裴文明，張 慧,2，鞠昌華，姚素平，任永樂，馬孟梟，仇寬彪

煤炭資源大量開發(fā)產(chǎn)生地表塌陷、地質(zhì)環(huán)境破壞等問題，在一定程度上阻礙礦井安全生產(chǎn)或地區(qū)發(fā)展。近年來，采煤沉陷區(qū)評(píng)價(jià)及治理技術(shù)研究受到政府職能部門、科研院所等相關(guān)機(jī)構(gòu)重視，成為礦山綠色開采的研究熱點(diǎn)。為推廣該領(lǐng)域最新科技成果，促進(jìn)學(xué)術(shù)交流，我刊設(shè)立專題，選登4篇論文集中報(bào)道相關(guān)科研成果。

基于韋伯–費(fèi)希納定律的淮南采煤沉陷水域水環(huán)境綜合預(yù)警評(píng)價(jià)

裴文明1，張 慧1,2，鞠昌華1，姚素平3，任永樂3，馬孟梟1，仇寬彪1

(1. 生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；2. 南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；3. 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

在我國東部高潛水位地區(qū)，長期的地下煤炭開采造成地表形成大面積的沉陷水域，受周圍人類活動(dòng)的影響，沉陷水域水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大。以淮南潘集采煤沉陷水域?yàn)檠芯繉?duì)象，根據(jù)韋伯–費(fèi)希納定律，選取與沉陷水域水環(huán)境關(guān)系密切的水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析不同時(shí)間段沉陷水域的水環(huán)境狀況，通過圖層疊加融合定量反映沉陷水域水環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化及潛在水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生時(shí)間和區(qū)域。研究結(jié)果顯示，沉陷水域水質(zhì)不容樂觀，存在水質(zhì)惡化的風(fēng)險(xiǎn)。從5月到11月，隨著時(shí)間的變化，沉陷水域都呈現(xiàn)出中警以上的警情，在不同月份沉陷水域出現(xiàn)的警情區(qū)域也有所不同，其中沉陷水域的西部和中部警情出現(xiàn)的概率較大。在今后的水環(huán)境管理中需針對(duì)不同時(shí)間不同區(qū)域采取針對(duì)性的治理措施，避免水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

韋伯–費(fèi)希納定律；沉陷水域；水質(zhì)評(píng)價(jià)；綜合預(yù)警；淮南潘集礦區(qū)

我國東部平原礦區(qū)有其特殊的地理位置、地質(zhì)環(huán)境和水文條件，長期的大規(guī)模地下煤炭開采活動(dòng)造成地表形成了大面積的沉陷水域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國采煤沉陷區(qū)面積已超過2萬km2[1]。隨著地下采煤活動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行，沉陷水域范圍將持續(xù)擴(kuò)大，對(duì)區(qū)域地表水系結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也將越來越大[2-7]。

近年來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平不斷提高及生態(tài)文明建設(shè)不斷深入，沉陷水域的關(guān)注度不斷提高，關(guān)于沉陷水域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水環(huán)境治理等研究也不斷增多。吳建宇[8]和張維翔[9]利用常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)手段，對(duì)比分析了沉陷水域、河流等水體水質(zhì)指標(biāo)的差異，研究不同類型水體水環(huán)境質(zhì)量變化的影響因素；葉圓圓[10]和陳曉晴[11]利用遙感和GIS手段，通過建立水質(zhì)指標(biāo)模型，反演沉陷水域水質(zhì)狀況，有效彌補(bǔ)了常規(guī)水樣采集的缺失。然而，目前的研究多針對(duì)沉陷水域單次采樣的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行水環(huán)境方面的評(píng)價(jià)研究，尚缺乏對(duì)沉陷水域不同時(shí)間段，不同季節(jié)條件下系統(tǒng)性的水環(huán)境監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)與數(shù)據(jù)積累性不夠，沉陷水域水環(huán)境管理所需數(shù)據(jù)不足，導(dǎo)致沉陷水域水環(huán)境安全受到威脅時(shí)，不能及時(shí)準(zhǔn)確掌握沉陷水域水環(huán)境狀況及其發(fā)展趨勢(shì)。

