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淮南潘集采煤沉陷积水区渔业水环境评价 * 谷得明严家平范廷玉程方奎 安徽理工大学 地球与环境学院， 安徽 淮南 232001 摘要 以淮南潘集采煤沉陷积水区为研究对象， 根据 2013 年 4 次采样监测数据， 运用单项污染指数法、 综合污染指数 法和综合营养状态指数法对积水区渔业水环境和水质现状进行评价。结果表明 研究区氮磷类营养盐污染严重， 其余 多项指标符合渔业水质标准， 主要特征污染物为 KN 和非离子氨， 水质整体上处于中度富营养状态; 主要污染源为农 业面源污染和降雨地表径流等。渔业水环境应引起足够重视， 建议采取内外源控制相结合的改善措施。 关键词 采煤沉陷积水区; 渔业水环境; 水质现状; 中度富营养状态; 改善措施 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201409030 UATION OF FISHEＲY WATEＲ ENVIＲONMENT IN PANJI COAL MINE SUBSIDENCE WATEＲ AＲEA OF HUAINAN Gu DemingYan JiapingFan TingyuCheng Fangkui School of Earth and Environment Science， Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001， China AbstractTaking the coal mine subsidence seeper area in Panji of Huainan as the research object and based on the single pollution index， the comprehensive pollution index and comprehensive trophic state index TLI ， the fishery water environment and current situation of water quality in coal mine subsidence water area was uated according to the four sampling monitoring data in 2013． The results showed that the fishery water environment was seriously polluted by nitrogen and phosphorus nutrients，and the rest indicators were in accordance with fishery water quality standard． The main particular pollutants were KN and non- ionic ammonia． The major pollution sources were agricultural non- point source pollution and rainfall surface runoff． The fishery water environment should cause enough attention and the water quality in the study area as a whole has been in a state of moderate eutrophication． Combination of internal and external source control，improvement measures were provided． Keywordscoal mine subsidence water area;fishery water environment;current situation of water quality;moderate eutrophication;improvement measures * 国家自然科学基金 “煤矿开采塌陷区土壤优先流时空演变及水土流 失机理研究” 41372369 ; “潘谢矿区煤炭开采对浅层水环境的影响研 究” HNKY- JT- JS- 2011 ; 安徽理工大学第三批中青年学术骨干 基金。 收稿日期 2013 －12 －02 近年来， 煤炭资源大面积开采导致了大量农业用 地沉陷 ［1- 2 ］， 而在地下潜水位较高的煤矿开采区， 由于 地下水补给和大气降水， 很容易产生沉陷区积水甚至 常年积水问题。目前， 两淮矿区沉陷面积约290 km2， 其中积水区占 30 ～ 50［3 ］。