劉 錦，孫青言，柳炳俊，褚俊英，楊立疆

(1.煤礦生態(tài)保護國家工程實驗室，安徽淮南 232001;2.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038)

1 研究背景

作為重要的基礎(chǔ)能源與化工原料，煤炭在社會經(jīng)濟發(fā)展中具有極其重要的戰(zhàn)略地位。長期以來的煤炭開采引發(fā)地表沉陷，在河網(wǎng)眾多、高潛水位地區(qū)，導(dǎo)致沉陷區(qū)積水，形成一種特殊的地表水體。當(dāng)前我國煤炭開采造成的沉陷面積達70萬hm2，約有70%左右為沉陷積水區(qū)域［1］。沉陷區(qū)蓄水水源主要包括地表徑流、雨水、淺層地下水［2］，礦井疏排水、豐水期引河道水也是部分沉陷水域的重要水源［3］。

沉陷水域形成后，礦區(qū)及其周邊工礦企業(yè)廢水和生活污水的排放、農(nóng)田化肥農(nóng)藥的使用均對沉陷水域水環(huán)境質(zhì)量造成威脅，成為制約礦業(yè)城市可持續(xù)發(fā)展的消極因素。沉陷水域形成與演化的特殊性為礦區(qū)水環(huán)境、水資源的研究、規(guī)劃與管理增加了難度。本研究對當(dāng)前沉陷水域水環(huán)境研究的進展進行了評述，旨在為采煤沉陷區(qū)水污染防治與水環(huán)境保護提供參考。

采煤沉陷區(qū)水環(huán)境質(zhì)量受到諸多因素的影響，主要包括降雨、蒸發(fā)、水力條件、地理狀況等;由于水體底泥主要為沉陷土壤，同時受到土壤巖石礦物化學(xué)成分的影響。沉陷水體中的水生生物種類、數(shù)量與初級生產(chǎn)力的代謝，通常與沉陷水域形成的時間、水域面積大小、深淺等因素有關(guān)，同時還受到周邊污染源的影響，如漁業(yè)養(yǎng)殖，礦井水、廠礦廢水與生活污水排入，農(nóng)田排水等。

沉陷區(qū)水域與湖泊、水庫具有一定的相似性，如有降雨匯入，具有較寬闊的面積，季節(jié)性淹沒，與地下水存在水力聯(lián)系等，但也有其本身的特點，具有與湖泊、水庫不同的特殊性差異，如水底的動態(tài)下沉(動床)、不同水域的兼并聯(lián)合等。沉陷水域與湖泊、水庫的比較分析見下表。

采煤沉陷水域與湖泊、水庫的特點比較分析表

2 主要研究方法

沉陷水域水環(huán)境的研究方法一般借鑒其他水域的研究方法，如調(diào)查分析與原始觀測實驗、水質(zhì)評價方法、水質(zhì)模型模擬預(yù)測等，但需要對相應(yīng)的方法做符合沉陷水域特殊性的改進。現(xiàn)對水環(huán)境研究中已經(jīng)應(yīng)用于沉陷水域水環(huán)境研究的一系列方法作如下評述。

2.1 調(diào)查分析與原始觀測實驗

煤炭持續(xù)開采導(dǎo)致沉陷區(qū)水域擴大、合并，不同水域水環(huán)境交互影響，污染源變化不定，增大了沉陷水域水環(huán)境研究的難度，為此，制定詳細條理的沉陷水域及其污染源調(diào)查方案，并對調(diào)查后的成果進行分析，為隨后現(xiàn)場采樣的順利開展提供第一手資料。原始觀測實驗作為認(rèn)識沉陷水體水質(zhì)的基礎(chǔ)性方法，主要通過現(xiàn)場獲取水樣與實驗室水質(zhì)指標(biāo)對比分析，對沉陷水域的水環(huán)境進行評價。該方法能夠獲得比較原始的數(shù)據(jù)，但采樣點布設(shè)的合理性和采樣操作的規(guī)范性，是影響樣本代表性和可靠性的重要因素，成為該方法實施的關(guān)鍵。

該方法日益發(fā)展完善，主要體現(xiàn)在采樣范圍的逐步擴展，從僅限于沉陷水域采樣，向與之關(guān)聯(lián)的河道、土壤、底泥、排水口等影響沉陷區(qū)水環(huán)境的自然人工要素的全方位采樣發(fā)展;還體現(xiàn)在水質(zhì)分析指標(biāo)種類的增多，從傳統(tǒng)的物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)向重金屬、生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)發(fā)展。這些發(fā)展使沉陷區(qū)水環(huán)境的研究更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。

