宿南矿区不同时期塌陷塘水环境质量评价

夏玉婷，桂和荣，李 俊

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232000； 2.国家煤矿防治工程技术研究中心(宿州学院)，安徽宿州 234000)

0 引言

采煤形成的地表塌陷区，由于低于潜水位而接受浅层地下水的补给，所形成的水体通常称为“塌陷塘”。塌陷塘也是汇聚雨水、地表径流的场所，有的煤矿从井下排出的矿井水有时也输入其中。因此，采煤塌陷塘水环境比较特殊[1-3]。向塌陷塘补给的各种来源的水如地表径流、矿井水等，会携带各种污染物，一定程度上改变了塌陷塘的理化性质，造成水质污染等问题，例如塌陷塘富营养化、重金属污染等[4-5]。塌陷塘大都是封闭水体[3]，水体自净能力弱，污染物在水体中很容易富集。塌陷塘的功能主要有水产养殖、农业灌溉等，进入塌陷塘中的污染物有可能通过食物链在生物体内富集，对居民饮食安全和健康会构成威胁[5-8]。

近年来，很多学者对地表水环境质量问题开展了大量研究。Ingyu Lee[9]等用数值模拟的方法研究了马来西亚加拉河沿河污染源对水质的影响；XiaoyanZhai[10]等以受高度干扰和严重污染的淮河流域作为研究区，用动态模拟的方法详细探讨了水文动态变化过程中的污染机制；E Garcia-ordiales[11]等对矿山下游水体沉积物中重金属和人类活动的相关性进行了分析，阐明了采矿活动对地表水环境的影响机理。从研究内容上看，多集中于一般的湖泊地表水环境质量的评价与分析。对于塌陷塘水环境问题，目前不少学者也展开相应的研究。如桂和荣[12]等通过对采煤塌陷塘和非采煤塌陷塘水中蓝藻的生态环境比较，研究了采煤塌陷塘特殊水域蓝藻的生态特征；张冰[1]等以淮北矿区临涣矿采煤塌陷塘为研究对象，对其水环境特征及污染性状进行了评价；徐良骥[13]等研究了淮南矿区采煤塌陷塘水环境质量，并探讨了采煤塌陷塘综合污染评价的方法。

已有的研究表明，采煤塌陷塘的形成时间不同，水生生物演替及水环境质量亦有差异。此外，塌陷塘的水环境质量与季节关系密切。因此，本文以宿南矿区塌陷塘为研究对象，对不同时期形成的塌陷塘以及不同季节塌陷塘水环境质量进行分析评价与比较，为采煤塌陷塘水环境演变、水质保护和水资源利用提供科学依据。

1 地质及水文地质特征

皖北矿区位于淮北平原的北部 , 面积约3万km2。境内有皖北煤电集团和淮北矿业集团两个国家级特大型企业 , 是华东地区重要的煤炭基地[14]。随着煤炭的不断开采，采煤活动造成地面不断塌陷。已有资料显示，皖北采煤塌陷水域面积已达300km2[13]。本文研究对象为宿南矿区的芦岭、朱仙庄采煤塌陷塘(图1)。通过取样分析，研究不同时期形成的塌陷塘之夏、冬季水环境质量。

在地层区划上，芦岭矿区属于华北地层区、鲁西分区、徐宿小区，其岩性及厚度相对稳定。在古老变质基底上，沉积有青白口系、震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系、古近系或新近系和第四系。芦岭煤矿于1969年12月投产，含煤地层为石炭、二叠系。二叠系含煤地层有下统山西组、下石盒子组和上统上石盒子组，含煤地层厚度约1 010m，含有10个煤层(组)，其中Ⅲ采区的8煤层为特厚煤层，全区可采，是主采煤层，其水化学类型为HCO3·Cl―Na·Mg型[14]。芦岭矿开采50余年[15]，形成大面积塌陷。本研究区芦岭采煤塌陷塘(下文称“芦岭塘”)水域面积近1 000hm2，积水深度8m左右，沿岸填埋有大量的煤矸石，水域较封闭，周边为耕植田地。

朱仙庄矿井均为新生界松散层所覆盖，经钻孔揭露地层有奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、古近系或新近系和第四系。该煤矿1983年4月正式投产，含煤地层为石炭、二叠系，其中二叠系为勘查对象，亦含有10个煤层(组)，其中8煤层为主采煤层，厚10.03m， 占可采煤层总厚的64%， 该层的水质类型主要为SO4·HCO3―Na·Ca型[14]。朱仙庄#1塘是该矿最早形成的塌陷塘，历时约35a[16]，水域面积约400hm2，水深3～4m，沿岸有煤矸石零星堆积，周边有朱仙庄矿工业广场和休闲公园；#2塘为20世纪90年中期形成的塌陷塘，历时近25a，水域面积约100hm2，水深2～3m，以渔业养殖为主，周边为农田。

