淮南地区新集一矿典型采煤塌陷湖泊水体富营养化评价

潘文明

（安徽工业经济职业技术学院，安徽 合肥 230051）

淮南地区新集一矿典型采煤塌陷湖泊水体富营养化评价

潘文明

（安徽工业经济职业技术学院，安徽 合肥 230051）

在采煤塌陷湖泊体富营养化评价中，叶绿素a（Chlorophyll-a，简称“Chla”）通常作为其富营养化程度的指示剂.通过对淮南地区新集一矿典型采煤塌陷湖泊体水样品的区域化采集，结合地表水环境质量标准（GB 3838—2002）要求，测定26个水样品中叶绿素a、高锰酸盐指数、透明度（SD）、总氮（TN）和总磷（TP）指标的含量值.结果表明：不同区域水体中Chla含量与相关环境影响因子之间存在不同程度相关性，即Chla与高锰酸盐指数、TP/TN呈正相关性，而与SD呈负相关性；基于湖泊营养状态Chla评价标准，表明不同区域水体隶属于富营养化状态，这为今后开展采煤沉陷湖泊体生态环境综合治理提供参考依据.

采煤塌陷湖；富营养化；叶绿素a

0 引言

近些年来，针对采煤塌陷湖泊体富营养化程度的研究越来越引起国内外学者的关注［1-3］.一般而言，鉴于叶绿素a（Chlorophyll-a，简称“Chla”）能够反映采煤塌陷湖泊水体中藻类数量富集或亏损的综合指标，因而通常作为采煤塌陷湖泊体富营养化的评价指标或指示剂.此外，一些学者采用叶绿素a含量水平作为采煤塌陷湖泊水体总藻类现存量、生物量的示综剂［4-5］，其含量水平标志着采煤塌陷湖泊水体的富营养化程度.

淮南煤田作为华东地区最大的煤炭生产和输出基地，保障安徽省及整个华东地区的能源需求.然而，随着煤炭资源日益开采，淮南地区地表呈现出众多大小不一的采煤塌陷湖泊体，其作为煤炭生产建设不可避免的产物，已成为淮南地区一种典型特色的地表水体.

众所周知，淮南地区很多城镇大多数是“因矿而生，因矿而建，因矿而兴”，这使得输入采煤塌陷湖泊水体中的营养盐主要来自于居民生活区、附近农田、排污管道等多样污染源中营养盐的溶出和自然降雨中营养盐的输入.尤其近些年来，伴随着淮南地区煤矿企业、化工业的迅猛发展，人为因素排入采煤塌陷湖泊水体中的氮、磷等营养物质数量日益累加，已经严重影响采煤塌陷湖泊体周边地区的生态环境，因此此类湖泊体富营养化问题已引起地方政府和人民的高度重视.本文通过对淮南地区典型采煤塌陷湖泊体水样品的系统采集，结合多项测试指标分析，初步评价采煤塌陷湖泊水体不同区域的富营养化程度，这为今后开展新集一矿采煤塌陷湖泊体的综合生态环境治理提供科学依据.

1 研究区概况

淮南地区新集一矿位于安徽省淮南市凤台县城西约17 km处，位于凤台县新集镇内.该井田地处淮河冲积平原，地势低平，一般海拔22～26 m，西高东低.井田周边水陆交通方便，阜淮铁路、潘谢公路从井田中部穿过，西淝河流经井田东端，向东南注入淮河.

本文选取新集一矿具有代表性的采煤塌陷湖泊作为研究对象，所选塌陷水体受地下开采影响，处于塌陷活动期.采煤塌陷湖泊内不同区域分别在水域中心区和边缘区取样，取样个数依据区域水域面积而定.

2 样品采集与测试分析

通过对新集一矿采煤沉陷水域实地踏勘，确定现已形成规模并对周边居民生活具有潜在危险的4个主要塌陷区（依次标定为A、B、C和D）进行沉陷水域表层水样品采集.本次研究共采集4个采煤沉陷水域水样品26个，其中A区8个、B区6个、C区4个和D区8个.所有水样品采集位置如图1所示.

图1 新集一矿采煤塌陷湖泊体内不同区域水样品采集位置

所有水样品的采集、封装和运输严格依照地表水环境质量标准（GB 3838—2002）所规定相应内容执行.采集的水样均为表层水（水面下30 cm处），水样品用2.5 L采水器置于水面下30 cm处采集.采集到的水样品用4%的甲醛溶液固定后送至实验室测试，采用地表水环境质量标准（GB 3838—2002）中规定的测定方法，获得水中叶绿素a、高锰酸盐指数、透明度（SD）、总氮（TN）和总磷（TP）指标的含量值.

