濟河對謝橋煤礦采煤沉陷水域的影響研究

王 錦，謝 毫，范佳民

(1.淮河能源集團安環(huán)部，安徽 淮南 232001；2.煤礦生態(tài)環(huán)境保護國家工程實驗室，安徽 淮南 232001；3.安徽大學 資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230601)

0 引言

謝橋煤礦位于淮北平原西南部的安徽省潁上縣境內(nèi)，橫跨潁上縣和淮南市鳳臺縣，區(qū)內(nèi)水系發(fā)達，東部有淮河、西淝河，礦區(qū)內(nèi)有濟河穿過。濟河為西淝河右支流，自西向東橫貫井田中部，系人工河，上接潁河永安閘，向東匯入西淝河，屬排洪澆灌農(nóng)田的季節(jié)性河流。隨著礦井的現(xiàn)代化開采，沉陷面積和程度不斷加大，由開采引起的沉陷區(qū)域已達3.1萬畝，其中積水面積1.4萬畝，并形成積水水面與濟河貫通。因此，對濟河與沉陷水域開展水質(zhì)調(diào)查和評價，科學客觀評價其在不同時期的水質(zhì)狀 況以及濟河對沉陷水域水體影響的范圍與程度，是科學規(guī)劃沉陷區(qū)及沉陷水域治理方案的重要技術支撐和科學依據(jù)。水質(zhì)綜合評價實際是一種依據(jù)水質(zhì)標準進行水質(zhì)等級劃分的典型識別模式。

目前，常見的水質(zhì)綜合評價方法包括模糊評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、灰色聚類法、綜合水質(zhì)標識指數(shù)法等[1-3]。其中，模糊評價法通過精確的數(shù)字手段處理模糊的評價對象，能對蘊藏信息呈現(xiàn)模糊性的資料作出比較科學、合理、貼近實際的量化評價，但是計算復雜，對指標權重矢量的確定主觀性較強；人工神經(jīng)網(wǎng)絡法具有自我學習和自適應能力，無需人為干預和較強容錯能力，其評價結(jié)果客觀，計算便捷、可操作性強，但存在評價過程中極易陷入局部極小點而無法得到全局最優(yōu)解，同時訓練樣本少也會對評價結(jié)果帶來影響；灰色聚類法信息利用率高、精度高，注意到水質(zhì)評價中的模糊性和不確定性，可以通過隸屬函數(shù)來反應該函數(shù)并加以量化，但存在當污染物濃度過于離散時，可能損失較多有用信息等問題；由于綜合水質(zhì)標識指數(shù)法[4-5]能夠更為全面地刻畫出評價對象整體水質(zhì)狀況，且可以靈活應用在某一流域的不同斷面監(jiān)測點，也可以應用在不同流域，分別分析出水質(zhì)狀況，故本文采用綜合水質(zhì)標識指數(shù)法對研究區(qū)進行分析評價[6]。

1 技術方法

1.1 指標選定依據(jù)

根據(jù)濟河與沉陷水域歷史水質(zhì)狀況，參照國家地表水質(zhì)量標準和行業(yè)標準，選定易造成水體富營養(yǎng)化的總磷(TP)、總氮(TN)和氨氮(NH3-N)等營養(yǎng)鹽指標，以及具有富集性、難降解等特性的銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鎘(Cd)和汞(Hg)等重金屬指標。

1.2 布點及樣品采集

分別于2019年11月、2020年4月和2020年6月開展了謝橋礦沉陷水域及相鄰濟河段的水樣采集工作，各采樣點位圖詳見圖1～圖3。

由圖1可知，2019年11月設置了12個采樣點。其中，濟河閘上游與下游各1個采樣點(J1和J2)，公路橋橋下2個采樣點(J3和J4)，主體沉陷區(qū)3個采樣點(C1、C2和C3)，鐵路橋橋下2個采樣點(C4和C5)，對照區(qū)為公路橋西邊封閉沉陷區(qū)，采集3個采樣點(D1、D2和D3)，共計24個水樣。

圖1 2019年11月采樣點位圖Fig.1 Sampling points in November 2019

由圖2可知，2020年4月設置了13個采樣點。除在對照區(qū)新增編號為D0采樣點外，其余與2019年11月點位相同，共計26個水樣。

圖2 2020年4月采樣點位圖Fig.2 Sampling points in April 2020

由圖3可知，2020年6月設置了14個采樣點。增加了1個沉陷區(qū)采樣點，其中主沉陷水域4個采樣點(C1、C2、C3和C4)，鐵路橋橋下2個采樣點(C5和C6)，其余點位與2020年4月點位相同，共計28個水樣。