图1 研究区地理位置及采样点分布Figure 1 Study area geographical position and sampling points

芦岭矿和朱仙庄矿均为厚松散层覆盖的隐伏型煤矿，松散层厚200～300m，共划分为四个含水层和三个隔水层，自上而下分别为“一含”“一隔”“二含”“二隔”“三含”“三隔”“四含”。其中“一含”为潜水，含水层厚度30m左右，水位埋深3～5m，与塌陷塘存在补泄关系。一般情况下，丰水期塌陷塘水补给“一含”，枯水期，“一含”地下水向塌陷塘排泄。

2 材料与方法

2.1 水样采集与测试

分别于2017年夏、冬两个季节进行现场采样，各季节采样点均为9个，采样点位置见图1。采样按照《地表水和污水检测技术HJ/T91-2002》和《水和废水检测分析方法》(第四版)中的相关标准，采取水面以下约0.5 m处的水样。所有采样点位置均用GPS定位，并现场测定水温(T)、pH、电导率(EC)、溶解性固体总量(TDS)和氧化还原电位(ORP)。水样采集后24h内用0.22μm滤膜抽滤。为确保所抽滤的水样中重金属的离子状态，用50%的硝酸酸化致其pH<2。

2.2 研究方法

模糊综合评价法[17]是对水质进行综合评价的一种常用方法。水环境本身存在大量的不确定性，每个指标的级别划分以及标准的确定都具有模糊性的特征。该方法建立在比较严谨的数学基础上，通过综合评价值的计算以及模糊级别判断，可以从总体上直观地判断水体所属水质等级。但当单个因子污染严重时，传统的模糊评价结果会受到一定的影响，且对于最大隶属度bij<0.5的评价结果不适用。故本研究采用改进的模糊综合评价法来评价水质状况，评价因子为TN、TP、COD，其数学模式表达：

B=W×R

(1)

式中：W是由各评价因子的权重分配构成的向量，即因子权重矩阵；R表示各评价因子对于评价等级的隶属度，即模糊关系矩阵；B为评价结果向量，即表示样本对评价等级的隶属度。

2.2.1 确定评价因子及评价标准

根据塌陷塘各项指标检测结果的超标情况，进而选出评价因子：TN、TP、COD(表1)，依据国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ水质类别作为评价标准。

2.2.2 确定权重因子矩阵W

水环境受到多因子共同影响时，考虑到每项指标对环境的影响程度不同，在污染中作用大小也不同，需求其权重，计算公式如下：

(2)

式中：Ci为评价因子i的实测质量分数；Sij为评价因子i在j等级的标准值；aij为评价因子i在j等级的权重。则j等级的指标权重矩阵为Wj=(a1j，a2j，…anj)。

2.2.3 建立模糊关系矩阵R

依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，将水质类别分为五类，其计算公式如下：

Ⅰ类：

(3)

表1 评价因子测定结果

对于第Ⅱ～Ⅳ类记为m类：

(4)

Ⅴ类：

(5)

式中：rim为评价因子i对m类水质隶属度。

隶属度矩阵R为：

(6)

3 结果分析

3.1 水化学特征

(a)夏季 (b)冬季图2 塌陷塘不同季节piper三线图Figure 2 Piper trilinear chart of subsidence ponding hydrochemical data in different seasons

对于不同时期形成的塌陷塘，其水中主要离子质量分数在夏、冬季稍有变化，但水化学类型基本不变[18]。塌陷塘水化学成分与浅层地下水、大气降水补给以及塌陷土地的性质有关[19]。芦岭矿浅层地下水化学类型为HCO3型，补给芦岭塘使其水化学类型保持HCO3型;朱仙庄矿浅层地下水有HCO3型和SO4型，使得朱仙庄#1塘、朱仙庄#2塘水化学类型分别为HCO3―Na·Mg·Ca型和SO4―Na·Mg·Ca型[14]。显然，浅层地下水是煤矿塌陷塘的主要补给水源，在某种程度上决定了塌陷塘的水质类型。

3.2 理化因子季节变化

从三个塌陷塘水的EC季节变化可知，随季节变化，EC值差异明显。芦岭塘、朱仙庄#2塘季节性变化趋势为夏季>冬季，朱仙庄#1塘为冬季>夏季。通常情况下，水温越高，水面蒸发使水中总离子质量分数增加，EC值也会增大，或者富营养化严重的水体EC值也较高，故一般情况下，EC值夏季要高于冬季。不同塌陷塘EC值变化趋势为朱仙庄#1塘>朱仙庄#2塘>芦岭塘。朱仙庄#1塘水的总离子质量分数最高，原因是夏季该塘周边浮游植物较多，水体富营养化程度较高，水中无机酸、碱或盐含量较高[20]，EC值也相对较高；而朱仙庄#2塘中部分区域用于渔业养殖，鱼食料含有丰富的有机质、氮和磷等营养物质，当氮、磷在养殖水体中逐渐富集并达到一定量时，将造成水体富营养化和水质的恶化，EC值也相应升高。

