沛北采煤塌陷區水質特征及風險評價

王 鐸，吳權佳，董佳甜，李向東

(中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤炭資源是經濟社會發展的重要基石，為我國經濟的發展做出了重要貢獻，由于煤礦資源的持續開采，導致礦區地表沉降，形成塌陷區，在降水以及淺層地下水的作用下，塌陷區會形成塌陷湖泊[1]。全國因煤炭開發使用造成的土地塌陷面積累計已超過110萬hm2[2]，形成大面積的積水區域，造成水土流失、破壞植被、耕地減少以及損壞交通道路和線路管道等危害，給經濟社會以及環境帶來巨大損失[3]。對塌陷區的治理以及對塌陷湖泊的開發利用成為亟待解決的問題。本文以沛北采煤塌陷區作為研究對象，采用單因子評價法、綜合污染指數法、分級評價法以及綜合水質標識指數法對塌陷區水體進行綜合評價，充分認識塌陷區水體，準確識別這類區域的污染特征，為采煤塌陷區的污染防治、綜合利用以及生態恢復提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

沛縣位于江蘇省西北部，地勢西高東低，地表水系屬淮河流域泗水水系，境內河道縱橫，水資源充沛。東、西走向的主要河道有楊屯河、沿河、鹿口河等，南、北流向的主要河道有大沙河、姚樓河、蘇北堤河、順堤河等，由西南向東北流入昭陽、微山兩湖。京杭運河、蘇北堤河、徐沛運河、八段河等調度河貫穿南北，構成河網[4]。沛縣煤炭資源豐富，是中國煤炭基地之一，煤礦主要分布在沛縣北部，位于龍固鎮、安國鎮、大屯街道和沛城街道等地，保有資源量16.33億t、累計查明資源量21.22億t，占江蘇省總儲煤量的40%以上，自1977年以來，已累計開采原煤2.3億t[5]。

沛縣采煤塌陷區主要位于沛縣北部礦區，該地區地處北緯34°37′～35°6′、東經116°41′～117°09′，東至微山湖湖西大堤，西達豐沛邊界，南至豐沛路，北到龍固鎮，東西跨度34 km，南北長度41 km 左右。目前礦區內塌陷區面積超過10 000 hm2，主要包括龍固鎮、張雙鎮、安國鎮、楊屯鎮和大屯鎮等鎮和街道。隨著煤炭資源的繼續開采，塌陷區域將繼續擴大，預計至2030年，沛北礦區內塌陷區域達到15 000 hm2[6]。

沛北礦區毗鄰南水北調東線，塌陷區的水經大沙河、沿河和徐沛運河等河道流入南四湖，南四湖是南水北調東線重要的輸水通道，其水環境狀況對淮河流域乃至整個南水北調東線工程調水水質都有很大影響。

1.2 采樣點布設

為了掌握沛縣煤礦塌陷區的水質情況及其特征，根據塌陷區地理位置以及水體污染來源和塌陷區的修復利用情況，將沛北礦區內的采煤塌陷區分為5個區域，分別為A徐莊煤礦塌陷區(1#、2#)、B龍東煤礦塌陷區(3#、4#、5#)、C龍固煤礦塌陷區(6#、7#)、D三河尖煤礦塌陷區(8#)和E張雙樓煤礦塌陷區(9#)。

采樣過程中的布點、采樣、保存參照《水質采樣技術指導》(GB 12998—91)，采樣位置避開死水區、回水區以及排污口處，盡量選擇順直河段、河床平穩、水流平穩處。本研究共設置了9個采樣點，塌陷區現狀以及采樣點位置見表1和圖1所示，分別在豐水期和枯水期各采取一次水樣，對水體中的總氮(TN)、總磷(TP)、pH、高錳酸鹽指數(CODMn)、化學需氧量(COD)、溶解氧(DO)等指標進行取樣監測。在采樣過程中，選擇水位平穩時將采樣瓶壓制沉入水中10～20 cm深度處取樣，并避免晃動水體。采樣完成后，立即蓋緊瓶蓋，防止水體發生氧化反應，并密封避光保存。

