淮南采煤塌陷湖泊水环境评价

张银

摘  要：选取淮南5个矿区的塌陷湖泊作为研究站点（XQ、ZJ、GQ、GB、DJ），对塌陷水体的水质情况进行分析评价。结果表明，淮南矿区塌陷水体主要为Ⅲ、Ⅳ类水质标准，水体富营养化问题比较严重，基本为“重度富营养化”，N、P营养物质是塌陷水体主要特征污染物。淮南采煤沉陷区水体富营养化控制的关键在于对N、P的控制，未来在对塌陷水体开发利用的同时，也要加强对水资源的保护。

关键词：矿区;塌陷湖泊;水环境

中图分类号 X824文献标识码 A文章编号 1007-7731（2019）04-0108-04

Abstract：The collapsed lakes in the five mining areas of Huainan were selected as research sites （XQ， ZJ， GQ， GB， DJ） to analyze and evaluate the water quality of the collapsed water bodies. The results show that the water bodies in the Huainan mining area are mainly Grade III and IV water quality standards. The problem of water eutrophication is relatively serious， which is basically“severe eutrophication”. N and P nutrients are the main characteristic pollutants of the collapsed water body. The key to the control of eutrophication in the Huainan coal mining subsidence area lies in the control of N and P. In the future， the development and utilization of subsided water bodies should also strengthen the protection of water resources.

Key words：Mining area;Collapsed lake;Water environment

近年來，我国煤炭资源的持续开采，导致了大面积的土地资源遭到破坏，地表沉陷。在地下水位埋藏浅的东部平原矿区，地表塌陷集聚形成了大面积积水区域[1]。淮南采煤沉陷区是我国采煤沉陷的典型代表，依据淮南矿区相关研究资料表明，淮南沉陷积水区面积约100km2，至2020年可储备约7亿～10亿m3的淡水资源[2]，塌陷积水区已成为淮南矿区一种特殊的地表水体，其水源主要由雨水、地表径流和浅层地下水形成。塌陷积水区水体生态系统营养结构和矿区生态环境相互影响，矿区水质环境受煤层地质、周围农业活动、人为干扰和自然环境的影响，水质演变复杂。受采矿活动影响，矿区内塌陷水体的生态环境、利用方式不同，水体污染程度、营养状态也存在一定的差异[3]。目前，对淮南塌陷区水生态环境研究主要集中在水量评估和水质的评价方面[4]，淮南采煤沉陷积水区营养水平具有“中营养-轻度富营养”、“中度富营养”至“富营养化”多类营养状态。本研究通过对塌陷区水生态环境质量进行监测以及对水环境进行评价，为塌陷区水资源利用、污染控制及生态修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 淮南矿区位于我国南北地理分界线附近，地表水系丰富，长期的采煤活动导致大面积的村庄、农田沉降，形成塌陷水体[5]。矿区每年煤炭资源开采、发电产生的煤矸石和粉煤灰高达500万t，占用耕地约45km2[6]，对矿区生态环境、经济发展造成了重大影响。

1.2 样品采集与分析 潘谢矿区塌陷水域较多，本研究选取谢桥、张集、顾北、顾桥、丁集5个矿区为研究对象，分别命名为XQ（2）、ZJ（5）、GB（1）、GQ（4）、DJ（3），塌陷水域面积约53km2，每个矿区塌陷水域设置不等平行采样点，分丰、平、枯水期3个时期进行采样分析。依据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》和塌陷区现状，现场主要测定：水温、溶解氧、pH值和电导率;实验室分析：TSS、COD、氮（TN、三氮）、磷（TP、PO4-P）和叶绿素a浓度等水质常规指标，分析方法如表1所示。

1.3 数据分析方法

1.3.1 水环境质量评价 本研究选取单因子指数法和综合污染指数法，单因子评价法可用于确定主要污染物和主要污染源，而后者能反映水体综合污染状态，说明水体污染程度。综合指数评价法是对各污染指标的相对污染指数进行统计，以确定水体污染程度和主要污染物，并对水污染状况进行综合判断[7-8]，是水体所含污染物对水体综合污染程度的一种数量指标。假设各参与评价因子对水质的贡献基本相同，采用各评价因子标准指数加和的算术平均值进行计算，同时也反映了多个水质参数与相应标准之间的综合对应关系，计算公式如下：