根据相关预测， 2020 年两淮矿区沉陷去面积将达到 500 km2以上［4 ］。由 此引起的土地功能转换问题备受关注。 沉陷区主要治理方式为“挖深垫浅” 、 基塘复 垦 ［5 ］ 、 “后湖模式” ［6 ］等。目前积水区主要用于水产 养殖对生物多样性进行保护， 或者改造为旅游休闲的 景观水域， 调节局部地区气候等。本文选取淮南潘 一、 潘三采煤沉陷积水区为研究对象， 了解积水区渔 业环境质量和水质状况， 为发展水产养殖业和水质管 理提供科学依据和参考［7 ］。 1材料和方法 1. 1研究区概况 研究区沉陷积水年龄约 20 年， 属于不稳定沉陷 区， 东 西 长 约 5 km， 南 北 宽 约 3. 9 km， 面 积 约 19. 5 km2， 水深为 2 ～6 m， 海拔 18 ～ 22 m， 地形西北 431 环境工程 Environmental Engineering 高、 东南低， 泥河自西北流向东南。目前研究区水域 的利用状态主要是作为渔业养殖和农业灌溉， 其中渔 业养殖的方式是自然散养， 同时伴有网箱养鱼， 均无 饵料投入。积水区域沉陷前主要是居民区和农耕用 地， 主要种植作物为水稻、 小麦、 大豆、 玉米等， 目前研 究区周边多为农田， 距研究区约 1 km 的范围内没有 居民， 周边主要为农业面源污染， 无明显点源排放。 1. 2样品采集和分析方法 沉陷区水域共布置 8 个采样点 图 1 ， 采样时间 为 2013 年 1 月 11 日、 5 月 5 日、 6 月 29 日和 9 月 1 日。水样采集、 固定及保存均按照 HJ 4932009水 质采样 样品的保存和管理技术规定 进行， 并及时运 往实验室检测 ［8 ］。 图 1潘一、 潘三沉陷积水区采样点位置分布 Fig．1Distribution of sampling sites set in Pan1 and Pan3 subsidence water area 依据 GB 38382002地表水环境质量标准 、 GB 1160789渔业水质标准 以及目前沉陷区的水 体利用现状， 选取监测指标为 pH、 溶解氧 DO 、 5 日 生化需氧量 BOD5 、 氟化物、 非离子氨、 总磷 TP 、 总氮 TN 、 高锰酸盐指数 CODMn 、 叶绿素 a Chl- a 、 凯氏氮 KN 、 总碱度和总溶解性固体 TDS 等参数。 检测方法依据 水和废水监测分析方法 第四版 测 定， 见表 1。 1. 3水环境质量评价方法 目前常用的水环境评价方法主要有单因子指数 法、 主分量分析法、 有机污染综合指数评价法、 人工神 经网络模型遗传算法、 模糊综合评价法等。本文选取 单因子指数法和综合污染指数法， 因为前者可用于确 定主要污染物和主要污染源， 后者能反映水体综合污 染状态， 说明研究区污染程度。根据相关规定 ［9 ］ ， 富 营养化评价应采用综合营养状态指数。 表 1检测方法 Table 1Test s 测试指标测试方法样品类型 pHpH 计瞬时水样 DO便携式溶氧仪瞬时水样 TDSGB 8538. 81987瞬时水样 CODMnGB 1189289 瞬时水样 TOC非色散红外线吸收法 GB 1319391瞬时水样 BOD5 溶氧仪法瞬时水样 F氟电极法瞬时水样 NH3－N 纳氏试剂比色法 GB 747987瞬时水样 KNGB 1189189瞬时水样 TN碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 GB 1189489 瞬时水样 TP钼酸抗分光光度法 GB 1189389瞬时水样 Chl- a丙酮提取分光光度法 SL 881994瞬时水样 1. 3. 1污染指数法 水质评价按照渔业水质标准进行， 其中 TN、 TP 和 CODMn按照地表水环境质量标准Ⅲ类水 适用于 水产养殖评价， 采用污染指数及污染贡献率 ［10 ］评 价水环境质量。 单项水质参数 i 在第 j 点的标准指数 Si， j Ci， j/Ci， s pH 单项污染指数 SpHi CpHi－ S － pHi SpHi－ S － pHi 综合污染指数 I 1 m∑ m 1 Si， j 均值污染指数 Q 1 k ∑ k 1 Si， j 污染物贡献率 Si， j I 100 式中 Si， j是污染指数; Ci， j为评价因子 i 在 j 点的实测 浓度值; Ci， s是评价因子 i 的评价标准限值; CpH i是 pH 的监测值; SpHi是 pH 的上限或下限值; SpH i是 pH 的上 下限均值; m 是参评项目总数; k 是参评测点总数。 渔业环境质量分级依据综合污染指数 I 值将研究区 水域分为 5 个等级 ［11 ］， 见表 2。 