高潛水位采煤沉陷區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)與污染因子識(shí)別

胡 林，陳永春，徐燕飛，李 兵，王 錦，安士凱2,，陳 晨，孫宏杰，苗 偉

(1.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；2.安徽省煤礦綠色低碳發(fā)展工程研究中心，安徽 淮南 232001；3.煤炭開采國(guó)家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232001)

安徽淮南礦區(qū)是我國(guó)14 個(gè)億噸煤炭基地、6 大煤電基地之一，同時(shí)又是我國(guó)東部重要的糧油生產(chǎn)基地，屬于典型的煤糧復(fù)合區(qū)。由于煤層厚度較大、地下水位埋藏深度淺、區(qū)域降水豐沛、地表水系發(fā)達(dá)等原因，煤炭地下開采易造成地表沉陷，形成相對(duì)獨(dú)立或有連通的沉陷積水區(qū)域?；茨系V區(qū)沉陷積水面積大、范圍廣，水環(huán)境問題突出。沉陷區(qū)水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)及污染因子識(shí)別是解決水環(huán)境問題的基礎(chǔ)，可為采煤沉陷區(qū)污染水體的防治和管控提供有效和針對(duì)性的依據(jù)，對(duì)正確分析當(dāng)前的礦區(qū)水環(huán)境形勢(shì)和問題，開展沉陷區(qū)水資源的分類以及水資源保護(hù)具有重要作用，同時(shí)也可為地方政府部門制定環(huán)保決策提供依據(jù)。

隨著社會(huì)對(duì)采煤沉陷積水區(qū)水體環(huán)境的重視，針對(duì)采煤沉陷區(qū)水環(huán)境問題的研究與報(bào)告也越來越多。一段時(shí)期以來，學(xué)界對(duì)沉陷區(qū)水域水質(zhì)指標(biāo)的研究集中于DO、NH3-N、CODcr、TP、TN 等常規(guī)理化指標(biāo)[1-5]。近年來，針對(duì)危害人類健康的As、Hg、Cu、Cr、F-等水體重金屬及無機(jī)陰離子指標(biāo)成為研究焦點(diǎn)[6-9]。針對(duì)沉陷區(qū)水域的水質(zhì)評(píng)價(jià)，研究學(xué)者開展了大量基礎(chǔ)性研究及應(yīng)用，目前常用的評(píng)價(jià)方法有單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法等[10-13]。針對(duì)沉陷區(qū)水域的污染因子識(shí)別也得到了廣泛的研究，例如：采用因子分析和相關(guān)性分析對(duì)宿州煤礦塌陷區(qū)進(jìn)行污染來源分析[1]。

雖然許多學(xué)者針對(duì)采煤沉陷積水區(qū)水質(zhì)做了大量研究，也取得了豐碩的成果，但大多數(shù)研究區(qū)域多集中在少數(shù)幾個(gè)礦區(qū)，或研究的水質(zhì)指標(biāo)只集中在少數(shù)幾個(gè)參數(shù)，缺少大范圍、長(zhǎng)系列、多參數(shù)的沉陷區(qū)整體水質(zhì)現(xiàn)狀研究，尤其對(duì)高潛水位礦區(qū)沉陷區(qū)水域典型污染因子的研究與識(shí)別較少?；诖?，筆者選取淮南礦區(qū)為研究對(duì)象，采集15 對(duì)礦井、102 片沉陷積水區(qū)、175 個(gè)點(diǎn)位的水樣，開展常規(guī)、重金屬、無機(jī)陰離子、有機(jī)物4 類13 項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試分析，分析沉陷區(qū)水質(zhì)特征，總結(jié)水質(zhì)分布規(guī)律，識(shí)別污染因子，開展水質(zhì)評(píng)價(jià)及水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)，以期為地方政府制定生態(tài)環(huán)保決策提供數(shù)據(jù)支撐，也為國(guó)內(nèi)其他高潛水位采煤沉陷區(qū)的水環(huán)境治理工作提供技術(shù)借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

