采煤沉陷水域水环境研究主要方法评述与趋势分析*

2013-08-29孙青言柳炳俊褚俊英杨立疆

中国水能及电气化 2013年8期

刘锦，孙青言，柳炳俊，褚俊英，杨立疆

(1.煤矿生态保护国家工程实验室，安徽淮南 232001;2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

1 研究背景

作为重要的基础能源与化工原料，煤炭在社会经济发展中具有极其重要的战略地位。长期以来的煤炭开采引发地表沉陷，在河网众多、高潜水位地区，导致沉陷区积水，形成一种特殊的地表水体。当前我国煤炭开采造成的沉陷面积达70万hm2，约有70%左右为沉陷积水区域［1］。沉陷区蓄水水源主要包括地表径流、雨水、浅层地下水［2］，矿井疏排水、丰水期引河道水也是部分沉陷水域的重要水源［3］。

沉陷水域形成后，矿区及其周边工矿企业废水和生活污水的排放、农田化肥农药的使用均对沉陷水域水环境质量造成威胁，成为制约矿业城市可持续发展的消极因素。沉陷水域形成与演化的特殊性为矿区水环境、水资源的研究、规划与管理增加了难度。本研究对当前沉陷水域水环境研究的进展进行了评述，旨在为采煤沉陷区水污染防治与水环境保护提供参考。

采煤沉陷区水环境质量受到诸多因素的影响，主要包括降雨、蒸发、水力条件、地理状况等;由于水体底泥主要为沉陷土壤，同时受到土壤岩石矿物化学成分的影响。沉陷水体中的水生生物种类、数量与初级生产力的代谢，通常与沉陷水域形成的时间、水域面积大小、深浅等因素有关，同时还受到周边污染源的影响，如渔业养殖，矿井水、厂矿废水与生活污水排入，农田排水等。

沉陷区水域与湖泊、水库具有一定的相似性，如有降雨汇入，具有较宽阔的面积，季节性淹没，与地下水存在水力联系等，但也有其本身的特点，具有与湖泊、水库不同的特殊性差异，如水底的动态下沉(动床)、不同水域的兼并联合等。沉陷水域与湖泊、水库的比较分析见下表。

采煤沉陷水域与湖泊、水库的特点比较分析表

2 主要研究方法

沉陷水域水环境的研究方法一般借鉴其他水域的研究方法，如调查分析与原始观测实验、水质评价方法、水质模型模拟预测等，但需要对相应的方法做符合沉陷水域特殊性的改进。现对水环境研究中已经应用于沉陷水域水环境研究的一系列方法作如下评述。

2.1 调查分析与原始观测实验

煤炭持续开采导致沉陷区水域扩大、合并，不同水域水环境交互影响，污染源变化不定，增大了沉陷水域水环境研究的难度，为此，制定详细条理的沉陷水域及其污染源调查方案，并对调查后的成果进行分析，为随后现场采样的顺利开展提供第一手资料。原始观测实验作为认识沉陷水体水质的基础性方法，主要通过现场获取水样与实验室水质指标对比分析，对沉陷水域的水环境进行评价。该方法能够获得比较原始的数据，但采样点布设的合理性和采样操作的规范性，是影响样本代表性和可靠性的重要因素，成为该方法实施的关键。

该方法日益发展完善，主要体现在采样范围的逐步扩展，从仅限于沉陷水域采样，向与之关联的河道、土壤、底泥、排水口等影响沉陷区水环境的自然人工要素的全方位采样发展;还体现在水质分析指标种类的增多，从传统的物理指标、化学指标向重金属、生态系统指标发展。这些发展使沉陷区水环境的研究更加科学严谨。

在重金属指标方面，刘飞等［4］以淮北矿区3个煤矿的沉陷湖水体为研究对象，采用原子荧光光谱(HGAFS)法对沉陷湖上覆水体不同深度、不同时期水样及背景水体中锑进行了测试。研究发现:不同沉陷湖水体中锑浓度水平分布差异明显，与沉陷湖形成时间、矸石堆距离等因素有关，同一沉陷湖中锑浓度垂向分布从表层向深层缓慢增加，没有异常富集;枯水期水体锑浓度高于丰水期。在生态系统指标方面，何春桂［5］通过采样与实验分析对淮南谢二矿南大塘沉陷水体的浮游动物群落生态进行了研究，分析了浮游动物的组成、群落变化以及水质理化因素与群落结构之间的关系;周晓燕［6］通过采样与监测，分析了安徽淮南大通区南沉陷塘的浮游动物群落结构;郭友红［7］对兖矿集团的南屯矿和鲍店矿沉陷积水区、精养鱼塘和网箱养鱼区进行水体采样，对浮游植物的物种特征、个体分布以及营养化程度进行了分析，提出了沉陷积水前的耕地土壤肥力是影响水体浮游植物的主要因素;王振红等［8］通过对淮南矿区不同沉陷年龄的采煤沉陷塘的水生态环境监测，分析了不同沉陷年龄沉陷塘的主要限制性因子和塘内浮游植物种类组成及其生长的限制性因子。

