熵權法在煤礦區地表水環境質量評價中的應用

陳晨 桂和榮 梅靜梁 陳家玉 李晨 王春雷

摘 要：為了研究煤礦開采對地表水環境質量的影響，以蘆嶺礦區5個塌陷塘（1#、2#、3#、4#、5#）以及流經礦區的沱河為研究對象，選取氨氮、總氮、總磷、化學需氧量、氟化物、硝酸鹽、硫酸鹽為評價指標，運用熵權法對礦區內地表水體進行了水環境質量評價。結果表明：沱河Ⅳ類水占100%;4#塌陷塘水質最好，可以作為生活用水;2#塌陷塘水質最差，有3個水樣超過Ⅴ類標準;1#及5#塌陷塘為Ⅳ類水，3#塌陷塘為Ⅴ類水。總體上看，處于流動狀態的沱河水質優于靜水環境下的塌陷塘。

關鍵詞：熵權法;地表水;環境質量評價;蘆嶺礦區

中圖分類號 X832文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）12-0124-04

Application of Entropy Weight Method in Environmental Quality Assessment of Surface Water in Coal Mine Affected Area

CHEN Chen1，2 et al.

（1School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China; 2National Engineering Research Center of Coal Mine Water Hazard Controlling（Suzhou University）， Suzhou 234000， China）

Abstract： In order to study the environmental quality of surface water in coal mining affected area， this paper takes five collapse ponds （1#， 2#， 3#， 4#， 5#） in Luling mining area and Tuohe river flowing through the mining area as the research object， selects ammonia nitrogen， total nitrogen， total phosphorus， chemical oxygen demand， fluoride， nitrate， sulfate as evaluation indexes， and uses entropy weight method to evaluate the water environmental quality of surface water in the mining area.The results show that： Tuohe River class IV water accounts for 100%; the water quality of No.4 collapse pond is the best， which can be used as domestic water; the water quality of No.2 collapse pond is the worst， with three water samples exceeding class V standard; No.1 and No.5 collapse pond is class IV water， and No.3 collapse pond is class V water.Generally speaking， the water quality of Tuohe River in flowing state is better than that of collapse pond in still water environment.

Key words： Entropy weight method; surface water; Environmental quality assessment; Luling mining area

近年來，由于工農業“三廢”的不合理處置，導致局部區域水體水質惡化，甚至發生水污染事件頻繁事件，嚴重影響人們的身體健康[1]。因此，水環境質量評價受到了學界的廣泛關注[2]。中國是世界上最大的煤炭生產國與消費國，煤炭資源開采與利用在國民經濟發展中占有重要地位[1]。大規模的煤礦開采，在地表形成了大量的塌陷水域（簡稱“塌陷塘”），構成了礦區水資源的重要的組成部分[5]。礦區塌陷塘與地表河流是礦區內工業生產、農業灌溉以及居民生活飲用重要的供水水源[3]。采用科學的方法合理評價礦區水環境質量，對于礦區水資源保護與開發利用具有重要意義。

目前，國內外水質評價方法有很多，包括指數評價法、模糊評價法、單因子評價法、灰色評價法等[8]。這些評價方法的特點是評價標準權重的確定具有主觀性。熵權法能夠對評價指標項中貢獻較大的指標賦予較大的權重，從而更好地避免主觀賦權造成的評價誤差[4]。本研究以蘆嶺礦區的5個塌陷塘（1#、2#、3#、4#、5#）以及礦區內河流（沱河）為對象，利用水樣測試成果，根據地表水環境質量評價標準（GB3838-2002）中的選取評價指標，采用熵權法對2種水體進行水環境質量評價。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域概況 研究區蘆嶺礦區位于中國安徽省北部的淮北煤田[5]，東經117.11°～117.21°，北緯33.51°～33.58°，面積80km2。貫穿礦區的沱河屬淮河流域，全長243km，流域面積2983km2。蘆嶺煤礦于20世紀60年代投產，年生產煤炭220萬t，開采歷史50多年，形成了較大面積的塌陷塘（圖1），包括1#塌陷塘、2#塌陷塘、3#塌陷塘、4#塌陷塘、5#塌陷塘，塌陷水域總面積近1000hm2，最大積水深度超過20m[5]。