安徽淮南礦區(qū)內(nèi)煤層厚且發(fā)育穩(wěn)定，產(chǎn)狀平緩，受地下潛水位較高、多煤層重復(fù)采動(dòng)、煤層上覆第四系巨厚松散層、地表河網(wǎng)密布等因素影響，采動(dòng)后的地表形成了大面積采煤沉陷積水區(qū)。近10 年來，隨著煤礦開采活動(dòng)的進(jìn)行，沉陷區(qū)水域面積不斷擴(kuò)大，水環(huán)境問題得到廣泛關(guān)注。截至目前，淮南礦區(qū)范圍內(nèi)采煤沉陷區(qū)面積共計(jì)約253.33 km2，常年積水面積約占一半。采煤沉陷區(qū)在各礦井內(nèi)均有分布，在八公山一帶、潘謝礦區(qū)潘集和新集、謝橋至劉莊形成3 個(gè)呈北西向延伸的、連片分布的較大沉陷區(qū)，這3 個(gè)沉陷區(qū)均是煤炭開采程度較高的礦井所在區(qū)域。以淮河為界，淮河以南主要包括李一礦、李二礦、新莊孜礦、李嘴孜礦、謝一礦等關(guān)閉礦井；淮河以北分布了謝橋礦、張集礦、顧北礦、顧橋礦、丁集礦、朱集東礦、潘三礦、潘一礦、潘二礦等礦井，除潘一礦外均為在產(chǎn)礦井。研究區(qū)溝渠交錯(cuò)、河系水網(wǎng)發(fā)達(dá)，按照沉陷水體與水系是否溝通的原則，將沉陷區(qū)分為封閉型采煤沉陷區(qū)和開放型采煤沉陷區(qū)2 種類型。

1.2 樣品采集與測(cè)試

本次野外采樣范圍為淮南礦區(qū)采煤形成的沉陷積水區(qū)，東西長(zhǎng)約70 km，南北傾斜寬約25 km。經(jīng)全面梳理淮南礦區(qū)采煤沉陷區(qū)范圍、分布特征，依據(jù)《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》要求，按照“以礦劃分、分片采樣”的思想將研究區(qū)采煤沉陷區(qū)劃分為15 片沉陷區(qū)水域，共布設(shè)175 個(gè)采樣點(diǎn)，如圖1 所示，其中沉陷區(qū)采樣點(diǎn)145 個(gè)、河流采樣點(diǎn)30 個(gè)。采樣點(diǎn)布設(shè)原則如下：對(duì)于封閉型采煤沉陷區(qū)，在沉陷積水區(qū)上中下位置共布設(shè)采樣點(diǎn)1～3 個(gè)；對(duì)于開放型采煤沉陷區(qū)，在來水源頭(河流、湖泊)的上下游布置采樣點(diǎn)1～2 個(gè)，在沉陷積水區(qū)布設(shè)采樣點(diǎn)1～3 個(gè)。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling points in the study area

為了提高采樣效率和精度，本次采用“大疆M300”型無人機(jī)進(jìn)行采樣作業(yè)。由采樣人員操控?zé)o人機(jī)飛至指定位置，采樣深度控制在水面以下20～50 cm。與傳統(tǒng)人工采樣方法相比，運(yùn)用無人機(jī)采樣省時(shí)省力，操作簡(jiǎn)單，避免了地形和水域環(huán)境的干擾，采樣的效率和科學(xué)性大大提高。在每個(gè)采樣點(diǎn)采集4 L 水樣，NH3-N指標(biāo)測(cè)試樣品加硫酸酸化至pH<2，重金屬指標(biāo)測(cè)試樣品中每升水加入10 mL 硝酸進(jìn)行酸化處理，葉綠素測(cè)試樣品利用錫紙膜做好避光處理。歷時(shí)20 d，完成175 個(gè)點(diǎn)位的水樣采集工作，采樣結(jié)束后將樣品立即運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)近3 000 個(gè)。

1.3 研究方法

依據(jù)《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，將監(jiān)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)分為4 類13 項(xiàng)。(1)常規(guī)指標(biāo)：溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)、化學(xué)需氧量(COD)；(2) 重金屬指標(biāo)：砷(As)、汞(Hg)、銅(Cu)、鉻(Cr)；(3) 無機(jī)陰離子指標(biāo)：氟離子(F-)；(4) 有機(jī)類指標(biāo)：甲基對(duì)硫磷、馬拉硫磷、樂果。指標(biāo)測(cè)試過程主要使用紫外可見分光光度計(jì)(氨氮、總磷等常規(guī)指標(biāo))、原子熒光儀(砷、汞等重金屬)、原子吸收儀(銅等重金屬)、離子色譜儀(無機(jī)陰離子)及氣相色譜儀(甲基對(duì)硫磷等農(nóng)藥殘留)等儀器。

