淮南潘集典型采煤沉陷积水区的水质变化规律

2015-03-17程方奎宫传刚刘和武

黑龙江科技大学学报 2015年1期

程方奎，宫传刚，刘和武

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001)

淮南煤矿区主要是井工开采，对生态环境的影响主要表现为土地沉陷、矸石山压占土地、景观破坏、矸石淋溶水污染周围水环境、矿井地下水疏排破坏地下水资源环境，以及地面建(构)筑物损坏等。沉陷积水区水源为浅层地下水和大气降水补给［1］。矿区内地势平坦，地下水潜水位高，地表水系复杂，而且江淮地区雨水充沛，因此，矿区地下水补给量较大，地下水资源丰富。淮南矿区沉陷水域分布广、面积大，沉陷区水位受季节影响大［2－3］，并且由于地势低，大气降水短时间内难以外排，造成沉陷区水量变化大，进而导致水体水质随季节而变化［4］。目前，矿区开采尚在继续，预计淮南矿区到服务年限结束时，耕地面积将比目前减少46.75%，水面增加173.14%［5］。如此大的沉陷水域蕴含了大量的水资源，对其进行地表水水质调查与水质变化规律研究，掌握其水质特点与现状，对于保护和合理利用沉陷水域水资源具有重要意义。笔者以淮南番集区典型采煤沉陷区为研究对象，分析地表水水质变化规律及影响因素，为该区域采煤沉陷积水资源综合利用提供了依据。

1 水样采集与检测

1.1 水样采集

结合现场实际情况，对淮南潘集区典型的采煤沉陷积水区地表水进行人工采样分析。根据环境监测采样点布置原则，参照HJ/T 91—2002《地表水和污水监测技术规范》，避开研究区域中农村点源污染和农业面源污染区域，沿水域周边选取具有代表性的点位，然后进行点位GPS定位。选定16个采样点，其中1#～5#、7#～11#水样采集点位于潘一矿和潘三矿采煤沉陷区，6#、12#～16#水样采集点位位于潘一矿东采煤沉陷区。具体点位布置如图1所示。采样频率为1～2月采样一次，分别于2012年11月，2013年1月、4月、5月对研究区进行样品采集。

图1 采样点点位布置Fig.1 Sampling station locations

1.2 检测方法

采集的水样根据《水和废水监测分析方法》(第四版增补版)中的相关标准进行样品检测。根据客观条件和研究需要，选取无机类指标pH、氟化物(F－)，有机物指标化学需氧量(CODCr)、高锰酸盐指数(CODMn)，富营养化指标氨氮(NH3－N)、总磷(TP)、总氮(TN)为研究指标。

1.3 分析方法

由于每个点位的各项监测指标在监测时段内的变化值不同，不能反映总体区域该项指标的变化情况［6］。因此，用沉陷区各种指标的均值代表其在每个月份的值［7］，并结合沉陷区的气象条件等因素，分析沉陷区水体中该项指标的变化规律。

2 地表水水质变化规律

2.1 pH

监测时段内各月份淮南市的降水量和地表水pH变化情况如图2、3所示。

图2 监测时段内各月份降水量Fig.2 Rainfall capacity of each month in monitoring process

图3 监测时段内地表水的pHFig.3 pH values of surface water in monitoring process

由图3可以看出，监测时段内地表水体的pH均大于8，呈碱性。结合气象条件中降水量(图2)分析，降水量呈先下降后上升的趋势，而pH呈先上升后下降的趋势。pH的变化趋势与降水量相反，可见，降水量与地表水体的pH变化有一定关系。降水造成的地表径流，通过冲刷、淋洗将地表的酸性物质带入开放程度不高的采煤沉陷积水区，对水体的pH产生了较为明显的影响。