1.3.2 富营养化评价 湖泊富营养化问题是湖泊水体在自然因素和人类活动影响下，大量营养盐输入湖泊水体，使湖泊由贫营养状态向生产力水平较高的富营养状态变化现象[9]。湖泊富营养化导致了植物生长所需的N、P等营养物质的增加，破坏了水体的生态平衡，使原有生态系统结构发生改变、功能退化[10-11]。目前我国湖泊富营养化评价的基本方法主要有修正的营养状态指数、综合营养状态指数和卡尔森营养状态指数3种方法进行计算，本研究主要采用综合营养状态指数进行计算。营养状态参数的计算采用均值方法，用综合营养状态指数进行营养状态评价，计算公式如下[12]：

式中：TLI（∑）表示综合营养状态指数;wj为j种参数的营养状态指数的相关权重;rij为第j种参数与基准参数Chl-a的相关系数;m为评价参数的个数;TLI（j）代表第j种参数的营养状态指数。

根据水体营养物质的污染程度，分成贫营养、中营养和富营养3种水平。采用0～100的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级，在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越重（表2）。

2 结果与分析

2.1 水质分析 由表3可知，5个矿区塌陷湖泊的pH值在7.6～9.2，水体总体表现为弱碱性水体，DO浓度在5.2～16.0mg/L，平水期大部分湖泊DO浓度达到Ⅰ类水标准，水体DO含量较为饱和，丰水期、枯水期DO浓度较低，水质偏向Ⅱ、Ⅲ类水质标准。COD浓度在5.8～9.8mg/L，湖泊水质为Ⅳ、Ⅴ水质标准。NH4+-N浓度在0.03～0.32mg/L，浓度较低，5个塌陷湖泊水质为除了XQ矿区以外，其他湖泊水质均为Ⅰ类水。TP浓度在0.08～1.14mg/L，浓度相对较高，顾桥塌陷湖泊水质达到劣Ⅴ类水质标准，其他湖泊水质大都为Ⅳ、Ⅴ水质。TN、Chla浓度分别为0.8～2.8mg/L、29.1～70.5μg/L，除了谢桥、顾桥个别时期水质达到劣Ⅴ类，大部分湖泊水质为Ⅳ、Ⅴ类水质标准。丰水期Chla浓度较高，不同塌陷湖泊面积大小、受外界环境条件不同，不同季节降雨量、地表径流大小等因素影响导致水体污染物浓度在监测期间具有较大的季节变化。

2.2 水体评价 从矿区湖泊水体评价结果显示（表4），依据综合污染指数评价方法，矿区沉陷水域大部分季节保持Ⅲ-Ⅳ类水体。谢桥塌陷湖泊形成时间较早，与济河连通，接受来自济河农业面源污染和生活污染源影响，TN浓度较高，污染指数相比较其他湖泊偏高，3个采样时期水质均为Ⅳ类水。丁集塌陷湖泊形成时间較短，人为活动较少，除接受雨水和部分农田排水外，基本不受周围河流点源污染影响，湖泊内采样点的水质总体好于其他塌陷水域，在平水期、丰水期水质均达到Ⅲ类水标准。顾桥由于渔业投加肥料较为严重，所在的流域为永幸河流域，为人工灌渠道接受其上游污染源排放，其水质状态较差，水质污染程度相比较其他塌陷湖泊较为严重，在枯水期水质达到Ⅴ类水。

根据水体富营养化评价结果，随着人为活动扰动或影响程度增加，水体富营养化程度逐渐加重，营养状态指数在68～89，水体富营养化状态较严重，塌陷湖泊水体大都处于“重度富营养状态”，而N、P是矿区塌陷湖泊的主要特征污染物，水体中富含N、P营养物质会造成水体中浮游植物的异常繁殖，其带来的后果就是水体的富营养化问题。

3 讨论

淮南矿区长时间的采煤活动，形成了大面积塌陷积水区存储量大量的水资源，对区域社会环境可持续发展产生了重要影响。由于塌陷区水体具有较大的水资源潜能，对水资源的开发利用的同时也要保持水体生态环境健康。根据综合水质评价结果，结合塌陷湖泊实际生态环境特征，塌陷水体可以执行水体Ⅲ、Ⅳ类标准，以满足区域工农业用水和渔业养殖的综合水体功能。而大部分水体处于“重度富营养化”状态，丁集、顾北部分水体富营养化状态相对较低，而N、P是塌陷湖泊的主要特征污染物。