2 沉陷區(qū)水質(zhì)及水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

2.1 沉陷區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)

2.1.1 方法優(yōu)選

查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，單因子評(píng)價(jià)法[14-15]存在一定的片面性，不足以完整反映區(qū)域性沉陷區(qū)的水質(zhì)現(xiàn)狀；綜合污染指數(shù)法適合評(píng)價(jià)指標(biāo)污染程度相當(dāng)?shù)乃w，但不能直觀判斷水質(zhì)類別；內(nèi)梅羅污染指數(shù)法[16-18]在一定程度兼顧了其他水質(zhì)較好的參評(píng)因子對(duì)總體結(jié)果的貢獻(xiàn)，能判斷綜合水質(zhì)是否達(dá)到功能區(qū)目標(biāo)，故本次采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法進(jìn)行研究區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。計(jì)算公式如下：

表1 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Water quality evaluation standard of Nemerow Pollution Index method

式中：Fi為第i種污染因子實(shí)測(cè)濃度與其在某環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)第j種標(biāo)準(zhǔn)值的比值；Pj為按某環(huán)境要素質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中第j種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出的評(píng)分值，內(nèi)梅羅污染指數(shù)法水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1；Fmax為在某環(huán)境要素質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)下Fi的最大值；Fave為在某環(huán)境要素質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)下Fi的算術(shù)平均值；i為參評(píng)污染因子數(shù)量，i=1,2,···,n；j為某環(huán)境要素質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)選取的污染因子所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量類別，j=1,2,···,m；Ci為第i種污染因子的實(shí)測(cè)濃度；Sij為第i種污染因子在某環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中第j種標(biāo)準(zhǔn)下的標(biāo)準(zhǔn)值。

2.1.2 整體水質(zhì)評(píng)價(jià)

考慮到采樣區(qū)域分為封閉型采煤沉陷區(qū)及開放型采煤沉陷區(qū)2 大類，為了提高水質(zhì)評(píng)價(jià)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，按照沉陷區(qū)類型分別進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。對(duì)于封閉型采煤沉陷區(qū)，考慮到沉陷積水區(qū)的功能、用途不盡相同，分別對(duì)標(biāo)地表水Ⅲ類、Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于開放型采煤沉陷區(qū)，參照沉陷區(qū)所連通河流的現(xiàn)狀水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1) 開放型

依據(jù)淮南市生態(tài)環(huán)境局發(fā)布的《2021 年淮南市環(huán)境質(zhì)量狀況公報(bào)》[19]，研究區(qū)開放型采煤沉陷區(qū)所涉及的淮河、泥河、架河、西淝河、濟(jì)河等水體水質(zhì)均為Ⅲ類水，故水質(zhì)評(píng)價(jià)參考標(biāo)準(zhǔn)取地表水Ⅲ類。評(píng)價(jià)結(jié)果見表2，水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良的指標(biāo)有3 項(xiàng)，分別為Cu、As 和Cr；評(píng)價(jià)等級(jí)為良好的指標(biāo)有5 項(xiàng)，分別為DO、COD、NH3-N、Hg 和F-；評(píng)價(jià)等級(jí)為較好的指標(biāo)有2 項(xiàng)，分別為TN、TP；無水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為較差和差的指標(biāo)。

表2 采煤沉陷區(qū)整體水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Overall water quality evaluation results of coal mining subsidence area

2) 封閉型

考慮到封閉型沉陷積水區(qū)的功能、用途不盡相同，本著科學(xué)客觀評(píng)價(jià)的態(tài)度，分別對(duì)標(biāo)地表水Ⅲ類、Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封閉型采煤沉陷區(qū)的水質(zhì)評(píng)價(jià)。對(duì)于淮南礦區(qū)封閉型采煤沉陷區(qū)：對(duì)標(biāo)地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良的指標(biāo)有2 項(xiàng)，分別為Cu 和Cr；等級(jí)為良好的指標(biāo)有4 項(xiàng)，分別為DO、NH3-N、As、Hg；等級(jí)為較好的指標(biāo)有2 項(xiàng)，分別為COD 和TN；等級(jí)為較差的指標(biāo)有2 項(xiàng)，分別為TP、F-。對(duì)標(biāo)地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良的指標(biāo)有5 項(xiàng)，分別為NH3-N、As、Hg、Cu、Cr；等級(jí)為良好的指標(biāo)有4 項(xiàng)，分別為DO、COD、TN、TP；等級(jí)為較好的指標(biāo)有1 項(xiàng)，為F-。

