典型采煤塌陷水體水質(zhì)與富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)
——以永城市日月湖為例

劉浩天，宋剛福，2，米 曉，2

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046;2.河南省水環(huán)境模擬與治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450046)

1 引言

煤炭是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的第一能源，煤碳開采為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了有力保障，但過(guò)度開采所引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也隨之而來(lái)[1]。例如過(guò)度開采導(dǎo)致的地面坍塌，滑坡及地下水、地表水水質(zhì)的污染等問(wèn)題[2]。不同采塌陷區(qū)所面臨的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題不盡相同，解決問(wèn)題的方法也需因地制宜。對(duì)于資源型城市而言，景觀修復(fù)是采煤塌陷區(qū)治理的有效方案，采用挖深墊潛等技術(shù)結(jié)合生態(tài)修復(fù)技術(shù)打造生態(tài)旅游景區(qū)，既能使污染環(huán)境得到治理，又能為城市帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益[3]。采煤塌陷水體污染問(wèn)題嚴(yán)重影響環(huán)境和人體健康，水質(zhì)是一個(gè)重要參數(shù)，涉及到生態(tài)環(huán)境和人類生活的方方面面，例如社區(qū)衛(wèi)生、生態(tài)系統(tǒng)健康以及生物多樣性等。因此定期水質(zhì)監(jiān)測(cè)是確保民生、維持水環(huán)境健康的重要工作。

永城市是一座因煤而興的城市，煤炭開采業(yè)為全市整體發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。近些年煤炭業(yè)的發(fā)展在為該市經(jīng)濟(jì)提供巨大推力的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)重的礦區(qū)破壞問(wèn)題。長(zhǎng)期的煤炭開采導(dǎo)致該市地面龜裂、下陷，形成了大大小小的采煤塌陷區(qū)。不僅造成了土地資源的浪費(fèi)，同時(shí)也給生態(tài)環(huán)境修復(fù)帶來(lái)了巨大壓力[4]。

日月湖位于永城市東西城之間，西側(cè)有大青溝、北側(cè)有沱河、南側(cè)有躍進(jìn)溝、東側(cè)有航道，日湖與月湖不相連，湖體環(huán)境屬于封閉狀態(tài)，水動(dòng)力較弱。湖體中間被道路隔開，被分割為3個(gè)不相聯(lián)通的湖區(qū)。湖區(qū)內(nèi)現(xiàn)有耕地1100畝，水域面積達(dá)到6000余畝，最高水位可達(dá)27.5 m，湖底標(biāo)高24.5 m，蓄水量可達(dá)1190萬(wàn)m3。日月湖四周沒(méi)有污水處理設(shè)施，存在農(nóng)田、畜牧養(yǎng)殖等面源污染，周邊布有一定面積的挺水植物。日月湖曾是永城市面積最大的采煤沉陷區(qū)，由于地表塌陷，導(dǎo)致地下水上涌，形成了一片封閉的采煤沉陷水體。本研究對(duì)日月湖水環(huán)境特征和水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并為其水質(zhì)的提升和保護(hù)提供了防治措施，對(duì)日月湖采煤沉陷區(qū)水資源規(guī)劃和治理，具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與評(píng)價(jià)方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

為全面分析日月湖區(qū)域地表水情況，結(jié)合地表水水質(zhì)布點(diǎn)原則和實(shí)際情況，共對(duì)日月湖設(shè)置16個(gè)采樣點(diǎn)位，其中月湖11個(gè)，日湖5個(gè)，以1年為周期，從2020年11月開始，至2021年9月，對(duì)日月湖進(jìn)豐水期、平水期、枯水期3個(gè)時(shí)期水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，文章采用月湖和日湖的平均值作為分析數(shù)據(jù)。具體點(diǎn)位分布情況如圖1所示。

