采煤塌陷湿地水质与富营养化评价

徐力力 肖 昕 韩宝周 刘庆峰 肖 雨 成 阳

（1江苏贾汪资源枯竭矿区土地修复与生态演替教育部野外科学观测研究站，江苏 徐州 221011；2中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；3徐州潘安湖湿地公园，江苏 徐州 221137）

煤炭开采在促进经济发展的同时，带来了一定的地表沉陷等问题。据估计，每万吨煤炭开采的平均地表沉陷面积为0.20～0.33 hm2[1]。高潜水位平原区的采煤塌陷区容易导致地表水位上升，产生常年性积水，形成煤矿塌陷湿地。

煤矿塌陷湖泊水体营养物质增加，会造成水质恶化，水体中溶解氧含量减少[2-3]，可能导致水生动物（主要是鱼类）因缺氧而死亡，致使水体浊度增加，透明度显著降低。在富营养化水体中，许多藻类会分泌和释放亚硝酸盐等有毒有害物质[4]，对人类健康和生态系统平衡带来影响。部分煤矿塌陷湖泊已出现不同程度的富营养化[5-6]。王铎等[7]对采煤塌陷区水质特征进行了分析，发现夏季丰水期水体污染高于枯水期；刘浩天等[8]研究发现采煤塌陷区水体在枯水期、平水期和丰水期均处于中度富营养化状态；李军[9]基于水体营养状态评价标准，调查发现3 个塌陷湖泊的水体营养状态分别为中营养—轻富营养、轻富营养和轻富营养—中富营养状态；张银[10]选取5 个矿区的塌陷湖泊作为研究站点进行水质分析评价，发现矿区塌陷水体主要为Ⅲ、Ⅳ类水质，水体基本为重度富营养化。富营养化是煤矿塌陷湿地生态恢复和保护需要考虑的重要问题之一[11]，煤矿塌陷湖泊与地表水系沟通较差，水体交换量较小，一旦发生污染或者水体富营养化，治理难度较大。

PAH湿地公园是集生态湿地、人文景观、游憩及科普功能于一体的综合性景区。该湿地公园建设之前有部分农用地，可能存在氮磷污染风险[12]。此外，PAH属于煤矿塌陷湖泊，虽与外部水体连通，但水利流通量较小，水体易发生富营养化。刘杰等[13]对矿区采煤沉陷水域及河流水系进行了研究，发现塌陷区水体水质达到地表Ⅲ类水标准，但周围河流水质仅达到地表Ⅴ类水标准。经前期监测发现，PAH 湖区水质较好，周边支流水质差，随着时间的推移，支流可能会影响PAH湖区的水质状况。本研究对PAH的水体进行采样测定，对其水环境质量和水体富营养化程度进行评价，为相关采煤沉陷区水体污染综合防治提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区基本情况

PAH 湿地位于34°17′～34°32′ N，117°17′～117°42′E，是一个采矿塌陷区经土地复垦和生态修复后形成的人工湿地。作为采煤沉陷区生态修复而设计的国家4A 级生态湿地公园，其湿地水域面积约9.21 km2。

1.2 样品采集与指标测定

基于现场实地勘察结果，2023年10月在PAH北湖设置13 个采样点，具体点位见图1。每个采样点使用5 L 有机玻璃水质采样器在水下0.3～0.5 m 深度采集地表水样本。测定指标包括氧化还原电位（OPR）、水温（T）、pH、溶解氧（DO）、电导率（EC）、透明度、深度、五日生化需氧量（BOD5）、亚硝酸盐氮（NO2-N）、硝酸盐氮（NO3-N）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）、叶绿素（Chl-a）、高锰酸盐指数（CODMn）和化学需氧量（CODCr）。水质指标的监测方法均参照《水和废水监测分析方法（第四版）》。

图1 采样点分布

1.3 水质评价方法

（1）单因子指数法。

式（1）中，Ci为测得的指标i含量（mg/kg）为指标i的背景值（mg/kg）；Pi为指标i的单因子污染指数。通过单因子污染指数评价可确定地下水体中的主要污染因子。Pi≤1 为无污染；1＜Pi≤2为轻度污染；2＜Pi≤3为中度污染；Pi＞3为重度污染。

