淮南迪溝采煤沉陷區(qū)水體水質(zhì)特征與評(píng)價(jià)

陳從磊，謝 毫，陳業(yè)禹，牛玉亭，范佳民

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 煤業(yè)分公司資源環(huán)保部，安徽 淮南 232001；2.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南，232001；3.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院 安徽省礦山生態(tài)修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

1 研究背景

煤炭作為我國(guó)主要的一次能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著舉足輕重的作用[1]。煤炭在開(kāi)采利用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[2]。其中，采煤導(dǎo)致的地表沉陷是最重要的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一。采煤形成的地表沉陷區(qū)域在高潛水位的地質(zhì)條件下，很容易使沉陷區(qū)域面積的30%～50%成為積水區(qū)，進(jìn)而演變成湖泊、濕地等不同類(lèi)型的景觀水體[3]。沉陷水域潛在的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)將對(duì)礦區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重要影響[4]。因此，對(duì)采煤沉陷區(qū)水體水質(zhì)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，可以有效識(shí)別水體水質(zhì)狀況，也可為沉陷區(qū)水污染控制和水環(huán)境修復(fù)方案的制定提供依據(jù)，具有重要意義[5]。

以往大多數(shù)學(xué)者對(duì)水體水質(zhì)的特征分析與評(píng)價(jià)研究主要集中在河流、湖泊、海洋等自然水體[6-11]。近些年來(lái)隨著煤炭開(kāi)采導(dǎo)致的地表沉陷問(wèn)題越發(fā)突出，一些研究者開(kāi)始關(guān)注煤礦沉陷積水區(qū)水環(huán)境[12-16]。同時(shí)，煤礦開(kāi)采沉陷積水形成的封閉式水域很容易與周邊的自然水體相連通，形成開(kāi)放型水體，從而導(dǎo)致采煤沉陷區(qū)水系環(huán)境發(fā)生紊亂。本研究選擇淮南高潛水位迪溝采煤沉陷區(qū)與周邊濟(jì)河連通水域?yàn)檠芯繀^(qū)域，將綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法應(yīng)用于研究區(qū)的綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)，研究結(jié)果可為研究區(qū)水體綜合治理和開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

阜陽(yáng)濟(jì)河是1958年開(kāi)挖的一條人工河。它源于阜陽(yáng)市潁河干流，西起阜陽(yáng)潁河左堤的永安閘，向東南流經(jīng)潁東區(qū)和潁上縣境最后進(jìn)入西淝河，全長(zhǎng)116 km。西東走向與合阜鐵路平行，在合阜鐵路北側(cè)。上游在潁東區(qū)，中游在潁上縣，下游在鳳臺(tái)縣。

迪溝采煤沉陷區(qū)位于安徽省潁上縣迪溝鎮(zhèn)謝橋礦，北靠西淝河，南臨濟(jì)河，主要由農(nóng)田沉陷形成。所研究的采煤沉陷區(qū)被公路隔開(kāi)分為西部和東部?jī)蓧K沉陷水域，其中西部為封閉性水域，東部由于壩體的多年沉陷與濟(jì)河相連通，其中靠近鐵路橋的沉陷水域周邊有煤矸石堆，堆積面積約14 hm2。整個(gè)沉陷區(qū)域水體平均水深為4 m，最深為6.5 m，周邊有小面積的挺水植物，未見(jiàn)有沉水植物。研究區(qū)沉陷水域分布見(jiàn)圖1。

2.2 樣品采集與測(cè)試

為了客觀并全面地分析迪溝采煤沉陷水域地表水質(zhì)特征，按照地表水質(zhì)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)和采樣原則，并結(jié)合實(shí)地情況，于2019年11月對(duì)迪溝沉陷水域進(jìn)行了水樣的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與采集。根據(jù)研究目的和水域類(lèi)型，將研究水域分為濟(jì)河、沉陷積水區(qū)和對(duì)照區(qū)3個(gè)類(lèi)別，共布設(shè)12個(gè)采樣點(diǎn)，其中濟(jì)河4個(gè)(J1～J4)，沉陷積水區(qū)5個(gè)(C1～C5)，對(duì)照區(qū)3個(gè)(D1～D3)，完成了36個(gè)水樣(每個(gè)采樣點(diǎn)采集3個(gè)水樣)的采集工作，采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)沉陷水域及水質(zhì)采樣點(diǎn)分布

