淮南迪沟采煤沉陷区水体水质特征与评价

陈从磊，谢 毫，陈业禹，牛玉亭，范佳民

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司 煤业分公司资源环保部，安徽 淮南 232001；2.煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽 淮南，232001；3.安徽大学 资源与环境工程学院 安徽省矿山生态修复工程实验室，安徽 合肥 230601)

1 研究背景

煤炭作为我国主要的一次能源，在国民经济发展中起着举足轻重的作用[1]。煤炭在开采利用过程中会出现一系列的生态环境问题[2]。其中，采煤导致的地表沉陷是最重要的生态环境问题之一。采煤形成的地表沉陷区域在高潜水位的地质条件下，很容易使沉陷区域面积的30%～50%成为积水区，进而演变成湖泊、湿地等不同类型的景观水体[3]。沉陷水域潜在的生态环境效应将对矿区社会经济和生态环境的可持续发展产生重要影响[4]。因此，对采煤沉陷区水体水质进行分析与评价，可以有效识别水体水质状况，也可为沉陷区水污染控制和水环境修复方案的制定提供依据，具有重要意义[5]。

以往大多数学者对水体水质的特征分析与评价研究主要集中在河流、湖泊、海洋等自然水体[6-11]。近些年来随着煤炭开采导致的地表沉陷问题越发突出，一些研究者开始关注煤矿沉陷积水区水环境[12-16]。同时，煤矿开采沉陷积水形成的封闭式水域很容易与周边的自然水体相连通，形成开放型水体，从而导致采煤沉陷区水系环境发生紊乱。本研究选择淮南高潜水位迪沟采煤沉陷区与周边济河连通水域为研究区域，将综合水质标识指数法应用于研究区的综合水质评价，研究结果可为研究区水体综合治理和开发利用提供依据。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

阜阳济河是1958年开挖的一条人工河。它源于阜阳市颍河干流，西起阜阳颍河左堤的永安闸，向东南流经颍东区和颍上县境最后进入西淝河，全长116 km。西东走向与合阜铁路平行，在合阜铁路北侧。上游在颍东区，中游在颍上县，下游在凤台县。

迪沟采煤沉陷区位于安徽省颍上县迪沟镇谢桥矿，北靠西淝河，南临济河，主要由农田沉陷形成。所研究的采煤沉陷区被公路隔开分为西部和东部两块沉陷水域，其中西部为封闭性水域，东部由于坝体的多年沉陷与济河相连通，其中靠近铁路桥的沉陷水域周边有煤矸石堆，堆积面积约14 hm2。整个沉陷区域水体平均水深为4 m，最深为6.5 m，周边有小面积的挺水植物，未见有沉水植物。研究区沉陷水域分布见图1。

2.2 样品采集与测试

为了客观并全面地分析迪沟采煤沉陷水域地表水质特征，按照地表水质监测布点和采样原则，并结合实地情况，于2019年11月对迪沟沉陷水域进行了水样的现场调查与采集。根据研究目的和水域类型，将研究水域分为济河、沉陷积水区和对照区3个类别，共布设12个采样点，其中济河4个(J1～J4)，沉陷积水区5个(C1～C5)，对照区3个(D1～D3)，完成了36个水样(每个采样点采集3个水样)的采集工作，采样点分布如图1所示。

图1 研究区沉陷水域及水质采样点分布

利用水样采集器(有机玻璃材质)进行水样采集后装入聚乙烯塑料瓶中。其中测试氮、磷指标水样添加硫酸酸化至pH<2；测试重金属指标水样每升水添加10 mL(1+1)硝酸酸化；测试叶绿素a指标水样每升水加入1 mL、1%的碳酸镁悬浊液以防止酸化引起色素溶解，将水样运回实验室低温保存并及时检测。

