济河对谢桥煤矿采煤沉陷水域的影响研究

2021-06-22范佳民

能源环境保护 2021年3期

王锦，谢毫，范佳民

(1.淮河能源集团安环部，安徽淮南 232001；2.煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽淮南 232001；3.安徽大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230601)

0 引言

谢桥煤矿位于淮北平原西南部的安徽省颍上县境内，横跨颍上县和淮南市凤台县，区内水系发达，东部有淮河、西淝河，矿区内有济河穿过。济河为西淝河右支流，自西向东横贯井田中部，系人工河，上接颍河永安闸，向东汇入西淝河，属排洪浇灌农田的季节性河流。随着矿井的现代化开采，沉陷面积和程度不断加大，由开采引起的沉陷区域已达3.1万亩，其中积水面积1.4万亩，并形成积水水面与济河贯通。因此，对济河与沉陷水域开展水质调查和评价，科学客观评价其在不同时期的水质状况以及济河对沉陷水域水体影响的范围与程度，是科学规划沉陷区及沉陷水域治理方案的重要技术支撑和科学依据。水质综合评价实际是一种依据水质标准进行水质等级划分的典型识别模式。

目前，常见的水质综合评价方法包括模糊评价法、人工神经网络法、灰色聚类法、综合水质标识指数法等[1-3]。其中，模糊评价法通过精确的数字手段处理模糊的评价对象，能对蕴藏信息呈现模糊性的资料作出比较科学、合理、贴近实际的量化评价，但是计算复杂，对指标权重矢量的确定主观性较强；人工神经网络法具有自我学习和自适应能力，无需人为干预和较强容错能力，其评价结果客观，计算便捷、可操作性强，但存在评价过程中极易陷入局部极小点而无法得到全局最优解，同时训练样本少也会对评价结果带来影响；灰色聚类法信息利用率高、精度高，注意到水质评价中的模糊性和不确定性，可以通过隶属函数来反应该函数并加以量化，但存在当污染物浓度过于离散时，可能损失较多有用信息等问题；由于综合水质标识指数法[4-5]能够更为全面地刻画出评价对象整体水质状况，且可以灵活应用在某一流域的不同断面监测点，也可以应用在不同流域，分别分析出水质状况，故本文采用综合水质标识指数法对研究区进行分析评价[6]。

1 技术方法

1.1 指标选定依据

根据济河与沉陷水域历史水质状况，参照国家地表水质量标准和行业标准，选定易造成水体富营养化的总磷(TP)、总氮(TN)和氨氮(NH3-N)等营养盐指标，以及具有富集性、难降解等特性的铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)、镉(Cd)和汞(Hg)等重金属指标。

1.2 布点及样品采集

分别于2019年11月、2020年4月和2020年6月开展了谢桥矿沉陷水域及相邻济河段的水样采集工作，各采样点位图详见图1～图3。

由图1可知，2019年11月设置了12个采样点。其中，济河闸上游与下游各1个采样点(J1和J2)，公路桥桥下2个采样点(J3和J4)，主体沉陷区3个采样点(C1、C2和C3)，铁路桥桥下2个采样点(C4和C5)，对照区为公路桥西边封闭沉陷区，采集3个采样点(D1、D2和D3)，共计24个水样。

图1 2019年11月采样点位图Fig.1 Sampling points in November 2019

由图2可知，2020年4月设置了13个采样点。除在对照区新增编号为D0采样点外，其余与2019年11月点位相同，共计26个水样。

图2 2020年4月采样点位图Fig.2 Sampling points in April 2020

由图3可知，2020年6月设置了14个采样点。增加了1个沉陷区采样点，其中主沉陷水域4个采样点(C1、C2、C3和C4)，铁路桥桥下2个采样点(C5和C6)，其余点位与2020年4月点位相同，共计28个水样。

图3 2020年6月采样点位图Fig.3 Sampling points in June 2020

1.3 分析方法

研究区水样利用有机玻璃水样采集器进行采集后装入聚乙烯塑料瓶中。氮磷指标测试样品加硫酸酸化至pH<2，重金属测试样品每升水加入10 ml(1+1)硝酸酸化，运回实验室低温保存并及时检测，样品测试方法均选用国标、行标等规范性标准，其中Cu、Zn、Pb、Cd采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，美国安捷伦)测试，Hg采用原子荧光(LC-AFS9800，北京海光)和DMA-80直接测汞仪完成测试，具体方法参见国家标准[7]。