2.2 高锰酸盐指数

监测时段内地表水高锰酸盐指数(CODMn)变化情况如图4所示。

图4 监测时段内地表水的CODMnFig.4 CODMnvalues of surface water in monitoring process

如图4所示，在监测时段内，采煤沉陷积水区地表水水体的CODMn变化不大，比较稳定，但其趋势与降水量是一致的。随着降水量增加，地表水水体中的CODMn增高，可以推测，水体中的CODMn来源主要是地表土壤通过雨水淋溶进入到水体中，导致水体中的CODMn与降水量存在明显的正相关性。如果沉陷区水体相对封闭，沉陷区地表水水体中的CODMn会随沉陷时间的增加逐步增大，水体水质逐渐变差。

2.3 化学需氧量

监测时段内地表水化学需氧量(CODCr)变化情况如图5所示。

图5 监测时段内地表水的CODCrFig.5 CODCrvalues of surface water in monitoring process

如图5所示，监测时段内沉陷积水区水体中CODCr的变化趋势是先下降后上升。在后三个月份，CODCr的变化趋势与降水量一致，说明其与降水量也存在一定的相关性。在相对封闭的沉陷区域内，地表水中CODCr也存在时间上的积累效应，从而导致水体水质的恶化。

2.4 氨氮量

监测时段内地表水氨氮(NH3－N)量变化情况如图6所示。

图6 监测时段内地表水的NH3－NFig.6 ρNH3-Nvalues of surface water in monitoring process

如图6所示，地表水水体中NH3－N的含量与水体中其他指标有一定的关系，水体中氨、氮的形态和转化很容易受pH和溶氧两个因素的影响。当水中pH较高时铵盐易转化成游离氨，容易释放;在溶氧高的地表水中，NH3－N很容易受微生物作用形成亚硝酸盐氮。由2.1节分析可知，pH在时间上的变化趋势是先升高再降低，所以水中NH3－N的含量应该先下降再升高，又因为4、5月份气温升高幅度较大，生物硝化作用加强，水体中NH3－N含量进一步减少，从而很好地解释了4月而不是1月出现NH3－N含量最高值的原因。

2.5 总氮含量

监测时段内地表水总氮(TN)含量变化情况如图7所示。

图7 监测时段内地表水的TNFig.7 ρTNvalues of surface water in monitoring process

从图7可以看出，采煤沉陷积水区地表水水体中TN在时间上的变化呈现递减的趋势。TN含量在监测初期相当高，达到了劣Ⅴ类水质的限值。水质总体上呈好转的趋势，一定程度上与降雨的稀释作用有关，也与农业面源污染有关，1～5月农业生产作业不是很频繁，所以TN值比较低。

2.6 总磷量

监测时段内地表水总磷(TP)含量变化情况如图8所示。

图8 监测时段内地表水的TP值Fig.8 ρTPValues of surface water in monitoring process

由图8可以看出，采煤沉陷积水区地表水水体中TP的含量在时间上波动较大，变化规律不是很明显，这与其含量比较低有关。总体来看，沉陷区地表水水体中TP对水体水质影响未起到主导作用。

2.7 氟离子量

监测时段内地表水氟离子(F－)含量变化情况如图9所示。

图9 监测时段内地表水的F－值Fig.9 ρF－values of surface water in monitoring process

从图9可以看出，监测时段内沉陷积水区地表水中F－含量相对比较低，波动幅度不是很大。从变化趋势来看，其含量与降水量呈负相关，说明雨水对水体中F－含量有稀释作用。沉陷积水区水体中F－存在一定的富集，有导致污染的风险。

3 水质评价

3.1 W值水质评价方法

W值水质评价法［8－9］是常用的水质评价方法之一，具体评价方法如下:根据国家GB3838—2002《地表水环境质量标准》，以某个点位水体各项监测指标实测值对照水质类别进行评分。水质分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ六类，即环境质量理想、环境质量良好、环境污染、环境重污染、环境严重污染、环境极重污染，其评分分别为10、8、6、4、2、0。以最低两个单项得分之和确定该水体的水质类别［10］。Ⅰ类:最低两项评分之和为20或18;Ⅱ类:最低两项评分之和为16或14;Ⅲ类:最低两项评分之和为12或10;Ⅳ类:最低两项评分之和为8或6;Ⅴ类:最低两项评分之和为4或2;劣Ⅴ类:最低两项评分之和为0。