2.3 研究方法

关于水质综合评价方法有内梅罗指数法、模糊数学法、污染指数法、灰色系统评价法、层次分析法、水质标识指数法等[18-20]。其中，综合水质标识指数法涵盖了综合水质类别、定量污染程度、水环境功能区达标等信息[21]，并能够使研究区不同因子化为同一量纲以便于在同一类别中进行比较，而且可以结合国家水质标准类别进行综合水质的定性评价和定量评价[22-23]。本研究水质评价采用单因子水质标识指数法和综合水质标识指数法[24-25]。

(1)单因子水质标识指数。单因子水质标识指数Pi由整数位1位、小数位两位或3位数字组成，可表示为：

Pi=X1.X2X3X4

(1)

式中：X1为第i项水质指标的水质类别；X2为指标数据在X1类水质变化区间中所处的位置，按照四舍五入原则取1位有效数字;X3为水质类别与功能区目标水质类别的比较结果，为1位或两位有效数字。

(2)综合水质标识指数。综合水质标识指数Iwq表示形式类似于单因子水质标识指数，由整数位1位、小数位3位或4位数字组成，可表示为：

Iwq=X1.X2X3X4X5

(2)

式中：X1为整体水质类别；X2为综合水质在X1类水质变化区间所处位置；X3为参与评价水质指标中，劣于功能区目标水质的单因子个数；X4为综合水质类别与功能区目标水质类别的比较结果，为1位或两位有效数字。

本研究各点位数据标准差S和变异系数CV的计算方法为：

(3)

(4)

3 结果分析与讨论

3.1 水质指标浓度特征

3.1.1 常规理化指标浓度特征 研究区不同区域水样常规理化指标测试结果见表1。由表1可知，济河平均水温为17.6 ℃，沉陷积水区水温为16.6 ℃。济河和沉陷积水区水质pH范围在7.44～7.64，均为弱碱性水体，DO浓度变化范围分别为6.1～9.3和6.7～9.1 mg/L，均处在地表水I类和II类水浓度水平。结合ZD和TD来看，济河和沉陷积水区水体的ZD基本小于10 TU，TD在水下40 cm左右，水质比较澄清，透明度好。沉陷积水区水质平均EC略大于济河水体，两者分别为850和735 μS/cm，济河和沉陷积水区CODMn平均浓度分别为5.64和5.79 mg/L，处于地表III类水标准值范围。济河和沉陷积水区Chl-a的平均浓度差异不大，在对照区的平均浓度最高，为74.63 μg/L。

表1 研究区不同区域水样常规理化指标测试结果

表2 研究区不同区域水样氮、磷浓度测试结果 mg/L

3.1.3 重金属浓度特征 表3为研究区不同区域地表水水样重金属浓度测试结果。由表3可知，Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As和Hg的平均浓度在济河分别为12.36、925.41、8.13、75.30、0.61、2.40和0.17 μg/L，沉陷积水区分别为18.01、1057.68、23.80、83.44、0.82、2.96和0.16 μg/L，在对照区分别为15.11、987.25、12.94、100.84、1.05、2.64和0.30 μg/L。与对照区相比，济河各重金属的平均浓度均低于对照区，说明济河中重金属并没有出现明显的富集。沉陷积水区的Cu、Zn、Pb和As的平均浓度分别为对照区的1.19、1.07、1.84和1.12倍，说明这些重金属已经出现一定程度的富集，其原因是沉陷积水区东边坝体是由煤矸石回填，而煤矸石中的重金属在长期的雨水冲刷和沉陷区水体浸提过程中会释放到沉陷积水区水体中，造成重金属浓度升高。王国强等[26]分析了两淮采煤沉陷区煤矸石充填的危害和污染途径，指出矸石淋溶液中的重金属Pb、Cu、Zn等会对周围接纳水体产生污染。

变异系数可用来判断重金属是来源于自然因素还是人为因素。变异系数越大，说明该地区受人为活动的干扰越强烈[27]。由表3可看出，沉陷积水区中Cu、Pb和Cd浓度的变异系数均高于30%，分别为31%、63%和44%，表明这些重金属含量受人为活动的干扰严重。沉陷积水区和对照区均出现Pb和Cd浓度的变异系数超过30%的现象，说明沉陷积水区和对照区可能有相同的污染源。结合现场环境分析发现，沉陷积水区和对照区被1条主干公路隔开，来往车辆尾气的排放和地表扬尘是其另一个污染源[28]。