表 2渔业环境质量评价分级 Table 2The classification uation of fishery environment quality 级别1 清洁 2 尚清洁 3 轻度污染4 中度污染5 重度污染 综合污染指数I≤0. 5 0. 5 ＜I≤1. 0 1. 0 ＜I≤2. 0 2. 0 ＜I≤3. 0I ＞3. 0 1. 3. 2富营养化评价方法 综合营养状态指数公式 TLI ∑ ∑ n j 1 WjTLI j 531 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 各指标权重公式 Wj r2 ij ∑ n j 1 r2 ij 式中 rij为第 j 种参数与基准参数 Chl- a 的相关系数， 见表 3; m 为参评指标个数。 表 3湖泊水部分参数与 Chl- a 的相关系数 Table 3Correlation coefficient between part parameters and Chl- a of lake water 参评指标ρ CODMnρ TNρ TPρ Chl- a rij －0. 830. 820. 841 r2ij0. 68890. 67240. 70561 营养状态指数计算公式 TLI Chl- a10 2. 5 1. 086lnρ Chl- a TLI TP10 9. 436 1. 624lnρ TP TLI TN10 5. 453 1. 694lnρ TN TLI CODMn10 0. 109 2. 661lnρ CODMn 取综合加权营养状态指数进行评价， 水体富营养 化分级标准为 当 TLI ＜30 时， 营养状况为贫营养; 当 30≤TLI≤50 时， 为中营养; TLI ＞50 时处于富营养状 态， 分 3 种情况， 轻度富营养 轻富 50 ＜ TLI≤60 ， 中度富营养 中富 60 ＜ TLI≤70 ， 重度富营养 重 富 TLI ＞ 70 。在同一营养状态下， 富营养状态指 数越高， 营养程度越高 ［12 ］。 2结果与分析 2. 1水质监测结果 水质监测结果如表 4 所示。 表 4 2013 年水质监测结果 Table 4Ｒesults of quality monitoring in 2013 测定指标评价标准 均值 标准差 冬季春季夏季秋季 pH6. 5 ～8. 58. 35 0. 238. 31 0. 38. 17 0. 0358. 41 0. 29 ρ DO mg L －1 ≥5 9. 83 1. 587. 87 1. 798. 78 0. 726. 15 0. 77 ρ BOD5 / mg L－1 ≤5 1. 12 0. 531. 975 1. 061. 62 0. 51. 95 0. 77 ρ F / mg L －1 ≤1 0. 575 0. 0790. 400 0. 030. 337 0. 0380. 234 0. 0178 ρ KN / mg L －1 ≤0. 051. 182 0. 289 0. 970 0. 2581. 557 0. 6970. 537 0. 098 ρ 非离子氨 / mg L －1 ≤0. 020. 0224 0. 0087 0. 0236 0. 0070. 047 0. 1150. 040 0. 002 ρ TP / mg L －1 ≤0. 050. 0192 0. 006 0. 172 0. 1640. 0807 0. 3150. 040 0. 0164 ρ TN / mg L －1 ≤1 2. 183 0. 2491. 041 0. 1460. 916 0. 1341. 610 0. 181 ρ CODMn / mg L－1 ≤6 5. 13 0. 737. 55 2. 127. 58 0. 4948. 67 0. 56 ρ Chl- a / μg L －1 1. 21 0. 364. 29 2. 238. 13 3. 3623. 14 4. 14 总碱度/ mg L －1 111. 4 7. 43106. 74 11. 54108. 71 5. 83108. 26 7. 28 TDS/ mg L －1 511. 5 188. 25520 101. 62469. 75 31. 36407. 25 100. 68 2. 2污染指数法评价结果 表 5 是污染指数法评价结果。由表 5 可知 pH 基本符合渔业水质标准， 少数监测点略高于标准上 限; BOD5和氟化物完全符合标准; 冬季以外的 KN 均 全部超标， 同时， 非离子氨在春季超标率为 75， 夏 秋两季全部超标， 说明水体受到氨氮污染较严重; 冬 季 TP 全部符合渔业水质标准， 春夏两季超标现象较 严重; 全年 TN 均存在超标现象， 秋冬两季全部超标; CODMn冬季超标率较低， 夏秋两季全部超标; 叶绿素 在监测时段内呈递增趋势， 且变化幅度较大， 因为叶 绿素受光照强度和温度等因素影响较大; 总碱度差异 较小; 冬春两季 TDS 明显高于夏秋两季， 因为随着温 度升高和光照强度的加强， 微生物活动和光合作用强 度等加强， 提高了水体中离子和溶解性物质的消 耗量。 