圖3 2020年6月采樣點位圖Fig.3 Sampling points in June 2020

1.3 分析方法

研究區(qū)水樣利用有機玻璃水樣采集器進行采集后裝入聚乙烯塑料瓶中。氮磷指標測試樣品加硫酸酸化至pH<2，重金屬測試樣品每升水加入10 ml(1+1)硝酸酸化，運回實驗室低溫保存并及時檢測，樣品測試方法均選用國標、行標等規(guī)范性標準，其中Cu、Zn、Pb、Cd采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，美國安捷倫)測試，Hg采用原子熒光(LC-AFS9800，北京海光)和DMA-80直接測汞儀完成測試，具體方法參見國家標準[7]。

2 濟河與沉陷水域水質(zhì)特征分析

2.1 氮、磷等營養(yǎng)鹽含量及空間分布特征

2019年11月研究區(qū)的氮磷空間分布如圖4所示。

圖4 2019年11月研究區(qū)氮磷的空間分布Fig.4 Spatial distribution of nitrogen and phosphorusin the study areas in November 2019

從圖4中可以看出，濟河TN的范圍為0.44～0.74 mg/L，平均值為0.59 mg/L，沉陷區(qū)TN的范圍為0.29～0.38 mg/L，平均值為0.34 mg/L；濟河NH3-N的范圍為0.16～0.55 mg/L，平均值為0.34 mg/L，沉陷區(qū)NH3-N的范圍為0.19～0.32 mg/L，平均值為0.26 mg/L；濟河TP的范圍為0.04～0.09 mg/L，平均值為0.07 mg/L，沉陷區(qū)TP的范圍為0.05～0.10 mg/L，平均值為0.07 mg/L。濟河與沉陷區(qū)水體的總氮、總磷和氨氮的含量均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)III類標準限值[8]，其中總磷的含量可以達到II類標準限值。從各采樣點的氮磷含量對比分析，沉陷區(qū)和濟河水體的總磷和氨氮的含量差異不大，濟河總氮的含量也只是略高于沉陷區(qū)水體。從C1、C2、C3、J3、J4各點氮磷分布情況來看，TN和NH3-N出現(xiàn)距離濟河越近，含量越低，說明沉陷水域中TN和NH3-N的主要受周邊的面源影響。鄭劉根等[5]對淮南后湖采煤沉陷區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn)，靠近農(nóng)田的沉陷區(qū)水體表現(xiàn)出TN、NH3-N含量高于其他沉陷區(qū)域，而濟河與沉陷水域的貫通，對沉陷水域的TN和NH3-N具有一定的降解凈化作用。而TP表現(xiàn)為離濟河越近、含量越高，但數(shù)值之間差異不大，說明濟河對沉陷水域中的TP增大存在一定的影響，但影響有限；同時對比對照區(qū)D1、D2、D3發(fā)現(xiàn)，對照區(qū)中的TP含量要遠高于濟河和沉陷水域，說明TP更易在封閉水域中積累，雖然濟河會給沉陷水域中帶來一定TP，但通過水體交換也會帶走沉陷水域中的TP，從而避免TP在沉陷水體中的富集。

2020年4月研究區(qū)的氮磷空間分布如圖5所示。

圖5 2020年4月研究區(qū)氮磷的空間分布Fig.5 Spatial distribution of nitrogen and phosphorusin the study areas in April 2020

從圖5中可以看出，濟河TN的范圍為1.43～7.33 mg/L，平均值為3.83 mg/L，沉陷區(qū)TN的范圍為1.19～5.58 mg/L，平均值為4.07 mg/L；濟河NH3-N的范圍為1.01～1.67 mg/L，平均值為1.17 mg/L，沉陷區(qū)NH3-N的范圍為0.95～1.31 mg/L，平均值為1.18 mg/L；濟河TP的范圍為0.02～0.08 mg/L，平均值為0.05 mg/L，沉陷區(qū)TP的范圍為0.05～0.09 mg/L，平均值為0.07 mg/L。濟河與沉陷區(qū)水體的總氮、總磷和氨氮的含量基本處于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅱ～Ⅴ類標準限值[8]，其中總磷的含量可以達到II類標準限值。對各采樣點的氮磷含量進行對比分析，沉陷區(qū)中總氮、總磷和氨氮的含量對濟河中的含量占比分別為1.06、1.40、1.01，沉陷區(qū)和濟河水體總氮、總磷和氨氮的含量差異均不大。從C1、C2、C3、J3、J4各點氮磷分布情況來看，此時段沉陷水域和濟河水質(zhì)變化波動較小，氮磷含量較為穩(wěn)定，TN、TP、NH3-N的含量與離濟河的距離并未呈現(xiàn)出明顯的變化關系，說明濟河和沉陷水域的氮磷主要還是受周邊的面源影響[10]，濟河對沉陷水域水體的影響有限。