為此，本文以淮南潘集沉陷水域?yàn)槔?，根?jù)心理學(xué)理論韋伯–費(fèi)希納定律，利用多期水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)，選取與沉陷水域水環(huán)境關(guān)系較為密切的水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)，分析沉陷水域水環(huán)境的變化過程，評(píng)價(jià)沉陷水域潛在的水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，以期為沉陷水域的水環(huán)境安全管理和水質(zhì)改善提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況與樣品采集

本研究選擇淮南市潘集區(qū)潘一礦采煤沉陷水域?yàn)檠芯繉?duì)象。潘一礦于1984年投產(chǎn)，截至2019年底，原煤產(chǎn)量累計(jì)已超過一億噸。沉陷水域形成于20世紀(jì)80年代，主要由農(nóng)田、村莊沉陷形成，面積約3.50 km2，平均水深4.5 m，是淮南市因地下采煤活動(dòng)較早形成的沉陷水域之一，現(xiàn)已用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，是當(dāng)?shù)匾环N特殊的地表水資源[12]。沉陷水域?yàn)榘敕忾]水域，與泥河相連，最終匯入淮河。由于沉陷水域周邊人類活動(dòng)頻繁，工業(yè)和生活污水排放，農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的污染物等通過地表徑流進(jìn)入水體，對(duì)沉陷水域水環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。

本研究共在沉陷水域中進(jìn)行了5次水體樣品采集，時(shí)間分別為2016年3月11日、5月4日、7月17日、9月23日和11月23日，采樣點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。水樣采集、樣品保存和處理均按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定完成，樣品采集后及時(shí)送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)的分析測(cè)試。

圖1 淮南潘集礦區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)位分布

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法

2.1 預(yù)警評(píng)價(jià)方法

韋伯–費(fèi)希納(Weber-Fechner，記作W-F)定律是定量描述人類感覺強(qiáng)度與外界環(huán)境刺激強(qiáng)度關(guān)系的心理物理學(xué)公式[13]。近些年，由于其特別的數(shù)學(xué)思想和基本含義，逐漸被一些學(xué)者應(yīng)用到環(huán)境評(píng)價(jià)預(yù)警領(lǐng)域[14-17]。本研究將沉陷水域水質(zhì)指標(biāo)的含量作為外界環(huán)境刺激強(qiáng)度，水環(huán)境質(zhì)量作為人體反應(yīng)量，對(duì)沉陷水域水環(huán)境進(jìn)行定量評(píng)價(jià)預(yù)警。

W-F定律基本表達(dá)式為：

=lg(1)

式中：為人體反應(yīng)量；為外界刺激量；為韋伯常數(shù)。

W-F定律應(yīng)用于水環(huán)境評(píng)價(jià)中，基于以下3點(diǎn)假設(shè)：①將外界刺激量視為水環(huán)境中某項(xiàng)指標(biāo)的濃度大?。虎趯⑷梭w反應(yīng)量視為該污染物對(duì)人體的影響程度[18]；③韋伯常數(shù)視為環(huán)境評(píng)價(jià)中各污染物的權(quán)重[19]。

基于以上假設(shè)，W-F定律函數(shù)關(guān)系式表示為：

k=alg(c+1) (2)

式中：k為第個(gè)采樣點(diǎn)第個(gè)水質(zhì)參數(shù)對(duì)人體的影響程度；a為第個(gè)采樣點(diǎn)第個(gè)水質(zhì)參數(shù)的權(quán)重；c為第個(gè)采樣點(diǎn)第個(gè)水質(zhì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化值；c的目的是為了讓lg(c+1)＞0，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明此處理方法不影響最終評(píng)價(jià)結(jié)果[20]。