2 济河与沉陷水域水质特征分析

2.1 氮、磷等营养盐含量及空间分布特征

2019年11月研究区的氮磷空间分布如图4所示。

图4 2019年11月研究区氮磷的空间分布Fig.4 Spatial distribution of nitrogen and phosphorusin the study areas in November 2019

从图4中可以看出，济河TN的范围为0.44～0.74 mg/L，平均值为0.59 mg/L，沉陷区TN的范围为0.29～0.38 mg/L，平均值为0.34 mg/L；济河NH3-N的范围为0.16～0.55 mg/L，平均值为0.34 mg/L，沉陷区NH3-N的范围为0.19～0.32 mg/L，平均值为0.26 mg/L；济河TP的范围为0.04～0.09 mg/L，平均值为0.07 mg/L，沉陷区TP的范围为0.05～0.10 mg/L，平均值为0.07 mg/L。济河与沉陷区水体的总氮、总磷和氨氮的含量均满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)III类标准限值[8]，其中总磷的含量可以达到II类标准限值。从各采样点的氮磷含量对比分析，沉陷区和济河水体的总磷和氨氮的含量差异不大，济河总氮的含量也只是略高于沉陷区水体。从C1、C2、C3、J3、J4各点氮磷分布情况来看，TN和NH3-N出现距离济河越近，含量越低，说明沉陷水域中TN和NH3-N的主要受周边的面源影响。郑刘根等[5]对淮南后湖采煤沉陷区的研究也发现，靠近农田的沉陷区水体表现出TN、NH3-N含量高于其他沉陷区域，而济河与沉陷水域的贯通，对沉陷水域的TN和NH3-N具有一定的降解净化作用。而TP表现为离济河越近、含量越高，但数值之间差异不大，说明济河对沉陷水域中的TP增大存在一定的影响，但影响有限；同时对比对照区D1、D2、D3发现，对照区中的TP含量要远高于济河和沉陷水域，说明TP更易在封闭水域中积累，虽然济河会给沉陷水域中带来一定TP，但通过水体交换也会带走沉陷水域中的TP，从而避免TP在沉陷水体中的富集。

2020年4月研究区的氮磷空间分布如图5所示。

图5 2020年4月研究区氮磷的空间分布Fig.5 Spatial distribution of nitrogen and phosphorusin the study areas in April 2020

从图5中可以看出，济河TN的范围为1.43～7.33 mg/L，平均值为3.83 mg/L，沉陷区TN的范围为1.19～5.58 mg/L，平均值为4.07 mg/L；济河NH3-N的范围为1.01～1.67 mg/L，平均值为1.17 mg/L，沉陷区NH3-N的范围为0.95～1.31 mg/L，平均值为1.18 mg/L；济河TP的范围为0.02～0.08 mg/L，平均值为0.05 mg/L，沉陷区TP的范围为0.05～0.09 mg/L，平均值为0.07 mg/L。济河与沉陷区水体的总氮、总磷和氨氮的含量基本处于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅱ～Ⅴ类标准限值[8]，其中总磷的含量可以达到II类标准限值。对各采样点的氮磷含量进行对比分析，沉陷区中总氮、总磷和氨氮的含量对济河中的含量占比分别为1.06、1.40、1.01，沉陷区和济河水体总氮、总磷和氨氮的含量差异均不大。从C1、C2、C3、J3、J4各点氮磷分布情况来看，此时段沉陷水域和济河水质变化波动较小，氮磷含量较为稳定，TN、TP、NH3-N的含量与离济河的距离并未呈现出明显的变化关系，说明济河和沉陷水域的氮磷主要还是受周边的面源影响[10]，济河对沉陷水域水体的影响有限。

2020年6月研究区的氮磷空间分布如图6所示。

图6 2020年6月研究区氮磷的空间分布Fig.6 Spatial distribution of nitrogen and phosphorusin the study areas in June 2020

