煤矿区塌陷塘富营养化特征研究

褚 磊

(淮南市环境保护监测站， 安徽 淮南 232001)

1 沉陷塘富营养化简述

煤炭为经济社会发展作出了巨大贡献，然而，随着煤炭资源的开采，采空区地表变形沉陷，在降水、地下水等因素影响下，形成大面积采煤沉陷水域。煤炭生产矿区城乡生态环境遭受破坏，尤其采煤沉陷塘水质影响[1]，矿区生态环境“透支”严重[2]。

一般来说，采煤沉陷水域多为封闭系统，受矿区生产生活污染和周围环境影响较大。采煤沉陷水域位于煤炭生产矿区内，矿井疏干排水、工业广场污废水、煤矸石堆场淋溶水都会污染采煤沉陷水体[3，4]；为保护矿区生态环境，需要关注采煤沉陷水域环境，尤其富营养化问题。

富营养化，指湖泊、水库、海湾等封闭、半封闭性水体与某些季节性河流(流量<1m/min)因氮、磷等营养素富集，使某些特征藻类及其它水生植物异常繁殖、异养微生物代谢频繁、水体腥臭、透明度与溶解氧浓度下降、水生生物大量死亡、水质恶化等，生态系统破坏现象[5]。全球30%～40%湖泊水库不同程度受到影响，气候干燥区湖库富营养化相对严重，富营养化湖泊主要集中在加拿大南部人口稠密地区[6]。营养物质过剩直接导致藻类新陈代谢加快，藻类个体数量增加但种类减少；死亡水生植物富集水体底部，被微生物分解，消耗溶解氧，影响水生动物生存环境；水生动物死亡后营养物质释放于水体，再次被藻类利用，如此恶性循环，加剧水体富营养化过程[7]。

2 沉陷塘水质监测

2.1 水样采集

湖泊、水库可按沏库区不同水域，例如：入出水域、深浅水区、湖心区、岸边区、湖边城市水源区等水体功能布设监测垂线。若无明显功能区分，用网格法均匀布设断面垂线。断面垂线采样点按湖库深度确定[8]。

根据RL煤炭生产矿区环境条件、水文特征等，2016年3月设4个采样点，分上、中、下层采样。上层距水面0.5 m，下层距水底0.5 m左右，中层取平均深度，测量水深、透明度(SD)、pH值、总氮(TN)、总磷(TP)、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)等。采样点位见图1。

图1 采样点区域分布

图1中，L1为对照塘，在CK沉陷塘采样，上中下层标识：CK-1-上，CK-1-中，CK-1-下。L2，L3，L4在RL采煤沉陷塘采样，上中下层标识：RL-SW-1-上、RL-SW-1-中、RL-SW-1-下、RL-SW-2-上、RL-SW-2-中、RL-SW-2-下、RL-SW-3-上、RL-SW-3-中、RL-SW-3-下。

2.2 水样保存

适当保护措施可降低变化程度或减缓变化速度，但并不能完全抑制变化。某些分析项目，例如：溶解氧须采样现场测定；氨氮、TN、TP、CODMn等须现场预处理；水样允许保存时间与其性质、分析项目、溶液酸度、贮存容器、存放温度等因素相关。

2.3 水质监测方法

RL矿区采煤沉陷塘水质监测项目10项，其中：pH值、EC、TDS、SD现场监测；其余6项监测方法，见表1。

表1 采煤沉陷塘水质主要分析方法

2.4 水质监测结果

RL煤炭生产矿区采煤沉陷塘水质监测项目分析结果，采用Excel2007处理分析。

3 沉陷塘水质特征分析

RL煤炭生产矿区采煤沉陷塘水质监测项目分析结果，经过数据处理后，其监测结果见表2。

表2 塌陷塘水体的水质参数

3.1 塌陷塘理化性质分析

RL矿区采煤沉陷塘水质监测，垂线均分为上中下三处采样，以此分析各采样点水质平均值与对照点水质平均及其垂向分布特征。

RL矿区采煤沉陷塘各采样点中各污染物平均浓度值比较结果，见图2～11。

图2 采煤沉陷塘研究水体pH值

图3 采煤沉陷塘研究水体EC值

图3、9、10显示，RL矿区采煤沉陷塘与对照沉陷塘相比，EC、TP、叶绿素a浓度高；CK沉陷塘EC均值1179 μs/cm，RL塘3个样点EC均值3233 μs/cm、1568 μs/cm、1540 μs/cm，CK塘TP均值0.021 mg/L，RL塘3个样点TP均值0.023 mg/L、0.023 mg/L、0.021 mg/L，CK塘叶绿素a平均值为0.81 mg/m3，RL塘3个样点叶绿素a均值12.17 mg/m3、6.46 mg/m3、5.80 mg/m3。

