣分析，研究不同時(shí)期形成的塌陷塘之夏、冬季水環(huán)境質(zhì)量。

在地層區(qū)劃上，蘆嶺礦區(qū)屬于華北地層區(qū)、魯西分區(qū)、徐宿小區(qū)，其巖性及厚度相對(duì)穩(wěn)定。在古老變質(zhì)基底上，沉積有青白口系、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系、古近系或新近系和第四系。蘆嶺煤礦于1969年12月投產(chǎn)，含煤地層為石炭、二疊系。二疊系含煤地層有下統(tǒng)山西組、下石盒子組和上統(tǒng)上石盒子組，含煤地層厚度約1 010m，含有10個(gè)煤層(組)，其中Ⅲ采區(qū)的8煤層為特厚煤層，全區(qū)可采，是主采煤層，其水化學(xué)類型為HCO3·Cl―Na·Mg型[14]。蘆嶺礦開采50余年[15]，形成大面積塌陷。本研究區(qū)蘆嶺采煤塌陷塘(下文稱“蘆嶺塘”)水域面積近1 000hm2，積水深度8m左右，沿岸填埋有大量的煤矸石，水域較封閉，周邊為耕植田地。

朱仙莊礦井均為新生界松散層所覆蓋，經(jīng)鉆孔揭露地層有奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、古近系或新近系和第四系。該煤礦1983年4月正式投產(chǎn)，含煤地層為石炭、二疊系，其中二疊系為勘查對(duì)象，亦含有10個(gè)煤層(組)，其中8煤層為主采煤層，厚10.03m， 占可采煤層總厚的64%， 該層的水質(zhì)類型主要為SO4·HCO3―Na·Ca型[14]。朱仙莊#1塘是該礦最早形成的塌陷塘，歷時(shí)約35a[16]，水域面積約400hm2，水深3～4m，沿岸有煤矸石零星堆積，周邊有朱仙莊礦工業(yè)廣場(chǎng)和休閑公園；#2塘為20世紀(jì)90年中期形成的塌陷塘，歷時(shí)近25a，水域面積約100hm2，水深2～3m，以漁業(yè)養(yǎng)殖為主，周邊為農(nóng)田。

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)分布Figure 1 Study area geographical position and sampling points

蘆嶺礦和朱仙莊礦均為厚松散層覆蓋的隱伏型煤礦，松散層厚200～300m，共劃分為四個(gè)含水層和三個(gè)隔水層，自上而下分別為“一含”“一隔”“二含”“二隔”“三含”“三隔”“四含”。其中“一含”為潛水，含水層厚度30m左右，水位埋深3～5m，與塌陷塘存在補(bǔ)泄關(guān)系。一般情況下，豐水期塌陷塘水補(bǔ)給“一含”，枯水期，“一含”地下水向塌陷塘排泄。

2 材料與方法

2.1 水樣采集與測(cè)試

分別于2017年夏、冬兩個(gè)季節(jié)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣，各季節(jié)采樣點(diǎn)均為9個(gè)，采樣點(diǎn)位置見圖1。采樣按照《地表水和污水檢測(cè)技術(shù)HJ/T91-2002》和《水和廢水檢測(cè)分析方法》(第四版)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采取水面以下約0.5 m處的水樣。所有采樣點(diǎn)位置均用GPS定位，并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水溫(T)、pH、電導(dǎo)率(EC)、溶解性固體總量(TDS)和氧化還原電位(ORP)。水樣采集后24h內(nèi)用0.22μm濾膜抽濾。為確保所抽濾的水樣中重金屬的離子狀態(tài)，用50%的硝酸酸化致其pH<2。

2.2 研究方法

模糊綜合評(píng)價(jià)法[17]是對(duì)水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的一種常用方法。水環(huán)境本身存在大量的不確定性，每個(gè)指標(biāo)的級(jí)別劃分以及標(biāo)準(zhǔn)的確定都具有模糊性的特征。該方法建立在比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)基礎(chǔ)上，通過綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算以及模糊級(jí)別判斷，可以從總體上直觀地判斷水體所屬水質(zhì)等級(jí)。但當(dāng)單個(gè)因子污染嚴(yán)重時(shí)，傳統(tǒng)的模糊評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)受到一定的影響，且對(duì)于最大隸屬度bij<0.5的評(píng)價(jià)結(jié)果不適用。故本研究采用改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法來評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況，評(píng)價(jià)因子為TN、TP、COD，其數(shù)學(xué)模式表達(dá)：

B=W×R

(1)

式中：W是由各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重分配構(gòu)成的向量，即因子權(quán)重矩陣；R表示各評(píng)價(jià)因子對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，即模糊關(guān)系矩陣；B為評(píng)價(jià)結(jié)果向量，即表示樣本對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。

2.2.1 確定評(píng)價(jià)因子及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)塌陷塘各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果的超標(biāo)情況，進(jìn)而選出評(píng)價(jià)因子：TN、TP、COD(表1)，依據(jù)國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)規(guī)定的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ水質(zhì)類別作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 確定權(quán)重因子矩陣W

