夏玉婷，桂和榮，李 俊

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232000； 2.國家煤礦防治工程技術(shù)研究中心(宿州學(xué)院)，安徽宿州 234000)

0 引言

采煤形成的地表塌陷區(qū)，由于低于潛水位而接受淺層地下水的補給，所形成的水體通常稱為“塌陷塘”。塌陷塘也是匯聚雨水、地表徑流的場所，有的煤礦從井下排出的礦井水有時也輸入其中。因此，采煤塌陷塘水環(huán)境比較特殊[1-3]。向塌陷塘補給的各種來源的水如地表徑流、礦井水等，會攜帶各種污染物，一定程度上改變了塌陷塘的理化性質(zhì)，造成水質(zhì)污染等問題，例如塌陷塘富營養(yǎng)化、重金屬污染等[4-5]。塌陷塘大都是封閉水體[3]，水體自凈能力弱，污染物在水體中很容易富集。塌陷塘的功能主要有水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)灌溉等，進入塌陷塘中的污染物有可能通過食物鏈在生物體內(nèi)富集，對居民飲食安全和健康會構(gòu)成威脅[5-8]。

近年來，很多學(xué)者對地表水環(huán)境質(zhì)量問題開展了大量研究。Ingyu Lee[9]等用數(shù)值模擬的方法研究了馬來西亞加拉河沿河污染源對水質(zhì)的影響；XiaoyanZhai[10]等以受高度干擾和嚴重污染的淮河流域作為研究區(qū)，用動態(tài)模擬的方法詳細探討了水文動態(tài)變化過程中的污染機制；E Garcia-ordiales[11]等對礦山下游水體沉積物中重金屬和人類活動的相關(guān)性進行了分析，闡明了采礦活動對地表水環(huán)境的影響機理。從研究內(nèi)容上看，多集中于一般的湖泊地表水環(huán)境質(zhì)量的評價與分析。對于塌陷塘水環(huán)境問題，目前不少學(xué)者也展開相應(yīng)的研究。如桂和榮[12]等通過對采煤塌陷塘和非采煤塌陷塘水中藍藻的生態(tài)環(huán)境比較，研究了采煤塌陷塘特殊水域藍藻的生態(tài)特征；張冰[1]等以淮北礦區(qū)臨渙礦采煤塌陷塘為研究對象，對其水環(huán)境特征及污染性狀進行了評價；徐良驥[13]等研究了淮南礦區(qū)采煤塌陷塘水環(huán)境質(zhì)量，并探討了采煤塌陷塘綜合污染評價的方法。

已有的研究表明，采煤塌陷塘的形成時間不同，水生生物演替及水環(huán)境質(zhì)量亦有差異。此外，塌陷塘的水環(huán)境質(zhì)量與季節(jié)關(guān)系密切。因此，本文以宿南礦區(qū)塌陷塘為研究對象，對不同時期形成的塌陷塘以及不同季節(jié)塌陷塘水環(huán)境質(zhì)量進行分析評價與比較，為采煤塌陷塘水環(huán)境演變、水質(zhì)保護和水資源利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

皖北礦區(qū)位于淮北平原的北部 , 面積約3萬km2。境內(nèi)有皖北煤電集團和淮北礦業(yè)集團兩個國家級特大型企業(yè) , 是華東地區(qū)重要的煤炭基地[14]。隨著煤炭的不斷開采，采煤活動造成地面不斷塌陷。已有資料顯示，皖北采煤塌陷水域面積已達300km2[13]。本文研究對象為宿南礦區(qū)的蘆嶺、朱仙莊采煤塌陷塘(圖1)。通過取樣分析，研究不同時期形成的塌陷塘之夏、冬季水環(huán)境質(zhì)量。

在地層區(qū)劃上，蘆嶺礦區(qū)屬于華北地層區(qū)、魯西分區(qū)、徐宿小區(qū)，其巖性及厚度相對穩(wěn)定。在古老變質(zhì)基底上，沉積有青白口系、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系、古近系或新近系和第四系。蘆嶺煤礦于1969年12月投產(chǎn)，含煤地層為石炭、二疊系。二疊系含煤地層有下統(tǒng)山西組、下石盒子組和上統(tǒng)上石盒子組，含煤地層厚度約1 010m，含有10個煤層(組)，其中Ⅲ采區(qū)的8煤層為特厚煤層，全區(qū)可采，是主采煤層，其水化學(xué)類型為HCO3·Cl―Na·Mg型[14]。蘆嶺礦開采50余年[15]，形成大面積塌陷。本研究區(qū)蘆嶺采煤塌陷塘(下文稱“蘆嶺塘”)水域面積近1 000hm2，積水深度8m左右，沿岸填埋有大量的煤矸石，水域較封閉，周邊為耕植田地。