在重金屬指標(biāo)方面，劉飛等［4］以淮北礦區(qū)3個煤礦的沉陷湖水體為研究對象，采用原子熒光光譜(HGAFS)法對沉陷湖上覆水體不同深度、不同時期水樣及背景水體中銻進行了測試。研究發(fā)現(xiàn):不同沉陷湖水體中銻濃度水平分布差異明顯，與沉陷湖形成時間、矸石堆距離等因素有關(guān)，同一沉陷湖中銻濃度垂向分布從表層向深層緩慢增加，沒有異常富集;枯水期水體銻濃度高于豐水期。在生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)方面，何春桂［5］通過采樣與實驗分析對淮南謝二礦南大塘沉陷水體的浮游動物群落生態(tài)進行了研究，分析了浮游動物的組成、群落變化以及水質(zhì)理化因素與群落結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系;周曉燕［6］通過采樣與監(jiān)測，分析了安徽淮南大通區(qū)南沉陷塘的浮游動物群落結(jié)構(gòu);郭友紅［7］對兗礦集團的南屯礦和鮑店礦沉陷積水區(qū)、精養(yǎng)魚塘和網(wǎng)箱養(yǎng)魚區(qū)進行水體采樣，對浮游植物的物種特征、個體分布以及營養(yǎng)化程度進行了分析，提出了沉陷積水前的耕地土壤肥力是影響水體浮游植物的主要因素;王振紅等［8］通過對淮南礦區(qū)不同沉陷年齡的采煤沉陷塘的水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，分析了不同沉陷年齡沉陷塘的主要限制性因子和塘內(nèi)浮游植物種類組成及其生長的限制性因子。

2.2 水質(zhì)評價方法

水環(huán)境質(zhì)量評價的難點在于水質(zhì)系統(tǒng)受到多種因子的影響，每種因子都能從某一方面反映水體質(zhì)量，然而污染物因子指標(biāo)之間又具有不同程度的相關(guān)性，且對水環(huán)境的影響存在差異，僅從單一指標(biāo)上識別水環(huán)境質(zhì)量往往有失偏頗甚至產(chǎn)生極端結(jié)果，因此對水質(zhì)進行綜合評價就成為水環(huán)境研究的一項重要內(nèi)容。為了適應(yīng)水環(huán)境質(zhì)量評價的要求，眾多水質(zhì)綜合評價方法不斷涌現(xiàn)，并隨著學(xué)科交叉意識的增強向多樣化方向發(fā)展。當(dāng)前主要的水質(zhì)評價方法有污染指數(shù)法、模糊綜合評判法、灰色聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、主成分分析等，這些方法各有特點，為水環(huán)境研究提供了重要支持。

計承富［9］依據(jù)灰色理論建立了隸屬函數(shù)模型，通過多目標(biāo)綜合指數(shù)評價矩陣，分析了水體富營養(yǎng)化的影響因素;馮娜娜等［10］采用主成分分析對淮南潘集楊莊沉陷水域水體進行了評價;童柳華等［11］采用模糊綜合評判法對淮南潘集礦區(qū)潘一礦典型的兩個塌陷水域進行了水質(zhì)評價，為該地區(qū)的水資源綜合利用提供了依據(jù);徐良驥等［12］則改進了主成分分析法和模糊綜合評價法，構(gòu)建了煤礦塌陷水域水質(zhì)綜合評價模型，對淮南潘集礦區(qū)沉陷水域的水質(zhì)現(xiàn)狀進行了評價;賈俊等［13］和蘇桂榮等［14］基于 ArcGIS的空間插值分析，對污染物單因子的空間插值柵格圖進行疊加，建立了多因子綜合污染評價模型，實現(xiàn)了具有空間分布特點的水質(zhì)綜合評價，使評價成果直觀地體現(xiàn)在水質(zhì)評價模擬圖上。

盡管沉陷水域與湖泊、水庫存在差異，但上述用于沉陷水域的水質(zhì)綜合評價方法與江河湖庫的水質(zhì)評價方法并無明顯區(qū)別。可見，評價方法的發(fā)展與水體的性質(zhì)關(guān)聯(lián)不大，任何水質(zhì)評價方法都可用于沉陷水體的水質(zhì)評價，這為沉陷區(qū)水環(huán)境的研究創(chuàng)造了有利條件。

