采煤塌陷水域富营养化评价与分析.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 - 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 采煤塌陷水域富营养化评价与分析 ---以淮 南张集和顾桥矿为例 张冰1，严家平1，范廷玉1，张梅丽1，李守勤2,3，陈永春2,3，刘锦2,3** 基金项目高等学校博士学科点专项科研基金（20070361002）；淮南矿业（集团）有限责任公司“淮河凤 台蓄滞洪区塌陷水域水质评价及治理利用研究”项目。 作者简介张冰（1985）男，山东日照人，安徽理工大学地球与环境学院环境科学专业硕士 通信联系人严家平（1956-），男，安徽理工大学教授。主要研究方向矿山井巷工程地质、环境地质、 矿. E-mail jpyan （1. 安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001； 5 2. 淮南矿业（集团）有限责任公司，安徽淮南 232001； 3. 煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽淮南 232001） 摘要为了解张集和顾桥矿区采煤塌陷水域的富营养化状况，选择 6 个典型的塌陷塘，运用 水体营养评价方法中的综合营养指数法（TLI），对该区塌陷水域的富营养化程度进行评价 与分析。结果表明选取的 6 个塘的年度平均综合营养状态指数分别为56.1、55.1、57.3、10 55.4、55.5 和 53.7，对照湖泊水库营养状态分级标准，张集和顾桥塌陷区的水质均已达到 轻度富营养化的水平，其富营养化的主要影响因子为 TP（总磷）和 SD（透明度）。 关键词塌陷塘；富营养化；综合营养指数法 中图分类号824 15 uation and Analysis of the Water Eutrophication in Coalmine Subsidence Area Zhang Bing1, Yan Jiaping1, Fan Tingyu1, Zhang Meili1, Li Shouqin2,3, Chen Yongchun2,3, Liu Jin2,3 1. College of Environment and Earth Science, Anhui University of Science and Technology, 20 Huainan, Anhui 232001; 2. Huainan Mining Co Ltd, Huainan, Anhui 232001; 3. Coalmine Enviromental Protection National Engineering Laboratory, Anhui 232001 Abstract IIn order to understand the eutrophication level in the coalmine subsidence areas of Zhangji and Guqiao mine lots, this article chooses six typical subside pools to uate and analyze taking the 25 of TlI. The result shows that the average comprehensive nutrition state index of the six pools are respectively 56.1、 55.1、 57.3、 55.4、 55.5 and 53.7. According to the quality classification standard of the state of nutrition of the pools（reserviors）, the water quality of Zhangji and Guqiao coalmine subsidence areas has reached the level of light eutrophication, and the main factors of influence are TP and SD. 30 Key words subside pool, eutriphication, comprehensive nutrition state index 0 引言引言 随着淮南矿区煤矿的不断开采，矿区内的土地随之塌陷，在地下水、降雨以及其他多种 因素的影响下，形成大量的塌陷水域，其面积逐年增加。根据实地调查，矿区附近的农业面35 源污染（主要污染源）和少量生活污水的排放，使矿区的生态环境受到一定影响，尤其是对 区内塌陷塘水质的影响。因此，为保护矿区内的生态环境，必须重点关注塌陷水域的生态环 境，尤其是塌陷水体的富营养化问题。在国内外对采煤塌陷水域的研究中，少数学者对塌陷 水域水环境也开展了一些基础调查研究工作[1-4]。 - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 富营养化是湖泊等水体接纳过量的氮、 磷等营养物质， 使藻类以及其他水生植物异常繁40 殖，水体透明度和溶解氧变化，造成湖泊水质恶化，加速湖泊老化，从而使湖泊生态系统和 水功能受到阻碍和破坏。严重的甚至发生水华，给水资源的利用造成破坏，给湖泊水环境及 其生态系统带来严重的后果[5]。张集和顾桥矿区内，有 10 余处具有一定规模的地面塌陷区， 选取了积水明显（积水面积均在 1km2以上）的 6 个塌陷塘（张集 1-4 号，顾桥 1、2 号）进 行了春季、夏季、秋季 3 个季节的调查分析，以此 3 个季度监测数据的为依据，对其富营养45 化状况进行评价与分析。 1 研究区域概况研究区域概况 张集 1 号区 2004 年开始开采， 塌陷深度约 5 米， 积水深约 3 米， 塌陷水域面积约 1.5km2， 积水时间少于 5 年，该区域有渔业养殖。张集 2 号区 2005 年开始采煤，塌陷区塌陷深度 5 米左右，积水深度约 3m,塌陷水域面积约 1.5km2, 积水时间少于 4 年；西淝河从塌陷区中穿50 过，将塌陷水域分为东西两部分，该区域有渔业养殖。张集 3 号 2003 年开始采煤，该区域 地势较高，塌陷深度为 5～6m，积水深 3～5m，积水区域约 1km2，积水时间少于 6 年；该 塌陷水域与西淝河毗邻， 汛期时塌陷水域接受西淝河来水， 平时塌陷水域接纳张集矿工业广 场处理达标后的生活污水排放，有煤矸石道路横穿积水区域，该区域有渔业养殖。张集 4 号区 2003 年开始采煤，地势较低，塌陷深度 3～4m，积水深度约 3m，塌陷区水域面积约55 1.5km2，积水时间少于 6 年；有道路和铁路穿过积水区域，该区域有渔业养殖。 顾桥矿 2007 年开始采煤，塌陷区面积约 6km2，积水区约 3km2，水深约 3m，积水时间 少于 3 年；顾桥 1 号积水面积约 1 km2,，矿井瓦斯管道贯穿其中，原有小池塘一个；内有渔 业养殖。顾桥 2 号积水面积约 2km2，塘边有煤矸石路一条，为矿区内塌陷区的主干道；内 有渔业养殖。张集和顾桥煤矿塌陷区在塌陷之前，除顾桥 2 号塘有一部分部分是居民区，其60 他的土地利用方式均为农田。 2 材料与方法材料与方法 2.1 采样点的布设及样品采集采样点的布设及样品采集 以选出的 6 个塌陷塘作为研究对象， 采样点的布设参照 水质 采样方案设计技术规定 （HJ 4952009）。因塌陷水域周围无集中点源排放，所以根据其积水面积大小不同，在塌65 陷水域内均匀布设 3-5 个采样点。采样点具体点位用 GPS 定位，因水深均小于 5 米，不存 在温度分层现象，故统一在水下 0.5m 处采样。 2010 年 4 月份、7 月份和 10 月份，分 3 个 季度分别对塌陷塘内的水进行采样以及分析监测。 样品采集与保存的具体工作参照 水和废 水监测分析方法 [6]。 2.2 指标的监测指标的监测 70 在评价张集和顾桥矿区塌陷水域的营养化程度时，根据综合营养状态指数的计算需要， 从众多水质分析评价因子中选取叶绿素 a （chla） 、 透明度 （SD）、 高锰酸盐指数（CODMn）、 总磷（TP）、总氮（TN）这五项作为其营养化评价的指标。每个塘 3-5 个采样点，对以上 5 个评价因子进行检验分析。各个指标监测参照水和废水监测分析方法[6]，具体方法如 下叶绿素 a（chla）用可见分光光度法测定，透明度（SD）在现场用赛氏盘法测定，高锰75 酸盐指数（CODMn）用酸性高锰酸钾法（GB11893-89）测定，总磷（TP）用钼锑抗扥光光 度法（GB11892-89）测定，总氮（TN）用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法（GB11894-89） - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 测定。 2.3 评价方法评价方法 目前我国水体富营养化评价模型有很多，如营养状态指数法、修正的营养指数法、综合80 营养指数法、营养度指数法和评分法[7]，但每种模型各具特色，都有其优点和不足。本文选 取了经全国 24 个湖泊富营养化的评价结果中获得满意度较高的综合营养指数（TLI）法[8]， 作为本研究区域水体富营养化评价的方法。 2.3.1 综合营养状态指数计算公式综合营养状态指数计算公式 ∑ ∑ m j jTLIWjTLI 1 85 式中TLI（∑）综合营养状态指数；Wj第 j 种参数的营养状态指数的相关权重，TLI（j） 第 j 种参数的营养状态指数。 以 chla 作为基准参数，则第 j 种参数的归一化的相关权重计算公式为 ∑ m j ij ij j r r W 1 2 2 式中rij第 j 种参数与基准参数 chla 的相关系数；m评价参数的个数。 