图4 采煤沉陷塘研究水体 TDS值

图5 采煤沉陷塘研究水体DO值

图6 采煤沉陷塘研究水体氨氮值

图8 采煤沉陷塘研究水体总氮值

图9 采煤沉陷塘研究水体总磷值

图10 研究区水体的叶绿素a值

图11 研究区水体的SD值

由此而论RL矿区采煤沉陷塘受到污染，氨氮、SD浓度较对照塘低，其余因子较对照塘高低不同。垂向分布特征，见图12～20。

图12 pH值随深度变化

图13 EC值随深度变化

图14 TDS值随深度变化

图15 氨氮值随深度变化

图16 DO值随深度变化

图17 COD值随深度变化

图18 TN值随深度变化

图19 TP值随深度变化

图20 chla值随深度变化

图1～20反映了RL煤矿采煤沉陷塘不同水深、9个环境因子浓度，各采样点分别监测上、中、下层水质，垂向分布反映了RL煤矿沉陷塘水质特征。图15中氨氮浓度随深度而增加，图18中总氮浓度随深度先降后升，图19中叶绿素a含量随深度而降低，近于0。

3.2 理化性质相关性分析

3.2.1 pH值与其它因子关系

相关回归分析，可反映煤炭生产矿区采煤沉陷塘各因子之间关系。笔者采取相关回归方法，反映CK沉陷塘与RL矿区沉陷塘各因子间关系。SD仅4个监测数据，不参与分析；pH值与其它因子间相关关系，见表3。

表3 pH值与其它因子相关关系

当|r|>0.95时，显著性相关；当|r|≥0.8时，高度相关；当0.5≤|r|<0.8时，中度相关；当0.3≤|r|<0.5时，低度相关；当|r|<0.3时，不相关；当|r|=0时，两者没有相关关系。采用Excel2007，计算相关系数(r)。

由表3可见，RL煤矿采煤沉陷塘pH值与EC中度相关，且负相关，即pH值随EC增大而降低；pH值与TDS中度相关，且正相关，即pH值随TDS增大而上升；pH值与DO、TN低度相关，且负相关；pH值与氨氮、CODMn、TP、叶绿素a不相关；其中：pH值与氨氮、TP、叶绿素a相关关系近似0，即pH值与它们之间没有关系。

3.2.2 EC与其它因子关系

表3列出了EC与pH值相关关系，为规避重复，EC与其它因子关系中忽略。RL煤矿采煤沉陷塘EC与其余7个因子相关关系分析，见表4。

表4 EC与其它因子相关关系

由表4可知，RL煤矿采煤沉陷塘EC与pH值、TDS、氨氮中度相关，且负相关，其中：EC与TDS相关性强；EC与TP中度相关，且正相关，EC与叶绿素a低度相关，且正相关；EC与DO、COD、TN不相关。

3.2.3 氨氮与其它因子关系

RL煤矿采煤沉陷塘氨氮与其余6个评价因子之间相关关系，见表5。

表5 氨氮与其它因子相关关系

表5显示，RL煤矿采煤沉陷塘氨氮与EC中度相关，且正相关；氨氮与TN、叶绿素a低度相关，且负相关；氨氮与其余5个因子不相关；其中：氨氮与DO相关性近乎0，无相关关系。

3.2.4 TDS与其它因子关系

RL煤矿采煤沉陷塘TDS与其它5个评价因子之间相关关系，见表6。

表6 TDS与其它因子相关关系

表6表明，RL煤矿采煤沉陷塘TDS与pH值中度相关，且负相关；TDS与EC中度相关，且负相关；TDS与CODMn低度相关，且负相关；TDS与叶绿素a低度相关，且正相关；TDS与DO、TN、TP、氨氮不相关，其中：TDS与TN相关关系近似0，无相关关系。

3.2.5 DO与其它因子关系

RL煤矿采煤沉陷塘DO与其余4个评价因子之间相关关系，见表7。

表7 DO与其它因子相关关系

由表7可见，RL煤矿采煤沉陷塘DO与叶绿素a中度相关，且负相关；DO与pH值、CODMn、TP低度相关，且负相关；DO与其余5个因子不相关，其中：DO与氨氮相关关系近似0，无相关关系。

3.2.6 CODMn与其它因子关系

RL煤矿采煤沉陷塘CODMn与其余3个评价因子之间相关关系，见表8。

表8 CODMn与其它因子相关关系

由表8可知，RL煤矿采煤沉陷塘CODMn与TN低度相关，且正相关；CODMn与TDS、DO低度相关，且负相关；CODMn与其余5个因子不相关；CODMn与叶绿素a相关关系近似0，无相关关系。