1.2 采樣與檢測 按照均勻布點原則采樣。從河流的上游至下游，依次采集20個水樣（水樣編號為R1～R20）;5個塌陷塘（1#、2#、3#、4#、5#）主要集中在河流的北面，共取水樣21個，編號如表1所示。取樣點如圖1所示。

水樣采集在1.5L的聚乙烯水桶中。取樣前用超純水對水桶進行清洗，采樣時用水源地水對水桶清洗3遍。水樣在4℃環境下保存，在24h內完成指標的檢測工作。檢測指標包括總氮、總磷、化學需氧量、氨氮、氟化物、硝酸鹽和硫酸鹽。檢測方法如表2所示。

1.3 熵權法評價 采用熵權法對地表水環境進行評價，可以較好地避免人為主觀賦權因素對評價結果造成的影響，使得評價結果更為客觀、評價結果更為科學[6]。

一共設有m個取樣點位，n個評價指標，第i個點位的第j項指標的數值為[xij]，構建評價矩陣[Roij=（xij）]（i=1，2，…m;j=1，2，…n）。

熵權法權值的確定是根據數據本身得出的，避免主觀賦權產生的模型的不確定性的影響，保證評價結果的準確性，對不同水體的評價更加的合理[7]。

2 結果與分析

2.1 水質概況 根據《地表水環境質量標準》GB 3838-2002，選取氨氮、COD、總氮、總磷、氟化物、硝酸鹽、硫酸鹽等作為評價指標，進行研究區地表水（塌陷塘及沱河）環境質量評價。地表水環境質量標準的標準限值見表3[8]。

利用統計學的方法對蘆嶺礦區沱河以及塌陷塘的7個指標（NH4-N、COD、TP、TN、F-、NO3-、SO42-）進行統計分析，分析結果如表4所示。

由表4可知，沱河的NH4-N值在0.36～0.99mg/L，均值為0.72mg/L，均在Ⅲ類水要求的范圍以內。塌陷塘的NH4-N值在0.07～1.21mg/L，均值為0.34mg/L，僅1個水樣超過了Ⅲ類水標準。沱河NH4-N值的略高于塌陷塘。沱河的COD值在24.08～55.68mg/L，均值為36.06mg/L。塌陷塘的COD值在16.14～40.20mg/L，均值為33.11mg/L。可見，沱河的COD值高于塌陷塘的COD值，且二者均有水樣超過Ⅲ類水標準。沱河的TP值在0.04～0.10mg/L，全部水樣在Ⅱ類水要求的范圍以內。塌陷塘的TP值在0.00～1.07mg/L，水體的TP值較高，且高于沱河的TP值。TP值的過高可能會導致水體的富營養化情況[9]。沱河的TN值在0.92～2.35mg/L，塌陷塘的TN值在0.41～3.97mg/L，分別有30%、28.57%的水樣超過Ⅴ類水標準。氟化物的超標率也較為嚴重，其中沱河有16個水樣的F-濃度在1mg/L以上，有80%的水樣超過Ⅲ類水標準，塌陷塘有20個水樣的F-濃度在1mg/L以上，Ⅲ類水以上占比為95.24%。2種水體的氟化物超標率較為明顯，且塌陷塘的氟化物高于沱河。飲用水一般是人體氟化物的主要來源，氟化物的超標會導致齲齒以及增加骨折的風險，甚至會導致氟中毒。沱河的NO3-值在8.16～8.58mg/L，未超過Ⅰ類水的限值;塌陷塘的NO3-的值在7.68～15.37mg/L，有30%的水樣超過Ⅲ類水標準。沱河的SO42-值在255.40～341.80mg/L;塌陷塘的SO42-值在30.39～117.59mg/L，均滿足Ⅲ類水標準。

