潘文明

（安徽工業(yè)經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051）

淮南地區(qū)新集一礦典型采煤塌陷湖泊水體富營養(yǎng)化評價

潘文明

（安徽工業(yè)經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051）

在采煤塌陷湖泊體富營養(yǎng)化評價中，葉綠素a（Chlorophyll-a，簡稱“Chla”）通常作為其富營養(yǎng)化程度的指示劑.通過對淮南地區(qū)新集一礦典型采煤塌陷湖泊體水樣品的區(qū)域化采集，結(jié)合地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）要求，測定26個水樣品中葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)、透明度（SD）、總氮（TN）和總磷（TP）指標(biāo)的含量值.結(jié)果表明：不同區(qū)域水體中Chla含量與相關(guān)環(huán)境影響因子之間存在不同程度相關(guān)性，即Chla與高錳酸鹽指數(shù)、TP/TN呈正相關(guān)性，而與SD呈負(fù)相關(guān)性；基于湖泊營養(yǎng)狀態(tài)Chla評價標(biāo)準(zhǔn)，表明不同區(qū)域水體隸屬于富營養(yǎng)化狀態(tài)，這為今后開展采煤沉陷湖泊體生態(tài)環(huán)境綜合治理提供參考依據(jù).

采煤塌陷湖；富營養(yǎng)化；葉綠素a

0 引言

近些年來，針對采煤塌陷湖泊體富營養(yǎng)化程度的研究越來越引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注［1-3］.一般而言，鑒于葉綠素a（Chlorophyll-a，簡稱“Chla”）能夠反映采煤塌陷湖泊水體中藻類數(shù)量富集或虧損的綜合指標(biāo)，因而通常作為采煤塌陷湖泊體富營養(yǎng)化的評價指標(biāo)或指示劑.此外，一些學(xué)者采用葉綠素a含量水平作為采煤塌陷湖泊水體總藻類現(xiàn)存量、生物量的示綜劑［4-5］，其含量水平標(biāo)志著采煤塌陷湖泊水體的富營養(yǎng)化程度.

淮南煤田作為華東地區(qū)最大的煤炭生產(chǎn)和輸出基地，保障安徽省及整個華東地區(qū)的能源需求.然而，隨著煤炭資源日益開采，淮南地區(qū)地表呈現(xiàn)出眾多大小不一的采煤塌陷湖泊體，其作為煤炭生產(chǎn)建設(shè)不可避免的產(chǎn)物，已成為淮南地區(qū)一種典型特色的地表水體.

眾所周知，淮南地區(qū)很多城鎮(zhèn)大多數(shù)是“因礦而生，因礦而建，因礦而興”，這使得輸入采煤塌陷湖泊水體中的營養(yǎng)鹽主要來自于居民生活區(qū)、附近農(nóng)田、排污管道等多樣污染源中營養(yǎng)鹽的溶出和自然降雨中營養(yǎng)鹽的輸入.尤其近些年來，伴隨著淮南地區(qū)煤礦企業(yè)、化工業(yè)的迅猛發(fā)展，人為因素排入采煤塌陷湖泊水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)數(shù)量日益累加，已經(jīng)嚴(yán)重影響采煤塌陷湖泊體周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，因此此類湖泊體富營養(yǎng)化問題已引起地方政府和人民的高度重視.本文通過對淮南地區(qū)典型采煤塌陷湖泊體水樣品的系統(tǒng)采集，結(jié)合多項測試指標(biāo)分析，初步評價采煤塌陷湖泊水體不同區(qū)域的富營養(yǎng)化程度，這為今后開展新集一礦采煤塌陷湖泊體的綜合生態(tài)環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況

淮南地區(qū)新集一礦位于安徽省淮南市鳳臺縣城西約17 km處，位于鳳臺縣新集鎮(zhèn)內(nèi).該井田地處淮河沖積平原，地勢低平，一般海拔22～26 m，西高東低.井田周邊水陸交通方便，阜淮鐵路、潘謝公路從井田中部穿過，西淝河流經(jīng)井田東端，向東南注入淮河.

