综合营养指数法在煤矿塌陷水域富营养化评价的应用

唐鸿达 高良敏

（安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

由于煤炭的大量开采，久而久之使地面下沉形成了地面塌陷，又由于浅层地下水和雨水的汇入，形成了面积大小不等的塌陷水域。由实地调查得知，矿区的生态环境受到矿区附近的农业非点源污染影响，尤其是塌陷水域水质受其影响较大。因而有必要对矿区内塌陷水域水质情况，特别是富营养化问题进行研究关注。在塌陷水域的研究中，国内外学者也开展了一系列科研工作[1-4]。本文选取潘集杨庄和潘一矿西区这两个具有代表性的塌陷水域，对潘一西区进行了一个季节的监测和富营养化评价与分析，对潘集杨庄塌陷水域进行了两个季节的监测和富营养化评价与分析。

1 研究区域概况

位于淮南市潘集区潘集的潘一矿于1983年投产塌陷水域年龄约为23a,水域相对较封闭,附近有农田[5]。其2004年塌陷面积为23093亩到2009年为26538亩,到2010年底塌陷面积为28236亩。潘一西区水深约为1.8 m，面积约为4km2，无河流穿过，环境相对封闭。潘集杨庄塌陷区水深约为4.2m，面积约为3km2，有泥河穿过。两个塘区域内有渔业养殖，潘一西区塌陷前为农田，杨庄塌陷区塌陷前为农田和河道。潘一西区塌陷水域在杨庄塌陷区西北面，两者相距2000m左右。

2 材料与方法

2.1 采样点的布设及样品采集

采样点的布设参照 《水质——采样方案设计技术规定》(HJ495-2009)，在塌陷水域内布设12-16个采样点，具体点位用GPS定位。于2012年5月初和8月末，对塌陷塘内的水进行采样以及分析监测。样品采集与保存的工作参照《水和废水监测分析方法》[6]。

2.2 指标的监测

表1 水样检测方法一览表

根据综合营养状态指数的计算需要，选取叶绿素a(chla)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)、总磷(TP)、总氮(TN)作为其营养化评价的指标。潘一西区内12个采样点，潘集杨庄塌陷塘内16个采样点，对以上5个评价因子进行检验分析。各个指标监测参照《水和废水监测分析方法》。具体理化指标测定方法见表1。

2.3 评价方法

水体富营养化模型发展至今，我国水体富营养化评价模型主要有：营养状态指数法、修正的营养指数法、综合营养指数法、评分法等。明翠，刘霄芹等通过对太湖水质情况统计，认为不同方法的评价结果有所差别,但相关性较好。并在验算中发现营养度指数法计算步骤繁琐、耗时长,不如综合营养指数法简便易行;而评分法在实际应用过程中,如果某一参数的评分值明显低于 (或高于)其他参数的评分值,表明该参数的变化除了受富营养化的影响外,其他因子对该参数的影响亦较大,故该参数应删除,往往删除的参数受人为因素的干扰较多,影响结果的准确性。因此,选取综合营养指数法做为评价湖泊富营养化的统一方法可行的[7]。文中亦选取了该法作为本区域水体富营养化评价的方法。

2.3.1 综合营养状态指数计算公式综合营养状态指数计算公式如下：

式中：TLI（Σ）——综合营养状态指数；

Wj——第j种参数的营养状态指数的相关权重；

TLI（j）——第j种参数的营养状态指数。

Wj的得出是以chla作为基准参数，记为1，第j种参数的归一化权重计算公式记为:

式中：rij——第j种参数与基准参数chla的相关系数；

m——评价参数的个数。

2.3.2 塌陷区水域的chla与其它参数之间的相关关系rij及

金相灿等根据我国26个主要湖泊调查数据的计算结果，得出中国湖泊(水库)的chla与其它参数之间的相关关系rij的值以及的值[8]。 具体见表 ，文中将其数值引用至塌陷区水域。

2.3.3 营养状态指数计算公式

营养状态指数计算式：

式中 chla单位是mg/m3，SD单位是m；其它指标单位均为mg/L。

表2 中国湖泊(水库)的chla与其它参数之间的相关关系rij的值以及的值

表2 中国湖泊(水库)的chla与其它参数之间的相关关系rij的值以及的值

2.3.4 营养状态分级

用0～100的一系列连续数字对塌陷区水体营养状态进行分级：TLI(Σ)＜30 时，营养状况为贫营养；当 30≤TLI(Σ)≤50 时，为中营养；当 TLI(Σ)＞50 时，为富营养。 其中，当 50＜TLI(Σ)≤60 时，为轻度富营养(轻富)；当 60＜TLI(Σ)≤70 时，为中度富营养(中富)；当 TLI(Σ)＞70 时，为重度富营养(重富)。在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越高。

