典型采煤塌陷水体水质与富营养化评价
——以永城市日月湖为例

刘浩天，宋刚福，2，米 晓，2

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450046;2.河南省水环境模拟与治理重点实验室,河南 郑州 450046)

1 引言

煤炭是我国经济发展的第一能源，煤碳开采为我国经济社会发展提供了有力保障，但过度开采所引发的生态环境问题也随之而来[1]。例如过度开采导致的地面坍塌，滑坡及地下水、地表水水质的污染等问题[2]。不同采塌陷区所面临的生态环境问题不尽相同，解决问题的方法也需因地制宜。对于资源型城市而言，景观修复是采煤塌陷区治理的有效方案，采用挖深垫潜等技术结合生态修复技术打造生态旅游景区，既能使污染环境得到治理，又能为城市带来经济效益[3]。采煤塌陷水体污染问题严重影响环境和人体健康，水质是一个重要参数，涉及到生态环境和人类生活的方方面面，例如社区卫生、生态系统健康以及生物多样性等。因此定期水质监测是确保民生、维持水环境健康的重要工作。

永城市是一座因煤而兴的城市，煤炭开采业为全市整体发展做出了巨大贡献。近些年煤炭业的发展在为该市经济提供巨大推力的同时，也带来了严重的矿区破坏问题。长期的煤炭开采导致该市地面龟裂、下陷，形成了大大小小的采煤塌陷区。不仅造成了土地资源的浪费，同时也给生态环境修复带来了巨大压力[4]。

日月湖位于永城市东西城之间，西侧有大青沟、北侧有沱河、南侧有跃进沟、东侧有航道，日湖与月湖不相连，湖体环境属于封闭状态，水动力较弱。湖体中间被道路隔开，被分割为3个不相联通的湖区。湖区内现有耕地1100亩，水域面积达到6000余亩，最高水位可达27.5 m，湖底标高24.5 m，蓄水量可达1190万m3。日月湖四周没有污水处理设施，存在农田、畜牧养殖等面源污染，周边布有一定面积的挺水植物。日月湖曾是永城市面积最大的采煤沉陷区，由于地表塌陷，导致地下水上涌，形成了一片封闭的采煤沉陷水体。本研究对日月湖水环境特征和水质现状进行了评价，并为其水质的提升和保护提供了防治措施，对日月湖采煤沉陷区水资源规划和治理，具有重要理论和现实意义。

2 数据来源与评价方法

2.1 数据来源

为全面分析日月湖区域地表水情况，结合地表水水质布点原则和实际情况，共对日月湖设置16个采样点位，其中月湖11个，日湖5个，以1年为周期，从2020年11月开始，至2021年9月，对日月湖进丰水期、平水期、枯水期3个时期水质进行监测，文章采用月湖和日湖的平均值作为分析数据。具体点位分布情况如图1所示。

图1 日月湖采样点位分布

每个采样点在水深20 cm下取水，用不锈钢采集器采集完成后，储存进两个聚乙烯瓶中，并将样品带回实验室于冰箱中密封保存，24 h以内对样品水质进行测定，指标测定选取为TN、TP、NH3-N、叶绿素a、高锰酸盐指数、Zn、Cu、Cd、Fe、Mn、Pb等指标，叶绿素a是用棕色聚乙烯采样瓶中的水用0.45 μm滤膜过滤后测定。研究方法如表1所示。

表1 水质指标监测方法

2.2 评价方法

2.2.1 水质污染评价

本论文采用单因子评价法对日月湖水质进行污染评价[5,6]。评价标准参照《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》Ⅲ类水，对日月湖丰、平、枯3个时期pH值、氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数等指标进行污染评价。

水质的单因子污染指数Pi的计算公式为:

Pi=Ci/Si

(1)

式(1)中:Ci为第i种水质指标的实测浓度(mg/L);Si为第i种水质指标的评价标准(mg/L) 。

表2 单因子污染指数评价标准

2.2.2 水体富营养化评价

2.2.2.1 综合营养状态指数计算

采用综合营养状态指数法TLI(∑)对水体营养状态进行评价[7,8]。综合营养状态指数法TLI(∑)根据叶绿素a、高锰酸盐指数、总磷、总氮和透明度等作为参评数据，从而得出湖泊的富营养化程度。计算公式如下：