表1 采樣點分布與采煤塌陷區現狀

1#和2#采樣點位于徐莊煤礦塌陷區的河流，煤礦塌陷區被修復用于農田種植和漁業養殖。3#、4#和5#采樣點位于龍東煤礦塌陷區，現被廣泛應用于養魚和蓮藕種植，5#采樣點附近有一生態農莊。6#和7#采樣點位于龍固煤礦塌陷區內工業園區附近，周邊有化工企業、氯堿企業以及新材料公司等工業企業。8#采樣點位于三河尖煤礦塌陷區。9#采樣點位于安國湖濕地公園，濕地公園西部與龍口河相接，南部流入徐沛河，北部則通過左堯大溝京杭運河和微山湖。濕地公園于2012年建立，2015年12月被國家林業局批準為國家級濕地公園試點。

1.3 水質評價方法

常用的水質評價方法有單因子評價法[7]、綜合污染指數法[8]、分級評價法[9]以及綜合水質標識指數法[10]。本文利用這4種水質評價方法，對煤礦塌陷區的水質污染狀況進行綜合評價[11]。

1.3.1 單因子評價法

單因子評價法是《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的水質評價方法，是通過實測水質指標與標準值相對比，選取水質最差的因子作為最終評價結果。

1.3.2 綜合污染指數法

綜合污染指數法是在單因子評價的基礎上，將各個水質指標的評價結果運用數學統計方法綜合計算，得到污染綜合指數，計算公式如(1)所示[12]。

(1)

式(1)中，Ci為第i項污染物實測值，C0為所選取參考標準的評價限值。水質評價標準見表2。

表2 綜合污染指數法評價標準

1.3.3 分級評價法

此方法根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ類水質賦予分值，分別為10、8、6、4、2、0分，計算各項水質指標的算數平均值[13]，計算公式如(2)所示。

(2)

式(2)中，Xi為各項水質指標的評分值。

1.3.4 綜合水質標識指數法

綜合水質標識指數的表達式為：

I=X1.X2X3X4

(3)

式(3)中，X1為綜合水質類別，X2為綜合水質在水質變化區間內所處的位置，X3為參與水質評價的指標中低于功能區的指標的數量，X4為綜合水質類別與水環境功能區的比較結果[14]。

X1.X2的計算公式為：

(4)

式(4)中，P為是指水質評價因子中單因子水質標識指數的取值，m為參加水質評價的水質指標的個數。根據綜合水質標識指數的大小可將水質類別分為7類，具體評價標準[15]見表3。

表3 綜合水質評價標準

2 結果與討論

2.1 塌陷區水質指標特征

根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準，分別在豐水期和枯水期對采煤塌陷區的水體各取一次樣進行檢測，各采樣點的水質指標統計結果見表4。

表4 水質指標統計結果

由表4可知，塌陷區水體的pH為7.2～8.9，均值為8.0，屬偏堿性水。TDS濃度隨季節變化不大，在豐水期和枯水期的平均值分別為1 211 mg/L和1 157 mg/L，屬于高礦度化水，說明水中溶解性無機鹽含量較大，可能是塌陷區周圍工業廢水和生活污水的排放導致水中TDS含量增加。在5個采煤塌陷區水體的DO含量較高，各采樣點的水體在豐水期和枯水期的均值分別為5.5 mg/L和7.7 mg/L，總體呈現出豐水期低于枯水期的趨勢，且大部分達到Ⅰ、Ⅱ類水質，僅6#、7#在豐水期時DO含量為3.9 mg/L和3.1 mg/L，為Ⅳ類級別。水中的氧氣主要來源是大氣中的氧和水中浮游植物的光合作用，受周圍環境的影響較大，夏季豐水期溫度較高，氣壓降低，水中飽和溶解氧濃度越低[16]；此外，夏季浮游植物大量繁殖，生物的新陳代謝加速了氧氣的消耗，同時大量殘體被微生物分解，使水體溶解氧濃度降低。

