淮北濉萧矿区采煤塌陷区水污染特征及评价

刘 杰，易齐涛，严家平

(1.淮北矿业股份有限公司，安徽淮北 235000; 2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001)

淮北市是典型的水资源短缺的城市，人均水资源占有量约为全国的四分之一。但淮北市煤炭资源的开采也使得地区水资源赋存条件受到不同程度改变。区内现共有采煤塌陷区30多处，可利用的积水区总库容约6 508万m3，规划至2020年为1.32亿m3[1]。因此，随着煤矿资源的枯竭和土地沉陷，伴随着水资源的形成，将能够缓解淮北市缺水的状况。在对较大面积采煤塌陷区规划利用中，通常会考虑到周围河流水系的作用，即将塌陷区和周围河流贯通，在丰水期引入雨洪资源调蓄库容，形成平原水库或生态湖泊，使其发挥工农业用水源地和生态环境效益双重作用[2]。然而，这些工程性措施中，通常只考虑到水量的调节而缺少水质方面的相关研究，由于塌陷积水区与河流的水质状态及水体功能可能存在较大差异，两种水体水质也可能存在相互影响。

在此之前，采煤塌陷区的水质及生态环境研究主要集中于单个水体，而且集中在水环境现状评价与利用、水体富营养化特征[3-4]、沉积物氮磷释放风险[5-7]、生物群落结构特征和生态功能评估[8-9]，而综合考虑塌陷区水体和河流联通情况下水系污染特征识别及评价报道较少。本文选取的研究对象为淮北市区周边采煤塌陷水体与河流水系，水质评价采用单因子评价法、综合污染指数法、分级评价法及综合水质标识指数法4种方法，比较各种方法的优缺点和适用性，以便准确识别并评估此类区域污染组成特征，为采煤沉陷水域和河流联通工程适宜性评估、水体功能定位、污染防治及生态重建与恢复提供参考资料和科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

目前，区内采煤塌陷区总水域面积约32 km2，近年平均每年以3%～4%的速度增加。研究区域主要位于淮北市东南部的“朱庄-杨庄”矿采煤沉陷区。该区东西宽6 km，南北长10 km，岱河自北向南与龙河交汇至雷河。根据区内矿山地质环境治理规划，拟将位于矿区南部、中部和东部的三片采煤沉陷水域连通，形成人工湖泊系列，并通过天然河流—岱河在汛期对采煤沉陷水域进行水源补充，增加调蓄库容，改善水循环条件。湖水流动方向自东北向西南为“岱河→东湖→中湖→南湖→雷河”。本文在此研究区内设置3个水质观测研究站点，分别为东湖(DHu)、中湖(ZHu)、南湖(NHu)，在周边3条河流设置5个水质监测断面，其中岱河3个，命名为DaiH1、DaiH2、DaiH3，龙河和雷河各设置一个1个断面，分别命名为LongH和LeiH，具体地理位置如图1所示。

图1 淮北采煤沉陷水域监测站点及河流水质监测断面分布Figure 1 Huaibei coal mining subsided area water system monitoring points and river water quality monitoring sections distribution

1.2 采样及分析方法

为掌握研究区水质及动态变化特征，以及城区内3条天然河流水环境对塌陷区水质的影响，2012年以来，在DHu、Zhu和NHu分别设5～8个采样点，及3条河流的5个监测断面，对DO、NH4-N、CODcr等21项指标进行监测，并按照季节不同采集年内不同时间段样品。采样和检测分析方法依据《水和废水监测分析方法》(第四版)。

1.3 水质评价方法

水质评价分3类方法：第1类是根据某一级水质标准对水体进行衡量，其结论是指所评价的水体对应于该级标准的污染程度，单因子评价法和综合污染指数法属于该类。第2类方法则是依照所有的水质分级标准，首先确定单项污染分级，然后得出评价水体的级别，例如分级评价法。第3类是综合上述两类方法的综合水质标识指数法。本文将分别使用3类方法评价，并对结果及适宜性进行比较和论证。