冬春夏秋综合污染指数分别为 3. 53、 3. 28、 4. 49 和 2. 15， 说明监测时段内冬春夏均为重度污染水平， 秋季为中度污染。从单项均值污染指数和贡献率来 看， KN 最高， 同时， TN 和非离子氨污染指数基本大 于 1， 再次说明水体受氨氮污染较严重， 研究区主要 污染指标为 KN、 非离子氨; pH、 BOD5和氟化物均值 污染指数均小于 1。冬季污染均值污染指数大小顺 序为 KN ＞ TN ＞ 非离子氨 ＞ CODMn＞ pH ＞ F ＞ TP ＞ BOD5; 春季为 KN ＞ TP ＞ CODMn＞ 非离子氨 ＞ TN ＞ pH ＞ F ＞ BOD5; 夏季为 KN ＞ 非离子氨 ＞ TP ＞ CODMn＞ TN ＞ pH ＞ F ＞ BOD5; 秋季为 KN ＞ 非离子 氨 ＞ TN ＞ CODMn＞ pH ＞ TP ＞ BOD5＞ F。 2. 3水体富营养化评价结果 表 6 为水体富营养化评价结果。由表 6 可知 单 项营养状态指数均值而言， Chl- a 为 52. 49， 随着季节 631 环境工程 Environmental Engineering 表 5污染指数法评价结果 Table 5Assessment results of pollution index 测定指标 冬季春季夏季秋季 均值污染指数Q 污染贡献率 超标率 均值污染指数Q 污染贡献率 超标率 均值污染指数Q 污染贡献率 超标率 均值污染指数Q 污染贡献率 超标率 pH0. 852. 6712. 50. 812. 74250. 661. 6400. 914. 7225 DO1. 976. 1801. 575. 3301. 764. 3501. 236. 350 BOD50. 220. 7000. 401. 3400. 320. 8000. 392. 010 F0. 571. 8100. 401. 3600. 340. 8400. 231. 210 KN23. 6474. 34019. 4065. 7610031. 1477. 1110010. 7355. 41100 非离子氨1. 123. 53501. 184. 00752. 375. 881002. 0110. 37100 TP0. 381. 2103. 4511. 69881. 614. 0087. 50. 814. 1725 TN2. 186. 861001. 043. 53750. 922. 2737. 51. 618. 31100 CODMn0. 852. 6912. 51. 264. 26881. 263. 131001. 457. 46100 综合污染指数3. 533. 284. 492. 15 评价结果重度污染重度污染重度污染中度污染 表 6水环境富营养化评价结果 Table 6uation results of water environment eutrophication 季节TLI Chl-a TLI TP TLI TNTLI CODMnTLI ∑ 评价结果 冬季37. 4570. 6979. 2243. 9655. 72轻富 春季49. 3488. 6271. 7947. 5962. 90中富 夏季56. 0684. 7570. 5147. 9464. 01中富 秋季67. 1377. 8676. 1849. 2867. 57中富 均值52. 4980. 4874. 4247. 1962. 55中富 变化波动较大; TP 和 TN 分别为 80. 48 和 74. 42， 春 夏两季 TP 略高于秋冬， TN 刚好相反; CODMn为 47. 19， 监测时段内波动较小。根据综合营养状态指 数可知 春夏秋呈中度富营养， 综合指数分别为 62. 90、 64. 01 和 65. 57; 冬季呈轻度富营养， 综合指数 为 55. 72。 2. 4结果分析与讨论 研究区冬春夏渔业环境质量评价结果均为重度 污染， 秋季为中度污染， 主要是由于 KN、 非离子氨、 TN、 TP 超标倍数大， 其他指标基本符合渔业水质标 准， 各季节 KN 的污染贡献率最低为 55. 41， 最高为 77. 11， 说明研究区形成富营养化的关键因素氮磷 类营养盐污染严重， 尤其是氨氮， 呈现磷限制性污染 状态。TLI CODMn 较小， 说明研究区受有机物和还 原性无机物污染的程度较轻， 叶绿素受温度和光照等 因素影响导致季节变化性较大; 其他多项指标随着季 节变化存在一些动态变动， 主要是温度影响气体溶解 度、 水生动植物生长和微生物新陈代谢强度等， 进而 间接引起水体中离子、 有机物等物质消耗量和循环速 度发生变化。 研究区氮磷类营养盐的主要有 3 种输入途径。 