90 2.3.2 中国湖泊中国湖泊水库水库的的 chla 与其它参数之间的相关关系与其它参数之间的相关关系 rij及及 rij2见表见表 1 表 1中国湖泊水库部分参数与 chla 的相关关系 rij及 rij2值 Tab.1 the correlationrij and rij2 between chla and some other parameters of China’s lakesreservoirs 参数 chla TP TN SD CODMn rij 1 0.84 0.82 -0.83 0.83 rij2 1 0.7056 0.6724 0.6889 0.6889 注引自金相灿等著中国湖泊环境，表中 rij来源于中国 26 个主要湖泊调查数据的计算结果。 2.3.3 营养状态指数计算公式营养状态指数计算公式 95 ⑴ TLI（chl）10（2.51.086lnchl） ⑵ TLI（TP）10（9.4361.624lnTP） ⑶ TLI（TN）10（5.4531.694lnTN） ⑷ TLI（SD）10（5.118-1.94lnSD） ⑸ TLI（CODMn）10（0.1092.661lnCOD） 100 式中叶绿素 a chl单位为 mg/m3，透明度 SD 单位为 m；其它指标单位均为 mg/L。 2.3.4 湖泊湖泊水库水库营养状态分级营养状态分级 采用 0～100 的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级当 TLI（∑）＜30 时，营养 状况为贫营养；当 30≤TLI（∑）≤50 时，营养状况为中营养；当 TLI（∑）50 时，营养状 况为富营养.其中，当 50＜TLI（∑）≤60 时，营养状况为轻度富营养；当 60＜TLI（∑）≤70105 时，营养状况为中度富营养；当 TLI（∑）70 时，营养状况为重度富营养。在同一营养状 态下，指数值越高，其营养程度越重。 - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 3. 结果与讨论结果与讨论 3.1 各个指标的监测结果各个指标的监测结果 对于每个季度某一监测指标， 取每个塘该指标的平均值作为监测数据， 具体水质监测数110 据如表 2。 表 2张集和顾桥矿区塌陷塘水质监测结果 Tab.2 results of monitoring of water quality in coalmine subsidence area of zhangji and guqiao 采样地点 季节 chla （mg/m3） TP mg/L TN mg/L SD （m） CODMn mg/L 春季 7.37 0.220 0.20 0.28 4.47 夏季 23.21 0.049 1.43 0.65 4.79 张集 1 号 秋季 23.45 0.252 2.30 0.51 6.53 春季 3.63 0.240 0.27 0.40 4.38 夏季 11.36 0.152 1.49 0.72 5.75 张集 2 号 秋季 16.42 0.247 2.18 0.78 6.23 春季 5.94 0.270 0.27 0.44 5.82 夏季 21.29 0.328 1.42 0.54 5.61 张集 3 号 秋季 16.17 0.124 2.14 0.60 6.35 春季 6.30 0.270 0.28 0.58 5.57 夏季 21.41 0.036 1.34 0.22 6.33 张集 4 号 秋季 9.83 0.138 2.14 0.49 4.97 春季 10.33 0.320 0.25 0.82 5.29 夏季 25.38 0.201 1.09 0.82 6.40 顾桥 1 号 秋季 17.69 0.083 2.32 0.72 5.90 春季 8.05 0.310 0.30 0.90 4.47 夏季 15.45 0.062 1.17 0.72 6.46 顾桥 2 号 秋季 11.52 0.166 2.16 0.84 5.80 3.2 富营养化评价结果富营养化评价结果 根据表 1 中绿素 a（chla）、总磷（TP）、总氮（TN）、透明度（SD）、高锰酸盐指115 数（CODMn）五项指标的监测数值，运用综合营养指数的计算公式，求得张集和顾桥矿区 6 个塌陷塘3个季节的综合营养指数， 并求出每一个塌陷塘3个季节的综合营养指数的平均值。 同时根据营养状态的分级标准， 对求得的综合营养指数进行富营养化的评价。 具体的计算和 评价结果见表 3。 