煤礦區塌陷塘富營養化特征研究

褚 磊

(淮南市環境保護監測站， 安徽 淮南 232001)

1 沉陷塘富營養化簡述

煤炭為經濟社會發展作出了巨大貢獻，然而，隨著煤炭資源的開采，采空區地表變形沉陷，在降水、地下水等因素影響下，形成大面積采煤沉陷水域。煤炭生產礦區城鄉生態環境遭受破壞，尤其采煤沉陷塘水質影響[1]，礦區生態環境“透支”嚴重[2]。

一般來說，采煤沉陷水域多為封閉系統，受礦區生產生活污染和周圍環境影響較大。采煤沉陷水域位于煤炭生產礦區內，礦井疏干排水、工業廣場污廢水、煤矸石堆場淋溶水都會污染采煤沉陷水體[3，4]；為保護礦區生態環境，需要關注采煤沉陷水域環境，尤其富營養化問題。

富營養化，指湖泊、水庫、海灣等封閉、半封閉性水體與某些季節性河流(流量<1m/min)因氮、磷等營養素富集，使某些特征藻類及其它水生植物異常繁殖、異養微生物代謝頻繁、水體腥臭、透明度與溶解氧濃度下降、水生生物大量死亡、水質惡化等，生態系統破壞現象[5]。全球30%～40%湖泊水庫不同程度受到影響，氣候干燥區湖庫富營養化相對嚴重，富營養化湖泊主要集中在加拿大南部人口稠密地區[6]。營養物質過剩直接導致藻類新陳代謝加快，藻類個體數量增加但種類減少；死亡水生植物富集水體底部，被微生物分解，消耗溶解氧，影響水生動物生存環境；水生動物死亡后營養物質釋放于水體，再次被藻類利用，如此惡性循環，加劇水體富營養化過程[7]。

2 沉陷塘水質監測

2.1 水樣采集

湖泊、水庫可按沏庫區不同水域，例如：入出水域、深淺水區、湖心區、岸邊區、湖邊城市水源區等水體功能布設監測垂線。若無明顯功能區分，用網格法均勻布設斷面垂線。斷面垂線采樣點按湖庫深度確定[8]。

根據RL煤炭生產礦區環境條件、水文特征等，2016年3月設4個采樣點，分上、中、下層采樣。上層距水面0.5 m，下層距水底0.5 m左右，中層取平均深度，測量水深、透明度(SD)、pH值、總氮(TN)、總磷(TP)、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(CODMn)等。采樣點位見圖1。

圖1 采樣點區域分布

圖1中，L1為對照塘，在CK沉陷塘采樣，上中下層標識：CK-1-上，CK-1-中，CK-1-下。L2，L3，L4在RL采煤沉陷塘采樣，上中下層標識：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 水樣保存

適當保護措施可降低變化程度或減緩變化速度，但并不能完全抑制變化。某些分析項目，例如：溶解氧須采樣現場測定；氨氮、TN、TP、CODMn等須現場預處理；水樣允許保存時間與其性質、分析項目、溶液酸度、貯存容器、存放溫度等因素相關。

2.3 水質監測方法

RL礦區采煤沉陷塘水質監測項目10項，其中：pH值、EC、TDS、SD現場監測；其余6項監測方法，見表1。

表1 采煤沉陷塘水質主要分析方法

2.4 水質監測結果

RL煤炭生產礦區采煤沉陷塘水質監測項目分析結果，采用Excel2007處理分析。

3 沉陷塘水質特征分析

RL煤炭生產礦區采煤沉陷塘水質監測項目分析結果，經過數據處理后，其監測結果見表2。

表2 塌陷塘水體的水質參數

3.1 塌陷塘理化性質分析

RL礦區采煤沉陷塘水質監測，垂線均分為上中下三處采樣，以此分析各采樣點水質平均值與對照點水質平均及其垂向分布特征。

RL礦區采煤沉陷塘各采樣點中各污染物平均濃度值比較結果，見圖2～11。

圖2 采煤沉陷塘研究水體pH值

圖3 采煤沉陷塘研究水體EC值

圖3、9、10顯示，RL礦區采煤沉陷塘與對照沉陷塘相比，EC、TP、葉綠素a濃度高；CK沉陷塘EC均值1179 μs/cm，RL塘3個樣點EC均值3233 μs/cm、1568 μs/cm、1540 μs/cm，CK塘TP均值0.021 mg/L，RL塘3個樣點TP均值0.023 mg/L、0.023 mg/L、0.021 mg/L，CK塘葉綠素a平均值為0.81 mg/m3，RL塘3個樣點葉綠素a均值12.17 mg/m3、6.46 mg/m3、5.80 mg/m3。