2.1.3 分區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)

考慮到研究區(qū)面積較大(1 591 km2)，且各礦開采方式、開采年限、與地表水系連通等情況不盡相同，為進(jìn)一步探究不同類型礦區(qū)的水質(zhì)狀況，根據(jù)礦井生產(chǎn)實(shí)際、地理位置和后期水質(zhì)評(píng)價(jià)需求，將研究區(qū)劃分為老礦區(qū)、潘集片區(qū)、鳳臺(tái)潁上片區(qū)3 個(gè)區(qū)域，劃分情況如圖2 所示。其中：老礦區(qū)地理處在淮河以南，均為關(guān)閉礦井，沉陷區(qū)水域形成時(shí)間長(zhǎng)，水體環(huán)境較為穩(wěn)定，含李一、李二、謝一、李嘴孜、新莊孜5 對(duì)礦井；潘集片區(qū)地理處在淮河以北，開礦時(shí)間較短，基本為生產(chǎn)礦井，沉陷區(qū)水域被泥河貫通，含潘一、潘二、潘四東、朱集東、潘三5 對(duì)礦井；鳳臺(tái)潁上片區(qū)開礦時(shí)間最短，開放型沉陷區(qū)水域數(shù)量較多，且多數(shù)沉陷水體被濟(jì)河與西淝河貫通，含丁集、顧橋、顧北、張集、謝橋5 對(duì)礦井。采煤沉陷區(qū)分區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

表3 采煤沉陷區(qū)分區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Evaluation results of water quality in mining subsidence area

圖2 不同類型礦區(qū)劃分Fig.2 Division map of different types of mining area

1) 開放型

老礦區(qū)：水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良的指標(biāo)有5 項(xiàng)，分別為TP、Cu、As、F-和Cr；等級(jí)為良好的指標(biāo)有5 項(xiàng)，分別為DO、COD、TN、NH3-N、Hg。

潘集片區(qū)：水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良的指標(biāo)有3 項(xiàng)，分別為Cu、As 和Cr；等級(jí)為良好的指標(biāo)有7 項(xiàng)，分別為DO、COD、TN、NH3-N、TP、Hg 和F-。

鳳臺(tái)潁上片區(qū)：水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良的指標(biāo)有3 項(xiàng)，分別為Cu、As 和Cr；等級(jí)為良好的指標(biāo)有5 項(xiàng)，分別為DO、COD、NH3-N、Hg 和F-；等級(jí)為較好的指標(biāo)有2 項(xiàng)，分別為TN、TP。

2) 封閉型

(1) 對(duì)標(biāo)地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)

老礦區(qū)：水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良的指標(biāo)有5 項(xiàng)，分別為NH3-N、As、Cu、Cr 和F-；等級(jí)為良好的指標(biāo)有4 項(xiàng)，分別為DO、COD、TN 和Hg；等級(jí)為較好的指標(biāo)有1 項(xiàng)，分別為TN。

潘集片區(qū)：水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良的指標(biāo)有3 項(xiàng)，分別為As、Cu 和Cr；等級(jí)為良好的指標(biāo)有3 項(xiàng)，分別為DO、NH3-N 和Hg；等級(jí)為較好的指標(biāo)有3 項(xiàng)，分別為COD、TN 和TP；等級(jí)為較差的指標(biāo)有1 項(xiàng)，為F-。

鳳臺(tái)潁上片區(qū)：水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良的指標(biāo)有3 項(xiàng)，分別為As、Cu 和Cr；等級(jí)為良好的指標(biāo)有3 項(xiàng)，分別為TP、NH3-N 和Hg；等級(jí)為較好的指標(biāo)有3 項(xiàng)，分別為DO、COD 和F-；等級(jí)為較差的指標(biāo)有1 項(xiàng)，為TP。