1 研究区周边多为农田， 农业面源和地表径流污染 严重， 据调查， 我国化肥行业排放的氨氮、 磷化物等居 全国各工业行业首位 ［13 ］， 目前氮肥主要是碳酸氢铵 和尿素， 另有少量硫， 磷肥主要是钙镁磷肥和过磷酸 钙 ［14 ］; 每年农田作物对氮肥的利用率仅为 30 ～ 35，磷肥为 10 ～ 20，钾肥为 35 ～ 50［15 ］。 2 近年来网箱饲养的密度逐渐增大， 排泄物、 残留药 物等积累逐渐增多， 加剧了水体氮磷污染， 其中非离 子氨对鱼类危害很大， 不仅容易导致鱼鳃黏膜层的破 坏， 还会使鱼体的肝、 肾等组织受到损害， 降低血红素 的载氧能力， 导致鱼类窒息甚至死亡 ［16 ］。3 研究区 较为封闭， 水体交换不畅， 水动力条件较差， 影响藻类 的生长聚集和营养物质的混合、 运移， 动力作用在水 体磷循环中具有重要作用 ［17 ］， 风浪使塘底沉积的浮 游植物等悬浮 ［18 ］， 表层底泥中可溶性磷得到释放， 有 机物被氧化。 这些因素造成研究区氮、 磷等营养盐的积累， 水 体整体处于中度富营养状态， 引起水体质量和生物多 样性下降、 藻类大量繁殖、 鱼类营养品质下降甚至死 亡， 影响水体景观和空气质量， 危害人体健康 ［19- 21 ］。 3结论 1淮南潘集采煤沉陷积水区渔业水环境需引起 做够重视， 水体整体呈中度富营养。 2水体受氮磷类营养盐污染严重， 主要特征污 染物为 KN 和非离子氨等， 污染物主要来源是农业面 源、 降雨地表径流、 底泥外源释放等。 3建议实施截污工程或引排污染源， 截断或减 少外部输入的营养物质; 加强管理周边生活污水和工 业废水点源排放; 强化农业生态管理， 减少农业面源 731 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 污染; 有效处置和利用研究区周边的大型畜禽养殖场 污染物等外源控制， 并结合物理、 化学和生物等内源 控制措施对研究区进行相关的生态修复和生态系统 退化机制实验研究。 参考文献 ［1］Fan Tingyu，Yan Jiaping，Wang Shun，et al．Water quality variation of mining- subsidence lake during the initial stage Case of Zhangji and Guqiao Mine ［J］ ．Journal of Coal Science ＆ Engineering， 2012， 18 3 297- 303. ［2］Fan Tingyu ，Yan Jiaping，Wang Shun，et al． The environment and the utilization status of the subsidence area in Xuzhou， Yanzhou and Huainan and Huaibei region of China［J］ ． AGH Journal of Mining and Geoengineering， 2012， 36 3 127- 135. ［3］谢凯， 张雁秋， 易齐涛， 等． 淮南潘一矿塌陷水域沉积物中磷的 赋存和迁移转化特征［ J］． 中国环境科学， 2012， 32 10 1867- 1874. ［4］张伟． 两淮采煤塌陷区土地复垦模式及其工程技术研究［D］ ． 合肥 安徽农业大学， 2008. ［5］卞正富， 张国良， 翟广忠． 采煤塌陷地基塘复垦模式与应用 ［ J］． 矿山测量， 1996 1 34- 37. ［6］许磊． 浅谈淮南矿区采煤沉陷治理新思路［J］． 能源环境与保 护， 2012， 26 1 42- 44. ［7］傅金祥， 陈喆， 马兴冠， 等． 改良模糊综合评价法在水质评价中 的应用［ J］． 环境工程， 2011， 29 6 120- 123. ［8］GB 129991991 水质采样 样品的保存和管理技术规定［ S］． ［9］地表水环境质量评价办法 试行 ［S］． ［ 10］任惠丽， 杨元昊， 王绿洲， 等． 黄河龙门 － 三门峡渔业水域环境评 价及鱼体重金属残留研究［ J］ ． 水利渔业， 2008， 28 3 88- 90． ［ 11］任惠丽， 刘爱华， 田强兵， 等． 红碱淖渔业环境质量评价［J］ ． 水 生态学杂志， 2012， 33 4 96- 99. ［ 12］张冰， 严家平， 范廷玉， 等． 采煤塌陷水域富营养化评价与分析 ［J］． 煤炭技术， 2012， 31 1 159- 161. ［ 13］陈广桂， 韦林洪． 我国化肥产业氮磷污染及防治对策［J］ ． 农业 环境与发展， 2012 5 63- 67. ［ 14］张夫道． 化肥污染的趋势与对策［J］． 环境科学， 1985， 6 6 54- 59. ［ 15］张绍冰． 农业面源污染的来源及防治措施［J］ ． 