熵權(quán)法在煤礦區(qū)地表水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用

陳晨 桂和榮 梅靜梁 陳家玉 李晨 王春雷

摘 要：為了研究煤礦開采對地表水環(huán)境質(zhì)量的影響，以蘆嶺礦區(qū)5個塌陷塘（1#、2#、3#、4#、5#）以及流經(jīng)礦區(qū)的沱河為研究對象，選取氨氮、總氮、總磷、化學(xué)需氧量、氟化物、硝酸鹽、硫酸鹽為評價指標(biāo)，運用熵權(quán)法對礦區(qū)內(nèi)地表水體進行了水環(huán)境質(zhì)量評價。結(jié)果表明：沱河Ⅳ類水占100%;4#塌陷塘水質(zhì)最好，可以作為生活用水;2#塌陷塘水質(zhì)最差，有3個水樣超過Ⅴ類標(biāo)準;1#及5#塌陷塘為Ⅳ類水，3#塌陷塘為Ⅴ類水?？傮w上看，處于流動狀態(tài)的沱河水質(zhì)優(yōu)于靜水環(huán)境下的塌陷塘。

關(guān)鍵詞：熵權(quán)法;地表水;環(huán)境質(zhì)量評價;蘆嶺礦區(qū)

中圖分類號 X832文獻標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）12-0124-04

Application of Entropy Weight Method in Environmental Quality Assessment of Surface Water in Coal Mine Affected Area

CHEN Chen1，2 et al.

（1School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China; 2National Engineering Research Center of Coal Mine Water Hazard Controlling（Suzhou University）， Suzhou 234000， China）

Abstract： In order to study the environmental quality of surface water in coal mining affected area， this paper takes five collapse ponds （1#， 2#， 3#， 4#， 5#） in Luling mining area and Tuohe river flowing through the mining area as the research object， selects ammonia nitrogen， total nitrogen， total phosphorus， chemical oxygen demand， fluoride， nitrate， sulfate as evaluation indexes， and uses entropy weight method to evaluate the water environmental quality of surface water in the mining area.The results show that： Tuohe River class IV water accounts for 100%; the water quality of No.4 collapse pond is the best， which can be used as domestic water; the water quality of No.2 collapse pond is the worst， with three water samples exceeding class V standard; No.1 and No.5 collapse pond is class IV water， and No.3 collapse pond is class V water.Generally speaking， the water quality of Tuohe River in flowing state is better than that of collapse pond in still water environment.

Key words： Entropy weight method; surface water; Environmental quality assessment; Luling mining area

近年來，由于工農(nóng)業(yè)“三廢”的不合理處置，導(dǎo)致局部區(qū)域水體水質(zhì)惡化，甚至發(fā)生水污染事件頻繁事件，嚴重影響人們的身體健康[1]。因此，水環(huán)境質(zhì)量評價受到了學(xué)界的廣泛關(guān)注[2]。中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國與消費國，煤炭資源開采與利用在國民經(jīng)濟發(fā)展中占有重要地位[1]。大規(guī)模的煤礦開采，在地表形成了大量的塌陷水域（簡稱“塌陷塘”），構(gòu)成了礦區(qū)水資源的重要的組成部分[5]。礦區(qū)塌陷塘與地表河流是礦區(qū)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉以及居民生活飲用重要的供水水源[3]。采用科學(xué)的方法合理評價礦區(qū)水環(huán)境質(zhì)量，對于礦區(qū)水資源保護與開發(fā)利用具有重要意義。