2.3 水質(zhì)模型模擬預(yù)測

地表水水質(zhì)模型種類眾多［15］，從僅適用于河流的、一維的、靜態(tài)的水質(zhì)模型發(fā)展到適用于各種水體的、多維的、動態(tài)的多介質(zhì)模型、形態(tài)模擬模型，并隨著模糊數(shù)學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、3S等新技術(shù)方法的引入，水質(zhì)模型研究進入深入、廣泛發(fā)展的階段。然而，專門用于采煤沉陷水域的水質(zhì)模型則較少出現(xiàn)，多從其他水體的水質(zhì)模型挪用到沉陷水體的水質(zhì)模擬中，卻往往忽略沉陷水域水質(zhì)模擬的復(fù)雜性與特殊性，即沉陷水域除了具有與湖泊、水庫相似的季節(jié)與年份豐枯變化外，還具有湖泊、水庫不存在的水底動態(tài)沉降的特性。采煤活動停止，沉陷區(qū)達到“穩(wěn)沉”狀態(tài)之前，這一特性應(yīng)是沉陷水域水質(zhì)模擬需要考慮在內(nèi)的。

沉陷區(qū)水域水環(huán)境研究要求對水體未來的污染物動態(tài)、水環(huán)境容量作出一定的預(yù)測，以服務(wù)于水環(huán)境規(guī)劃與管理工作。為此，一些學(xué)者在原始觀測實驗的基礎(chǔ)上，建立了水質(zhì)模型，對沉陷水域的主要指標(biāo)進行模擬分析。王成等［16］建立了淮南采煤沉陷區(qū)各水平年不同水文條件下的二維非穩(wěn)態(tài) (FVS格式)水質(zhì)模型及富營養(yǎng)化預(yù)測模型，基于水量、水質(zhì)同步實測數(shù)據(jù)對模型進行了率定驗證，通過數(shù)值模擬定量分析了不同需水條件和治理措施下的水質(zhì)濃度場分布及其富營養(yǎng)程度水平。李守勤等［17］建立了生態(tài)—水質(zhì)數(shù)學(xué)模型預(yù)測沉陷水域水質(zhì)演變。模型采用有限差分法離散，生態(tài)動力學(xué)項與擴散項脫耦處理，水質(zhì)狀態(tài)變量選擇氨氮、溶解氧、磷酸鹽、葉綠素a等7個指標(biāo)，對淮南張集礦和顧橋礦不同沉陷年齡的水域水質(zhì)進行模擬計算。該數(shù)學(xué)模型考慮了沉陷水域動床的影響，采用下沉系數(shù)換算，使水質(zhì)模擬更符合沉陷水域水體的特殊性。

3 存在的問題與發(fā)展趨勢

3.1 存在的問題

(1)從污染負荷研究的范圍看，當(dāng)前主要關(guān)注點源污染負荷，對于非點源污染負荷的研究，僅限于小尺度的研究且往往套用國外的模型，缺乏針對研究區(qū)域的原始實驗的支撐。此外，點源與非點源的綜合研究也比較少。

(2)地表沉陷積水后，原來的陸地生態(tài)系統(tǒng)會逐漸被水—陸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)取代，水體中水生動植物大量繁殖，各種生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)成為影響水環(huán)境的重要因素之一。然而，目前的研究側(cè)重于沉陷水域的物理、化學(xué)與重金屬指標(biāo)的監(jiān)測、分析、評價與模擬預(yù)測，對沉陷水域生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)的監(jiān)測與研究較為薄弱，應(yīng)引起重視。

(3)縱觀以往的沉陷水域水環(huán)境研究，從水體的縱向關(guān)聯(lián)看，通常沒有考慮地下水污染的通量，對于底泥與水體的交換作用考慮不足，僅限于對水體和底泥分別進行評價。隨著沉陷區(qū)的擴大，在沉陷水域周邊土壤與底泥的轉(zhuǎn)變過程中，污染物的遷移轉(zhuǎn)化關(guān)系不明晰;從水體的橫向關(guān)聯(lián)看，缺乏沉陷水域與相關(guān)河流水系之間的水量水質(zhì)過程的動態(tài)耦合，也沒有將陸域污染負荷與沉陷水域的水質(zhì)響應(yīng)過程關(guān)聯(lián)起來。