2.2 水质评价方法

水环境质量评价的难点在于水质系统受到多种因子的影响，每种因子都能从某一方面反映水体质量，然而污染物因子指标之间又具有不同程度的相关性，且对水环境的影响存在差异，仅从单一指标上识别水环境质量往往有失偏颇甚至产生极端结果，因此对水质进行综合评价就成为水环境研究的一项重要内容。为了适应水环境质量评价的要求，众多水质综合评价方法不断涌现，并随着学科交叉意识的增强向多样化方向发展。当前主要的水质评价方法有污染指数法、模糊综合评判法、灰色聚类分析、神经网络法、主成分分析等，这些方法各有特点，为水环境研究提供了重要支持。

计承富［9］依据灰色理论建立了隶属函数模型，通过多目标综合指数评价矩阵，分析了水体富营养化的影响因素;冯娜娜等［10］采用主成分分析对淮南潘集杨庄沉陷水域水体进行了评价;童柳华等［11］采用模糊综合评判法对淮南潘集矿区潘一矿典型的两个塌陷水域进行了水质评价，为该地区的水资源综合利用提供了依据;徐良骥等［12］则改进了主成分分析法和模糊综合评价法，构建了煤矿塌陷水域水质综合评价模型，对淮南潘集矿区沉陷水域的水质现状进行了评价;贾俊等［13］和苏桂荣等［14］基于 ArcGIS的空间插值分析，对污染物单因子的空间插值栅格图进行叠加，建立了多因子综合污染评价模型，实现了具有空间分布特点的水质综合评价，使评价成果直观地体现在水质评价模拟图上。

尽管沉陷水域与湖泊、水库存在差异，但上述用于沉陷水域的水质综合评价方法与江河湖库的水质评价方法并无明显区别。可见，评价方法的发展与水体的性质关联不大，任何水质评价方法都可用于沉陷水体的水质评价，这为沉陷区水环境的研究创造了有利条件。

2.3 水质模型模拟预测

地表水水质模型种类众多［15］，从仅适用于河流的、一维的、静态的水质模型发展到适用于各种水体的、多维的、动态的多介质模型、形态模拟模型，并随着模糊数学、人工神经网络、3S等新技术方法的引入，水质模型研究进入深入、广泛发展的阶段。然而，专门用于采煤沉陷水域的水质模型则较少出现，多从其他水体的水质模型挪用到沉陷水体的水质模拟中，却往往忽略沉陷水域水质模拟的复杂性与特殊性，即沉陷水域除了具有与湖泊、水库相似的季节与年份丰枯变化外，还具有湖泊、水库不存在的水底动态沉降的特性。采煤活动停止，沉陷区达到“稳沉”状态之前，这一特性应是沉陷水域水质模拟需要考虑在内的。

沉陷区水域水环境研究要求对水体未来的污染物动态、水环境容量作出一定的预测，以服务于水环境规划与管理工作。为此，一些学者在原始观测实验的基础上，建立了水质模型，对沉陷水域的主要指标进行模拟分析。王成等［16］建立了淮南采煤沉陷区各水平年不同水文条件下的二维非稳态 (FVS格式)水质模型及富营养化预测模型，基于水量、水质同步实测数据对模型进行了率定验证，通过数值模拟定量分析了不同需水条件和治理措施下的水质浓度场分布及其富营养程度水平。李守勤等［17］建立了生态—水质数学模型预测沉陷水域水质演变。模型采用有限差分法离散，生态动力学项与扩散项脱耦处理，水质状态变量选择氨氮、溶解氧、磷酸盐、叶绿素a等7个指标，对淮南张集矿和顾桥矿不同沉陷年龄的水域水质进行模拟计算。该数学模型考虑了沉陷水域动床的影响，采用下沉系数换算，使水质模拟更符合沉陷水域水体的特殊性。