水環(huán)境受到多因子共同影響時(shí)，考慮到每項(xiàng)指標(biāo)對(duì)環(huán)境的影響程度不同，在污染中作用大小也不同，需求其權(quán)重，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Ci為評(píng)價(jià)因子i的實(shí)測(cè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Sij為評(píng)價(jià)因子i在j等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值；aij為評(píng)價(jià)因子i在j等級(jí)的權(quán)重。則j等級(jí)的指標(biāo)權(quán)重矩陣為Wj=(a1j，a2j，…anj)。

2.2.3 建立模糊關(guān)系矩陣R

依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，將水質(zhì)類別分為五類，其計(jì)算公式如下：

Ⅰ類：

(3)

表1 評(píng)價(jià)因子測(cè)定結(jié)果

對(duì)于第Ⅱ～Ⅳ類記為m類：

(4)

Ⅴ類：

(5)

式中：rim為評(píng)價(jià)因子i對(duì)m類水質(zhì)隸屬度。

隸屬度矩陣R為：

(6)

3 結(jié)果分析

3.1 水化學(xué)特征

(a)夏季 (b)冬季圖2 塌陷塘不同季節(jié)piper三線圖Figure 2 Piper trilinear chart of subsidence ponding hydrochemical data in different seasons

對(duì)于不同時(shí)期形成的塌陷塘，其水中主要離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)在夏、冬季稍有變化，但水化學(xué)類型基本不變[18]。塌陷塘水化學(xué)成分與淺層地下水、大氣降水補(bǔ)給以及塌陷土地的性質(zhì)有關(guān)[19]。蘆嶺礦淺層地下水化學(xué)類型為HCO3型，補(bǔ)給蘆嶺塘使其水化學(xué)類型保持HCO3型;朱仙莊礦淺層地下水有HCO3型和SO4型，使得朱仙莊#1塘、朱仙莊#2塘水化學(xué)類型分別為HCO3―Na·Mg·Ca型和SO4―Na·Mg·Ca型[14]。顯然，淺層地下水是煤礦塌陷塘的主要補(bǔ)給水源，在某種程度上決定了塌陷塘的水質(zhì)類型。

3.2 理化因子季節(jié)變化

從三個(gè)塌陷塘水的EC季節(jié)變化可知，隨季節(jié)變化，EC值差異明顯。蘆嶺塘、朱仙莊#2塘季節(jié)性變化趨勢(shì)為夏季>冬季，朱仙莊#1塘為冬季>夏季。通常情況下，水溫越高，水面蒸發(fā)使水中總離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，EC值也會(huì)增大，或者富營養(yǎng)化嚴(yán)重的水體EC值也較高，故一般情況下，EC值夏季要高于冬季。不同塌陷塘EC值變化趨勢(shì)為朱仙莊#1塘>朱仙莊#2塘>蘆嶺塘。朱仙莊#1塘水的總離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，原因是夏季該塘周邊浮游植物較多，水體富營養(yǎng)化程度較高，水中無機(jī)酸、堿或鹽含量較高[20]，EC值也相對(duì)較高；而朱仙莊#2塘中部分區(qū)域用于漁業(yè)養(yǎng)殖，魚食料含有豐富的有機(jī)質(zhì)、氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)，當(dāng)?shù)⒘自陴B(yǎng)殖水體中逐漸富集并達(dá)到一定量時(shí)，將造成水體富營養(yǎng)化和水質(zhì)的惡化，EC值也相應(yīng)升高。

TDS與EC值的變化特征基本一致，蘆嶺塘、朱仙莊#2塘季節(jié)性變化趨勢(shì)為夏季>冬季，朱仙莊#1塘為冬季>夏季。TDS含量與總離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)[21-24]。水中離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加除了水面蒸發(fā)之外，周圍農(nóng)田土壤水進(jìn)入淺層地下水，并補(bǔ)給塌陷塘，也可能造成塌陷塘水的離子含量增加。三個(gè)塌陷塘TDS變化趨勢(shì)為朱仙莊#1塘>朱仙莊#2塘>蘆嶺塘。

水的溫度、pH、堿度、硬度越高，水的ORP越低[25]。夏季三個(gè)塌陷塘水的溫度、pH、堿度、硬度都比較高，ORP季節(jié)性變化趨勢(shì)為夏季<冬季。三個(gè)塌陷塘ORP值的夏季變化趨勢(shì)為朱仙莊#2塘>蘆嶺塘>朱仙莊#1塘，冬季則是朱仙莊#2塘>朱仙莊#1塘>蘆嶺塘，與pH值變化相反，塌陷塘水中的離子會(huì)隨著塌陷時(shí)間的增長存在累積效應(yīng)，硬度也會(huì)隨之增加，蘆嶺塘形成時(shí)間最長(50a)，朱仙莊#1塘(35a)次之，朱仙莊#2塘(25a)最短，Ec值變化與之相反。

圖3 不同時(shí)期塌陷塘夏、冬兩季理化指標(biāo)變化趨勢(shì)Figure 3 Physical and chemical parameters variation trend in summer and winter of different period subsidence ponding