从图6中可以看出，济河TN的范围为3.43～6.33 mg/L，平均值为4.68 mg/L，沉陷区TN的范围为2.46～5.55 mg/L，平均值为4.31 mg/L；济河NH3-N的范围为1.27～1.42 mg/L，平均值为1.36 mg/L，沉陷区NH3-N的范围为1.15～1.26 mg/L，平均值为1.20 mg/L；济河TP的范围为0.03～0.08 mg/L，平均值为0.06 mg/L，沉陷区TP的范围为0.04～0.08 mg/L，平均值为0.05 mg/L。济河与沉陷区水体的总磷和氨氮的含量基本满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ～Ⅳ类标准限值[8]，但总氮含量已达到Ⅴ类标准限值。对各采样点的氮磷含量进行对比分析，沉陷区中总氮、总磷和氨氮的含量对济河中的含量占比分别为0.92、0.83、0.88，沉陷区和济河水体总氮、总磷和氨氮的含量差异均不大。从C1、C2、C3、J3、J4各点氮磷分布情况来看，TN、TP、NH3-N含量与离济河的距离也未呈现出明显的变化关系。考虑到此时已进入了汛期，济河与沉陷水域均会受到周边面源较大影响，同时济河与沉陷水域较前一时段水位已有较大提升，济河与沉陷水域水体已产生较大程度的交换，但从数值上来看其水质情况相对良好，TP、NH3-N均在《地表水环境质量标准》Ⅳ类水标准[8]范围内。

2.2 重金属含量及空间分布特征

2019年11月研究区重金属的空间分布情况如图7所示。

从图7中可以看出，济河水体中的重金属含量基本是小于沉陷区，这与王国强等[11]对两淮采煤沉陷区煤矸石充填危害研究成果相一致，其研究指出矸石淋溶液中的重金属Pb、Cu、Zn等会对周围接纳水体产生污染，从而导致沉陷水域重金属含量要高于一般地表径流。从数值上来看，济河与沉陷区水体中Cu含量范围分别为11.40～14.10 μg/L、10.80～25.72 μg/L，平均值分别为12.36 μg/L、18.01 μg/L，Zn含量范围分别为0.87～0.95 mg/L、0.90～1.19 mg/L，平均值分别为0.93 mg/L、1.06 mg/L，Pb含量范围分别为5.44～11.10 μg/L、8.62～48.65 μg/L，平均值分别为8.13 μg/L、23.80 μg/L，Cd含量范围分别为0.41～0.90 μg/L、0.45～1.44 μg/L，平均值分别为0.61 μg/L、0.82 μg/L，Hg含量范围分别为0.11～0.22 μg/L、0.12～0.19 μg/L，平均值分别为0.17 μg/L、0.16 μg/L。研究区中Hg含量满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅳ类[8]水质要求，Cu和Cd含量满足Ⅱ类水质要求，Zn和Pb的含量满足Ⅲ类水质要求。结合C1、C2、C3、J3、J4各点重金属分布情况来看，Cd和Hg在济河和沉陷水域中的含量基本相当，没有表现出明显的差异，但Cu、Zn和Pb的含量均是济河小于沉陷水域，济河水汇入沉陷水域可稀释降低沉陷水域中重金属的含量，对沉陷区水质改善起到正向促进作用。

图7 2019年11月研究区重金属的空间分布Fig.7 Spatial distribution of heavy metals in the study areas in November 2019

2020年4月研究区重金属的空间分布情况如图8所示。

从图8中可以看出，济河与沉陷区水体中Cu含量范围分别为5.84～15.81 μg/L、10.63～13.90 μg/L，平均值分别为9.68 μg/L、12.09 μg/L，Zn含量范围分别为0.14～1.97 mg/L、0.31～1.35 mg/L，平均值分别为0.59 mg/L、0.92 mg/L，Pb含量范围分别为4.67～7.39 μg/L、5.02～9.63 μg/L，平均值分别为6.01 μg/L、7.33 μg/L，Cd含量范围分别为1.11～7.34 μg/L、1.10～6.96 μg/L，平均值分别为3.53 μg/L、4.07 μg/L，Hg含量范围分别为0.14～0.18 μg/L、0.16～0.19 μg/L，平均值分别为0.16 μg/L、0.17 μg/L。Cu、Zn、Pb含量基本满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅱ类水质要求，Cd和Hg的含量基本满足《地表水环境质量标准》Ⅳ类[8]水质要求。结合C1、C2、C3、J3、J4各点重金属分布情况来看，虽然Pb和Hg没有表现出明显的规律性，但Cu、Zn和Cd均表现出距离济河越近含量越低的规律，说明济河水的流动对沉陷区水质改善起到正向促进作用，可稀释降低沉陷水域中重金属的含量。

图8 2020年4月研究区重金属的空间分布Fig.8 Spatial distribution of heavy metals in the study areas in April 2020