塌陷區水體的TN、TP和氨氮濃度分別為0.6～3.4 mg/L、0.02～0.65 mg/L和0.3～2.5 mg/L，從季節變化來看，TN濃度沒有明顯變化，而TP和氨氮的濃度在夏季豐水期超過冬季枯水期。僅個別采樣點在枯水期達到Ⅱ、Ⅲ類級別，其他大部分采樣點的水質超過Ⅳ類標準，6#采樣點在豐水期的水質最差，達到了劣Ⅴ類標準。可能是塌陷地周圍居民生活污水、工業廢水以及化肥的施用使水體中氮磷含量增加[17]。TN和TP是評價湖泊富營養化的重要指標，氮磷元素的超標，說明塌陷區水體可能面臨富營養化的風險。

根據檢測結果來看，塌陷區水體COD和CODMn含量的平均值分別為33.35 mg/L和4.77 mg/L，污染較為嚴重且季節變化明顯，呈現出夏季豐水期高冬季枯水期低的趨勢。夏季豐水期水生植物的大量衰敗，使大量的有機物溶解，塌陷區水域內的有機物濃度迅速提高。此外，夏季塌陷湖泊周邊的農田退水、生活污水及畜牧養殖廢水隨雨水徑流匯入湖泊，也是造成塌陷區水體COD升高的原因。其中6#和7#采樣點的水體可能受到周邊化工廠在生產過程中排放的高濃度COD廢水的影響，水體COD異常升高[18]，為劣Ⅴ水質。

2.2 地表水水質評價

按照《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準，研究選取COD、TN、TP、氨氮、高錳酸鹽指數和DO共6項指標進行水質評價。不同方法的評價結果見表5。

表5 多方法水質評價結果

由表5可知，單因子評價法顯示龍固煤礦塌陷區(6#、7#)水質最差，在豐水期和枯水期水質均為劣Ⅴ類。因其評價結果由污染最為嚴重的指標參數決定，所以評價結果具有一定的片面性。根據綜合污染指數法，徐莊煤礦塌陷區(1#、2#)、龍東煤礦塌陷區(3#、4#、5#)、三河尖煤礦塌陷區(8#)和張雙樓煤礦塌陷區(9#)屬于輕污染，龍固煤礦塌陷區(6#、7#)屬于重污染。分級評價法和綜合水質標識指數法得出的水質評價結果類似，即徐莊煤礦塌陷區水質較好，龍固煤礦塌陷區水質較差。

3 結 論

(1)水質綜合評價結果表明：沛北采煤塌陷區的水體污染較為嚴重，綜合水質標識指數在豐水期和枯水期的均值分別為4.204和3.477，大部分時期為Ⅳ、Ⅴ類水質標準，主要污染物COD、TN、TP濃度最高分別達到64.71、3.320、0.640 mg/L；塌陷區水體在夏季豐水期污染更為嚴重，COD、TP、氨氮等污染物含量呈現出夏季高于冬季的趨勢；

(2)沛北采煤塌陷區的水質主要受生活污水、工業廢水和農業廢水等污染源以及氣候特征的影響，且工業廢水對塌陷湖泊水質的影響較大，造成COD、TP、氨氮等污染物含量升高，可能會給南四湖的水質甚至南水北調東線的調水水質帶來不利影響；

(3)沛北采煤塌陷湖泊中COD、TN和TP應重點治理，在綜合考慮塌陷湖泊的環境容量和環境目標，特征污染物的自凈能力以及湖泊水力學特征，建立適合的水質模型對各種治理措施進行評估，確定可行性并提出優化策略，增強區域生態保護以提高高質量發展的保障。