朱仙莊礦井均為新生界松散層所覆蓋，經(jīng)鉆孔揭露地層有奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、古近系或新近系和第四系。該煤礦1983年4月正式投產(chǎn)，含煤地層為石炭、二疊系，其中二疊系為勘查對象，亦含有10個煤層(組)，其中8煤層為主采煤層，厚10.03m， 占可采煤層總厚的64%， 該層的水質(zhì)類型主要為SO4·HCO3―Na·Ca型[14]。朱仙莊#1塘是該礦最早形成的塌陷塘，歷時約35a[16]，水域面積約400hm2，水深3～4m，沿岸有煤矸石零星堆積，周邊有朱仙莊礦工業(yè)廣場和休閑公園；#2塘為20世紀90年中期形成的塌陷塘，歷時近25a，水域面積約100hm2，水深2～3m，以漁業(yè)養(yǎng)殖為主，周邊為農(nóng)田。

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點分布Figure 1 Study area geographical position and sampling points

蘆嶺礦和朱仙莊礦均為厚松散層覆蓋的隱伏型煤礦，松散層厚200～300m，共劃分為四個含水層和三個隔水層，自上而下分別為“一含”“一隔”“二含”“二隔”“三含”“三隔”“四含”。其中“一含”為潛水，含水層厚度30m左右，水位埋深3～5m，與塌陷塘存在補泄關(guān)系。一般情況下，豐水期塌陷塘水補給“一含”，枯水期，“一含”地下水向塌陷塘排泄。

2 材料與方法

2.1 水樣采集與測試

分別于2017年夏、冬兩個季節(jié)進行現(xiàn)場采樣，各季節(jié)采樣點均為9個，采樣點位置見圖1。采樣按照《地表水和污水檢測技術(shù)HJ/T91-2002》和《水和廢水檢測分析方法》(第四版)中的相關(guān)標準，采取水面以下約0.5 m處的水樣。所有采樣點位置均用GPS定位，并現(xiàn)場測定水溫(T)、pH、電導(dǎo)率(EC)、溶解性固體總量(TDS)和氧化還原電位(ORP)。水樣采集后24h內(nèi)用0.22μm濾膜抽濾。為確保所抽濾的水樣中重金屬的離子狀態(tài)，用50%的硝酸酸化致其pH<2。

2.2 研究方法

模糊綜合評價法[17]是對水質(zhì)進行綜合評價的一種常用方法。水環(huán)境本身存在大量的不確定性，每個指標的級別劃分以及標準的確定都具有模糊性的特征。該方法建立在比較嚴謹?shù)臄?shù)學(xué)基礎(chǔ)上，通過綜合評價值的計算以及模糊級別判斷，可以從總體上直觀地判斷水體所屬水質(zhì)等級。但當(dāng)單個因子污染嚴重時，傳統(tǒng)的模糊評價結(jié)果會受到一定的影響，且對于最大隸屬度bij<0.5的評價結(jié)果不適用。故本研究采用改進的模糊綜合評價法來評價水質(zhì)狀況，評價因子為TN、TP、COD，其數(shù)學(xué)模式表達：

B=W×R

(1)

式中：W是由各評價因子的權(quán)重分配構(gòu)成的向量，即因子權(quán)重矩陣；R表示各評價因子對于評價等級的隸屬度，即模糊關(guān)系矩陣；B為評價結(jié)果向量，即表示樣本對評價等級的隸屬度。

2.2.1 確定評價因子及評價標準

根據(jù)塌陷塘各項指標檢測結(jié)果的超標情況，進而選出評價因子：TN、TP、COD(表1)，依據(jù)國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)規(guī)定的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ水質(zhì)類別作為評價標準。

2.2.2 確定權(quán)重因子矩陣W

水環(huán)境受到多因子共同影響時，考慮到每項指標對環(huán)境的影響程度不同，在污染中作用大小也不同，需求其權(quán)重，計算公式如下：

(2)

式中：Ci為評價因子i的實測質(zhì)量分數(shù)；Sij為評價因子i在j等級的標準值；aij為評價因子i在j等級的權(quán)重。則j等級的指標權(quán)重矩陣為Wj=(a1j，a2j，…anj)。