2020年4月研究区重金属的空间分布情况如图9所示。

图9 2020年6月研究区重金属的空间分布Fig.9 Spatial distribution of heavy metals in the study areas in June 2020

从图9中可以看出，济河与沉陷区水体中Cu含量范围分别为4.93～18.68 μg/L、5.36～16.44 μg/L，平均值分别为11.31 μg/L、14.20 μg/L，Zn含量范围分别为0.29～3.00 mg/L、0.29～4.53 mg/L，平均值分别为1.37 μg/L、2.18 mg/L，Pb含量范围分别为3.45～64.96 μg/L、3.45～50.64 μg/L，平均值分别为24.06 μg/L、27.52 μg/L，Cd含量范围分别为0.66～9.03 μg/L、0.01～1.69 μg/L，平均值分别为2.89 μg/L、0.50 μg/L，Hg含量范围分别为0.17～0.22 μg/L、0.18～0.24 μg/L，平均值分别为0.19 μg/L、0.22 μg/L。Cu和Pb含量满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅰ～Ⅱ类[8]水质要求，Cd和Hg的含量满足Ⅲ类水质要求，Zn出现超过V类水标准限值。结合C1、C2、C3、J3、J4各点重金属分布情况来看，济河与沉陷水域均表现出Hg含量较为均匀，Pb、Cd和Zn含量呈现出较大波动，而Cu含量则表现为在沉陷水域分布较均匀、在济河分布呈现较大波动。同时，重金属含量并未在与济河的距离上表现出有明显的规律性，探其原由一是受雨季降水影响，二是受济河与沉陷水域水体交换影响，从而导致济河与沉陷水域水质产生较大波动，但除了Zn元素出现超过《地表水环境质量标准》Ⅴ类的情况外，其他重金属含量均较低，水质状况较好。

3 综合水质标识指数评价分析

综合水质标识指数[12-13]由四到五位有效数字组成，表示为

Iwq=X1·X2·X3·X4

式中，X1表示整体水质类别；X2为综合水质在X1类水质区间所处位置；X3为劣于功能区目标水质的单因子个数；X4为综合水质类别与功能区目标水质的比较结果，为一位或两位有效数字。

本研究各点位数据标准差S和变异系数CV的计算方法为：

通过综合水质标识指数Iwq的整数位和小数点后第一位X1·X2，可以判定综合水质级别，判断关系见表1。

表1 基于综合水质标识指数的综合水质级别判定

通过利用综合水质标识指数法对三期水体数据进行分析，其结果见表2、表3和表4。

表2 2019年11月研究区综合水质标识指数评价结果

表3 2020年4月研究区综合水质标识指数评价结果

表4 2020年6月研究区综合水质标识指数评价结果

由表2可知，2019年11月，济河和沉陷区各采样点的Iwq均满足《地表水环境质量标准》II类水质要求，水质良好。济河、沉陷区、对照区的Iwq满足：济河(2.230)<沉陷区(2.540)<对照区(2.640)，说明济河水质优于沉陷区水质，济河水对沉陷区的汇入对沉陷区水有正向影响，并未使沉陷区水质出现恶化情况。同时，对照区水质相对较差，可能与对照区受交通和渔业养殖等人类活动影响较大有关。在济河与沉陷区交汇水域的水质状况表现为J3(2.320)

由表3可知，2020年4月，济河和沉陷区各采样点的Iwq均满足《地表水环境质量标准》III类[8]水质要求，水质良好。济河、沉陷区、对照区的Iwq满足：对照区(3.230)<济河(3.450)<沉陷区(3.650)，表明2020年4月济河水体整体要略好于沉陷区水体，随着济河水流入沉陷区，并不会引起沉陷区水体出现恶化情况。同时，在济河与沉陷区交汇水域的水质状况表现为J3(2.840)

由表4可知，2020年6月，济河和沉陷区各采样点的Iwq均为《地表水环境质量标准》Ⅳ类[8]水质要求。济河、沉陷区、对照区的Iwq满足：沉陷区(4.171)<济河(4.371)<对照区(4.471)，整体均处为IV类水质。对比三期的水质情况，发现2020年6月水质整体相对较差，考虑可能与2020年6月研究区持续降雨，沉陷水域受周边地表雨水汇集影响有关。从个点在济河与沉陷区交汇水域的水质状况表现为C1(3.970)