2020年6月研究區(qū)的氮磷空間分布如圖6所示。

圖6 2020年6月研究區(qū)氮磷的空間分布Fig.6 Spatial distribution of nitrogen and phosphorusin the study areas in June 2020

從圖6中可以看出，濟河TN的范圍為3.43～6.33 mg/L，平均值為4.68 mg/L，沉陷區(qū)TN的范圍為2.46～5.55 mg/L，平均值為4.31 mg/L；濟河NH3-N的范圍為1.27～1.42 mg/L，平均值為1.36 mg/L，沉陷區(qū)NH3-N的范圍為1.15～1.26 mg/L，平均值為1.20 mg/L；濟河TP的范圍為0.03～0.08 mg/L，平均值為0.06 mg/L，沉陷區(qū)TP的范圍為0.04～0.08 mg/L，平均值為0.05 mg/L。濟河與沉陷區(qū)水體的總磷和氨氮的含量基本滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ～Ⅳ類標準限值[8]，但總氮含量已達到Ⅴ類標準限值。對各采樣點的氮磷含量進行對比分析，沉陷區(qū)中總氮、總磷和氨氮的含量對濟河中的含量占比分別為0.92、0.83、0.88，沉陷區(qū)和濟河水體總氮、總磷和氨氮的含量差異均不大。從C1、C2、C3、J3、J4各點氮磷分布情況來看，TN、TP、NH3-N含量與離濟河的距離也未呈現(xiàn)出明顯的變化關系。考慮到此時已進入了汛期，濟河與沉陷水域均會受到周邊面源較大影響，同時濟河與沉陷水域較前一時段水位已有較大提升，濟河與沉陷水域水體已產(chǎn)生較大程度的交換，但從數(shù)值上來看其水質(zhì)情況相對良好，TP、NH3-N均在《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅳ類水標準[8]范圍內(nèi)。

2.2 重金屬含量及空間分布特征

2019年11月研究區(qū)重金屬的空間分布情況如圖7所示。

從圖7中可以看出，濟河水體中的重金屬含量基本是小于沉陷區(qū)，這與王國強等[11]對兩淮采煤沉陷區(qū)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屬Pb、Cu、Zn等會對周圍接納水體產(chǎn)生污染，從而導致沉陷水域重金屬含量要高于一般地表徑流。從數(shù)值上來看，濟河與沉陷區(qū)水體中Cu含量范圍分別為11.40～14.10 μg/L、10.80～25.72 μg/L，平均值分別為12.36 μg/L、18.01 μg/L，Zn含量范圍分別為0.87～0.95 mg/L、0.90～1.19 mg/L，平均值分別為0.93 mg/L、1.06 mg/L，Pb含量范圍分別為5.44～11.10 μg/L、8.62～48.65 μg/L，平均值分別為8.13 μg/L、23.80 μg/L，Cd含量范圍分別為0.41～0.90 μg/L、0.45～1.44 μg/L，平均值分別為0.61 μg/L、0.82 μg/L，Hg含量范圍分別為0.11～0.22 μg/L、0.12～0.19 μg/L，平均值分別為0.17 μg/L、0.16 μg/L。研究區(qū)中Hg含量滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅳ類[8]水質(zhì)要求，Cu和Cd含量滿足Ⅱ類水質(zhì)要求，Zn和Pb的含量滿足Ⅲ類水質(zhì)要求。結(jié)合C1、C2、C3、J3、J4各點重金屬分布情況來看，Cd和Hg在濟河和沉陷水域中的含量基本相當，沒有表現(xiàn)出明顯的差異，但Cu、Zn和Pb的含量均是濟河小于沉陷水域，濟河水匯入沉陷水域可稀釋降低沉陷水域中重金屬的含量，對沉陷區(qū)水質(zhì)改善起到正向促進作用。

圖7 2019年11月研究區(qū)重金屬的空間分布Fig.7 Spatial distribution of heavy metals in the study areas in November 2019