綜合影響指數(shù)k計(jì)算公式為：

利用式(3)計(jì)算得出5次采樣時(shí)間沉陷水域水質(zhì)的綜合影響指數(shù)(k)，并依次計(jì)算5次采樣每個(gè)采樣點(diǎn)的綜合影響指數(shù)。考慮到各項(xiàng)指標(biāo)的高低區(qū)別，對(duì)水體環(huán)境影響不同，需要對(duì)其進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。某項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)較大，就可以認(rèn)為此指標(biāo)樣點(diǎn)差異顯著，可以作為環(huán)境評(píng)價(jià)的主要依據(jù)[17]。本文采用變異系數(shù)法計(jì)算5次采樣水體指標(biāo)的權(quán)重值。

2.2 預(yù)警評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)體系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3層。其中，目標(biāo)層反映本次評(píng)價(jià)體系建立的主要目標(biāo)任務(wù)；準(zhǔn)則層是將一個(gè)大目標(biāo)分解為多個(gè)目標(biāo)或準(zhǔn)則，進(jìn)而分解成多個(gè)指標(biāo)層；指標(biāo)層是詳細(xì)描述各準(zhǔn)則層的獨(dú)立因子，這些因子是構(gòu)建整個(gè)評(píng)價(jià)體系的核心內(nèi)容。本文從兩個(gè)方面選取具有綜合性、代表性和可操作性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。一方面是對(duì)地表水水質(zhì)影響較大的6種常規(guī)水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)(溶解氧DO、懸浮物SS、總有機(jī)碳TOC、葉綠素a、總磷TP、總氮TN)，另一方面是水體中對(duì)人體健康影響較大且采煤活動(dòng)極易釋放的8種重金屬元素指標(biāo)(鐵Fe、錳Mn、鋅Zn、銅Cu、鉻Cr、鎘Cd、鉛Pb、鎳Ni)，共計(jì)14個(gè)指標(biāo)組成預(yù)警評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖2)。

一般情況下，預(yù)警級(jí)別可分為無警、輕警、中警、重警和巨警5個(gè)等級(jí)[20-21]。各水質(zhì)指標(biāo)相應(yīng)預(yù)警級(jí)別的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要采用GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和文獻(xiàn)[22]，各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

圖2 預(yù)警評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框架

表1 預(yù)警評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與討論

3.1 權(quán)重分析

由表2可知，常規(guī)水質(zhì)參數(shù)5次采樣準(zhǔn)則層的權(quán)重值分別為0.40、0.41、0.28、0.23、0.09。其中，3月份常規(guī)指標(biāo)中葉綠素a對(duì)水體影響最大，權(quán)重值達(dá)到0.49，其次是懸浮物和總氮，權(quán)重值分別為0.17和0.11。5月份常規(guī)指標(biāo)中對(duì)水體影響最大的指標(biāo)是懸浮物和總磷，權(quán)重值分別為0.34和0.21。7月份和9月份常規(guī)指標(biāo)中懸浮物、葉綠素a、總磷和總氮的權(quán)重值相差不大，基本在0.2左右。11月份常規(guī)指標(biāo)的懸浮物、葉綠素a、總氮權(quán)重值基本在0.23左右，說明此月份對(duì)水體影響較大的指標(biāo)為懸浮物、葉綠素和總氮。總體上看，5次不同采樣時(shí)間6種水質(zhì)常規(guī)參數(shù)指標(biāo)中，葉綠素a和懸浮物的平均權(quán)重值分別為0.25和0.24，說明在沉陷水域，浮游植物和水中懸浮物的含量對(duì)水質(zhì)影響較大，是影響水環(huán)境最主要的兩項(xiàng)指標(biāo)，與之前的研究結(jié)果基本一致[12]。