(2) 對(duì)標(biāo)地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)

老礦區(qū)：水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良的指標(biāo)有8 項(xiàng)，分別為COD、TP、NH3-N、Hg、As、Cu、Cr 和F-；等級(jí)為良好的指標(biāo)有1 項(xiàng)，為TP；等級(jí)為較好的指標(biāo)有1 項(xiàng)，為DO。

潘集片區(qū)：水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良的指標(biāo)有5 項(xiàng)，分別為NH3-N、Hg、As、Cu、Cr；等級(jí)為良好的指標(biāo)有3 項(xiàng)，分別為COD、TP、TN；等級(jí)為較好的指標(biāo)有2 項(xiàng)，為DO 和F-。

鳳臺(tái)潁上片區(qū)：水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為優(yōu)良的指標(biāo)有6 項(xiàng)，分別為DO、NH3-N、Hg、As、Cu、Cr；等級(jí)為良好的指標(biāo)有4 項(xiàng)，分別為COD、TP、TN 和F-。

2.2 沉陷區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

根據(jù)研究，淮南礦區(qū)沉陷水體主要污染物為營(yíng)養(yǎng)元素，故采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進(jìn)行研究區(qū)水體的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)。營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算采用均值方法，選取COD、TN、TP 和Chl(葉綠素)共4 個(gè)指標(biāo)，用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下：

式中：TLI(∑)為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；wb為b種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；rb為第b種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chl 的相關(guān)系數(shù)；c為評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)；TLI(b)為第b種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，分別由以下公式計(jì)算：

根據(jù)水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的污染程度，分成貧營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)、輕度富營(yíng)養(yǎng)、中度富營(yíng)養(yǎng)及重度富營(yíng)養(yǎng)5 種水平[20-23]，沉陷水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。計(jì)算結(jié)果顯示：175 個(gè)采樣點(diǎn)的綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)范圍為40～90。其中：15 個(gè)采樣點(diǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)為輕度富營(yíng)養(yǎng)；90 個(gè)采樣點(diǎn)為中度富營(yíng)養(yǎng)；4 個(gè)采樣點(diǎn)為中營(yíng)養(yǎng)；66 個(gè)采樣點(diǎn)為重度富營(yíng)養(yǎng)?；茨系V區(qū)沉陷區(qū)水域平均營(yíng)養(yǎng)指數(shù)大小為68.61，屬于中度富營(yíng)養(yǎng)，說明沉陷區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)水平適中。

表4 水體富營(yíng)養(yǎng)化程度評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Water eutrophication assessment results

3 沉陷區(qū)污染因子識(shí)別

3.1 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

根據(jù)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對(duì)研究區(qū)參評(píng)因子的計(jì)算結(jié)果，初步識(shí)別了沉陷區(qū)污染因子有2 項(xiàng)，分別為：TP和F-，污染狀況分布如圖3 所示。對(duì)于開放型水域，TP、F-指標(biāo)較差的區(qū)域集中在張集、潘一沉陷區(qū)；對(duì)于封閉型水域，TP 指標(biāo)較差的區(qū)域集中在潘一、潘三、顧橋、顧北、張集沉陷區(qū)，F(xiàn)-污染分布呈現(xiàn)地域特征，淮河以北沉陷區(qū)指標(biāo)普遍較差，淮河以南沉陷區(qū)指標(biāo)普遍優(yōu)良。

圖3 TP、F-污染狀況分布Fig.3 TP,F- pollution distribution

將老礦區(qū)、潘集片區(qū)、鳳臺(tái)潁上片區(qū)的開放型、封閉型沉陷區(qū)污染指數(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果如圖4 所示：研究區(qū)所有水域的3 個(gè)片區(qū)中，Cr、Cu、Hg、As、NH3-N、TN、COD、DO 指標(biāo)均較好，整體處于“優(yōu)良-較好”區(qū)間內(nèi)；開放型水域3 個(gè)片區(qū)F-、TP 指標(biāo)較好，處于“優(yōu)良-較好”區(qū)間內(nèi)；封閉型水域潘集片區(qū)F-處于“較差”區(qū)間內(nèi)，鳳臺(tái)潁上片區(qū)TP 處于“較差”區(qū)間內(nèi)；分析3 個(gè)片區(qū)污染指數(shù)分布情況，區(qū)域污染程度表現(xiàn)為：鳳臺(tái)潁上片區(qū)>潘集片區(qū)>老礦區(qū)。