3.2.7 TN与其它因子关系

RL煤矿采煤沉陷塘TN与其它评价因子之间相关关系，见表9。

表9 TN与其它因子相关关系

表9显示，RL煤矿采煤沉陷塘TN与CODMn低度相关，且正相关；TN与pH值、氨氮低度相关，且负相关；TN与其余5个因子不相关。

3.2.8 TP与其它因子关系

RL煤矿采煤沉陷塘TP与其它2个评价因子之间相关关系，见表10。

表10 TP与其它因子相关关系

表10表明，RL煤矿采煤塌陷塘水体TP与DO中度相关，且正相关；TP与EC低度相关，且负相关；TP与其余6个因子不相关。

3.3 采煤沉陷塘水质等级

依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)确定RL煤矿采煤沉陷塘水质等级[12]。RL采煤沉陷塘pH值6～9，DO>5 mg/L，达到Ⅲ类水标准；CODMn<15 mg/L，符合Ⅰ类水标准；氨氮<0.5 mg/L，达到Ⅱ类水标准；TP<0.05 mg/L，符合Ⅲ类水标准；TN<1 mg/L，达到Ⅲ类水标准；RL采煤沉陷塘总体Ⅲ类水，CODMn浓度较低，大部分采样点DO浓度较高，然而，TP、TN浓度偏高。

4 沉陷塘富营养化评价

4.1 评价方法

根据《湖库(水库)富营养化评价方法与分级技术规定》，采用综合营养状态指数法(TLI)评价。该法相对其它方法趋于成熟，评价范围全面，评价因子综合考虑了TP、TN、SD、chla、CODMn，克服了单因子评价不足[14]。

综合营养状态指数计算式：

(1)

式(1)中：TLI(∑)为指综合营养状态指数；Wj为第j种参数营养状态指数相关权重；TLI(j)为第j种参数营养状态指数。

以叶绿素a(chla)为基准参数，则第j种参数归一化相关权重计算式为：

(2)

式(2)中：rij为第j种参数与基准参数chla相关系数；m为评价参数，个。

中国湖泊(水库)chla与其它参数之间相关关系分析结果，见表11。

表11 中国湖泊水库chla与其它参数相关关系

营养状态指数计算式：

TLI(chla)=10×(2.5+1.086lnchl)

TLI(TP)=10×(9.436+1.624lnTP)

TLI(TN)=10×(5.453+1.694lnTN)

TLI(SD)=10×(5.118-1.94lnSD)

TLI(CODMn)=10×(0.109 +2.661lnCODMn)

其中：chl～叶绿素a，叶绿素a(chla)，mg/m3；SD，m；其余3项，mg/L。

通过上述方法，计算RL煤炭生产矿区采煤沉陷塘综合营养状态指数(TLI)，结果见表12。

表12 综合富营养状态指数

采用0～100连续数字，对湖库(水库)营养状态分级： 当TLI(∑)<30时，贫营养；当30≤TLI(∑)≤50时，中营养；当TLI(∑)>50时，富营养；其中： 当5070时，重度富营养。同一营养状态下，指数越高，其营养程度越高。计算结果，见表13。

表13 采煤沉陷塘营养状态评价结果

4.2 结果与分析

由表13可见，RL煤矿采煤沉陷塘营养状态综合指数37.2～50.8，CK沉陷塘中营养，仅两处轻度富营养化；其中：表12单因子营养状态指数，就研究区域而言，其营养状态主要贡献因子为TN(极大值53.07)、叶绿素a(极小值50.8)、SD(极大值69.45)，CODMn、TP贡献相对较小；因而，RL煤矿采煤沉陷塘水体污染因子为TN、叶绿素a、SD。

5 结论

(1)与对照采煤沉陷塘相比，RL煤炭生产矿区采煤沉陷塘EC、TP、叶绿素a浓度较对照采煤沉陷塘高，RL采煤沉陷塘受到一定污染。

(2)从《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)看，RL煤矿采煤沉陷塘pH值6～9，DO>5 mg/L，达到Ⅲ类水标准；CODMn<15 mg/L，符合Ⅰ类水标准；氨氮<0.5 mg/L，达到Ⅱ类水标准；TP<0.05 mg/L，符合Ⅲ类水标准；TN<1 mg/L，达到Ⅲ类水标准；RL矿区采煤沉陷塘总体为Ⅲ类水体，CODMn浓度较低，大部分采样点DO浓度较高，TP、TN浓度偏高。

(3)从综合营养指数看，RL煤矿采煤塌陷塘水体营养状态综合指数37.2～50.8，CK沉陷塘中营养，仅两处轻度富营养化；就研究区域单因子营养状态指数而言，其营养状态主要贡献因子为TN、叶绿素a、SD，CODMn、TP贡献相对较小；RL矿区采煤沉陷塘主要污染因子为TN、叶绿素a、SD。

由此而论：RL煤炭生产矿区采煤沉陷塘基本未达到富营养化水平，大部分水域处于中营养状态，仅小面积水域处于轻度富营养状态。