本文選取新集一礦具有代表性的采煤塌陷湖泊作為研究對象，所選塌陷水體受地下開采影響，處于塌陷活動期.采煤塌陷湖泊內(nèi)不同區(qū)域分別在水域中心區(qū)和邊緣區(qū)取樣，取樣個數(shù)依據(jù)區(qū)域水域面積而定.

2 樣品采集與測試分析

通過對新集一礦采煤沉陷水域?qū)嵉靥た?，確定現(xiàn)已形成規(guī)模并對周邊居民生活具有潛在危險的4個主要塌陷區(qū)（依次標(biāo)定為A、B、C和D）進行沉陷水域表層水樣品采集.本次研究共采集4個采煤沉陷水域水樣品26個，其中A區(qū)8個、B區(qū)6個、C區(qū)4個和D區(qū)8個.所有水樣品采集位置如圖1所示.

圖1 新集一礦采煤塌陷湖泊體內(nèi)不同區(qū)域水樣品采集位置

所有水樣品的采集、封裝和運輸嚴(yán)格依照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）所規(guī)定相應(yīng)內(nèi)容執(zhí)行.采集的水樣均為表層水（水面下30 cm處），水樣品用2.5 L采水器置于水面下30 cm處采集.采集到的水樣品用4%的甲醛溶液固定后送至實驗室測試，采用地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）中規(guī)定的測定方法，獲得水中葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)、透明度（SD）、總氮（TN）和總磷（TP）指標(biāo)的含量值.

3 結(jié)果與討論

3.1 不同區(qū)域水質(zhì)理化性質(zhì)

通過對新集一礦典型采煤塌陷湖泊體內(nèi)不同區(qū)域26個水樣品5項理化指標(biāo)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，采用符合正態(tài)分布的葉綠素a含量log10ρChla變量轉(zhuǎn)換值、高錳酸鹽值、SD和TP/TN比值作為本次采煤塌陷湖泊水體富營養(yǎng)化的權(quán)重因子（見表1）.

表1 不同區(qū)域水質(zhì)理化指標(biāo)平均值

由表1可以看出，葉綠素a含量log10ρChla變量轉(zhuǎn)換值、高錳酸鹽值、SD和TP/TN比值對于不同區(qū)域水質(zhì)理化性質(zhì)均呈現(xiàn)出統(tǒng)一的辨別結(jié)果，即：C＞B＞A＞D.已有研究表明，采煤沉陷水域重金屬污染類型屬于非點源污染，主要污染類型有：采煤活動工業(yè)污染、生活廢水污染、農(nóng)田種植活動面源污染、交通運輸尾氣污染等.結(jié)合4個采煤沉陷水域水樣品點位信息（見圖1）能夠看出，C沉陷區(qū)周邊交通運輸網(wǎng)較密集，且在其附近發(fā)現(xiàn)有煤矸石堆放處，因此推斷C處采煤沉陷水域至少疊加3種以上污染源，致使其富營養(yǎng)化程度高.B、A兩處沉陷區(qū)周邊村莊較多，但公路網(wǎng)疏散，未有河流發(fā)育，推斷其水域主要污染行徑為經(jīng)風(fēng)力作用，使得采煤活動所產(chǎn)生的粉塵降落聚集于B、A沉陷區(qū)內(nèi)，并逐漸從固體粉塵顆粒中溶解、擴散至水體中，因此推斷上述兩處采煤沉陷水域至少疊加2種以上污染源，致使其富營養(yǎng)化程度較高.D沉陷區(qū)位于西淝河下游，上游新集一礦工業(yè)場所產(chǎn)生的生活污水是其水域造成污染的主要污染源，因此推斷D處采煤沉陷水域至少疊加1種以上污染源，致使其呈現(xiàn)出富營養(yǎng)化狀態(tài).

3.2 葉綠素a與不同權(quán)重因子相關(guān)性

3.2.1 葉綠素a與TP/TN的關(guān)系

葉綠素的log10ρChla含量與TP/TN相關(guān)性如圖2所示.