利用水樣采集器(有機(jī)玻璃材質(zhì))進(jìn)行水樣采集后裝入聚乙烯塑料瓶中。其中測(cè)試氮、磷指標(biāo)水樣添加硫酸酸化至pH<2；測(cè)試重金屬指標(biāo)水樣每升水添加10 mL(1+1)硝酸酸化；測(cè)試葉綠素a指標(biāo)水樣每升水加入1 mL、1%的碳酸鎂懸濁液以防止酸化引起色素溶解，將水樣運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室低溫保存并及時(shí)檢測(cè)。

2.3 研究方法

關(guān)于水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法有內(nèi)梅羅指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法、污染指數(shù)法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、層次分析法、水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法等[18-20]。其中，綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法涵蓋了綜合水質(zhì)類(lèi)別、定量污染程度、水環(huán)境功能區(qū)達(dá)標(biāo)等信息[21]，并能夠使研究區(qū)不同因子化為同一量綱以便于在同一類(lèi)別中進(jìn)行比較，而且可以結(jié)合國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)別進(jìn)行綜合水質(zhì)的定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)[22-23]。本研究水質(zhì)評(píng)價(jià)采用單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法和綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法[24-25]。

(1)單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)。單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Pi由整數(shù)位1位、小數(shù)位兩位或3位數(shù)字組成，可表示為：

Pi=X1.X2X3X4

(1)

式中：X1為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類(lèi)別；X2為指標(biāo)數(shù)據(jù)在X1類(lèi)水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置，按照四舍五入原則取1位有效數(shù)字;X3為水質(zhì)類(lèi)別與功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)類(lèi)別的比較結(jié)果，為1位或兩位有效數(shù)字。

(2)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Iwq表示形式類(lèi)似于單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)，由整數(shù)位1位、小數(shù)位3位或4位數(shù)字組成，可表示為：

Iwq=X1.X2X3X4X5

(2)

式中：X1為整體水質(zhì)類(lèi)別；X2為綜合水質(zhì)在X1類(lèi)水質(zhì)變化區(qū)間所處位置；X3為參與評(píng)價(jià)水質(zhì)指標(biāo)中，劣于功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)的單因子個(gè)數(shù)；X4為綜合水質(zhì)類(lèi)別與功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)類(lèi)別的比較結(jié)果，為1位或兩位有效數(shù)字。

本研究各點(diǎn)位數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差S和變異系數(shù)CV的計(jì)算方法為：

(3)

(4)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 水質(zhì)指標(biāo)濃度特征

3.1.1 常規(guī)理化指標(biāo)濃度特征 研究區(qū)不同區(qū)域水樣常規(guī)理化指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，濟(jì)河平均水溫為17.6 ℃，沉陷積水區(qū)水溫為16.6 ℃。濟(jì)河和沉陷積水區(qū)水質(zhì)pH范圍在7.44～7.64，均為弱堿性水體，DO濃度變化范圍分別為6.1～9.3和6.7～9.1 mg/L，均處在地表水I類(lèi)和II類(lèi)水濃度水平。結(jié)合ZD和TD來(lái)看，濟(jì)河和沉陷積水區(qū)水體的ZD基本小于10 TU，TD在水下40 cm左右，水質(zhì)比較澄清，透明度好。沉陷積水區(qū)水質(zhì)平均EC略大于濟(jì)河水體，兩者分別為850和735 μS/cm，濟(jì)河和沉陷積水區(qū)CODMn平均濃度分別為5.64和5.79 mg/L，處于地表III類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)值范圍。濟(jì)河和沉陷積水區(qū)Chl-a的平均濃度差異不大，在對(duì)照區(qū)的平均濃度最高，為74.63 μg/L。

表1 研究區(qū)不同區(qū)域水樣常規(guī)理化指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