第1类方法中采用单因子评价法和综合指数污染法，评价的标准依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[12]三级标准。综合污染指数的计算公式[13]如下：

(1)

式中：Ci为i项污染物的实际测量质量分数值，C0为i项污染物在选取的参考标准的评价标准限值。根据水质的监测结果对水质进行分级，对应的分级标准见表1。

表1 综合污染指数法水质分级标准[14]

第2类分级评价法依据为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)。此方法主要对研究区内的Ⅰ～Ⅴ类水分别划分等级并赋予一定的分值。其中Ⅰ类水为理想级，Ⅱ类水为良好级，Ⅲ类水为污染级，Ⅳ类水为重污染级，Ⅴ类水为严重污染级，分别评分为10分、8分、6分、4分、2分，0分为劣Ⅴ类[15]。确定其单项污染分级评分，然后计算各项指标评分算术平均值。分级评价法的计算公式为：

(2)

式中：Ai为参评的各个因子评分值。

第3类方法由单因子水质标识指数计算[16-17]和综合水质标识指数(Iwq)计算以及水质等级确定三方面组成。其参数组成为Iwq=X1X2X3X4。由计算获得式中的X1、X2，通过对比得到的结果确定X3、X4。其中，X1为研究区的总体水质所在的类别；X2为综合水质指标在X1类水质指标变化区间中所处的位置；X3为参评综合水质评价的所有指标中低于研究区水环境功能区目标的单项指标的数量；X4通过比较综合水质类别与水体功能区类别获得。X1·X2具体计算公式为：

(3)

式中：m为参加评价的单项指标个数；P1,P2,Pm为第1,2,m项水质因子中的单因子水质标识指数中的X1·X2取值。X1·X2范围与综合水质级别具体的判定关系见表2。

表2 水质级别判定标准[16]

2 结果与分析

2.1 水质统计分布特征

首先将3个采煤沉陷水域站点和5个河流监测断面水质指标按季节均值变化进行分析统计，其内容包括观测断面水体常规理化指标及其质量分数、重金属元素含量与丰度，以及水体富营养化参数等，其结果如表3和表4所示。DHu、ZHu和NHu的pH值为8.1～8.8(表3)， 而5个河流监测断面为7.2～8.3，均值为7.7，属偏碱性水。TSS质量分数随季节变化明显，夏、秋季较高，冬、春季较低，主要是由于夏季温度较高，浮游生物量增大导致。其中DHu、ZHu和NHu分别为8.4～36.3 mg/L、7.0～17.4 mg/L、5.2～13.2 mg/L，5个河流断面总体为3.0～35.0 mg/L。

表3 东、中、南湖及河流各监测断面理化指标、富营养化参数的季节均值分布

“-”表示未测定。

表4 东、中、南湖站点及河流各监测断面重金属元素的季节均值分布

“nd.”表示未检出。Fe、Mn指标参考《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)集中式生活饮用水源地补充项目中的相关标准限值；Ni指标参考特定项目的标准限值；其它重金属元素参考标准中基本项目标准限值的Ⅲ类标准值。

3个采煤沉陷水域研究站点的TDS和Alk质量分数变化相对较小，TDS均值分别为746.7、633.3、579.4 mg/L，在500～1 000 mg/L，属于较高矿化度水，Alk总体为204.8～293.5 mg/L，均值为244.7 mg/L。5个河流监测断面的TDS和Alk质量分数则具有较大的变化，TDS为498.8～1 129.5 mg/L，也属于较高矿化度水，Alk为209.0～415.6 mg/L，均值为326.2 mg/L。河流由于受到季节性波动及区域环境因素影响较大，水质相比采煤沉陷水域来说具有更大的不稳定性。