TDS与EC值的变化特征基本一致，芦岭塘、朱仙庄#2塘季节性变化趋势为夏季>冬季，朱仙庄#1塘为冬季>夏季。TDS含量与总离子质量分数有关[21-24]。水中离子质量分数增加除了水面蒸发之外，周围农田土壤水进入浅层地下水，并补给塌陷塘，也可能造成塌陷塘水的离子含量增加。三个塌陷塘TDS变化趋势为朱仙庄#1塘>朱仙庄#2塘>芦岭塘。

水的温度、pH、碱度、硬度越高，水的ORP越低[25]。夏季三个塌陷塘水的温度、pH、碱度、硬度都比较高，ORP季节性变化趋势为夏季<冬季。三个塌陷塘ORP值的夏季变化趋势为朱仙庄#2塘>芦岭塘>朱仙庄#1塘，冬季则是朱仙庄#2塘>朱仙庄#1塘>芦岭塘，与pH值变化相反，塌陷塘水中的离子会随着塌陷时间的增长存在累积效应，硬度也会随之增加，芦岭塘形成时间最长(50a)，朱仙庄#1塘(35a)次之，朱仙庄#2塘(25a)最短，Ec值变化与之相反。

图3 不同时期塌陷塘夏、冬两季理化指标变化趋势Figure 3 Physical and chemical parameters variation trend in summer and winter of different period subsidence ponding

3.3 相关性分析

3.4 水环境质量综合评价

以芦岭塘夏季测试数据为例，根据公式(2)计算得到权重矩阵W：

根据公式(3)～(6)计算隶属度，确定模糊关系矩阵R：

根据公式(1)对权重矩阵W和模糊关系矩阵R进行复合运算，得到模糊综合评判结果向量B=W·R=(0，0，0，0.191，0.031)。同样，根据上述步骤，可以得到三个塌陷塘夏、冬两季的模糊综合评判结果向量(表2)。

根据最大隶属度原则确定三个塌陷塘夏、冬两季水质级别。TP、TN、COD三项指标含量主要来源于人为污染。TP、TN用来评价水体富营养化程度[26]，COD用来评价水体有机污染程度[27-28]。从表2可看出，三个塌陷塘夏季隶属度均为Ⅳ类，水体污染重，水质较差。冬季水质类别分别为Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ类水质，水质良好。

(a)夏季 (b)冬季图4 变量不同季节相关性分析结果Figure 4 Correlation analytical result of variables in different seasons

时间塌陷塘(历时)隶属度值ⅠⅡⅢⅣⅤ水质分类夏季冬季芦岭塘(50a)0000.191 1710.031 41Ⅳ朱仙庄#1塘(35a)0000.085 7890.017 753Ⅳ朱仙庄#2塘(25a)0000.405 6770.068 258Ⅳ芦岭塘(50a)0.291 7780.500 1010.067 48200Ⅱ朱仙庄#1塘(35a)0.724 210.019 1490.012 78700.395 353Ⅰ朱仙庄#2塘(25a)0.125 5940.128 4620.778 7910.035 2080Ⅲ

塌陷塘夏季水质差的原因，一是夏季多雨，雨水对塌陷塘底泥造成扰动，使底泥中的TP、TN、COD释放到水中，含量升高；二是由于夏季周边居民生活污水排进塌陷塘，会对塌陷塘造成污染；三是塌陷塘附近农田施肥，N、P等随土壤水进入浅层地下水，进而补给塌陷塘而造成塌陷塘水体中TN含量超标[28]。朱仙庄#1塘、芦岭塘冬季水质变好的原因，一是冬季雨水少，浅层地下水水位较低，对塌陷塘的补给量少，土壤水很少随浅层地下水进入塌陷塘；二是冬季农田施肥少，土壤水中的N、P等含量少，即使随浅层地下水补给塌陷塘，也不会造成太大的污染；三是冬季居民排入塌陷塘的污水较少。朱仙庄#2塘因有人工渔业养殖，鱼食料会对水体造成污染，故两个季节水质状况不佳。

4 结论

①塌陷塘水的主要补给源是浅层地下水，因而塌陷塘的水化学类型受浅层地下水的影响较大。芦岭塘、朱仙庄#1塘水化学类型为HCO3型，#2塘水化学类型为SO4型，与塌陷塘周边浅层地下水水化学类型大体一致。

②通过对塌陷塘水质理化指标的监测分析，发现pH、TDS、EC值季节性变化趋势为夏季>冬季，ORP为冬季>夏季。不同塌陷塘因其周围环境、形成时期和利用方式的不同，其水质状况也不尽相同。塌陷塘水的pH、TDS、EC值变化趋势均为朱仙庄#1塘>朱仙庄#2塘>芦岭塘，ORP变化趋势为朱仙庄#1塘>芦岭塘>朱仙庄#2塘。

③改进模糊综合评价法评估三个塌陷塘夏、冬两季水质，结果表明，在夏季芦岭塘、朱仙庄#1塘和朱仙庄#2塘水质均为Ⅳ类，受周围环境和人为污染影响大；在冬季，芦岭塘水质为Ⅱ类，朱仙庄#1塘为Ⅰ类，冬季人为污染和农田施肥的影响较小，水质良好；朱仙庄#2塘冬季为Ⅲ类水，受鱼食料投加的影响较明显。