目前，國內(nèi)外水質(zhì)評價方法有很多，包括指數(shù)評價法、模糊評價法、單因子評價法、灰色評價法等[8]。這些評價方法的特點是評價標(biāo)準權(quán)重的確定具有主觀性。熵權(quán)法能夠?qū)υu價指標(biāo)項中貢獻較大的指標(biāo)賦予較大的權(quán)重，從而更好地避免主觀賦權(quán)造成的評價誤差[4]。本研究以蘆嶺礦區(qū)的5個塌陷塘（1#、2#、3#、4#、5#）以及礦區(qū)內(nèi)河流（沱河）為對象，利用水樣測試成果，根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準（GB3838-2002）中的選取評價指標(biāo)，采用熵權(quán)法對2種水體進行水環(huán)境質(zhì)量評價。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況 研究區(qū)蘆嶺礦區(qū)位于中國安徽省北部的淮北煤田[5]，東經(jīng)117.11°～117.21°，北緯33.51°～33.58°，面積80km2。貫穿礦區(qū)的沱河屬淮河流域，全長243km，流域面積2983km2。蘆嶺煤礦于20世紀60年代投產(chǎn)，年生產(chǎn)煤炭220萬t，開采歷史50多年，形成了較大面積的塌陷塘（圖1），包括1#塌陷塘、2#塌陷塘、3#塌陷塘、4#塌陷塘、5#塌陷塘，塌陷水域總面積近1000hm2，最大積水深度超過20m[5]。

1.2 采樣與檢測 按照均勻布點原則采樣。從河流的上游至下游，依次采集20個水樣（水樣編號為R1～R20）;5個塌陷塘（1#、2#、3#、4#、5#）主要集中在河流的北面，共取水樣21個，編號如表1所示。取樣點如圖1所示。

水樣采集在1.5L的聚乙烯水桶中。取樣前用超純水對水桶進行清洗，采樣時用水源地水對水桶清洗3遍。水樣在4℃環(huán)境下保存，在24h內(nèi)完成指標(biāo)的檢測工作。檢測指標(biāo)包括總氮、總磷、化學(xué)需氧量、氨氮、氟化物、硝酸鹽和硫酸鹽。檢測方法如表2所示。

1.3 熵權(quán)法評價 采用熵權(quán)法對地表水環(huán)境進行評價，可以較好地避免人為主觀賦權(quán)因素對評價結(jié)果造成的影響，使得評價結(jié)果更為客觀、評價結(jié)果更為科學(xué)[6]。

一共設(shè)有m個取樣點位，n個評價指標(biāo)，第i個點位的第j項指標(biāo)的數(shù)值為[xij]，構(gòu)建評價矩陣[Roij=（xij）]（i=1，2，…m;j=1，2，…n）。

熵權(quán)法權(quán)值的確定是根據(jù)數(shù)據(jù)本身得出的，避免主觀賦權(quán)產(chǎn)生的模型的不確定性的影響，保證評價結(jié)果的準確性，對不同水體的評價更加的合理[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)概況 根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》GB 3838-2002，選取氨氮、COD、總氮、總磷、氟化物、硝酸鹽、硫酸鹽等作為評價指標(biāo)，進行研究區(qū)地表水（塌陷塘及沱河）環(huán)境質(zhì)量評價。地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準的標(biāo)準限值見表3[8]。

利用統(tǒng)計學(xué)的方法對蘆嶺礦區(qū)沱河以及塌陷塘的7個指標(biāo)（NH4-N、COD、TP、TN、F-、NO3-、SO42-）進行統(tǒng)計分析，分析結(jié)果如表4所示。

由表4可知，沱河的NH4-N值在0.36～0.99mg/L，均值為0.72mg/L，均在Ⅲ類水要求的范圍以內(nèi)。塌陷塘的NH4-N值在0.07～1.21mg/L，均值為0.34mg/L，僅1個水樣超過了Ⅲ類水標(biāo)準。沱河NH4-N值的略高于塌陷塘。沱河的COD值在24.08～55.68mg/L，均值為36.06mg/L。塌陷塘的COD值在16.14～40.20mg/L，均值為33.11mg/L。可見，沱河的COD值高于塌陷塘的COD值，且二者均有水樣超過Ⅲ類水標(biāo)準。沱河的TP值在0.04～0.10mg/L，全部水樣在Ⅱ類水要求的范圍以內(nèi)。塌陷塘的TP值在0.00～1.07mg/L，水體的TP值較高，且高于沱河的TP值。TP值的過高可能會導(dǎo)致水體的富營養(yǎng)化情況[9]。沱河的TN值在0.92～2.35mg/L，塌陷塘的TN值在0.41～3.97mg/L，分別有30%、28.57%的水樣超過Ⅴ類水標(biāo)準。氟化物的超標(biāo)率也較為嚴重，其中沱河有16個水樣的F-濃度在1mg/L以上，有80%的水樣超過Ⅲ類水標(biāo)準，塌陷塘有20個水樣的F-濃度在1mg/L以上，Ⅲ類水以上占比為95.24%。2種水體的氟化物超標(biāo)率較為明顯，且塌陷塘的氟化物高于沱河。飲用水一般是人體氟化物的主要來源，氟化物的超標(biāo)會導(dǎo)致齲齒以及增加骨折的風(fēng)險，甚至?xí)?dǎo)致氟中毒。沱河的NO3-值在8.16～8.58mg/L，未超過Ⅰ類水的限值;塌陷塘的NO3-的值在7.68～15.37mg/L，有30%的水樣超過Ⅲ類水標(biāo)準。沱河的SO42-值在255.40～341.80mg/L;塌陷塘的SO42-值在30.39～117.59mg/L，均滿足Ⅲ類水標(biāo)準。