圖4 開放型與封閉型沉陷區(qū)污染指數(shù)對(duì)比Fig.4 Contrast map of pollution index in flood period

3.2 單因子評(píng)價(jià)法

對(duì)標(biāo)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，分析結(jié)果見表5：(1) 常規(guī)指標(biāo)中，DO Ⅰ—Ⅲ類占比66.86%，超過Ⅴ類占比5.71%；NH3-N Ⅰ—Ⅲ類占比89.14%，超過Ⅴ類占比0.57%。COD Ⅰ—Ⅲ類占比39.43%，超過Ⅴ類占比21.71%；TP Ⅰ—Ⅲ類占比71.43%，超過Ⅴ類占比21.13%；TN Ⅰ—Ⅲ類占比12.57%，超過Ⅴ類占比53.14%。(2) 重金屬指標(biāo)中，As Ⅰ類占比100%；Cu、Cr Ⅰ—Ⅱ類占比100%；Hg Ⅰ—Ⅳ類占比100%。(3) 無機(jī)陰離子指標(biāo)F-Ⅰ—Ⅲ類占比58.86%，超過Ⅴ類占比16.25%。

表5 沉陷區(qū)水質(zhì)指標(biāo)單因子法評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Evaluation results of water quality index in subsidence area by single factor method

單因子法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，常規(guī)指標(biāo)中DO、NH3-N超過Ⅴ類占比極小，而COD、TP、TN 超過Ⅴ類占比較大；研究區(qū)所有水域均無重金屬超標(biāo)現(xiàn)象，測(cè)試結(jié)果極佳；無機(jī)陰離子指標(biāo)F-超過Ⅴ類占比較大。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，開放型水域有3 個(gè)沉陷區(qū)存在超地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的水樣；封閉型水域有7 個(gè)沉陷區(qū)存在超Ⅴ類水樣。開放型采煤沉陷區(qū)水質(zhì)狀況整體優(yōu)于封閉型采煤沉陷區(qū)。

甲基對(duì)硫磷、馬拉硫磷、樂果3 項(xiàng)農(nóng)藥指標(biāo)，可以通過食物鏈傷害人體。有機(jī)類指標(biāo)測(cè)試結(jié)果顯示，所有水樣中均未檢出上述3 項(xiàng)農(nóng)藥指標(biāo)，初步說明研究區(qū)域水體中不含上述3 項(xiàng)農(nóng)藥殘留。

基于單因子評(píng)價(jià)法分析13 項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，淮南礦區(qū)沉陷區(qū)主要污染因子有COD、TP、TN、F-共4 項(xiàng)，各污染因子超地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)情況如圖5 所示。李一、李二、謝一、新莊孜、李嘴孜、潘二、朱集東沉陷區(qū)無污染因子，水質(zhì)狀況最佳；污染因子數(shù)最多的為潘一(4 個(gè))、潘三(3 個(gè))、顧 橋(3 個(gè))、張集(3 個(gè))沉陷區(qū)，污染因子分布情況見表6。

表6 沉陷區(qū)污染因子分布情況Table 6 Distribution of pollution factors in subsidence area

圖5 各污染因子超地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)所占比例Fig.5 The proportion of each pollution factor exceeding the surface water class V standard

3.3 識(shí)別結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)比2 種沉陷區(qū)污染因子識(shí)別結(jié)果發(fā)現(xiàn)：內(nèi)梅羅污染指數(shù)法識(shí)別污染因子2 項(xiàng)，分別為TP 和F-；單因子評(píng)價(jià)法識(shí)別污染因子4 項(xiàng)，分別為COD、TP、TN和F-，TP 和F-為共同識(shí)別的污染因子。不難發(fā)現(xiàn)，單因子評(píng)價(jià)法選擇水質(zhì)最差的單項(xiàng)指標(biāo)所屬類別來確定所屬水域的綜合水質(zhì)類別，適用于評(píng)價(jià)污染物較為單一或受某一污染物影響較為嚴(yán)重的水體；而內(nèi)梅羅污染指數(shù)法在一定程度兼顧了其他水質(zhì)較好的參評(píng)因子對(duì)總體結(jié)果的貢獻(xiàn)，適合大范圍、大尺度的區(qū)域性污染因子識(shí)別及水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)。從保護(hù)煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的角度出發(fā)，綜合考慮2 種評(píng)價(jià)結(jié)果的特性，最終識(shí)別出污染因子4 項(xiàng)，分別為COD、TP、TN 和F-。