從5組樣品的8項(xiàng)重金屬元素指標(biāo)權(quán)重值分析，5次采樣的平均權(quán)重值分別為0.60、0.59、0.72、0.77、0.91，說明重金屬是影響沉陷水域水質(zhì)警級(jí)的主要因素。3月份，鋅、鎳和鎘3種重金屬元素對(duì)水體警級(jí)的劃分影響較大，權(quán)重值分別為0.24、0.18和0.15。5月份，鎘、鋅和鉛3種重金屬元素對(duì)水體警級(jí)的劃分影響較大，權(quán)重值分別為0.28、0.19和0.19。7月份，鉛和銅重金屬元素對(duì)水體警級(jí)的劃分影響較大，權(quán)重值為0.17。9月份，鎘元素對(duì)水體警級(jí)的劃分影響較大，權(quán)重值達(dá)到0.41。11月份，銅、鉛和鋅3種重金屬元素對(duì)水體警級(jí)的劃分影響較大，權(quán)重值分別為0.26、0.25和0.23。從單要素來看，水體中重金屬鎘、鋅、鉛對(duì)沉陷水域水質(zhì)警級(jí)影響較大，與王興明[23]研究成果基本一致。其中，鎘元素5次采樣平均權(quán)重值為0.21，9月份權(quán)重值達(dá)到0.41。其次為鋅元素和鉛元素，5次采樣平均權(quán)重值分別為0.21和0.17。最小為鉻和鐵元素，5次采樣平均權(quán)重值分別為0.056和0.066。

表2 水環(huán)境預(yù)警評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值

3.2 預(yù)警結(jié)果

為綜合反映沉陷水域的水質(zhì)狀況，本文利用韋伯–費(fèi)希納定律，將6種常規(guī)水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)和8種重金屬元素指標(biāo)按照權(quán)重占比進(jìn)行綜合計(jì)算。通過采用GIS的柵格計(jì)算器，獲得5次采樣各項(xiàng)指標(biāo)的空間分布圖。疊加融合各指標(biāo)圖層后得到不同采樣時(shí)間的沉陷水域水質(zhì)警級(jí)狀態(tài)(圖3)，并統(tǒng)計(jì)5次采樣各警級(jí)水域的占比情況(表3)。

從圖3可以看出，沉陷水域水環(huán)境狀況存在明顯的時(shí)空變化特征。時(shí)間上，3月份水體整體呈現(xiàn)無警狀態(tài)。5月份，沉陷水域中警及以上占比達(dá)到45%，其中巨警范圍所占比例居全年最高，約5%，主要集中在沉陷水域西部，泥河入水口處。這可能與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)，上游河流兩岸農(nóng)田開始播種，農(nóng)業(yè)化肥使用增加，污染物流入泥河后匯入沉陷水域。據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，5月總磷和總氮指標(biāo)值均達(dá)到或超過Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)；加上春季入梅之前，降雨較少，對(duì)污染物的排泄能力較差。7月份，警情有所減緩，沉陷水域中警及以上占比達(dá)到30%左右，這可能是因?yàn)榇耗┫某?，降雨增多，水體流動(dòng)性增強(qiáng)，對(duì)污染物存在一定的稀釋作用。重警、巨警水域主要位于水體東西部交匯處和水域東部出水口處。這與特殊的區(qū)域位置存在一定關(guān)系，中部和東部出水口處通道較為狹窄，水流較緩，水中營養(yǎng)物質(zhì)容易在此處富集。9月份，警情稍微有所增加，沉陷水域中警及以上占比超過30%，主要位于沉陷水域西部。這可能與夏秋季的暴雨和臺(tái)風(fēng)有關(guān)，位于沉陷水域西部的煤矸石堆受雨水沖刷淋溶出來的重金屬污染元素流入沉陷水域[24]。11月份，水體狀態(tài)主要以無警為主，占比超過60%，重警、巨警水域僅占8%，主要集中在沉陷水域中部。