2020年4月研究區(qū)重金屬的空間分布情況如圖8所示。

從圖8中可以看出，濟河與沉陷區(qū)水體中Cu含量范圍分別為5.84～15.81 μg/L、10.63～13.90 μg/L，平均值分別為9.68 μg/L、12.09 μg/L，Zn含量范圍分別為0.14～1.97 mg/L、0.31～1.35 mg/L，平均值分別為0.59 mg/L、0.92 mg/L，Pb含量范圍分別為4.67～7.39 μg/L、5.02～9.63 μg/L，平均值分別為6.01 μg/L、7.33 μg/L，Cd含量范圍分別為1.11～7.34 μg/L、1.10～6.96 μg/L，平均值分別為3.53 μg/L、4.07 μg/L，Hg含量范圍分別為0.14～0.18 μg/L、0.16～0.19 μg/L，平均值分別為0.16 μg/L、0.17 μg/L。Cu、Zn、Pb含量基本滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅱ類水質(zhì)要求，Cd和Hg的含量基本滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅳ類[8]水質(zhì)要求。結(jié)合C1、C2、C3、J3、J4各點重金屬分布情況來看，雖然Pb和Hg沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，但Cu、Zn和Cd均表現(xiàn)出距離濟河越近含量越低的規(guī)律，說明濟河水的流動對沉陷區(qū)水質(zhì)改善起到正向促進作用，可稀釋降低沉陷水域中重金屬的含量。

圖8 2020年4月研究區(qū)重金屬的空間分布Fig.8 Spatial distribution of heavy metals in the study areas in April 2020

2020年4月研究區(qū)重金屬的空間分布情況如圖9所示。

圖9 2020年6月研究區(qū)重金屬的空間分布Fig.9 Spatial distribution of heavy metals in the study areas in June 2020

從圖9中可以看出，濟河與沉陷區(qū)水體中Cu含量范圍分別為4.93～18.68 μg/L、5.36～16.44 μg/L，平均值分別為11.31 μg/L、14.20 μg/L，Zn含量范圍分別為0.29～3.00 mg/L、0.29～4.53 mg/L，平均值分別為1.37 μg/L、2.18 mg/L，Pb含量范圍分別為3.45～64.96 μg/L、3.45～50.64 μg/L，平均值分別為24.06 μg/L、27.52 μg/L，Cd含量范圍分別為0.66～9.03 μg/L、0.01～1.69 μg/L，平均值分別為2.89 μg/L、0.50 μg/L，Hg含量范圍分別為0.17～0.22 μg/L、0.18～0.24 μg/L，平均值分別為0.19 μg/L、0.22 μg/L。Cu和Pb含量滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅰ～Ⅱ類[8]水質(zhì)要求，Cd和Hg的含量滿足Ⅲ類水質(zhì)要求，Zn出現(xiàn)超過V類水標準限值。結(jié)合C1、C2、C3、J3、J4各點重金屬分布情況來看，濟河與沉陷水域均表現(xiàn)出Hg含量較為均勻，Pb、Cd和Zn含量呈現(xiàn)出較大波動，而Cu含量則表現(xiàn)為在沉陷水域分布較均勻、在濟河分布呈現(xiàn)較大波動。同時，重金屬含量并未在與濟河的距離上表現(xiàn)出有明顯的規(guī)律性，探其原由一是受雨季降水影響，二是受濟河與沉陷水域水體交換影響，從而導致濟河與沉陷水域水質(zhì)產(chǎn)生較大波動，但除了Zn元素出現(xiàn)超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅴ類的情況外，其他重金屬含量均較低，水質(zhì)狀況較好。

3 綜合水質(zhì)標識指數(shù)評價分析

綜合水質(zhì)標識指數(shù)[12-13]由四到五位有效數(shù)字組成，表示為

Iwq=X1·X2·X3·X4

式中，X1表示整體水質(zhì)類別；X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)區(qū)間所處位置；X3為劣于功能區(qū)目標水質(zhì)的單因子個數(shù)；X4為綜合水質(zhì)類別與功能區(qū)目標水質(zhì)的比較結(jié)果，為一位或兩位有效數(shù)字。