3.4 沉陷區(qū)污染源淺析

前述研究表明，研究區(qū)主要污染因子有4 項(xiàng)，分別為COD、TP、TN、F-。前3 項(xiàng)指標(biāo)可以表征水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度，值越高代表水體富營(yíng)養(yǎng)化越嚴(yán)重；第4 項(xiàng)指標(biāo)主要是以氟化氫及其他氟化物的形式出現(xiàn)，水體中氟化物濃度高會(huì)使人體骨骼受害。

針對(duì)超標(biāo)因子，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沉陷區(qū)范圍內(nèi)無明顯排污口，周邊煤礦均設(shè)有獨(dú)立的污水處理設(shè)施，推測(cè)受采礦等工業(yè)活動(dòng)污染的可能性極小；超標(biāo)點(diǎn)位附近散布耕地和居民生活用地，容易受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面源和居民生活點(diǎn)源的污染；其次，也存在受污染因子本底值較高等環(huán)境因素影響的可能性。下一步需采集不同水期的樣品，深入分析研究區(qū)水質(zhì)狀況及污染因子是否受到水期的影響；同時(shí)采集周邊農(nóng)田、溝渠、居民點(diǎn)水樣以及沉陷區(qū)底泥等樣品，具體分析環(huán)境因素對(duì)沉陷區(qū)水質(zhì)的影響程度，溯清污染源頭。調(diào)查同時(shí)發(fā)現(xiàn)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度較高的沉陷水體大多被私人承包，存在魚類、貝類養(yǎng)殖的現(xiàn)象，推測(cè)這是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素。

針對(duì)已污染沉陷區(qū)的治理問題，筆者提出以下建議：一是盡快溯源。將現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與采樣分析相結(jié)合，查明污染因子的超標(biāo)原因，控制住污染源頭。二是強(qiáng)化管理。建議政府部門加強(qiáng)對(duì)沉陷區(qū)的屬地管理，從政策上引導(dǎo)并規(guī)范沉陷區(qū)水域承包商的養(yǎng)殖行為，最大限度減輕水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度。三是加強(qiáng)治理。采用物理法、化學(xué)法、生物法等多種手段，進(jìn)行污染水域的治理工作，使其恢復(fù)正常水體功能，滿足周邊居民的生產(chǎn)生活需求。

4 結(jié)論

a.采用了無人機(jī)技術(shù)，采集安徽淮南礦區(qū)15 對(duì)礦井、102 片沉陷積水區(qū)、175 個(gè)點(diǎn)位的水樣，開展水質(zhì)測(cè)試分析，無人機(jī)技術(shù)提供了大規(guī)模數(shù)據(jù)量。

b.優(yōu)選了內(nèi)梅羅污染指數(shù)法，從整體、分區(qū)2 個(gè)維度分別對(duì)開放型及封閉型沉陷區(qū)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，得出了相關(guān)離子在不同地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)下的污染級(jí)別，結(jié)果顯示開放型沉陷區(qū)水域水質(zhì)狀況整體優(yōu)于封閉型。

c.綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果表明：研究區(qū)綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)范圍為40～90，平均68.61，屬于中度富營(yíng)養(yǎng)，沉陷區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)水平適中。

d.采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、單因子評(píng)價(jià)法2 種方法識(shí)別污染因子，從保護(hù)煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的角度出發(fā)，最終確定研究區(qū)污染因子有COD、TP、TN 和F-。

e.對(duì)于污染因子溯源問題，筆者團(tuán)隊(duì)正在圍繞上游河流污染、沉陷區(qū)底泥污染、水期影響3 個(gè)方面開展研究，將連續(xù)3 年分豐、枯2 期對(duì)研究區(qū)開展大尺度、長(zhǎng)系列采樣測(cè)試，調(diào)查沉陷區(qū)水域周邊潛在污染源，以期盡快溯清污染源頭。