表 3张集和顾桥矿区塌陷塘水质富营养化评价结果 120 uation results of the water eutrophication in coalmine subsidence area of zhangji and guqiao 采样地点 季节 不同季节综合 营养指数 评价结果 年度平均值 评价结果 春季 51.8 轻度富营养 夏季 53.9 轻度富营养 张集 1 号 秋季 62.7 中度富营养 56.1 轻度富营养 春季 49.6 中营养 夏季 55.9 轻度富营养 张集 2 号 秋季 59.7 轻度富营养 55.1 轻度富营养 春季 52.4 轻度富营养 张集 3 号 夏季 60.8 中度富营养 57.3 轻度富营养 - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 秋季 58.6 轻度富营养 春季 51.5 轻度富营养 夏季 57.7 轻度富营养 张集 4 号 秋季 57.0 轻度富营养 55.4 轻度富营养 春季 51.6 轻度富营养 夏季 58.2 轻度富营养 顾桥 1 号 秋季 56.8 轻度富营养 55.5 轻度富营养 春季 50.2 轻度富营养 夏季 53.9 轻度富营养 顾桥 2 号 秋季 56.9 轻度富营养 53.7 轻度富营养 3.3 讨论讨论 3.3.1 指标检测结果讨论指标检测结果讨论 由表 2 可知， 不同季节 5 项指标的监测结果有着很大的季节差异， 且同一季节不同塌陷 水域的数据也有一定差异。总体来看 Chla、TN、SD、CODMn等 4 项指标，呈现夏秋两季高125 于春季的趋势，从而导致夏秋季节的富营养化程度高于春季。顾桥 1、2 号的 SD 明显高于 张集 1-4 号， TP 并没有明显的季节规律性。 就同一季节而言， 不同塌陷塘的 TP （除个别点） 、 CODMn和 TN 差别不是很大，而 chla 和 CODMn有着明显的差异，这也造成了不同塘富营养 化程度的差异。究其原因，可能有以下几点 （1）塌陷年限由于 6 个塘塌陷年限都在 6 年以下，所以水质的各个指标在很大程度130 上受底泥（也就是塌陷前的土地）的影响，如土地的肥沃程度及其面积、农药和化肥的使用 量等。例如，塌陷之前张集 2 号多为道路和荒地，顾桥 1 号则为肥沃的农田，因此春季张集 2 号和顾桥 1 号的 chla 与 TP 就有很大差异， 尤其是 chla （分别是 3.63 mg/m3和 10.33 mg/m3） 。 （2）水的来源塌陷积水区水源主要为自然降水。夏季雨水充沛，塘内水量增加，虽 然对 Chla、TN、SD、CODMn有一定的稀释作用。但是，降雨形成大量的地表径流，将塌陷135 塘周围农田内的垃圾、 农药和化肥以及周围道路上的煤矸石淋滤水冲入塘内， 加剧的塘内水 质的污染程度，反而有可能使 Chla、TN、SD、CODMn的浓度升高，表 2 的监测结果可以直 接反映出这一变化。 （3）现阶段利用方式根据实地调查，除顾桥 1 号塘是野生鱼捕捞外，另外 5 个塘现 阶段的主要利用方式为渔业养殖。夏秋季节，渔民向塘内投放大量鱼食以提高产量。鱼食含140 有约 40的蛋白质，可能因此大大提高了张集 1-4 号和顾桥 2 号塘的 TN。 3.3.2 富营养化讨论富营养化讨论 由表 3 可知，张集和顾桥矿区塌陷塘的水体富营养化综合指数在 49.6 到 62.7 之间，除 春季的张集 2 号塘（TLI（∑）≤50）以外，均已达到了富营养化的水平。其中，秋季张集 1 号塘和夏季张集 3 号塘（60＜TLI（∑）≤70）为中度富营养化，其他塘（50＜TLI（∑）≤60）145 均为轻度富营养化。根据 2.2.3 单个评价因子营养状态指数的计算，就整个研究区域而言， 其富营养化的主要贡献因子为 TP（最高值 76.3，平均值 64.8）、和 SD（最高值 75.9，平均 值 61.9），而 chla（最高值 59.3，平均值 52.3）和 TN（最高值 68.8，平均值 52.9）的相对 贡献次之，CODMn（最高值 51.0，平均值 46.8）的贡献最小。因此，张集和顾桥矿区塌陷塘 的主要污染因子为 TP 和 SD。从年度平均综合营养指数来看，6 个塘（50＜TLI（∑）≤60）150 总体上均达到轻度富营养化的水平。 通过对每个塌陷塘 3 个季节综合营养指数的比较， 夏秋 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 季节的富营养化程度明显高于春季，其中，张集 1、2 号和顾桥 2 号塘的不同季节富营养化 水平依次为秋季夏季春季，张集 3、4 号和顾桥 1 号塘不同季节富营养化水平依次为夏季 秋季春季。 4 结论结论 155 本文给出了张集和顾桥矿区塌陷塘水域水质富营养化的监测与评价结果， 总体来看， 该 区的水质整体已经达到轻度富营养化的水平。虽然其富营养化程度还不是很高，但是，由于 塌陷区水域一般为封闭系统，与外界流通较少，而且其水深、面积、水量、污染程度都处在 不断变化中， 随着塌陷水域面积的逐渐扩大以及污染的加重， 其富营养化程度有可能进一步 加重，因此对该区水质的保护和治理是十分有必要的。 160 [参考文献参考文献] References [1] 方文惠，桂和荣.矿区塌陷塘营养状况及相关分析[J].能源环境保护，2005,19560-64. 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