表2 研究區(qū)不同區(qū)域水樣氮、磷濃度測(cè)試結(jié)果 mg/L

3.1.3 重金屬濃度特征 表3為研究區(qū)不同區(qū)域地表水水樣重金屬濃度測(cè)試結(jié)果。由表3可知，Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As和Hg的平均濃度在濟(jì)河分別為12.36、925.41、8.13、75.30、0.61、2.40和0.17 μg/L，沉陷積水區(qū)分別為18.01、1057.68、23.80、83.44、0.82、2.96和0.16 μg/L，在對(duì)照區(qū)分別為15.11、987.25、12.94、100.84、1.05、2.64和0.30 μg/L。與對(duì)照區(qū)相比，濟(jì)河各重金屬的平均濃度均低于對(duì)照區(qū)，說(shuō)明濟(jì)河中重金屬并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的富集。沉陷積水區(qū)的Cu、Zn、Pb和As的平均濃度分別為對(duì)照區(qū)的1.19、1.07、1.84和1.12倍，說(shuō)明這些重金屬已經(jīng)出現(xiàn)一定程度的富集，其原因是沉陷積水區(qū)東邊壩體是由煤矸石回填，而煤矸石中的重金屬在長(zhǎng)期的雨水沖刷和沉陷區(qū)水體浸提過(guò)程中會(huì)釋放到沉陷積水區(qū)水體中，造成重金屬濃度升高。王國(guó)強(qiáng)等[26]分析了兩淮采煤沉陷區(qū)煤矸石充填的危害和污染途徑，指出矸石淋溶液中的重金屬Pb、Cu、Zn等會(huì)對(duì)周?chē)蛹{水體產(chǎn)生污染。

變異系數(shù)可用來(lái)判斷重金屬是來(lái)源于自然因素還是人為因素。變異系數(shù)越大，說(shuō)明該地區(qū)受人為活動(dòng)的干擾越強(qiáng)烈[27]。由表3可看出，沉陷積水區(qū)中Cu、Pb和Cd濃度的變異系數(shù)均高于30%，分別為31%、63%和44%，表明這些重金屬含量受人為活動(dòng)的干擾嚴(yán)重。沉陷積水區(qū)和對(duì)照區(qū)均出現(xiàn)Pb和Cd濃度的變異系數(shù)超過(guò)30%的現(xiàn)象，說(shuō)明沉陷積水區(qū)和對(duì)照區(qū)可能有相同的污染源。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境分析發(fā)現(xiàn)，沉陷積水區(qū)和對(duì)照區(qū)被1條主干公路隔開(kāi)，來(lái)往車(chē)輛尾氣的排放和地表?yè)P(yáng)塵是其另一個(gè)污染源[28]。

表3 研究區(qū)不同區(qū)域地表水水樣重金屬濃度測(cè)試結(jié)果 μg/L

3.2 水質(zhì)指標(biāo)空間分布特征

圖2 研究區(qū)不同區(qū)域各采樣點(diǎn)水樣的氮、磷濃度

3.2.2 重金屬濃度空間分布特征 研究區(qū)不同區(qū)域各采樣點(diǎn)水樣的重金屬濃度如圖3所示。由圖3可知，濟(jì)河各采樣點(diǎn)水樣同種重金屬濃度差異不大，水質(zhì)比較均勻，而沉陷積水區(qū)各采樣點(diǎn)重金屬濃度除Hg外均存在一定差異。這是由于濟(jì)河作為開(kāi)放式的河流水體，在流動(dòng)性和水力交換能力方面要明顯優(yōu)于半封閉式的沉陷區(qū)水體，水質(zhì)混合更均勻。沉陷積水區(qū)C1、C2、C3各點(diǎn)Cu、Zn、Pb、As濃度均表現(xiàn)為C1>C2>C3，表明距離濟(jì)河越近，其濃度越高，而Cr、Cd和Hg沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。從各采樣點(diǎn)重金屬濃度看，Cu、Zn、Pb和As的最高含量均出現(xiàn)在C5采樣點(diǎn)，說(shuō)明鐵路的交通運(yùn)輸和矸石山堆放為水體重金屬的污染來(lái)源。而距離沉陷積水區(qū)岸邊最近的C3采樣點(diǎn)各種重金屬濃度均相對(duì)較低，說(shuō)明水體中的重金屬濃度受人類(lèi)生活污染的影響較小。