圖1 日月湖采樣點(diǎn)位分布

每個(gè)采樣點(diǎn)在水深20 cm下取水，用不銹鋼采集器采集完成后，儲(chǔ)存進(jìn)兩個(gè)聚乙烯瓶中，并將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室于冰箱中密封保存，24 h以內(nèi)對(duì)樣品水質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，指標(biāo)測(cè)定選取為TN、TP、NH3-N、葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)、Zn、Cu、Cd、Fe、Mn、Pb等指標(biāo)，葉綠素a是用棕色聚乙烯采樣瓶中的水用0.45 μm濾膜過(guò)濾后測(cè)定。研究方法如表1所示。

表1 水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)方法

2.2 評(píng)價(jià)方法

2.2.1 水質(zhì)污染評(píng)價(jià)

本論文采用單因子評(píng)價(jià)法對(duì)日月湖水質(zhì)進(jìn)行污染評(píng)價(jià)[5,6]。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》Ⅲ類水，對(duì)日月湖豐、平、枯3個(gè)時(shí)期pH值、氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行污染評(píng)價(jià)。

水質(zhì)的單因子污染指數(shù)Pi的計(jì)算公式為:

Pi=Ci/Si

(1)

式(1)中:Ci為第i種水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度(mg/L);Si為第i種水質(zhì)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(mg/L) 。

表2 單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

2.2.2.1 綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算

采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法TLI(∑)對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)[7,8]。綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法TLI(∑)根據(jù)葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮和透明度等作為參評(píng)數(shù)據(jù)，從而得出湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化程度。計(jì)算公式如下：

(2)

式(2)中：TLI(∑)為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI(j)為代表第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

以葉綠素a作為基準(zhǔn)參數(shù)，第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式為：

(3)

式(3)中：rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)葉綠素a的相關(guān)系數(shù)；m為評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。

2.2.2.2 湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等級(jí)劃分

采用0～100的一系列連續(xù)的阿拉伯?dāng)?shù)字對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)(表3)。

表3 富營(yíng)養(yǎng)化程度評(píng)價(jià)等級(jí)

2.2.2.3 各項(xiàng)目營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算

TLI(Chla)=10(2.5+1.086lnChla)

(4)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

(5)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

(6)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

(7)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCODMn)

(8)

式(4)～(8)中：

葉綠素a單位為mg/m3，透明度單位為m；其他指標(biāo)單位均為mg/L。

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)污染評(píng)價(jià)分析

2020年11月至2021年9月枯水期、平水期、豐水期總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮濃度變化如圖2～圖4所示。

由圖2可知，日月湖豐水期的總磷濃度要明顯高于枯水期和平水期，枯平豐3個(gè)時(shí)期總磷的平均濃度分別為0.040 mg/L、0.035 mg/L、0.075 mg/L，從時(shí)間上來(lái)看，濕季總磷濃度要大于干季總磷的濃度，由采樣的點(diǎn)位分布情況可知，月湖的總磷濃度整體高于日湖，尤其豐水期，月湖總磷的平均濃度達(dá)到0.091 mg/L,遠(yuǎn)高于日湖的0.040 mg/L；由圖3可知，日月湖枯水期、豐水期、平水期3個(gè)時(shí)期總氮的平均濃度分別為0.636 mg/L、0.779 mg/L、0.933 mg/L，存在由溫度的升高濃度逐漸上升的趨勢(shì)，日湖的總氮平均濃度要高于月湖，這與日湖水體流動(dòng)性較差、水動(dòng)力不足有關(guān)；由圖4可知，日月湖枯水期、豐水期、平水期3個(gè)時(shí)期高錳酸鹽指數(shù)的平均濃度分別為3.599 mg/L、3.990 mg/L、4.298 mg/L，變化趨勢(shì)仍舊是由溫度的升高存在逐漸上升的趨勢(shì)，總體而言日湖與月湖各點(diǎn)位的高錳酸鹽指數(shù)濃度并無(wú)明顯差異；由圖5可知，日月湖枯水期、豐水期、平水期3個(gè)時(shí)期氨氮的平均濃度分別為0.254 mg/L、0.215 mg/L、0.129 mg/L，變化趨勢(shì)是由溫度的升高存在逐漸下降的趨勢(shì)，總體而言，氨氮各時(shí)期濃度相對(duì)較低，達(dá)到了Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，單項(xiàng)指標(biāo)水質(zhì)情況較好。