2.2 熵權(quán)法確定水質(zhì)評價指標(biāo)權(quán)重 根據(jù)沱河與塌陷塘41個水樣的檢測數(shù)據(jù)，利用公式（1）得到評價矩陣，然后對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準化處理，通過公式（2）～（8）計算計算各評價指標(biāo)的權(quán)重。通過式（1）～（7）中計算得出各評價指標(biāo)權(quán)重，計算結(jié)果如表5所示。

2.3 熵權(quán)法分類結(jié)果 將5類水標(biāo)準限值帶入公式（8），計算得出：Ⅰ類水的得分為0.158，Ⅱ類水為0.208，Ⅲ類水為0.297，Ⅳ類水為0.436，Ⅴ類水為0.543。水樣得分在0～0.158為Ⅰ類水，得分在0.158～0.208為Ⅱ類水，得分在0.208～0.297為Ⅲ類水，得分在0.297～0.436為Ⅳ類水，得分在0.436～0.543為Ⅴ類水。根據(jù)式（8）將20個河流水樣以及21個塌陷塘水樣的5個指標(biāo)值帶入，得到的結(jié)果如表6所示。

由表6可知，沱河的水質(zhì)等級主要為Ⅳ類水，可作為農(nóng)業(yè)用水，但不能作為生活飲用水。Ⅳ類水一共20個水樣，占總體的100%，其水質(zhì)可以滿足農(nóng)業(yè)灌溉以及工業(yè)生產(chǎn)用水的要求[11]。對于塌陷塘而言，1#塘主要為Ⅳ類水，可作為工業(yè)用水以及農(nóng)業(yè)灌溉用水;2#塌陷塘主要為Ⅴ類水，不能作為工業(yè)用水，有1個水樣超過Ⅴ類水標(biāo)準，污染較嚴重;3#塌陷塘為Ⅴ類水;4#塌陷塘沒有超過Ⅲ類水標(biāo)準，可以作為生活飲用水水源地，水質(zhì)情況較好;5#塌陷塘部分水樣超過Ⅲ類水，水質(zhì)情況優(yōu)于1#、2#、3#塌陷塘。可見，5個塌陷塘水質(zhì)的好壞排序為：4#塌陷塘>5#塌陷塘>1#塌陷塘>3#塌陷塘>2#塌陷塘。統(tǒng)計沱河與塌陷塘整體的5個類別水樣的占有率。沱河的Ⅳ類水占有率為100%;塌陷塘Ⅰ類水、Ⅱ類水、Ⅲ類水、Ⅳ類水、Ⅴ類水以及Ⅴ類水以上的占有率為14.29%、14.29%、28.57%、28.57%、9.5%。

塌陷塘的TN和TP的含量較高，可能是由于塌陷塘作為養(yǎng)殖水產(chǎn)區(qū)，投入了大量的飼料氟化物，在水巖作用導(dǎo)致了巖石中氟化物的溶解[12]。部分水樣COD值過高，可能是由于該水樣離排污口較近?？傮w而言，塌陷塘水體作為一種封閉水體，水體處于靜止?fàn)顟B(tài)，與外界沒有聯(lián)系，受外界污染源的干擾較大，且水塘面積較小，自我修復(fù)能力較弱。沱河是一種流動水體，受到外界的干擾較小，自我修復(fù)能力較強。因此，沱河水質(zhì)要優(yōu)于塌陷塘。