3 结果与讨论

3.1 不同区域水质理化性质

通过对新集一矿典型采煤塌陷湖泊体内不同区域26个水样品5项理化指标数据的统计分析，采用符合正态分布的叶绿素a含量log10ρChla变量转换值、高锰酸盐值、SD和TP/TN比值作为本次采煤塌陷湖泊水体富营养化的权重因子（见表1）.

表1 不同区域水质理化指标平均值

由表1可以看出，叶绿素a含量log10ρChla变量转换值、高锰酸盐值、SD和TP/TN比值对于不同区域水质理化性质均呈现出统一的辨别结果，即：C＞B＞A＞D.已有研究表明，采煤沉陷水域重金属污染类型属于非点源污染，主要污染类型有：采煤活动工业污染、生活废水污染、农田种植活动面源污染、交通运输尾气污染等.结合4个采煤沉陷水域水样品点位信息（见图1）能够看出，C沉陷区周边交通运输网较密集，且在其附近发现有煤矸石堆放处，因此推断C处采煤沉陷水域至少叠加3种以上污染源，致使其富营养化程度高.B、A两处沉陷区周边村庄较多，但公路网疏散，未有河流发育，推断其水域主要污染行径为经风力作用，使得采煤活动所产生的粉尘降落聚集于B、A沉陷区内，并逐渐从固体粉尘颗粒中溶解、扩散至水体中，因此推断上述两处采煤沉陷水域至少叠加2种以上污染源，致使其富营养化程度较高.D沉陷区位于西淝河下游，上游新集一矿工业场所产生的生活污水是其水域造成污染的主要污染源，因此推断D处采煤沉陷水域至少叠加1种以上污染源，致使其呈现出富营养化状态.

3.2 叶绿素a与不同权重因子相关性

3.2.1 叶绿素a与TP/TN的关系

叶绿素的log10ρChla含量与TP/TN相关性如图2所示.

图2 叶绿素a与TP/TN相关性

图3 叶绿素a与高锰酸盐指数相关性

由图2可以看出，叶绿素的log10ρChla含量与TP/TN呈现显著正相关性（R=0.96），这表明当log10ρChla含量增高时，水体中TP/TN含量也增高，两者曲线形态较一致，呈正相关关系，即当塌陷水域中TN变化稳定时，log10ρChla随TP的含量增加而增加，这是由于塌陷区水体中浮游植物的生长与繁殖受制于所富集的氮、磷营养物质控制，而浮游植物光合作用的关键色素物质是叶绿素a，当水体中氮、磷元素含量富集时，将刺激浮游植物的快速生长，致使其所需的叶绿素a含量会逐渐提高［6-8］.

3.2.2 叶绿素a与高锰酸盐指数的关系

叶绿素的log10ρChla含量与高锰酸盐指数相关性图如图3所示.由图3可以看出，叶绿素的log10ρChla含量与TP/TN呈现一定程度的正相关性（R=0.67），这表明当叶绿素a含量增高时，水体中高锰酸盐指数也增高，两者曲线形态基本一致，呈一定正相关性，这是由于当塌陷区水体中有机物含量受高锰酸钾氧化后呈现增加的趋势，使得水中营养物浓度增高，这导致浮游植物光合作用能力的增强，进而增加叶绿素a含量.

3.2.3 叶绿素a与透明度的关系

叶绿素的log10ρChla含量与透明度（SD）相关性如图4所示.

图4 叶绿素a与透明度（SD）相关性

由图4可以看出，叶绿素的log10ρChla含量与SD呈现显著的负相关性（R=0.91），这表明当叶绿素a含量增高时，水体透明度（SD）却降低，两者曲线形态相反，呈负相关关系，这是由于透明度（SD）直接影响水下光照强度，导致塌陷区水域生产层深度的变化，这与李守勤等［9］的研究成果一致.在塌陷水体中浮游植物光合作用能力逐渐增强后，使得水体中浮游植物大量生长，致使生产层深度相应增加，进而使水体透明度降低.

3.3 富营养化程度评价

通过参照OECD湖泊营养状态的Chla划分［10］和选用标准（见表2），能够得出新集一矿典型采煤塌陷湖泊水体属于富营养化状态.

表2 湖泊营养状态的Chla标准

为了提高多变量综合判断的准确性，本文采用综合营养状态指数法对A、B、C和D采煤塌陷湖泊体水质富营养化程度进行判别.

鉴于《湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定》，综合营养状态指数公式可表达成：

其中，TLI（Σ）为综合营养状态指数；TLI（j）为第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.

以Chla作为基准参数，则第j种参数归一化的相关权重可表示为：

其中，rij为第j种参数与基准参数Chla的相关系数；m为评价参数的个数.