DO在3个水域研究站点含量较高，平均质量分数9.5 mg/L，可达到Ⅰ类水质标准。在5个河流监测断面DO的含量均值明显较低，仅为6.7 mg/L。在岱河上游监测断面DaiH1、DaiH2断面DO的均值分别仅为1.7 mg/L和2.6 mg/L，水质类别已达到劣Ⅴ类或Ⅴ类，污染现状比较严重，这可能与排污影响有关。DaiH3均值可达7.8 mg/L，可见经过一段距离水体自净后，DO质量分数得到恢复。LongH和LeiH断面DO含量较高，4个季度均值分别为9.0 mg/L和10.9 mg/L。河流断面CODcr质量分数较大，季节变化为20.8～78.5 mg/L，均值为56.0 mg/L，绝大部分属于劣Ⅴ类水，表明有机污染十分严重，而DHu和Zhu质量分数为17.5～50.0 mg/L，水质可归类为Ⅳ类或者Ⅴ类，而NHu质量分数较低达到Ⅰ类水质标准为10.1～15.0 mg/L，CODcr总体上DHu>ZHu>NHu。

3个采煤沉陷水域TP和TN质量分数分别为0.01～0.28 mg/L和0.3～2.1 mg/L，个别站点季节达到Ⅰ类或Ⅱ类级别，其他大部分均超过Ⅲ类，DHu站点夏季水质最差，达到劣Ⅴ类标准，氮磷质量分数总体上也是：DHu>ZHu>NHu。5个河流监测断面TP和TN质量分数分别为0.05～1.21 mg/L和3.6～21.6 mg/L，远高于3个采煤沉陷水域站点。此外，根据水体SD、TN、TP和Chl-a四个指标的监测数据计算(方法参见文献[3])综合富营养化状态指数(TLI)。不同季度采煤沉陷水域3个站点水质营养状态的跨度为“中营养”到“轻度富营养”或“中度富营养”；河流的5个监测断面水质营养状态均为“重度富营养”状态。

根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，对各站点重金属指标实测质量分数(表4)进行比较分类。其中除了Se、As未检出以外，其它金属元素在不同的季节均有所检出。Cu、Zn、Cr分别为2.9～3.4、1.3～8.1、3.5～9.6 ug/L，所有实测值均达到Ⅰ类水质标准；Pb、Cd分别为1.9～12.5、0.2～2.7 ug/L，处于Ⅰ类或Ⅱ类水质标准；Hg含量为0.11～0.92 ug/L，超过Ⅲ类标准。在Fe、Mn指标方面，3个采煤沉陷水域研究站点除了DHu夏季超标外，其它均达到集中式生活饮用水源地补充项目的对应标准，而河流监测断面重金属污染略高于湖泊。

综上所述，3个采煤沉陷水域研究站点水质较好，而周围河流受到较为严重的污染，有机物、营养盐类及重金属元素均是河流高于采煤沉陷水域，采煤沉陷水域中NHu水质最好，ZHu次之，DHu由于受农民养殖活动影响较大，水质状况较差。

2.2 不同评价方法结果比较

将评价指标分为有机污染类(DO、COD、NH4-N)、营养盐类(TP、TN)和重金属类(Cu、Zn、Se、As、Hg、Cd、Cr、Pb)，根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水质标准评价结果见表5。

从结果中可以看出：

1)单因子评价法显示3个采煤沉陷水域站点中DHu水质最差，冬季和夏季为劣Ⅴ类，ZHu和NHu评价结果相对而言较为稳定，比DHu污染小，除ZHu秋季外均为Ⅳ类水体。河流的5个监测断面各季度的水质均为劣Ⅴ类，表明水质污染情况十分严重。评价结果由污染最严重的水质参数所决定，所以单因子评价法具有一定的片面性。

表5 多方法水质评价结果

2)根据综合污染指数法评价结果可得出河流5个监测断面水质污染级别为重污染，采煤沉陷水域3个站点水质污染级别为轻污染。通过单因子评价法的各个参评指标评分的算术平均值计算，综合污染指数法减小了污染最大项和最小项的影响，相对单因子评价法结果，评价所得污染程度低，但是不能够突出特征污染物，也不能很好地确定综合水质所属的类别。