（2）内梅罗污染指数法。

式（2）中，NPI为内梅罗污染指数，Piave为单因子污染指数的平均值，Pimax为单因子污染指数的最大值。内梅罗污染指数法是一种兼顾极值和平均值的计权型多因子评价指数，NPI≤1 为清洁，1＜NPI≤2 为轻度污染，2＜NPI≤3 为中度污染，3＜NPI≤5 为重度污染，NPI＞5为严重污染。

（3）综合营养水平指数。

式（3）中，TLI（Σ）表示综合营养状态指数，TLI（Σ）＜30 为贫营养；30≤TLI（Σ）≤50 为中营养；50＜TLI（Σ）≤60 为轻度富营养；60＜TLI（Σ）≤70 为中度富营养；70＜TLI（Σ）为重度富营养。TLI（j）代表第j种参数的营养状态指数，Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重，rij为Chl-a 与参数j之间的校正系数，m是参数的个数。以Chl-a 作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式如下。

营养状态指数计算如式（5），式中各指标单位：Chl-a，μg/L；TP，mg/L；TN，mg/L；SD，m；CODMn，mg/L。

1.4 数据统计与分析方法

使用Excel 2019 对数据进行描述性统计分析，使用Arcmap 10.8 软件进行水质参数的空间插值进行模拟。

2 结果与分析

2.1 PAH湖泊水质参数含量特征

PAH北湖水质理化性质参数统计见表1。由表1可见，PAH水质理化性质中OPR、T、pH、DO、EC、透明度、深度、BOD5、NO2-N、NO3-N、TN、NH3-N、TP、Chl-a、CODMn和CODCr的均值分别为117.82 mv、22.57 ℃、8.74、8.34 mg/L、925.85 μs/cm、35.83 cm、2.21 m、2.86 mg/L、0.006 mg/L、0.15 mg/L、0.67 mg/L、0.01 mg/L、0.16 mg/L、36.69 μg/L、3.62 mg/L和16.0 mg/L。根据地表水环境质量标准（GB3838—2002），13个采样点中pH、DO、BOD5、TN、CODCr、NH3-N、TP、CODMn指标均值均符合地表Ⅲ类水标准；13 个采样点的pH、DO、BOD5、CODCr、NH3-N 和CODMn指标均符合地表Ⅲ类水标准；总氮有84.61%的采样点符合地表Ⅲ类水标准；总磷有76.92%的采样点符合地表Ⅲ类水标准。湖泊水质理化性质指标存在不同程度的变异，变异系数大小可以对水质因子的空间差异程度进行粗略分级：CV＜0.1 则差异较小，0.1≤CV≤0.3 则差异较大，CV＞0.3 则差异性极强。T、pH、DO 和EC的变异系数远低于其他指数，均小于0.1，属于低变异；OPR、透明度、BOD5、NO2-N、TP、Chl-a 和CODMn变异系数均大于0.1且小于0.3，属于中等变异；NO3-N、TN 和NH3-N 变异系数均大于0.3，处于强变异状态。

表1 湖泊水质理化性质参数统计

2.2 PAH湖泊水质参数空间分布特征

PAH 主要水质参数分布见图2。pH 和DO 分布较均匀，EC、CODMn和TP 的分布特征为湖东测向湖西侧增高。较CODMn和TP 而言，EC 的变异系数较低，天然淡水体电导率一般在50～500 μs/cm，矿化水可达500～1 000 μs/cm[14]。PAH 北湖电导率较高，水中可溶性固体较多，推测原因是该区域属于封闭型煤矿塌陷湖泊，与周围水系沟通较弱，水源补给主要来源于大气降水和地下水补给。经查阅资料，研究区深层地下水电导率范围为417～2 360 μs/cm，均值为1 076 μs/cm[15]。本次采样数据与历史数据较为接近，故推测湖泊水质电导率较高的原因为地下水贯通以及受周围地质、土壤的影响。TN、CODCr总体分区趋势为从湖东侧向西侧递减，TN高值区位于湖东北侧的1号点、2号点；CODCr高值区位于湖东南侧10号点一带。Chl-a分布趋势与计算得出的富营养化趋势一致，由2 号点、7 号点和9 号点向四周扩散。

