综合营养指数法在煤矿塌陷水域富营养化评价的应用

2013-04-12唐鸿达高良敏

科技视界 2013年16期

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

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。