为了表明湖泊富营养状态程度，采用0～100一系列连续数值对湖泊营养状态进行分级，即：TLI（Σ）＜30为贫营养；30≤TLI（Σ）≤50为中营养；TLI（Σ）＞50为富营养.50＜TLI（Σ）≤60为轻度富营养；60＜TLI（Σ）≤70为中度富营养；TLI（Σ）＞70为重度富营养.基于TLI（Σ）数值，在同一营养状态下，TLI（Σ）指数值愈高，其营养程度愈高.

根据式（1）和式（2），结合表1中所给出的平均值数据，对评价的A、B、C和D采煤塌陷湖泊体富营养化评价结果见表3.

表3 评价区湖泊水体富营养化评价结果

鉴于对新集一矿周边污染源现状的调查结果，可以得出：

1）新集一矿采煤塌陷湖泊水体周边堆放有不同数量煤矸石山，且水体距离矸石山较近，因此当煤矸石经降雨淋滤作用后进入塌陷水域内，能够使其水体透明度（SD）降低；

2）由新集一矿煤矿疏干排出的工业废水进入采煤塌陷湖泊水体内（尤其是C、D区域），使其水体高锰酸盐指数增高；

3）新集一矿地理位置系平原农业耕作区，普遍种植农业作物，农业耕作的化肥农药残留物大量排入采煤塌陷湖泊体内，造成其水体富营养化（尤其是B、C区域），使其水体叶绿素a含量增高.

4 结论

本文通过对淮南地区新集一矿典型采煤塌陷湖泊水体富营养化系统调查，得出如下主要结论：

1）新集一矿典型采煤塌陷湖泊水体中叶绿素a含量与TP/TN、高锰酸盐指数呈正相关性，与透明度（SD）呈负相关性；

2）新集一矿典型采煤塌陷湖泊水体中叶绿素a含量普遍较高，属富营养化状态；

3）为了改善新集一矿典型采煤塌陷湖泊水体中水质条件，应减少富有营养盐的残留农药进入塌陷水域，避免矿井工业废水未经处理流进塌陷湖泊水体中，造成其水质环境污染.

［1］徐良骥，严家平，高永梅.淮南矿区塌陷水域环境效应［J］.煤炭学报，2008，33（4）：419-422.

［2］何春桂，刘辉，桂和荣.淮南市典型采煤塌陷区水域环境现状评价［J］.煤炭学报，2005，30（6）：754-758.

［3］刘晓蕙，闫国立，崔留欣，等.郑州市某地表水源叶绿素a与相关环境因子的关系［J］.环境与健康杂志，2008，25（2）：98-100.

［4］易齐涛，陈求稳，赵德慧，等.淮南采煤塌陷湖泊浮游植物功能群的季节演替及其驱动因子［J］.生态学报，2016，36（15）：1-5.

［5］周晓铁，韩宁宁，孙世群，等.安徽省河流和湖泊型饮用水水源地水质评价［J］.湖泊科学，2010，22（2）：176-180.

［6］易齐涛，孙鹏飞，谢凯，等.区域水化学条件对淮南采煤沉陷区水域沉积物磷吸附特征的影响研究［J］.环境科学，2013，34（10）：3894-3903.

［7］邓诗慧，高良敏，姚素平，等.淮南潘一采煤塌陷区底泥沉积物氮磷形态分布特征［J］.环境科学与技术，2014（7）：1-5.

［8］谢凯，张雁秋，易齐涛，等.淮南潘一矿塌陷水域沉积物中磷的赋存和迁移转化特征［J］.中国环境科学，2012，32（10）：1867-1874.

［9］李守勤，严家平，戎贵文.采煤塌陷水域水质演变预测模拟分析［J］.煤炭科学技术，2011，39（7）：120-123.

［10］金相灿，刘鸿亮，屠清瑛，等.中国湖泊富营养化［M］.北京：中国环境科学出版社，1990：68.

The Eutrophication Assessment of Typical Mining Subsidence Lake Water Body in Huainan Area

PAN Wenming
（Anhui Technical College of Industry and Economy,230051,Hefei,Anhui,China）

Chlorophyll-a is usually used as an indicator of the degree of eutrophication in the eutrophication assessment of coal mining subsidence lake.Based on the collection of Xinji 1 typical coal mining subsidence lake body water samples，combined with the environmental quality standards for surface water（GB 3838-2002），the chlorophyll-a，permanganate index，transparency（SD），total nitrogen（TN）and total phosphorus（TP）in 26 water samples were determined.The results show:there are different degrees of relationship between Chla value and related environmental factors in different regions in the studied water.Chla and permanganate index，TP/TN show a positive correlation，and negative correlation with SD，based on Chla trophic state evaluation standard，it was shown that the different water areas belong to eutrophication，to provide reference for the future ecological development of coal mining subsidence lake body.

subsidence lake；eutrophication；chlorophyll-a

X 171

A

2095-0691（2017）01-0052-05

2016-12-01

潘文明（1968- ），男，安徽南陵人，硕士生，研究方向：地学.