2.2 熵權法確定水質評價指標權重 根據沱河與塌陷塘41個水樣的檢測數據，利用公式（1）得到評價矩陣，然后對數據進行標準化處理，通過公式（2）～（8）計算計算各評價指標的權重。通過式（1）～（7）中計算得出各評價指標權重，計算結果如表5所示。

2.3 熵權法分類結果 將5類水標準限值帶入公式（8），計算得出：Ⅰ類水的得分為0.158，Ⅱ類水為0.208，Ⅲ類水為0.297，Ⅳ類水為0.436，Ⅴ類水為0.543。水樣得分在0～0.158為Ⅰ類水，得分在0.158～0.208為Ⅱ類水，得分在0.208～0.297為Ⅲ類水，得分在0.297～0.436為Ⅳ類水，得分在0.436～0.543為Ⅴ類水。根據式（8）將20個河流水樣以及21個塌陷塘水樣的5個指標值帶入，得到的結果如表6所示。

由表6可知，沱河的水質等級主要為Ⅳ類水，可作為農業用水，但不能作為生活飲用水。Ⅳ類水一共20個水樣，占總體的100%，其水質可以滿足農業灌溉以及工業生產用水的要求[11]。對于塌陷塘而言，1#塘主要為Ⅳ類水，可作為工業用水以及農業灌溉用水;2#塌陷塘主要為Ⅴ類水，不能作為工業用水，有1個水樣超過Ⅴ類水標準，污染較嚴重;3#塌陷塘為Ⅴ類水;4#塌陷塘沒有超過Ⅲ類水標準，可以作為生活飲用水水源地，水質情況較好;5#塌陷塘部分水樣超過Ⅲ類水，水質情況優于1#、2#、3#塌陷塘。可見，5個塌陷塘水質的好壞排序為：4#塌陷塘>5#塌陷塘>1#塌陷塘>3#塌陷塘>2#塌陷塘。統計沱河與塌陷塘整體的5個類別水樣的占有率。沱河的Ⅳ類水占有率為100%;塌陷塘Ⅰ類水、Ⅱ類水、Ⅲ類水、Ⅳ類水、Ⅴ類水以及Ⅴ類水以上的占有率為14.29%、14.29%、28.57%、28.57%、9.5%。

塌陷塘的TN和TP的含量較高，可能是由于塌陷塘作為養殖水產區，投入了大量的飼料氟化物，在水巖作用導致了巖石中氟化物的溶解[12]。部分水樣COD值過高，可能是由于該水樣離排污口較近。總體而言，塌陷塘水體作為一種封閉水體，水體處于靜止狀態，與外界沒有聯系，受外界污染源的干擾較大，且水塘面積較小，自我修復能力較弱。沱河是一種流動水體，受到外界的干擾較小，自我修復能力較強。因此，沱河水質要優于塌陷塘。

3 結論

采用熵權法對蘆嶺礦區內沱河以及5個塌陷塘進行了水環境質量評價，結果顯示：沱河Ⅲ類水、Ⅳ類水以及Ⅴ類水分別占20%、75%、5%，適用于工業用水與農業用水，80%的水樣不適用于生活飲用水。塌陷塘水質情況差別較大，其中，4#塌陷塘的水質最好，無超過Ⅲ類水的水樣;2#塌陷塘的水質最差，有3個水樣超過Ⅴ類似標準;1#塌陷塘與5#塌陷塘為Ⅳ類水，3#塌陷塘為Ⅴ類水。沱河的水質優于塌陷塘。

根據地表水環境質量標準（GB3838-2002），Ⅲ類水可作為生活飲用水，Ⅳ類水可用于工業生產用水以及景觀娛樂用水，Ⅴ類水適用于農業用水。結合評價結果可知，沱河水不適用于生活飲用水，但可以作為農業用水以及當地煤礦生產用水。4#塌陷塘的水質沒有超過Ⅲ類水，可以作為飲用水地表水源地;1#塌陷塘以及5#塌陷塘的水質可以滿足工業生產以及農業用水;3#塌陷塘只能用于農業用水。

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（責編：張宏民）