3 结果与讨论

3.1 各个指标的监测结果与富营养化评价结果

对潘集杨庄塌陷区在每个季度中的监测指标，取水塘该指标的平均值为监测数据。根据chla、SD、TP、TN、CODMn的监测数值，运用综合营养指数的计算公式，求得潘集杨庄两季的综合营养指数及年度平均值并对其进行评价。对潘一西区春季中的监测指标，取水塘该指标的平均值为监测数据。根据chla、SD、TP、TN、CODMn的监测数值，运用综合营养指数的计算公式，求得潘一西区塌陷水域综合营养指数并对其进行评价。具体监测数据与评价结果见表3。

3.2 讨论

3.2.1 指标检测结果讨论

表3 潘一西区和潘集杨庄陷塘水质监测及富营养化评价结果

由表2可知，同一季节不同塌陷塘的数据有较大差异，而不同季节5项指标的监测结果有着一定的季节差异。在同一季节下，潘一西区的chla、TN、TP、CODMn4项指标，均高于潘集杨庄的相应指标，而潘一西区SD则相应的低于同期的潘集杨庄。潘集杨庄塌陷区夏季CODMn和chla的平均值略高于春季，而夏季的TN、TP和SD监测结果则高于春季对应数值。究其原因，有以下几点：

1）透明度随季节的变化有一定的变化，春秋季气温低，人类活动教少，透明度高；夏季水温高，鱼类和水生生物生长快，降低了水体透明度，同时也消耗了相当一部分的氮磷及有机物。

2）潘集杨庄塌陷区夏季平均水深约为4.5米，而春季则约为3.9米。夏季雨水充沛，且有河流经过，塘内水量增加，对Chla、TN、CODMn、TP有较为明显的稀释作用。但同时雨水也会形成地表径流，将周边的农业及生活污染物携带冲刷至塘内，因而可能增加chla、TN、CODMn、TP的浓度。在以上因素相互影响的情况下，杨庄塌陷水域内的chla和CODMn含量略微上升。

3）潘一西区塌陷水域水源主要为自然降水和地下水补充，水环境相对封闭，物质交换较为缓慢，且由于周边是村庄和农田，受人为影响较大，污染物进入后易形成富集。但潘集杨庄沉陷区域正好有泥河经过，在泥河的推流作用下，加快了物质的迁移和交换，有利于水体自净作用。因而潘一西区塌陷水域在同一季节内，各项监测指标均高于潘集杨庄。

3.2.2 富营养化讨论

由表3可知潘一矿塌陷水域均达到富营养化水平，其中潘一西区塌陷水域春季综合营养指数为64.6，属于中度营养状态；潘集杨庄塌陷区水域年综合营养指数为55.8，属于轻度营养状态，与张冰等[9]，研究采煤塌陷区水域影响状态一致。由单因子营养状况指数的计算结果，以整个区域而言，富营养化的主要贡献因子为SD（最大值73.2和平均值 64.0）和 chla(最高值 65.1 和平均值 63.2)，而 TN（最大值 67.6和平均值 62.7）和 TP（最大值 63.3 和平均值 57.2）次之，CODMn（最大值53.5和平均值50.3）贡献最小。同一季节下，其潘一西区的富营养化程度高于潘集杨庄；不同季节，潘集杨庄采煤塌陷区水域春夏季富营养化程度相差不大。

4 结语

文中给出了潘一西区和和潘集杨庄塌陷塘水域水质富营养化的监测与评价结果，总体而言，该区的水质整体已经达到轻度富营养化的水平以上。虽然目前其富营养化程度并不很高，但由于其水深、面积、水量还在不断变化，且人类活动对塌陷区的影响日益加剧，对该区域的水质持续监控及对周边污染的防治仍十分重要。

［1］冯娜娜,高良敏,卓利玲.主成分分析法在煤矿塌陷水域水质评价的应用[J].安徽理工大学学报:自然科学版,2012,32(2):55-58.

［2］刘振宇.黑龙江省煤炭型城市采煤塌陷区问题研究[J].企业技术开发,2010,29(22):28-30.

［3］童柳华,刘劲松.潘集矿区塌陷水域水质评价及其综合利用[J].中国环境监测,2009,25(4):76-80.

［4］计承富,桂和荣.矿区塌陷塘水体主要营养盐的调查分析[J].哈尔滨工业大学学报,2009,41(2)：202-204.

［5］徐良骥,严家平,高永梅.淮南矿区塌陷水域环境效应[J].煤炭学报,2008,33(4):420-422.

［6］国家环境保护总局.水和废水监测分析疗法编委会.水和废水监测分析疗法.4 版[M].北京:中国环境科学出版社,2002.

［7］明翠,刘霄芹,张建辉.湖泊富营养化评价方法及分级标准[J].中闰环境监测,2002,18(5)：47-49.

［8］金相灿,屠清瑛.湖泊寓营养化调查规范.2版[M].北京:中国环境科学出版社,1990:294-295.

［9］张冰,严家平,范廷玉,等.采煤塌陷水域富营养化评价与分析[J].煤炭技术,2012,21(1):159-161.