图2 PAH水质参数空间分布

PAH 湿地公园主码头附近为游人密集区，水域除部分游船外受游人影响较小，这与氧化还原电位分布情况一致。CODMn高值区位于湖东侧。研究表明畜禽养殖中大约20%的营养物质被生物体吸收并转化为蛋白质，其余部分营养物质进入水体或沉淀在沉积物中，形成内源性污染物[16]，故推测湖东侧Chl-a、TN偏高的原因可能是2号点附近的鸟类养殖。

2.3 PAH湖泊水质评价

根据单因子污染指数和内梅罗污染指数得到研究区湖泊水质评价结果（表2）。单因子指数评价结果表明，CODMn、BOD5、TP、NH3-N、TN 和CODCr的单项污染指数均值为0.91、0.72、0.81、0.01、0.67 和0.80。CODMn、BOD5、NH3-N 和CODCr处于无污染水平，TP 处于轻度和无污染水平的采样点占比为23.08%和76.92%；TN 处于轻度和无污染水平的采样点占比为15.39%和84.61%。

表2 PAH水质评价结果

从整体来看，研究区各采样点内梅罗污染指数范围为0.65～1.41，水质总体上为清洁，高值区位于2号点附近（1.41）。鸟岛周围水域TN最高，但NO3-N、NO2-N和NH3-N含量总和占比仅为6.1%，表明鸟岛周围水体中氮素主要组成为有机氮。经过实地考察，2号点上有一动物园，饲养天鹅、麻鸭等游禽，游禽养殖水体与鸟岛周围水域贯通。研究表明，畜禽粪便易于淋溶，其进入水体的流失量受当地降雨径流、畜禽污染物积累量、土壤特性以及技术措施等影响[17-18]，因此推测2号点周围水体氮含量较高的主要原因为鸟类直接排泄以及埋粪区土壤的淋溶作用。

2.4 PAH湖泊富营养化水平评估

PAH北湖综合营养水平指数均值为59.58，表明研究区水体整体处于轻度富营养化向中度富营养化过渡状态。其中，11点号富营养化水平最低，其TLI值为55.48，处于轻度富营养状态；2点号的TLI指数最高，为62.54，为中度富营养化状态。除了8点号、11 点号、12 点号和13 点号之外，其余采样点都处于中度富营养化状态。

在沉积物—水界面上，溶解氧含量直接决定了有机质的矿化速率、功能性微生物的丰度及活性，继而影响着界面的物质循环过程[19]。本研究测得PAH水体中溶解氧均值为8.34 mg/L。当水体中溶解氧含量增加时，硝化反应速率增加，导致硝态氮、亚硝态氮转换速率增加，氨氮转换速率降低，而硝态氮、亚硝态氮的增加为藻类生长繁殖提供了营养物质；蓝藻最佳繁殖温度为25 ℃，高浓度的碱水和丰富的有机质有利于藻类在最佳温度下生长[20]，这可能导致水体富营养化。根据以往监测数据，PAH 水体富营养化程度呈季节性变化，夏秋季叶绿素含量略高于春季。

湖泊自身深度也可能是导致水体富营养化的原因之一。监测结果表明，PAH北湖水深范围为0.4～5.2 m，属于浅水湖泊。研究表明，浅水湖泊比深水湖泊容易发生水体富营养化，并且最大深度小于20 m的湖泊更易发生水体富营养化[21]。

3 结论

（1）13个采样点的pH、DO、BOD5、CODCr、NH3-N和CODMn指标都符合地表Ⅲ类水标准；TN有84.61%的采样点符合地表Ⅲ类水标准；TP有76.92%的采样点符合地表Ⅲ类水标准。

（2）PAH北湖水质属于地表Ⅲ类水，内梅罗污染指数评价结果显示，湖区水质总体上处于清洁状态，无明显污染源。

（3）从空间分布上看，PAH 污染物分布较均匀，部分污染源有聚集的风险。通过综合营养水平指数得知，PAH 北湖水体整体上处于轻度富营养化和中度富营养化的临界状态，其指数范围为55.48～62.54，水体富营养化高值出现在鸟岛。

综上，本研究通过对PAH 水体进行采样测定，对其水环境质量和水体富营养化程度进行了评价，为采煤沉陷区水体污染综合防治提供参考。