3)分级评价法结果显示3个采煤沉陷水域研究站点的水质较好，大部分处于Ⅱ类或Ⅲ类水质标准，NHu站点评分结果最高，均值为8.9分，水质最好。5个河流监测断面中DaiH1评分均值最低为6.77，LeiH评分均值最大为7.42，为分级评价法规定的Ⅲ类水质分级标准。分级评价法同综合污染指数法类似，特别是多数指标评分较高，往往会提高整体水质评分，和实际水质状况可能不太符合。

4)综合水质标识指数法评价结果表明DaiH1断面春夏季，DaiH2秋春季，以及LeiH春季为劣Ⅴ类水质。评价结果与实际水质特征基本吻合，这点从X1.X2数值均值容易判断。按照水质优劣程度的顺序分别为：NHu>ZHu>DHu>LongH>LeiH>DaiH，结果具有较高的准确性及可靠性，并能够在同一类水体进行更加细致的区分。

2.3 水质标识指数的分布特征

2.3.1 主要污染物分析

如图2可见，采煤沉陷水域3个站点TN、TP、CODcr单因子水质标识指数(Pi)均值分别为4.0、4.0、3.9，可判定为主要特征污染物，使得水质接近Ⅳ类标准。DO和NH4-N的均值较低，分别为1.3和1.1， 均可达到Ⅰ类水质标准。而5个河流监测断面不同指标的污染程度趋势亦相同，上述5种指标的Pi均值分别为10.3、5.9、5.8、3.7、2.3。由图2b中可见，采煤沉陷水域及河流在重金属方面主要的特征污染物为Hg。其单因子水质标识指数(Pi)的均值在采煤沉陷水域站点与河流断面分别为4.4、3.9，分别属于Ⅳ类或Ⅲ类水质级别。其它重金属元素Pi均值相对较低，按照大小排序为：Cd(1.5)>Cr(1.4)>Pb(1.3)>Cu(1.1)>Zn(1.0)，均处于Ⅰ类或Ⅱ类水质标准，而As、Se均未检出，故图2b中未表示。

图2 单因子水质标识指数比较Figure 2 Single factor water quality identification indices comparison

2.3.2 综合水质标识指数特征

选取DO、CODcr、NH4-N、TP、TN、Hg 6种特征污染物为综合水质标识指数的参评指标，并根据综合水质标识指数(Iwq)计算方法和水质分级判定标准(表3)确定水质等级(表6)，各个站点季节Iwq均值比较参见图3。

3个采煤沉陷水域Iwq均值为3.140，其中NHu站点水质最好，3个季度能达到Ⅱ类水体标准，DHu站点夏季水质最差达到Ⅲ类水质，1个季度为Ⅳ类水质。而5个河流断面的Iwq较大，均值为5.352，总体来说水质较差，其中DaiH1夏季最差，接近7.0，出现黑臭现象。根据Iwq均值大小，将沉陷区湖泊河流水系各研究站点水质污染程度排序得到：DaiH1(6.253)>DaiH2(5.852)>DaiH3(4.951)>LongH(4.941)>LeiH(4.841)>DHu(3.640)>ZHu(3.240)>NHu(2.530)。

从Iwq值可以看出，NHu整体水质最好，这与该站点规划功能区目标相一致，即拟定为城市水源地保护区，由于周边具有良好的生态缓冲带，污染程度较轻，水质状态最好。其次是ZHu站点水质，为自然状态下形成的采煤塌陷区水体。但由于没有加强管理，而由于在DHu周围农民开始发展渔业养殖，造成了对水体的污染，这点体现在Iwq值得变化。沿河流流经途径来看，研究区内岱河从上游到下游污染程度有减轻趋势，这与当地河流实际状况相关，DaiH水量较小，河道两侧有大量的芦苇，上游的排放的污染物经过自然湿地根际植物过滤和吸收，水体得到一定程度上的自净，污染程度缓慢降低，但整体而言，河流污染程度远远大于湖泊。