圖4 采煤沉陷塘研究水體 TDS值

圖5 采煤沉陷塘研究水體DO值

圖6 采煤沉陷塘研究水體氨氮值

圖8 采煤沉陷塘研究水體總氮值

圖9 采煤沉陷塘研究水體總磷值

圖10 研究區水體的葉綠素a值

圖11 研究區水體的SD值

由此而論RL礦區采煤沉陷塘受到污染，氨氮、SD濃度較對照塘低，其余因子較對照塘高低不同。垂向分布特征，見圖12～20。

圖12 pH值隨深度變化

圖13 EC值隨深度變化

圖14 TDS值隨深度變化

圖15 氨氮值隨深度變化

圖16 DO值隨深度變化

圖17 COD值隨深度變化

圖18 TN值隨深度變化

圖19 TP值隨深度變化

圖20 chla值隨深度變化

圖1～20反映了RL煤礦采煤沉陷塘不同水深、9個環境因子濃度，各采樣點分別監測上、中、下層水質，垂向分布反映了RL煤礦沉陷塘水質特征。圖15中氨氮濃度隨深度而增加，圖18中總氮濃度隨深度先降后升，圖19中葉綠素a含量隨深度而降低，近于0。

3.2 理化性質相關性分析

3.2.1 pH值與其它因子關系

相關回歸分析，可反映煤炭生產礦區采煤沉陷塘各因子之間關系。筆者采取相關回歸方法，反映CK沉陷塘與RL礦區沉陷塘各因子間關系。SD僅4個監測數據，不參與分析；pH值與其它因子間相關關系，見表3。

表3 pH值與其它因子相關關系

當|r|>0.95時，顯著性相關；當|r|≥0.8時，高度相關；當0.5≤|r|<0.8時，中度相關；當0.3≤|r|<0.5時，低度相關；當|r|<0.3時，不相關；當|r|=0時，兩者沒有相關關系。采用Excel2007，計算相關系數(r)。

由表3可見，RL煤礦采煤沉陷塘pH值與EC中度相關，且負相關，即pH值隨EC增大而降低；pH值與TDS中度相關，且正相關，即pH值隨TDS增大而上升；pH值與DO、TN低度相關，且負相關；pH值與氨氮、CODMn、TP、葉綠素a不相關；其中：pH值與氨氮、TP、葉綠素a相關關系近似0，即pH值與它們之間沒有關系。

3.2.2 EC與其它因子關系

表3列出了EC與pH值相關關系，為規避重復，EC與其它因子關系中忽略。RL煤礦采煤沉陷塘EC與其余7個因子相關關系分析，見表4。

表4 EC與其它因子相關關系

由表4可知，RL煤礦采煤沉陷塘EC與pH值、TDS、氨氮中度相關，且負相關，其中：EC與TDS相關性強；EC與TP中度相關，且正相關，EC與葉綠素a低度相關，且正相關；EC與DO、COD、TN不相關。

3.2.3 氨氮與其它因子關系

RL煤礦采煤沉陷塘氨氮與其余6個評價因子之間相關關系，見表5。

表5 氨氮與其它因子相關關系

表5顯示，RL煤礦采煤沉陷塘氨氮與EC中度相關，且正相關；氨氮與TN、葉綠素a低度相關，且負相關；氨氮與其余5個因子不相關；其中：氨氮與DO相關性近乎0，無相關關系。

3.2.4 TDS與其它因子關系

RL煤礦采煤沉陷塘TDS與其它5個評價因子之間相關關系，見表6。

表6 TDS與其它因子相關關系

表6表明，RL煤礦采煤沉陷塘TDS與pH值中度相關，且負相關；TDS與EC中度相關，且負相關；TDS與CODMn低度相關，且負相關；TDS與葉綠素a低度相關，且正相關；TDS與DO、TN、TP、氨氮不相關，其中：TDS與TN相關關系近似0，無相關關系。

3.2.5 DO與其它因子關系

RL煤礦采煤沉陷塘DO與其余4個評價因子之間相關關系，見表7。

表7 DO與其它因子相關關系

由表7可見，RL煤礦采煤沉陷塘DO與葉綠素a中度相關，且負相關；DO與pH值、CODMn、TP低度相關，且負相關；DO與其余5個因子不相關，其中：DO與氨氮相關關系近似0，無相關關系。

3.2.6 CODMn與其它因子關系

RL煤礦采煤沉陷塘CODMn與其余3個評價因子之間相關關系，見表8。

表8 CODMn與其它因子相關關系

由表8可知，RL煤礦采煤沉陷塘CODMn與TN低度相關，且正相關；CODMn與TDS、DO低度相關，且負相關；CODMn與其余5個因子不相關；CODMn與葉綠素a相關關系近似0，無相關關系。