3 存在的问题与发展趋势

3.1 存在的问题

(1)从污染负荷研究的范围看，当前主要关注点源污染负荷，对于非点源污染负荷的研究，仅限于小尺度的研究且往往套用国外的模型，缺乏针对研究区域的原始实验的支撑。此外，点源与非点源的综合研究也比较少。

(2)地表沉陷积水后，原来的陆地生态系统会逐渐被水—陆复合生态系统取代，水体中水生动植物大量繁殖，各种生态系统指标成为影响水环境的重要因素之一。然而，目前的研究侧重于沉陷水域的物理、化学与重金属指标的监测、分析、评价与模拟预测，对沉陷水域生态系统指标的监测与研究较为薄弱，应引起重视。

(3)纵观以往的沉陷水域水环境研究，从水体的纵向关联看，通常没有考虑地下水污染的通量，对于底泥与水体的交换作用考虑不足，仅限于对水体和底泥分别进行评价。随着沉陷区的扩大，在沉陷水域周边土壤与底泥的转变过程中，污染物的迁移转化关系不明晰;从水体的横向关联看，缺乏沉陷水域与相关河流水系之间的水量水质过程的动态耦合，也没有将陆域污染负荷与沉陷水域的水质响应过程关联起来。

(4)从时间动态看，当前的研究主要侧重于现状水质分析与评价，对于未来水污染的预测以及水环境的演变趋势研究不足。

(5)水质模型方面，需要进一步发展、完善适用于沉陷水域的模型。沉陷区随着采煤区的不断加深和扩展，造成沉陷区水域底部的持续下沉以及不同沉陷区的衔接合并，因此，除了考虑沉陷水域水底动态沉降的因素外，也应注重不同沉陷区的合并，这些特性在湖泊、水库的水质模拟中都是不曾遇到的。

3.2 发展趋势

(1)沉陷水域的污染源解析。污染源解析至今仍是沉陷水域水环境研究的空白。作为水体污染物及其来源识别的重要方法，通过确定两者之间的因果对应关系，提出减少和控制污染物输入的途径和措施，为水污染控制与综合管理提供科学依据［18］，在水资源与水环境的保护、规划管理和开发利用中发挥着重要作用。河流湖库污染源解析的方法与模型在用于沉陷水域时应考虑其特殊性，使源解析的成果更加科学合理。

(2)水环境与水循环的有机结合。在机理研究方面，水量是水环境演变的重要影响因素，水量的研究不能脱离水循环过程，因此，沉陷水域水循环过程伴随的污染物通量及水质变化的研究将是水环境研究的重要趋势之一。

(3)沉陷水域污染负荷与水动力学水质模型体系的构建。在建模方面，传统的模型体系仍有改进的空间。一是要体现水域的纵向关联，即将沉陷区水域的地下水与地表水进行耦合，体现底泥与水体的污染物迁移转化关系;二是要体现水域的横向关联，也就是将沉陷水域与其他相关水体关联起来，如受沉陷影响的河流水系和湖泊，考虑沉陷水域水环境与其他水体水环境的相互作用与影响;三是在考虑环境本底的基础上，研究污染物迁移转化机理，建立陆域点、面源污染负荷的强度和分布与水质之间的动态响应关系。在此过程中，沉陷水域的特殊性尤其予以体现。

(4)空间分析手段的充分利用。利用遥感、GIS等空间分析手段，是水环境研究的一大趋势，对不同时空尺度的沉陷区水环境过程进行分布式的模拟与预测，有助于提升沉陷水域水环境研究的信息化程度和现代化水平。

4 结论

采煤沉陷水域水环境系统不同于湖泊与水库，具有相当的复杂性与特殊性。水环境的调查、评价、模拟与预测，是当前采煤沉陷区水环境治理与生态修复关注的热点问题。本文对沉陷区水域水环境研究的主要方法作了归纳总结，包括调查分析与原始观测实验、水质评价方法和水质模型模拟预测。对采煤沉陷区水环境研究存在的问题进行了探讨，指出污染负荷的研究范围有待扩展，生态系统指标应在水质的监测、分析、评价与模拟预测中得到足够的重视，水环境研究的空间关联以及时间展布宜酌情考虑，水质模型的构建需要体现沉陷水域的特殊性。最后展望了沉陷水域水环境研究的未来发展趋势，主要包括沉陷水域的污染源解析、水环境与水循环的有机结合、沉陷水域污染负荷与水动力学水质模型体系的构建以及空间分析手段的充分利用等，以为沉陷水域水环境的深入研究提供参考。

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