3.3 相關(guān)性分析

3.4 水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

以蘆嶺塘夏季測(cè)試數(shù)據(jù)為例，根據(jù)公式(2)計(jì)算得到權(quán)重矩陣W：

根據(jù)公式(3)～(6)計(jì)算隸屬度，確定模糊關(guān)系矩陣R：

根據(jù)公式(1)對(duì)權(quán)重矩陣W和模糊關(guān)系矩陣R進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，得到模糊綜合評(píng)判結(jié)果向量B=W·R=(0，0，0，0.191，0.031)。同樣，根據(jù)上述步驟，可以得到三個(gè)塌陷塘夏、冬兩季的模糊綜合評(píng)判結(jié)果向量(表2)。

根據(jù)最大隸屬度原則確定三個(gè)塌陷塘夏、冬兩季水質(zhì)級(jí)別。TP、TN、COD三項(xiàng)指標(biāo)含量主要來源于人為污染。TP、TN用來評(píng)價(jià)水體富營養(yǎng)化程度[26]，COD用來評(píng)價(jià)水體有機(jī)污染程度[27-28]。從表2可看出，三個(gè)塌陷塘夏季隸屬度均為Ⅳ類，水體污染重，水質(zhì)較差。冬季水質(zhì)類別分別為Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ類水質(zhì)，水質(zhì)良好。

(a)夏季 (b)冬季圖4 變量不同季節(jié)相關(guān)性分析結(jié)果Figure 4 Correlation analytical result of variables in different seasons

時(shí)間塌陷塘(歷時(shí))隸屬度值ⅠⅡⅢⅣⅤ水質(zhì)分類夏季冬季蘆嶺塘(50a)0000.191 1710.031 41Ⅳ朱仙莊#1塘(35a)0000.085 7890.017 753Ⅳ朱仙莊#2塘(25a)0000.405 6770.068 258Ⅳ蘆嶺塘(50a)0.291 7780.500 1010.067 48200Ⅱ朱仙莊#1塘(35a)0.724 210.019 1490.012 78700.395 353Ⅰ朱仙莊#2塘(25a)0.125 5940.128 4620.778 7910.035 2080Ⅲ

塌陷塘夏季水質(zhì)差的原因，一是夏季多雨，雨水對(duì)塌陷塘底泥造成擾動(dòng)，使底泥中的TP、TN、COD釋放到水中，含量升高；二是由于夏季周邊居民生活污水排進(jìn)塌陷塘，會(huì)對(duì)塌陷塘造成污染；三是塌陷塘附近農(nóng)田施肥，N、P等隨土壤水進(jìn)入淺層地下水，進(jìn)而補(bǔ)給塌陷塘而造成塌陷塘水體中TN含量超標(biāo)[28]。朱仙莊#1塘、蘆嶺塘冬季水質(zhì)變好的原因，一是冬季雨水少，淺層地下水水位較低，對(duì)塌陷塘的補(bǔ)給量少，土壤水很少隨淺層地下水進(jìn)入塌陷塘；二是冬季農(nóng)田施肥少，土壤水中的N、P等含量少，即使隨淺層地下水補(bǔ)給塌陷塘，也不會(huì)造成太大的污染；三是冬季居民排入塌陷塘的污水較少。朱仙莊#2塘因有人工漁業(yè)養(yǎng)殖，魚食料會(huì)對(duì)水體造成污染，故兩個(gè)季節(jié)水質(zhì)狀況不佳。

4 結(jié)論

①塌陷塘水的主要補(bǔ)給源是淺層地下水，因而塌陷塘的水化學(xué)類型受淺層地下水的影響較大。蘆嶺塘、朱仙莊#1塘水化學(xué)類型為HCO3型，#2塘水化學(xué)類型為SO4型，與塌陷塘周邊淺層地下水水化學(xué)類型大體一致。

②通過對(duì)塌陷塘水質(zhì)理化指標(biāo)的監(jiān)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)pH、TDS、EC值季節(jié)性變化趨勢(shì)為夏季>冬季，ORP為冬季>夏季。不同塌陷塘因其周圍環(huán)境、形成時(shí)期和利用方式的不同，其水質(zhì)狀況也不盡相同。塌陷塘水的pH、TDS、EC值變化趨勢(shì)均為朱仙莊#1塘>朱仙莊#2塘>蘆嶺塘，ORP變化趨勢(shì)為朱仙莊#1塘>蘆嶺塘>朱仙莊#2塘。

③改進(jìn)模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)估三個(gè)塌陷塘夏、冬兩季水質(zhì)，結(jié)果表明，在夏季蘆嶺塘、朱仙莊#1塘和朱仙莊#2塘水質(zhì)均為Ⅳ類，受周圍環(huán)境和人為污染影響大；在冬季，蘆嶺塘水質(zhì)為Ⅱ類，朱仙莊#1塘為Ⅰ類，冬季人為污染和農(nóng)田施肥的影響較小，水質(zhì)良好；朱仙莊#2塘冬季為Ⅲ類水，受魚食料投加的影響較明顯。