圖3 研究區(qū)不同區(qū)域各采樣點(diǎn)水樣的重金屬濃度

3.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)

由于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002》[29]不包含ZD、EC、TD、ORP、Chl-a等指標(biāo)，t和pH在不同水質(zhì)類(lèi)別的數(shù)值都可相同，同時(shí)本研究中測(cè)試的Cr為總Cr，所以剔除這些指標(biāo)后剩余指標(biāo)參與水質(zhì)評(píng)價(jià)。水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)為III類(lèi)。

3.3.1 單因子水質(zhì)評(píng)價(jià) 研究區(qū)各采樣點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)單因子評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，濟(jì)河污染最嚴(yán)重的為Hg，其次為CODMn。按Hg濃度評(píng)價(jià)濟(jì)河各采樣點(diǎn)水質(zhì)均為IV類(lèi)水，按CODMn濃度評(píng)價(jià)均為III類(lèi)。根據(jù)X2在III類(lèi)水區(qū)間內(nèi)的位置可以判斷出該水體在III類(lèi)水中的相對(duì)污染程度，數(shù)據(jù)中CODMn的X2值均大于7，說(shuō)明有惡化為IV類(lèi)水的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)毓芾聿块T(mén)應(yīng)當(dāng)防控有機(jī)物對(duì)濟(jì)河水質(zhì)的輸入影響。沉陷積水區(qū)污染最嚴(yán)重的仍然為Hg，其次為T(mén)P和CODMn。沉陷積水區(qū)C1、C2和C3采樣點(diǎn)水質(zhì)按TP濃度評(píng)價(jià)均為IV類(lèi)，按TN濃度評(píng)價(jià)均為II類(lèi)，說(shuō)明沉陷積水區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化表現(xiàn)為N相對(duì)P限制的特點(diǎn)。王菲菲等[30]對(duì)淀山湖、小興凱湖和洱海3個(gè)湖泊的研究發(fā)現(xiàn)，淀山湖和小興凱湖均出現(xiàn)了明顯的N限制。

表4 研究區(qū)各采樣點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)單因子評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3.2 綜合水質(zhì)評(píng)價(jià) 研究區(qū)各采樣點(diǎn)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Iwq見(jiàn)表5。由表5總體來(lái)看，濟(jì)河和沉陷積水區(qū)各采樣點(diǎn)的Iwq值均滿(mǎn)足地表水III類(lèi)水質(zhì)的要求，水質(zhì)良好。濟(jì)河、沉陷積水區(qū)和對(duì)照區(qū)的Iwq值表現(xiàn)為濟(jì)河(2.230)<沉陷積水區(qū)(2.540)<對(duì)照區(qū)(2.640)。在濟(jì)河與沉陷積水區(qū)交匯水域的采樣點(diǎn)Iwq值表現(xiàn)為J3(2.320)

表5 研究區(qū)各采樣點(diǎn)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Iwq

4 結(jié) 論

(1)濟(jì)河和采煤沉陷積水區(qū)均為弱堿性水體，水質(zhì)比較澄清，透明度好。濟(jì)河水域氮含量偏高與濟(jì)河周邊農(nóng)田的面源污染有關(guān)；沉陷積水區(qū)重金屬含量普遍較高與周邊矸石山的淋溶、車(chē)輛尾氣的排放和地表?yè)P(yáng)塵沉降等因素有關(guān)。

(3)單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)顯示，濟(jì)河污染最嚴(yán)重的為Hg，其次為CODMn；沉陷積水區(qū)污染最嚴(yán)重的為Hg，其次為T(mén)P和CODMn。

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)顯示，濟(jì)河和沉陷積水區(qū)水體均滿(mǎn)足地表水III類(lèi)水質(zhì)的要求，水質(zhì)良好。在濟(jì)河與沉陷積水區(qū)交匯水域各采樣點(diǎn)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)表現(xiàn)為J3