圖2 各時(shí)期總磷濃度

圖3 各時(shí)期總氮濃度

圖4 各時(shí)期高錳酸鹽指數(shù)濃度

圖5 各時(shí)期氨氮濃度

由公式(1)計(jì)算，日湖、月湖各項(xiàng)指標(biāo)單因子污染評(píng)價(jià)指數(shù)見表4、表5。對(duì)選取的4種指標(biāo)進(jìn)行日月湖水質(zhì)的單因子評(píng)價(jià)[9]，由表4、表5可知，枯水期和平水期四項(xiàng)指標(biāo)的污染評(píng)價(jià)指數(shù)P均小于1，單項(xiàng)指標(biāo)尚無(wú)污染。而豐水期日湖總磷污染評(píng)價(jià)指數(shù)達(dá)到1.82，已處于低污染狀態(tài)，應(yīng)注意加強(qiáng)磷污染的防范。由枯水期、平水期、豐水期3個(gè)時(shí)期的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，溫度較高的豐水期氮、磷污染指數(shù)都高于枯水期和平水期，表明水質(zhì)的污染水平與溫度存在正相關(guān)趨勢(shì)。

表4 日湖單因子污染評(píng)價(jià)指數(shù) mg/L

表5 月湖單因子污染評(píng)價(jià)指數(shù) mL/L

3.2 富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)分析

參與富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)測(cè)指標(biāo)共六種，總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮見圖2～圖5，監(jiān)測(cè)期間日月湖枯水期、平水期、豐水期各點(diǎn)位葉綠素a濃度、透明度(m)變化如圖6、7所示。

圖6 各時(shí)期葉綠素a濃度

圖7 各時(shí)期透明度

日月湖16個(gè)點(diǎn)位在枯水期、平水期和豐水期的平均濃度分別為0.955 mg/m3、1.203 mg/m3、2.137 mg/m3。整體而言，豐水期的葉綠素a濃度要明顯高于枯水期和平水期，這表明進(jìn)入濕季，隨著溫度升高，湖泊藻類迅速生長(zhǎng)繁殖，葉綠素a濃度也上升明顯。由圖2分析可知，日湖上半?yún)^(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)位葉綠素a濃度在各時(shí)期都處于較高水平，其區(qū)域是由許多分散的小湖蕩組成，水體流動(dòng)性能差，自凈能力差，從而導(dǎo)致藻類生物累計(jì)和富集，影響水質(zhì)。

日月湖16個(gè)點(diǎn)位在枯水期、平水期和豐水期的變化情況如圖所示。透明度反映的是水體的清澈程度，是判斷水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，從枯水期、平水期到豐水期，水質(zhì)透明度存在逐漸變好的趨勢(shì)，平均值分別為0.50 m、0.51 m、0.58 m，這說(shuō)明隨著降雨量的增加，水質(zhì)透明度會(huì)逐漸變好。而日湖的透明度各時(shí)期都要低于月湖，這也是由于水體流動(dòng)性較差，導(dǎo)致各類懸浮物和污染物的累積導(dǎo)致。

由公式(2)計(jì)算，永城市日月湖2020年11月至2021年9月豐平枯3個(gè)時(shí)期綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)見表6、表7。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，日湖、月湖在豐、平、枯3個(gè)時(shí)期均為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。日富營(yíng)養(yǎng)化是影響湖泊水質(zhì)的重要因素，長(zhǎng)期富營(yíng)養(yǎng)化將使湖泊水環(huán)境遭到破壞。由兩個(gè)湖區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出日湖的富營(yíng)養(yǎng)化程度要略高于月湖，月湖的面積要大于日湖，水體的流動(dòng)性稍強(qiáng)，自凈能力要略強(qiáng)于日湖，評(píng)價(jià)結(jié)果表明水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度與水體的水動(dòng)力有關(guān)。