2.2.3 建立模糊關(guān)系矩陣R

依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)，將水質(zhì)類別分為五類，其計算公式如下：

Ⅰ類：

(3)

表1 評價因子測定結(jié)果

對于第Ⅱ～Ⅳ類記為m類：

(4)

Ⅴ類：

(5)

式中：rim為評價因子i對m類水質(zhì)隸屬度。

隸屬度矩陣R為：

(6)

3 結(jié)果分析

3.1 水化學(xué)特征

(a)夏季 (b)冬季圖2 塌陷塘不同季節(jié)piper三線圖Figure 2 Piper trilinear chart of subsidence ponding hydrochemical data in different seasons

對于不同時期形成的塌陷塘，其水中主要離子質(zhì)量分數(shù)在夏、冬季稍有變化，但水化學(xué)類型基本不變[18]。塌陷塘水化學(xué)成分與淺層地下水、大氣降水補給以及塌陷土地的性質(zhì)有關(guān)[19]。蘆嶺礦淺層地下水化學(xué)類型為HCO3型，補給蘆嶺塘使其水化學(xué)類型保持HCO3型;朱仙莊礦淺層地下水有HCO3型和SO4型，使得朱仙莊#1塘、朱仙莊#2塘水化學(xué)類型分別為HCO3―Na·Mg·Ca型和SO4―Na·Mg·Ca型[14]。顯然，淺層地下水是煤礦塌陷塘的主要補給水源，在某種程度上決定了塌陷塘的水質(zhì)類型。

3.2 理化因子季節(jié)變化

從三個塌陷塘水的EC季節(jié)變化可知，隨季節(jié)變化，EC值差異明顯。蘆嶺塘、朱仙莊#2塘季節(jié)性變化趨勢為夏季>冬季，朱仙莊#1塘為冬季>夏季。通常情況下，水溫越高，水面蒸發(fā)使水中總離子質(zhì)量分數(shù)增加，EC值也會增大，或者富營養(yǎng)化嚴重的水體EC值也較高，故一般情況下，EC值夏季要高于冬季。不同塌陷塘EC值變化趨勢為朱仙莊#1塘>朱仙莊#2塘>蘆嶺塘。朱仙莊#1塘水的總離子質(zhì)量分數(shù)最高，原因是夏季該塘周邊浮游植物較多，水體富營養(yǎng)化程度較高，水中無機酸、堿或鹽含量較高[20]，EC值也相對較高；而朱仙莊#2塘中部分區(qū)域用于漁業(yè)養(yǎng)殖，魚食料含有豐富的有機質(zhì)、氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)，當(dāng)?shù)?、磷在養(yǎng)殖水體中逐漸富集并達到一定量時，將造成水體富營養(yǎng)化和水質(zhì)的惡化，EC值也相應(yīng)升高。

TDS與EC值的變化特征基本一致，蘆嶺塘、朱仙莊#2塘季節(jié)性變化趨勢為夏季>冬季，朱仙莊#1塘為冬季>夏季。TDS含量與總離子質(zhì)量分數(shù)有關(guān)[21-24]。水中離子質(zhì)量分數(shù)增加除了水面蒸發(fā)之外，周圍農(nóng)田土壤水進入淺層地下水，并補給塌陷塘，也可能造成塌陷塘水的離子含量增加。三個塌陷塘TDS變化趨勢為朱仙莊#1塘>朱仙莊#2塘>蘆嶺塘。

水的溫度、pH、堿度、硬度越高，水的ORP越低[25]。夏季三個塌陷塘水的溫度、pH、堿度、硬度都比較高，ORP季節(jié)性變化趨勢為夏季<冬季。三個塌陷塘ORP值的夏季變化趨勢為朱仙莊#2塘>蘆嶺塘>朱仙莊#1塘，冬季則是朱仙莊#2塘>朱仙莊#1塘>蘆嶺塘，與pH值變化相反，塌陷塘水中的離子會隨著塌陷時間的增長存在累積效應(yīng)，硬度也會隨之增加，蘆嶺塘形成時間最長(50a)，朱仙莊#1塘(35a)次之，朱仙莊#2塘(25a)最短，Ec值變化與之相反。

圖3 不同時期塌陷塘夏、冬兩季理化指標變化趨勢Figure 3 Physical and chemical parameters variation trend in summer and winter of different period subsidence ponding