本研究各點位數(shù)據(jù)標準差S和變異系數(shù)CV的計算方法為：

通過綜合水質(zhì)標識指數(shù)Iwq的整數(shù)位和小數(shù)點后第一位X1·X2，可以判定綜合水質(zhì)級別，判斷關系見表1。

表1 基于綜合水質(zhì)標識指數(shù)的綜合水質(zhì)級別判定

通過利用綜合水質(zhì)標識指數(shù)法對三期水體數(shù)據(jù)進行分析，其結(jié)果見表2、表3和表4。

表2 2019年11月研究區(qū)綜合水質(zhì)標識指數(shù)評價結(jié)果

表3 2020年4月研究區(qū)綜合水質(zhì)標識指數(shù)評價結(jié)果

表4 2020年6月研究區(qū)綜合水質(zhì)標識指數(shù)評價結(jié)果

由表2可知，2019年11月，濟河和沉陷區(qū)各采樣點的Iwq均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》II類水質(zhì)要求，水質(zhì)良好。濟河、沉陷區(qū)、對照區(qū)的Iwq滿足：濟河(2.230)<沉陷區(qū)(2.540)<對照區(qū)(2.640)，說明濟河水質(zhì)優(yōu)于沉陷區(qū)水質(zhì)，濟河水對沉陷區(qū)的匯入對沉陷區(qū)水有正向影響，并未使沉陷區(qū)水質(zhì)出現(xiàn)惡化情況。同時，對照區(qū)水質(zhì)相對較差，可能與對照區(qū)受交通和漁業(yè)養(yǎng)殖等人類活動影響較大有關。在濟河與沉陷區(qū)交匯水域的水質(zhì)狀況表現(xiàn)為J3(2.320)

由表3可知，2020年4月，濟河和沉陷區(qū)各采樣點的Iwq均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》III類[8]水質(zhì)要求，水質(zhì)良好。濟河、沉陷區(qū)、對照區(qū)的Iwq滿足：對照區(qū)(3.230)<濟河(3.450)<沉陷區(qū)(3.650)，表明2020年4月濟河水體整體要略好于沉陷區(qū)水體，隨著濟河水流入沉陷區(qū)，并不會引起沉陷區(qū)水體出現(xiàn)惡化情況。同時，在濟河與沉陷區(qū)交匯水域的水質(zhì)狀況表現(xiàn)為J3(2.840)

由表4可知，2020年6月，濟河和沉陷區(qū)各采樣點的Iwq均為《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅳ類[8]水質(zhì)要求。濟河、沉陷區(qū)、對照區(qū)的Iwq滿足：沉陷區(qū)(4.171)<濟河(4.371)<對照區(qū)(4.471)，整體均處為IV類水質(zhì)。對比三期的水質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)2020年6月水質(zhì)整體相對較差，考慮可能與2020年6月研究區(qū)持續(xù)降雨，沉陷水域受周邊地表雨水匯集影響有關。從個點在濟河與沉陷區(qū)交匯水域的水質(zhì)狀況表現(xiàn)為C1(3.970)

4 結(jié)論

通過對濟河與謝橋礦沉陷水域水體水質(zhì)中的氮磷等富營養(yǎng)化指標及銅鉛鉻等重金屬指標的含量特征、時空分布及變化趨勢進行分析，得出以下結(jié)論：

(1)濟河和沉陷水域的氮磷主要受周邊的面源影響，濟河對沉陷水域氮磷指標的影響有限；

(2)TN和NH3-N含量隨著時間推進，均呈現(xiàn)上升趨勢，在雨季時達到最大值，此時沉陷區(qū)和濟河TN分別達5.55 mg/L和6.33 mg/L，NH3-N分別達1.27 mg/L和1.42 mg/ L；

(3)在三期數(shù)據(jù)中，沉陷水域中Cu、Zn、Pb含量均高于濟河，說明對于重金屬指標沉陷水域是要劣于濟河，濟河與沉陷水域的水體交換和水力聯(lián)系對沉陷區(qū)水質(zhì)改善起到正向促進作用，可稀釋降低沉陷水域中重金屬的含量；

(4)在雨季沉陷水域水質(zhì)產(chǎn)生較大波動，主要是受雨季降水和與濟河水體進行交換影響；

(5)通過進行綜合因子水質(zhì)指標評價確定：濟河和沉陷區(qū)水體在2019年11月、2020年4月均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》III類[8]水質(zhì)要求，且濟河水質(zhì)優(yōu)于沉陷區(qū)水質(zhì)，濟河對改善沉陷區(qū)水質(zhì)具有凈化的正向影響；在2020年6月，濟河與沉陷水域處于相同水質(zhì)類別，且均滿足地表水Ⅳ類水質(zhì)要求。