3.2.7 TN與其它因子關系

RL煤礦采煤沉陷塘TN與其它評價因子之間相關關系，見表9。

表9 TN與其它因子相關關系

表9顯示，RL煤礦采煤沉陷塘TN與CODMn低度相關，且正相關；TN與pH值、氨氮低度相關，且負相關；TN與其余5個因子不相關。

3.2.8 TP與其它因子關系

RL煤礦采煤沉陷塘TP與其它2個評價因子之間相關關系，見表10。

表10 TP與其它因子相關關系

表10表明，RL煤礦采煤塌陷塘水體TP與DO中度相關，且正相關；TP與EC低度相關，且負相關；TP與其余6個因子不相關。

3.3 采煤沉陷塘水質等級

依據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)確定RL煤礦采煤沉陷塘水質等級[12]。RL采煤沉陷塘pH值6～9，DO>5 mg/L，達到Ⅲ類水標準；CODMn<15 mg/L，符合Ⅰ類水標準；氨氮<0.5 mg/L，達到Ⅱ類水標準；TP<0.05 mg/L，符合Ⅲ類水標準；TN<1 mg/L，達到Ⅲ類水標準；RL采煤沉陷塘總體Ⅲ類水，CODMn濃度較低，大部分采樣點DO濃度較高，然而，TP、TN濃度偏高。

4 沉陷塘富營養化評價

4.1 評價方法

根據《湖庫(水庫)富營養化評價方法與分級技術規定》，采用綜合營養狀態指數法(TLI)評價。該法相對其它方法趨于成熟，評價范圍全面，評價因子綜合考慮了TP、TN、SD、chla、CODMn，克服了單因子評價不足[14]。

綜合營養狀態指數計算式：

(1)

式(1)中：TLI(∑)為指綜合營養狀態指數；Wj為第j種參數營養狀態指數相關權重；TLI(j)為第j種參數營養狀態指數。

以葉綠素a(chla)為基準參數，則第j種參數歸一化相關權重計算式為：

(2)

式(2)中：rij為第j種參數與基準參數chla相關系數；m為評價參數，個。

中國湖泊(水庫)chla與其它參數之間相關關系分析結果，見表11。

表11 中國湖泊水庫chla與其它參數相關關系

營養狀態指數計算式：

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～葉綠素a，葉綠素a(chla)，mg/m3；SD，m；其余3項，mg/L。

通過上述方法，計算RL煤炭生產礦區采煤沉陷塘綜合營養狀態指數(TLI)，結果見表12。

表12 綜合富營養狀態指數

采用0～100連續數字，對湖庫(水庫)營養狀態分級： 當TLI(∑)<30時，貧營養；當30≤TLI(∑)≤50時，中營養；當TLI(∑)>50時，富營養；其中： 當5070時，重度富營養。同一營養狀態下，指數越高，其營養程度越高。計算結果，見表13。

表13 采煤沉陷塘營養狀態評價結果

4.2 結果與分析

由表13可見，RL煤礦采煤沉陷塘營養狀態綜合指數37.2～50.8，CK沉陷塘中營養，僅兩處輕度富營養化；其中：表12單因子營養狀態指數，就研究區域而言，其營養狀態主要貢獻因子為TN(極大值53.07)、葉綠素a(極小值50.8)、SD(極大值69.45)，CODMn、TP貢獻相對較小；因而，RL煤礦采煤沉陷塘水體污染因子為TN、葉綠素a、SD。

5 結論

(1)與對照采煤沉陷塘相比，RL煤炭生產礦區采煤沉陷塘EC、TP、葉綠素a濃度較對照采煤沉陷塘高，RL采煤沉陷塘受到一定污染。

(2)從《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)看，RL煤礦采煤沉陷塘pH值6～9，DO>5 mg/L，達到Ⅲ類水標準；CODMn<15 mg/L，符合Ⅰ類水標準；氨氮<0.5 mg/L，達到Ⅱ類水標準；TP<0.05 mg/L，符合Ⅲ類水標準；TN<1 mg/L，達到Ⅲ類水標準；RL礦區采煤沉陷塘總體為Ⅲ類水體，CODMn濃度較低，大部分采樣點DO濃度較高，TP、TN濃度偏高。

(3)從綜合營養指數看，RL煤礦采煤塌陷塘水體營養狀態綜合指數37.2～50.8，CK沉陷塘中營養，僅兩處輕度富營養化；就研究區域單因子營養狀態指數而言，其營養狀態主要貢獻因子為TN、葉綠素a、SD，CODMn、TP貢獻相對較小；RL礦區采煤沉陷塘主要污染因子為TN、葉綠素a、SD。

由此而論：RL煤炭生產礦區采煤沉陷塘基本未達到富營養化水平，大部分水域處于中營養狀態，僅小面積水域處于輕度富營養狀態。