3 讨论

淮北市的城市发展规划拟将市区周边3个主要的采煤沉陷水域与河流贯通，形成完整水系。但塌陷区特殊的形成条件、水体来源等又不同于其他大型湖泊、水库，水体污染状况未知性及特殊性等因素使得前期的水污染特征识别、水质评价与工程性措施的评估亟待进行。目前，我国学者已对相关的河流、湖泊进行了详细的水污染特征分析、时空分布状况及评价方法比较，并提出了合理的水质评价模式的特征要求以及发展方向[18-19]。河流综合水质标识指数法由徐祖信[16]提出后得到了较多的应用[20-21]。本文通过3大类4种水质评价方法的对比发现各方法都存在一定特点。单因子评价法评价结果与最差参评指标所属水质类别关系密切，使得评价结论过于严格和保守。例如在本次评价中3个采煤沉陷水域研究站点主要是重金属Hg超标，为Ⅳ类水质，导致评价结果均被拉低；而分级评价法将各个参评指标进行平均，本文中除了Hg以外，其它重金属含量很低，单项指标评价得分很高，造成整体水质较好，均处于Ⅲ类水质标准以上，尤其河流断面评价污染程度较轻，这与实际情况不符，综合指数法数也存在类似问题，掩盖主要污染特征；而水质标识指数法则具有连续性，能够对观测水体的水质进行定性和定量评估，所得的结果与实际情况较为吻合。

根据综合水质标识指数法的评价结果，3个采煤沉陷水域站点目前达到Ⅲ类水质标准，与淮北市政府关于塌陷区水源保护地的整体功能区规划是一致的， 但DHu由于人为活动影响加剧， 水质已经开始向Ⅳ水体靠近，合理的保护和管理措施需要强化，此其一。其二，沉陷区周围河流水系水质接近V类或超过V类，特别是有机污染和氮磷污染严重，水体功能首先应该规划为工农业用水或一般景观用水。其三，由于塌陷湖泊和周围河流的功能差别较大，差异在1～3个级别(从Iwq的X4可以看出)，同时由于塌陷湖泊面积及容积均较小，水体自净能力远低于大型湖泊，河湖联通工程需要谨慎对待，如果要引入河水的话，上游岱河水断然不能直接引入，河流污染首先应该重点治理，尤其是高质量分数氮磷必须得到大量的削减，在此基础上，在综合考虑塌陷湖泊的环境容量和环境目标，特征污染物的自净能力、河流水文学及湖泊水力学特征的基础上，建立适合的水质模型对各种工程性措施进行细致的评估，确定可行性并提出优化策略。

图3 各季度综合水质标识指数比较Figure 3 Seasonal comprehensive water quality identification indices comparison

4 结论

1)综合水质标识指数法相对于其它水质评价方法能够更客观地反映水质类别，且可以确定其水环境功能区类别的差距。同时对超过Ⅴ类水质标准水体污染状况的表述较为连续，能够很好识别塌陷湖泊及周围河流水系的污染特征和水体功能，结果与实际状况较为一致。

2)3个采煤沉陷水域站点Iwq均值为3.140，可以严格限定执行Ⅲ类水质标准，其特征污染物分别为CODcr、TP、TN、Hg。5个河流监测断面Iwq均值为5.352，水体污染严重，水质类别为Ⅴ类。各监测站点和断面总体污染程度顺序为：DaiH1>DaiH2>DaiH3>LongH>LeiH>DHu>ZHu>NHu，河流水质目标可以划定为V类，并逐步向Ⅳ水质目标改善。

3)在将3个采煤沉陷水域与河流贯通之前必须进行河流水污染综合治理，进而建立合适的水质模型预测拟定水质目标下塌陷湖泊的水体环境容量和自净能力，并进行可行性论证。

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