(2)

式(2)中：TLI(∑)为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(j)为代表第j种参数的营养状态指数。

以叶绿素a作为基准参数，第j种参数的归一化的相关权重计算公式为：

(3)

式(3)中：rij为第j种参数与基准参数叶绿素a的相关系数；m为评价参数的个数。

2.2.2.2 湖泊营养状态等级划分

采用0～100的一系列连续的阿拉伯数字对水体营养状态进行分级(表3)。

表3 富营养化程度评价等级

2.2.2.3 各项目营养状态指数计算

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：

叶绿素a单位为mg/m3，透明度单位为m；其他指标单位均为mg/L。

3 结果与讨论

3.1 水质污染评价分析

2020年11月至2021年9月枯水期、平水期、丰水期总磷、总氮、高锰酸盐指数、氨氮浓度变化如图2～图4所示。

由图2可知，日月湖丰水期的总磷浓度要明显高于枯水期和平水期，枯平丰3个时期总磷的平均浓度分别为0.040 mg/L、0.035 mg/L、0.075 mg/L，从时间上来看，湿季总磷浓度要大于干季总磷的浓度，由采样的点位分布情况可知，月湖的总磷浓度整体高于日湖，尤其丰水期，月湖总磷的平均浓度达到0.091 mg/L,远高于日湖的0.040 mg/L；由图3可知，日月湖枯水期、丰水期、平水期3个时期总氮的平均浓度分别为0.636 mg/L、0.779 mg/L、0.933 mg/L，存在由温度的升高浓度逐渐上升的趋势，日湖的总氮平均浓度要高于月湖，这与日湖水体流动性较差、水动力不足有关；由图4可知，日月湖枯水期、丰水期、平水期3个时期高锰酸盐指数的平均浓度分别为3.599 mg/L、3.990 mg/L、4.298 mg/L，变化趋势仍旧是由温度的升高存在逐渐上升的趋势，总体而言日湖与月湖各点位的高锰酸盐指数浓度并无明显差异；由图5可知，日月湖枯水期、丰水期、平水期3个时期氨氮的平均浓度分别为0.254 mg/L、0.215 mg/L、0.129 mg/L，变化趋势是由温度的升高存在逐渐下降的趋势，总体而言，氨氮各时期浓度相对较低，达到了Ⅰ类水质标准，单项指标水质情况较好。

图2 各时期总磷浓度

图3 各时期总氮浓度

图4 各时期高锰酸盐指数浓度

图5 各时期氨氮浓度

由公式(1)计算，日湖、月湖各项指标单因子污染评价指数见表4、表5。对选取的4种指标进行日月湖水质的单因子评价[9]，由表4、表5可知，枯水期和平水期四项指标的污染评价指数P均小于1，单项指标尚无污染。而丰水期日湖总磷污染评价指数达到1.82，已处于低污染状态，应注意加强磷污染的防范。由枯水期、平水期、丰水期3个时期的监测结果可以看出，温度较高的丰水期氮、磷污染指数都高于枯水期和平水期，表明水质的污染水平与温度存在正相关趋势。

表4 日湖单因子污染评价指数 mg/L

表5 月湖单因子污染评价指数 mL/L

3.2 富营养化评价分析

参与富营养化的评测指标共六种，总磷、总氮、高锰酸盐指数、氨氮见图2～图5，监测期间日月湖枯水期、平水期、丰水期各点位叶绿素a浓度、透明度(m)变化如图6、7所示。

图6 各时期叶绿素a浓度

图7 各时期透明度

日月湖16个点位在枯水期、平水期和丰水期的平均浓度分别为0.955 mg/m3、1.203 mg/m3、2.137 mg/m3。整体而言，丰水期的叶绿素a浓度要明显高于枯水期和平水期，这表明进入湿季，随着温度升高，湖泊藻类迅速生长繁殖，叶绿素a浓度也上升明显。由图2分析可知，日湖上半区域监测点位叶绿素a浓度在各时期都处于较高水平，其区域是由许多分散的小湖荡组成，水体流动性能差，自净能力差，从而导致藻类生物累计和富集，影响水质。