圖2 葉綠素a與TP/TN相關(guān)性

圖3 葉綠素a與高錳酸鹽指數(shù)相關(guān)性

由圖2可以看出，葉綠素的log10ρChla含量與TP/TN呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性（R=0.96），這表明當(dāng)log10ρChla含量增高時，水體中TP/TN含量也增高，兩者曲線形態(tài)較一致，呈正相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)塌陷水域中TN變化穩(wěn)定時，log10ρChla隨TP的含量增加而增加，這是由于塌陷區(qū)水體中浮游植物的生長與繁殖受制于所富集的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)控制，而浮游植物光合作用的關(guān)鍵色素物質(zhì)是葉綠素a，當(dāng)水體中氮、磷元素含量富集時，將刺激浮游植物的快速生長，致使其所需的葉綠素a含量會逐漸提高［6-8］.

3.2.2 葉綠素a與高錳酸鹽指數(shù)的關(guān)系

葉綠素的log10ρChla含量與高錳酸鹽指數(shù)相關(guān)性圖如圖3所示.由圖3可以看出，葉綠素的log10ρChla含量與TP/TN呈現(xiàn)一定程度的正相關(guān)性（R=0.67），這表明當(dāng)葉綠素a含量增高時，水體中高錳酸鹽指數(shù)也增高，兩者曲線形態(tài)基本一致，呈一定正相關(guān)性，這是由于當(dāng)塌陷區(qū)水體中有機物含量受高錳酸鉀氧化后呈現(xiàn)增加的趨勢，使得水中營養(yǎng)物濃度增高，這導(dǎo)致浮游植物光合作用能力的增強，進而增加葉綠素a含量.

3.2.3 葉綠素a與透明度的關(guān)系

葉綠素的log10ρChla含量與透明度（SD）相關(guān)性如圖4所示.

圖4 葉綠素a與透明度（SD）相關(guān)性

由圖4可以看出，葉綠素的log10ρChla含量與SD呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性（R=0.91），這表明當(dāng)葉綠素a含量增高時，水體透明度（SD）卻降低，兩者曲線形態(tài)相反，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由于透明度（SD）直接影響水下光照強度，導(dǎo)致塌陷區(qū)水域生產(chǎn)層深度的變化，這與李守勤等［9］的研究成果一致.在塌陷水體中浮游植物光合作用能力逐漸增強后，使得水體中浮游植物大量生長，致使生產(chǎn)層深度相應(yīng)增加，進而使水體透明度降低.

3.3 富營養(yǎng)化程度評價

通過參照OECD湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的Chla劃分［10］和選用標(biāo)準(zhǔn)（見表2），能夠得出新集一礦典型采煤塌陷湖泊水體屬于富營養(yǎng)化狀態(tài).

表2 湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的Chla標(biāo)準(zhǔn)

為了提高多變量綜合判斷的準(zhǔn)確性，本文采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對A、B、C和D采煤塌陷湖泊體水質(zhì)富營養(yǎng)化程度進行判別.

鑒于《湖泊（水庫）富營養(yǎng)化評價方法及分級技術(shù)規(guī)定》，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式可表達成：

其中，TLI（Σ）為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；TLI（j）為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重.

以Chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)歸一化的相關(guān)權(quán)重可表示為：

其中，rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chla的相關(guān)系數(shù)；m為評價參數(shù)的個數(shù).

為了表明湖泊富營養(yǎng)狀態(tài)程度，采用0～100一系列連續(xù)數(shù)值對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進行分級，即：TLI（Σ）＜30為貧營養(yǎng)；30≤TLI（Σ）≤50為中營養(yǎng)；TLI（Σ）＞50為富營養(yǎng).50＜TLI（Σ）≤60為輕度富營養(yǎng)；60＜TLI（Σ）≤70為中度富營養(yǎng)；TLI（Σ）＞70為重度富營養(yǎng).基于TLI（Σ）數(shù)值，在同一營養(yǎng)狀態(tài)下，TLI（Σ）指數(shù)值愈高，其營養(yǎng)程度愈高.