3 結(jié)論

采用熵權(quán)法對蘆嶺礦區(qū)內(nèi)沱河以及5個塌陷塘進行了水環(huán)境質(zhì)量評價，結(jié)果顯示：沱河Ⅲ類水、Ⅳ類水以及Ⅴ類水分別占20%、75%、5%，適用于工業(yè)用水與農(nóng)業(yè)用水，80%的水樣不適用于生活飲用水。塌陷塘水質(zhì)情況差別較大，其中，4#塌陷塘的水質(zhì)最好，無超過Ⅲ類水的水樣;2#塌陷塘的水質(zhì)最差，有3個水樣超過Ⅴ類似標(biāo)準;1#塌陷塘與5#塌陷塘為Ⅳ類水，3#塌陷塘為Ⅴ類水。沱河的水質(zhì)優(yōu)于塌陷塘。

根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準（GB3838-2002），Ⅲ類水可作為生活飲用水，Ⅳ類水可用于工業(yè)生產(chǎn)用水以及景觀娛樂用水，Ⅴ類水適用于農(nóng)業(yè)用水。結(jié)合評價結(jié)果可知，沱河水不適用于生活飲用水，但可以作為農(nóng)業(yè)用水以及當(dāng)?shù)孛旱V生產(chǎn)用水。4#塌陷塘的水質(zhì)沒有超過Ⅲ類水，可以作為飲用水地表水源地;1#塌陷塘以及5#塌陷塘的水質(zhì)可以滿足工業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)用水;3#塌陷塘只能用于農(nóng)業(yè)用水。

參考文獻

[1]G.Z.Chen，X.M.Wang，R.W.Wang，et al. Health risk assessment of potentially harmful elements in subsidence water bodies using a Monte Carlo approach： An example from the Huainan coal mining area，China[J].Ecotox.Environ.Safe，2019，171：737-745.

[2]D.-j.Lian，Y.-j.Wang，H.Zhang. Study on mining-induced effective of soil erosion in mining areas.2012 Proceedings of 2nd International Conference on Remote Sensing[J]. Environment and Transportation Engineering，2012，5.

[3]程琛，劉佳俊，楊凝，等.宿州煤礦塌陷水域水質(zhì)評價及污染來源解析[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，37（04）：24-31，65.

[4]陳海濤，田振東，盧蕾，等.基于熵權(quán)的模糊綜合評價法在地下水水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2015，35（24）：254-256.

[5]夏玉婷，桂和榮，李俊.宿南礦區(qū)不同時期塌陷塘水環(huán)境質(zhì)量評價[J].中國煤炭地質(zhì)，2019，31（03）：45-52.

[6]劉金金，張玉平，李曉蓓，等.熵權(quán)法模糊物元模型在養(yǎng)殖水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J/OL].水產(chǎn)科技情報：1-9[2021-03-06].https：//doi.org/10.16446/j.fsti.20200700129.

[7]孟東芳，童鋒，王喜英.熵權(quán)擴展集對分析模型在西安市淺層地下水水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].中國煤炭地質(zhì)，2018，30（11）：55-60.

[8]王玉紅.甘肅省臨洮擬建鋁廠水文地質(zhì)條件及地下水環(huán)境質(zhì)量評價[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2018.

[9]王敏.三峽庫區(qū)漢豐湖魚類群落結(jié)構(gòu)及水體營養(yǎng)鹽特征研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[10]E.Indermitte，A.Saava，E.Karro，Exposure to High Fluoride Drinking Water and Risk of Dental Fluorosis in Estonia[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health，2009，6：710-721.

[11]王瑤瑤，李國瑞，魏雅，范廷玉.淮南采煤塌陷水域環(huán)境現(xiàn)狀及綜合利用調(diào)查[J].南方農(nóng)機，2016，47（01）：93.

[12]劉雪瑩，朱元.2014—2016年北京市海淀區(qū)自備井水質(zhì)衛(wèi)生狀況[J].職業(yè)與健康，2017，33（20）：2841-2844.

（責(zé)編：張宏民）