现代农业科技， 2007 8 110- 111. ［ 16］杨雪冰． 黄河河南段渔业水质环境监测及分析［J］． 河北渔业， 2012 9 37- 39. ［ 17］Ｒeddy K Ｒ， Fisher M M， Ivanoff D． Ｒesuspension and diffusive flux of nitrogen and phosphorus in a hypereutrophic lake［ J］ ． Journal of Environmental Quality， 1996， 25 363- 371. ［ 18］Carrick H J，Aldridge F J，Schelske C L． Wind influences phytoplankton biomass and composition in a shallow， productive lake［ J］ ． Limnology and Oceanography， 1993， 38 1179- 1192. ［ 19］Le C，Zha Y，Sun D，et al． Eutrophication of lake waters in China Cost， causes， and control［J］． Environmental Management， 2010， 45 662- 668. ［ 20］尹华， 昌镜伟， 章光新， 等． 新立城水库水体富营养化成因及治 理对策［ J］ ． 东北师大学报． 自然科学版， 2010， 42 1 152- 156. ［ 21］秦伯强． 长江中下游浅水湖泊富营养化发生机制与控制途径初 探［ J］ ． 湖泊科学， 2002， 14 3 193- 201. 第一作者 谷得明 1989 － ， 男， 硕士研究生， 主要从事矿山环境生态 修复与评价的研究。68852838163． com 通讯作者 严家平 1954 － ， 男， 硕士， 主要从事矿山环境生态修复与 评价的研究。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 jpyan aust． edu． cn 上接第 176 页 ［4］USEPA． Office of Solid Waste and Emergency Ｒesponse［Ｒ］ ． Treatment Technologies for Site CleanupAnnual Status Ｒeport， 2004. ［5］USEPA． The Ｒemedial Investigation of Site Characterization and Treatability Studies［Ｒ］ ． Solid Waste and Emergency Ｒesponse， 1989. ［6］USEPA． The Feasibility Study on Development and Screening of Ｒemedial Action Alternatives［Ｒ］ ． Solid Waste and Emergency Ｒesponse， 1989. ［7］张敏， 蔡五田． 污染场地土壤与地下水调查的关键思路和方法 介绍 以示范项目调查为例［J］． 环境科学与管理，2011， 36 6 31- 35. ［8］环境保护部． 污染场地风险评估技术导则 征求意见稿 ［S］ ． 2009. ［9］工业企业土壤环境质量风险评价基准［ S］． 1999. ［ 10］金鑫． 典型化工类污染场地的调查诊断与生物毒性试验的应 用研究［ D］． 南京南京农业大学， 2008. ［ 11］郭金玉，张忠彬，孙庆云． 层次分析法的研究与应用［J］ ． 中 国安全科学学报， 2008， 18 5 148- 153. ［ 12］张红振，於方，曹东，等． 发达国家污染场地修复技术评估实 践及其对中国的启示［J］． 环境污染与防治，2012，34 2 105- 111. ［ 13］Brans J， Mareschal B． How to select and how to rank projects The PＲOMETHEE ［J］ ．European Journal of Operational Ｒesearch， 1986， 24 2 228- 238. ［ 14］邱菀华． 管理决策熵学及其应用［M］ ． 北京中国电力出版 社， 2011． ［ 15］李安婕，全向春，王龑，等． 基于 PＲOMETHEEII 法的污染场 地土壤修复技术筛选及应用［J］． 环境工程学报，2012， 6 10 3767- 3773． 第一作者 樊陆欢 1987 － ， 女， 硕士研究生， 主要研究方向为环境规 划与管理。flhfan126． com 831 环境工程 Environmental Engineering