3.3 葉綠素a濃度與氮、磷營(yíng)養(yǎng)因子的關(guān)系

浮游植物的葉綠素a濃度是反映水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)[10,11]，以日月湖枯水期、平水期、豐水期3個(gè)時(shí)期16個(gè)點(diǎn)位的實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用相關(guān)分析法，對(duì)日月湖整體在3個(gè)時(shí)期中葉綠素a濃度與總磷、總氮相關(guān)性進(jìn)行分析[12](表8)。

表6 監(jiān)測(cè)期間日湖綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)評(píng)價(jià)成果

表7 監(jiān)測(cè)期間月湖綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)評(píng)價(jià)成果

從表8可以看出，3個(gè)時(shí)期葉綠素a與總氮和總磷均表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，但相關(guān)性并不顯著?？菟诤拓S水期，葉綠素a濃度與總磷的相關(guān)性略高于總氮，而平水期，葉綠素a與總氮的相關(guān)性略高于總磷。綜合分析結(jié)果可得，日月湖的葉綠素a的濃度主要與總磷相關(guān)性較大，日月湖湖泊藻類生長(zhǎng)受磷的影響更大。

表8 豐水期葉綠素a與氮、磷皮爾遜相關(guān)性分析

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

(1)日月湖水質(zhì)單項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，湖水目前水質(zhì)處于較好狀態(tài)，豐水期總磷存在輕度污染，其他指標(biāo)尚未污染。

(2)對(duì)日月湖的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，其在枯水期、平水期、豐水期均處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。

(3)對(duì)日月湖各個(gè)時(shí)期的重金屬離子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其結(jié)果均低于檢出限，說(shuō)明日月湖水體并無(wú)重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，日月湖水體目前主要面臨的是富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。日湖水體單項(xiàng)指標(biāo)氨氮、高錳酸鹽指數(shù)一直處于較好狀態(tài)，日湖與月湖在豐水期、平水期和枯水期3個(gè)時(shí)期氨氮和高錳酸鹽指數(shù)狀態(tài)并無(wú)明顯差異。水質(zhì)氮、磷水平卻一直處在下降趨勢(shì)，尤其到了豐水期月湖總磷濃度已經(jīng)處于低污染狀態(tài)，這是富營(yíng)養(yǎng)化形成的重要原因。

4.2 建議

(1)目前，日月湖水質(zhì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)能達(dá)到Ⅲ類以上較好水平，但富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題需要重視，應(yīng)加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)管力度，完善地表水和地下水的監(jiān)測(cè)水準(zhǔn)，采用周期性換水的方式改善湖區(qū)蓄水水體水質(zhì)，除地下水引水方式以外，可從以附近的沱河或者再生水做為補(bǔ)水水源，以保障日月湖水質(zhì)持續(xù)健康[12]。

(2)日月湖作為景觀建設(shè)湖，水體富營(yíng)養(yǎng)化所帶來(lái)的透明度降低，浮游生物大量繁殖等問(wèn)題勢(shì)必會(huì)影響景區(qū)環(huán)境[13]。想要更好地改善湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀況，需要采取禁止周邊村莊未經(jīng)處理的生活污水排入周圍河道和日月湖湖區(qū)，并周期性地打撈湖面污染物，在湖區(qū)周圍建設(shè)生態(tài)防護(hù)欄、生態(tài)溝渠等措施[14]改善面源污染，并依靠水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，配合水環(huán)境模型構(gòu)建，細(xì)致的分析湖泊水環(huán)境，提出更合理的解決方案，以達(dá)到長(zhǎng)期改善水質(zhì)的目的[15]。