日月湖16个点位在枯水期、平水期和丰水期的变化情况如图所示。透明度反映的是水体的清澈程度，是判断水体富营养化程度的重要指标。监测数据显示，从枯水期、平水期到丰水期，水质透明度存在逐渐变好的趋势，平均值分别为0.50 m、0.51 m、0.58 m，这说明随着降雨量的增加，水质透明度会逐渐变好。而日湖的透明度各时期都要低于月湖，这也是由于水体流动性较差，导致各类悬浮物和污染物的累积导致。

由公式(2)计算，永城市日月湖2020年11月至2021年9月丰平枯3个时期综合营养状态指数(TLI)见表6、表7。由监测结果可知，日湖、月湖在丰、平、枯3个时期均为中营养状态。日富营养化是影响湖泊水质的重要因素，长期富营养化将使湖泊水环境遭到破坏。由两个湖区的富营养化评价结果可以看出日湖的富营养化程度要略高于月湖，月湖的面积要大于日湖，水体的流动性稍强，自净能力要略强于日湖，评价结果表明水体的富营养化程度与水体的水动力有关。

3.3 叶绿素a浓度与氮、磷营养因子的关系

浮游植物的叶绿素a浓度是反映水体富营养化程度的重要指标[10,11]，以日月湖枯水期、平水期、丰水期3个时期16个点位的实验监测数据为基础，采用相关分析法，对日月湖整体在3个时期中叶绿素a浓度与总磷、总氮相关性进行分析[12](表8)。

表6 监测期间日湖综合营养指数评价成果

表7 监测期间月湖综合营养指数评价成果

从表8可以看出，3个时期叶绿素a与总氮和总磷均表现出一定的相关性，但相关性并不显著。枯水期和丰水期，叶绿素a浓度与总磷的相关性略高于总氮，而平水期，叶绿素a与总氮的相关性略高于总磷。综合分析结果可得，日月湖的叶绿素a的浓度主要与总磷相关性较大，日月湖湖泊藻类生长受磷的影响更大。

表8 丰水期叶绿素a与氮、磷皮尔逊相关性分析

4 结论与建议

4.1 结论

(1)日月湖水质单项指标监测结果显示，湖水目前水质处于较好状态，丰水期总磷存在轻度污染，其他指标尚未污染。

(2)对日月湖的富营养化评价结果显示，其在枯水期、平水期、丰水期均处于中营养状态。

(3)对日月湖各个时期的重金属离子进行监测，其结果均低于检出限，说明日月湖水体并无重金属污染风险，日月湖水体目前主要面临的是富营养化问题。日湖水体单项指标氨氮、高锰酸盐指数一直处于较好状态，日湖与月湖在丰水期、平水期和枯水期3个时期氨氮和高锰酸盐指数状态并无明显差异。水质氮、磷水平却一直处在下降趋势，尤其到了丰水期月湖总磷浓度已经处于低污染状态，这是富营养化形成的重要原因。

4.2 建议

(1)目前，日月湖水质各项监测指标能达到Ⅲ类以上较好水平，但富营养化问题需要重视，应加强环境监管力度，完善地表水和地下水的监测水准，采用周期性换水的方式改善湖区蓄水水体水质，除地下水引水方式以外，可从以附近的沱河或者再生水做为补水水源，以保障日月湖水质持续健康[12]。

(2)日月湖作为景观建设湖，水体富营养化所带来的透明度降低，浮游生物大量繁殖等问题势必会影响景区环境[13]。想要更好地改善湖泊富营养化状况，需要采取禁止周边村庄未经处理的生活污水排入周围河道和日月湖湖区，并周期性地打捞湖面污染物，在湖区周围建设生态防护栏、生态沟渠等措施[14]改善面源污染，并依靠水质监测数据，配合水环境模型构建，细致的分析湖泊水环境，提出更合理的解决方案，以达到长期改善水质的目的[15]。