根據(jù)式（1）和式（2），結(jié)合表1中所給出的平均值數(shù)據(jù)，對評價的A、B、C和D采煤塌陷湖泊體富營養(yǎng)化評價結(jié)果見表3.

表3 評價區(qū)湖泊水體富營養(yǎng)化評價結(jié)果

鑒于對新集一礦周邊污染源現(xiàn)狀的調(diào)查結(jié)果，可以得出：

1）新集一礦采煤塌陷湖泊水體周邊堆放有不同數(shù)量煤矸石山，且水體距離矸石山較近，因此當(dāng)煤矸石經(jīng)降雨淋濾作用后進入塌陷水域內(nèi)，能夠使其水體透明度（SD）降低；

2）由新集一礦煤礦疏干排出的工業(yè)廢水進入采煤塌陷湖泊水體內(nèi)（尤其是C、D區(qū)域），使其水體高錳酸鹽指數(shù)增高；

3）新集一礦地理位置系平原農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，普遍種植農(nóng)業(yè)作物，農(nóng)業(yè)耕作的化肥農(nóng)藥殘留物大量排入采煤塌陷湖泊體內(nèi)，造成其水體富營養(yǎng)化（尤其是B、C區(qū)域），使其水體葉綠素a含量增高.

4 結(jié)論

本文通過對淮南地區(qū)新集一礦典型采煤塌陷湖泊水體富營養(yǎng)化系統(tǒng)調(diào)查，得出如下主要結(jié)論：

1）新集一礦典型采煤塌陷湖泊水體中葉綠素a含量與TP/TN、高錳酸鹽指數(shù)呈正相關(guān)性，與透明度（SD）呈負(fù)相關(guān)性；

2）新集一礦典型采煤塌陷湖泊水體中葉綠素a含量普遍較高，屬富營養(yǎng)化狀態(tài)；

3）為了改善新集一礦典型采煤塌陷湖泊水體中水質(zhì)條件，應(yīng)減少富有營養(yǎng)鹽的殘留農(nóng)藥進入塌陷水域，避免礦井工業(yè)廢水未經(jīng)處理流進塌陷湖泊水體中，造成其水質(zhì)環(huán)境污染.

［1］徐良驥，嚴(yán)家平，高永梅.淮南礦區(qū)塌陷水域環(huán)境效應(yīng)［J］.煤炭學(xué)報，2008，33（4）：419-422.

［2］何春桂，劉輝，桂和榮.淮南市典型采煤塌陷區(qū)水域環(huán)境現(xiàn)狀評價［J］.煤炭學(xué)報，2005，30（6）：754-758.

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［9］李守勤，嚴(yán)家平，戎貴文.采煤塌陷水域水質(zhì)演變預(yù)測模擬分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39（7）：120-123.

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The Eutrophication Assessment of Typical Mining Subsidence Lake Water Body in Huainan Area

PAN Wenming
（Anhui Technical College of Industry and Economy,230051,Hefei,Anhui,China）

Chlorophyll-a is usually used as an indicator of the degree of eutrophication in the eutrophication assessment of coal mining subsidence lake.Based on the collection of Xinji 1 typical coal mining subsidence lake body water samples，combined with the environmental quality standards for surface water（GB 3838-2002），the chlorophyll-a，permanganate index，transparency（SD），total nitrogen（TN）and total phosphorus（TP）in 26 water samples were determined.The results show:there are different degrees of relationship between Chla value and related environmental factors in different regions in the studied water.Chla and permanganate index，TP/TN show a positive correlation，and negative correlation with SD，based on Chla trophic state evaluation standard，it was shown that the different water areas belong to eutrophication，to provide reference for the future ecological development of coal mining subsidence lake body.

subsidence lake；eutrophication；chlorophyll-a

X 171

A

2095-0691（2017）01-0052-05

2016-12-01

潘文明（1968- ），男，安徽南陵人，碩士生，研究方向：地學(xué).