3.3 相關(guān)性分析

3.4 水環(huán)境質(zhì)量綜合評價

以蘆嶺塘夏季測試數(shù)據(jù)為例，根據(jù)公式(2)計算得到權(quán)重矩陣W：

根據(jù)公式(3)～(6)計算隸屬度，確定模糊關(guān)系矩陣R：

根據(jù)公式(1)對權(quán)重矩陣W和模糊關(guān)系矩陣R進行復(fù)合運算，得到模糊綜合評判結(jié)果向量B=W·R=(0，0，0，0.191，0.031)。同樣，根據(jù)上述步驟，可以得到三個塌陷塘夏、冬兩季的模糊綜合評判結(jié)果向量(表2)。

根據(jù)最大隸屬度原則確定三個塌陷塘夏、冬兩季水質(zhì)級別。TP、TN、COD三項指標含量主要來源于人為污染。TP、TN用來評價水體富營養(yǎng)化程度[26]，COD用來評價水體有機污染程度[27-28]。從表2可看出，三個塌陷塘夏季隸屬度均為Ⅳ類，水體污染重，水質(zhì)較差。冬季水質(zhì)類別分別為Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ類水質(zhì)，水質(zhì)良好。

(a)夏季 (b)冬季圖4 變量不同季節(jié)相關(guān)性分析結(jié)果Figure 4 Correlation analytical result of variables in different seasons

時間塌陷塘(歷時)隸屬度值ⅠⅡⅢⅣⅤ水質(zhì)分類夏季冬季蘆嶺塘(50a)0000.191 1710.031 41Ⅳ朱仙莊#1塘(35a)0000.085 7890.017 753Ⅳ朱仙莊#2塘(25a)0000.405 6770.068 258Ⅳ蘆嶺塘(50a)0.291 7780.500 1010.067 48200Ⅱ朱仙莊#1塘(35a)0.724 210.019 1490.012 78700.395 353Ⅰ朱仙莊#2塘(25a)0.125 5940.128 4620.778 7910.035 2080Ⅲ

塌陷塘夏季水質(zhì)差的原因，一是夏季多雨，雨水對塌陷塘底泥造成擾動，使底泥中的TP、TN、COD釋放到水中，含量升高；二是由于夏季周邊居民生活污水排進塌陷塘，會對塌陷塘造成污染；三是塌陷塘附近農(nóng)田施肥，N、P等隨土壤水進入淺層地下水，進而補給塌陷塘而造成塌陷塘水體中TN含量超標[28]。朱仙莊#1塘、蘆嶺塘冬季水質(zhì)變好的原因，一是冬季雨水少，淺層地下水水位較低，對塌陷塘的補給量少，土壤水很少隨淺層地下水進入塌陷塘；二是冬季農(nóng)田施肥少，土壤水中的N、P等含量少，即使隨淺層地下水補給塌陷塘，也不會造成太大的污染；三是冬季居民排入塌陷塘的污水較少。朱仙莊#2塘因有人工漁業(yè)養(yǎng)殖，魚食料會對水體造成污染，故兩個季節(jié)水質(zhì)狀況不佳。

4 結(jié)論

①塌陷塘水的主要補給源是淺層地下水，因而塌陷塘的水化學(xué)類型受淺層地下水的影響較大。蘆嶺塘、朱仙莊#1塘水化學(xué)類型為HCO3型，#2塘水化學(xué)類型為SO4型，與塌陷塘周邊淺層地下水水化學(xué)類型大體一致。

②通過對塌陷塘水質(zhì)理化指標的監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)pH、TDS、EC值季節(jié)性變化趨勢為夏季>冬季，ORP為冬季>夏季。不同塌陷塘因其周圍環(huán)境、形成時期和利用方式的不同，其水質(zhì)狀況也不盡相同。塌陷塘水的pH、TDS、EC值變化趨勢均為朱仙莊#1塘>朱仙莊#2塘>蘆嶺塘，ORP變化趨勢為朱仙莊#1塘>蘆嶺塘>朱仙莊#2塘。

③改進模糊綜合評價法評估三個塌陷塘夏、冬兩季水質(zhì)，結(jié)果表明，在夏季蘆嶺塘、朱仙莊#1塘和朱仙莊#2塘水質(zhì)均為Ⅳ類，受周圍環(huán)境和人為污染影響大；在冬季，蘆嶺塘水質(zhì)為Ⅱ類，朱仙莊#1塘為Ⅰ類，冬季人為污染和農(nóng)田施肥的影響較小，水質(zhì)良好；朱仙莊#2塘冬季為Ⅲ類水，受魚食料投加的影響較明顯。