表3 研究区不同区域地表水水样重金属浓度测试结果 μg/L

3.2 水质指标空间分布特征

图2 研究区不同区域各采样点水样的氮、磷浓度

3.2.2 重金属浓度空间分布特征 研究区不同区域各采样点水样的重金属浓度如图3所示。由图3可知，济河各采样点水样同种重金属浓度差异不大，水质比较均匀，而沉陷积水区各采样点重金属浓度除Hg外均存在一定差异。这是由于济河作为开放式的河流水体，在流动性和水力交换能力方面要明显优于半封闭式的沉陷区水体，水质混合更均匀。沉陷积水区C1、C2、C3各点Cu、Zn、Pb、As浓度均表现为C1>C2>C3，表明距离济河越近，其浓度越高，而Cr、Cd和Hg没有表现出明显的规律性。从各采样点重金属浓度看，Cu、Zn、Pb和As的最高含量均出现在C5采样点，说明铁路的交通运输和矸石山堆放为水体重金属的污染来源。而距离沉陷积水区岸边最近的C3采样点各种重金属浓度均相对较低，说明水体中的重金属浓度受人类生活污染的影响较小。

图3 研究区不同区域各采样点水样的重金属浓度

3.3 水质评价

由于《地表水环境质量标准GB 3838—2002》[29]不包含ZD、EC、TD、ORP、Chl-a等指标，t和pH在不同水质类别的数值都可相同，同时本研究中测试的Cr为总Cr，所以剔除这些指标后剩余指标参与水质评价。水环境功能区目标为III类。

3.3.1 单因子水质评价 研究区各采样点水质指标单因子评价结果见表4。由表4可知，济河污染最严重的为Hg，其次为CODMn。按Hg浓度评价济河各采样点水质均为IV类水，按CODMn浓度评价均为III类。根据X2在III类水区间内的位置可以判断出该水体在III类水中的相对污染程度，数据中CODMn的X2值均大于7，说明有恶化为IV类水的趋势，当地管理部门应当防控有机物对济河水质的输入影响。沉陷积水区污染最严重的仍然为Hg，其次为TP和CODMn。沉陷积水区C1、C2和C3采样点水质按TP浓度评价均为IV类，按TN浓度评价均为II类，说明沉陷积水区水体富营养化表现为N相对P限制的特点。王菲菲等[30]对淀山湖、小兴凯湖和洱海3个湖泊的研究发现，淀山湖和小兴凯湖均出现了明显的N限制。

表4 研究区各采样点水质指标单因子评价结果

3.3.2 综合水质评价 研究区各采样点综合水质标识指数Iwq见表5。由表5总体来看，济河和沉陷积水区各采样点的Iwq值均满足地表水III类水质的要求，水质良好。济河、沉陷积水区和对照区的Iwq值表现为济河(2.230)<沉陷积水区(2.540)<对照区(2.640)。在济河与沉陷积水区交汇水域的采样点Iwq值表现为J3(2.320)

表5 研究区各采样点综合水质标识指数Iwq

4 结 论

(1)济河和采煤沉陷积水区均为弱碱性水体，水质比较澄清，透明度好。济河水域氮含量偏高与济河周边农田的面源污染有关；沉陷积水区重金属含量普遍较高与周边矸石山的淋溶、车辆尾气的排放和地表扬尘沉降等因素有关。

(3)单因子水质标识指数显示，济河污染最严重的为Hg，其次为CODMn；沉陷积水区污染最严重的为Hg，其次为TP和CODMn。

综合水质标识指数显示，济河和沉陷积水区水体均满足地表水III类水质的要求，水质良好。在济河与沉陷积水区交汇水域各采样点的综合水质标识指数表现为J3