(4)從時間動態(tài)看，當(dāng)前的研究主要側(cè)重于現(xiàn)狀水質(zhì)分析與評價，對于未來水污染的預(yù)測以及水環(huán)境的演變趨勢研究不足。

(5)水質(zhì)模型方面，需要進一步發(fā)展、完善適用于沉陷水域的模型。沉陷區(qū)隨著采煤區(qū)的不斷加深和擴展，造成沉陷區(qū)水域底部的持續(xù)下沉以及不同沉陷區(qū)的銜接合并，因此，除了考慮沉陷水域水底動態(tài)沉降的因素外，也應(yīng)注重不同沉陷區(qū)的合并，這些特性在湖泊、水庫的水質(zhì)模擬中都是不曾遇到的。

3.2 發(fā)展趨勢

(1)沉陷水域的污染源解析。污染源解析至今仍是沉陷水域水環(huán)境研究的空白。作為水體污染物及其來源識別的重要方法，通過確定兩者之間的因果對應(yīng)關(guān)系，提出減少和控制污染物輸入的途徑和措施，為水污染控制與綜合管理提供科學(xué)依據(jù)［18］，在水資源與水環(huán)境的保護、規(guī)劃管理和開發(fā)利用中發(fā)揮著重要作用。河流湖庫污染源解析的方法與模型在用于沉陷水域時應(yīng)考慮其特殊性，使源解析的成果更加科學(xué)合理。

(2)水環(huán)境與水循環(huán)的有機結(jié)合。在機理研究方面，水量是水環(huán)境演變的重要影響因素，水量的研究不能脫離水循環(huán)過程，因此，沉陷水域水循環(huán)過程伴隨的污染物通量及水質(zhì)變化的研究將是水環(huán)境研究的重要趨勢之一。

(3)沉陷水域污染負荷與水動力學(xué)水質(zhì)模型體系的構(gòu)建。在建模方面，傳統(tǒng)的模型體系仍有改進的空間。一是要體現(xiàn)水域的縱向關(guān)聯(lián)，即將沉陷區(qū)水域的地下水與地表水進行耦合，體現(xiàn)底泥與水體的污染物遷移轉(zhuǎn)化關(guān)系;二是要體現(xiàn)水域的橫向關(guān)聯(lián)，也就是將沉陷水域與其他相關(guān)水體關(guān)聯(lián)起來，如受沉陷影響的河流水系和湖泊，考慮沉陷水域水環(huán)境與其他水體水環(huán)境的相互作用與影響;三是在考慮環(huán)境本底的基礎(chǔ)上，研究污染物遷移轉(zhuǎn)化機理，建立陸域點、面源污染負荷的強度和分布與水質(zhì)之間的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系。在此過程中，沉陷水域的特殊性尤其予以體現(xiàn)。

(4)空間分析手段的充分利用。利用遙感、GIS等空間分析手段，是水環(huán)境研究的一大趨勢，對不同時空尺度的沉陷區(qū)水環(huán)境過程進行分布式的模擬與預(yù)測，有助于提升沉陷水域水環(huán)境研究的信息化程度和現(xiàn)代化水平。

4 結(jié)論

采煤沉陷水域水環(huán)境系統(tǒng)不同于湖泊與水庫，具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性與特殊性。水環(huán)境的調(diào)查、評價、模擬與預(yù)測，是當(dāng)前采煤沉陷區(qū)水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)關(guān)注的熱點問題。本文對沉陷區(qū)水域水環(huán)境研究的主要方法作了歸納總結(jié)，包括調(diào)查分析與原始觀測實驗、水質(zhì)評價方法和水質(zhì)模型模擬預(yù)測。對采煤沉陷區(qū)水環(huán)境研究存在的問題進行了探討，指出污染負荷的研究范圍有待擴展，生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)應(yīng)在水質(zhì)的監(jiān)測、分析、評價與模擬預(yù)測中得到足夠的重視，水環(huán)境研究的空間關(guān)聯(lián)以及時間展布宜酌情考慮，水質(zhì)模型的構(gòu)建需要體現(xiàn)沉陷水域的特殊性。最后展望了沉陷水域水環(huán)境研究的未來發(fā)展趨勢，主要包括沉陷水域的污染源解析、水環(huán)境與水循環(huán)的有機結(jié)合、沉陷水域污染負荷與水動力學(xué)水質(zhì)模型體系的構(gòu)建以及空間分析手段的充分利用等，以為沉陷水域水環(huán)境的深入研究提供參考。

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