塌陷湖泊N、P营养物质的来源主要有：（1）近年来随着矿区周围居民对水体的利用，在塌陷区发展渔业越来越普遍，网箱养鱼的密度逐渐增大，排泄物、投加饵料残留物等积累逐渐增多，加剧了水体N、P污染。（2）塌陷湖泊周围多为农田和生活区，农业面源污染和生活污水的排放，水体中营养物质较为丰富。据调查，我国化肥行业排放的氨氮、磷化物等居全国各工业行业首位[13]，而农田作物对氮肥的利用率仅为30%～35%，磷肥为10%～20%[14]，随着降雨-径流，N、P等营养物质流入塌陷水体。随着塌陷水体N、P等营养物质的积累，水体富营养化严重，整体处于“重度富营养化”状态，水体富营养化能引起水质恶化，水体生物多样性下降，影响水体景观和空气质量，危害人体健康。

未来淮南塌陷区水质管理的关键仍然在于N、P营养物质的控制，坚持对塌陷水体“保护优先、合理利用、科学恢复”的原则，根据塌陷水域实际情况因地制宜，对塌陷水体进行功能区划分，明确定位塌陷水体功能，对于水源保护区、生态恢复湿地等功能的水体，应尽量控制农业、生活污染物的排放特别是有机物的输入，从而减少N、P等营养物质的积累。加强沉陷区水域生态系统营养结构调控的“上行效应”和“下行效应”的研究[15]，通过合理的发展渔业活动等生态系统调控手段，进行水资源保护和管理，在发挥生态环境效益的前提条件下合理利用、保护水资源。

4 结论

淮南塌陷区水域大部分时期水质为Ⅲ、Ⅳ类水体，整体表现为弱碱性水体，由于农业活动、生活废水的排入水中营养物质比较丰富，N、P为主要营养盐类，随着人为活动扰动或影响程度增加，水体富营养化程度逐渐加重，大部分水体处于重度富营养，富营养化严重。未来淮南塌陷水域在发展渔业、开发利用的同时，要注重对水资源的保护。

参考文献

[1]孟磊，冯启言，周来，等.采煤驱动下潘谢矿区水体演变及其景观生态效应[J].地球与环境，2011，39（2）：219-223.

[2]谢凯，张雁秋，易齐涛，等.淮南潘一矿塌陷水域沉积物中磷的赋存和迁移转化特征[J].中国环境科学，2012，32（10）：1867-1874.

[3]章磊，易齐涛，李慧，等.两淮矿区小型塌陷湖泊水质特征与水环境容量[J].生态学杂志，2015，34（4）：1121-1128.

[4]Xie K，Zhang YQ，Yi QT，et al.Optimal resource utilization and ecological restoration of aquatic zones in the coal mining subsidence areas of the Huaibei Plain in Anhui Province，China[J].Desalination and Water Treatment，2013，51（19/20）：4019-4027.

[5]Wenming Pei，Suping Yao，Joseph F.Knight，et al.Mapping and detection of land use change in a coal mining area using object-based image analysis[J].Environ Earth Sciences，2017，76（3）.

[6]顾康康，储金龙，汪勇政.基于遥感的煤炭型矿业城市土地利用与生态环境承载力时空变化分析[J].生态学报，2014，34（20）：5714-5720.

[7]陆卫军，张涛.几种河流水质评价方法的比较分析[J].环境科学与管理，2009，34（6）：174-176.

[8]徐祖信.我国河流综合水质标识指数评价方法研究[J].同济大学学报，2005，33（4）：482-488.

[9]吴锋，战金艳，邓祥征，等.中国湖泊富营养化影响因素研究——基于中国22个湖泊实证分析[J].生态环境学报，2012，21（1）：94-100.

[10]Capriulo G M，Smith G，Troy R，et al.The planktonic food webstructure of a temperate zone estuary，and its alteration due to eutrophication [J].Hydrobiologia，2002，475/476：263-333.

[11]Richardson K.Harmful or exceptional phytoplankton blooms in the marine ecosystem[J].Advances in Marine Biology，1997，31：301-385.

[12]王明翠，刘雪芹，张建辉.湖泊富营养化评价方法及分级标准[J].中国环境监测，2002，18（5）：47-49.

[13]陈广桂，韦林洪.我国化肥产业氮磷污染及防治对策[J].农业环境与发展2012（5）：63-67.

[14]张绍冰.农业面源污染的来源及防治措施[J].现代农业科技，2007（8）：110-111.

[15]曲喜杰，易齐涛，胡友彪，等.两淮采煤沉陷积水区水体营养盐时空分布及富營养化进程[J].应用生态学报，2013，24（11）：3249-3258.

（责编：张宏民）