總體上看，沉陷水域存在水質(zhì)惡化的風(fēng)險(xiǎn)，這與已有研究結(jié)果基本一致，淮南礦區(qū)沉陷水域水質(zhì)已呈現(xiàn)富營養(yǎng)狀態(tài)[25]。沉陷水域周圍人口密集，人類活動(dòng)頻繁，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中使用的化肥、農(nóng)藥，含有磷、氮化合物，在地表和土壤中累積后，隨地表徑流進(jìn)入沉陷水域。同時(shí)，周邊的工礦企業(yè)以及居民生活排放的各種污染物、營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)到沉陷水域內(nèi)，給沉陷水域帶來不同程度的影響。時(shí)間上分析，從5月份開始，隨著溫度升高，降雨較少，水體中的藻類、浮游物質(zhì)繁殖旺盛；再者是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)播種施肥的季節(jié)，造成水體藻類、浮游植物過度繁殖的磷、氮元素會(huì)被排入沉陷水域內(nèi)，加重水體的污染程度，沉陷水域出現(xiàn)預(yù)警。到11月份，隨著氣溫下降，沉陷水域內(nèi)藻類、浮游植物等大量死亡，水體的污染情況減弱，沉陷水域預(yù)警情況逐漸消失。空間上分析，由于沉陷水域有泥河溝通，水體流動(dòng)性較強(qiáng)，在一定程度上對(duì)沉陷水域水質(zhì)造成影響，沉陷水域不同時(shí)間段水環(huán)境呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域變化。沉陷水域的西部和中部出現(xiàn)重警、巨警的預(yù)警級(jí)別比例最高，成為容易出現(xiàn)水質(zhì)惡化的水域，也是沉陷水域水環(huán)境管理中需要關(guān)注的區(qū)域。在今后的水環(huán)境管理中，可以根據(jù)沉陷水域水環(huán)境預(yù)警時(shí)空變化規(guī)律，提出有針對(duì)性的管理措施，并進(jìn)行因地制宜的水環(huán)境治理。

圖3 不同月份水環(huán)境預(yù)警評(píng)價(jià)各警級(jí)分布和占比

表3 不同月份不同預(yù)警級(jí)別占比

4 結(jié)論

a. 基于韋伯–費(fèi)希納定律對(duì)沉陷水域進(jìn)行水環(huán)境預(yù)警，通過選取6種常規(guī)水質(zhì)參數(shù)和8種重金屬元素指標(biāo)，并根據(jù)不同采樣時(shí)間賦予不同的權(quán)重值，可定量反映出沉陷水域水環(huán)境質(zhì)量變化及潛在的水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的時(shí)間和區(qū)域，未來能夠更好地與水環(huán)境管理目標(biāo)相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于沉陷水域的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。

b.受降水、氣溫、水文條件的影響，沉陷水域水環(huán)境預(yù)警結(jié)果顯示出明顯的時(shí)空變化特征。3月，沉陷水域基本處于無警狀態(tài)，5月到11月，沉陷水域都呈現(xiàn)出中警以上的警情，其中，5月、7月、9月出現(xiàn)的警情較高，水域面積較大。同時(shí)，在不同月份沉陷水域出現(xiàn)警情的水域有所變化，沉陷水域的西部和中部因特殊的區(qū)位條件，造成警情出現(xiàn)的比重較高，在今后的水環(huán)境管理中需要在不同時(shí)間和不同區(qū)域制定針對(duì)性的預(yù)防措施，避免水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

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Water environment comprehensive forewarning for waterlogged area in Huainan based on Weber-Fechner law

PEI Wenming1, ZHANG Hui1,2, JU Changhua1, YAO Suping3, REN Yongle3, MA Mengxiao1, QIU Kuanbiao1

(1. Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Ecology and Environment, Nanjing 210042, China; 2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China; 3. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China)

In area with high groundwater level in the east of China, long-time underground coal mining results in a large subsidence water area on the surface. The risk of water environment pollution in subsidence waters is increasing gradually with the influence of human activities.According to Weber-Fisher law, this paper took Panji waterlogged area of Huainan as the research object, selected the water quality evaluation indexes closely related to the water environment of the waterlogged area, analyzed the water environmental conditions of the waterlogged area in different periods, and quantitatively reflected the time and the area of the water environment quality change and potential water environment risk of the waterlogged area through the overlay and fusion of layers. The results show that the water quality of waterlogged area is not optimistic, and there is a risk of water quality deterioration. The waterlogged area presents warning conditions above middle level with the change of time from May to November. The warning areas changes in different months. Among them, the western and central part of the waterlogged area has a higher probability of occurrence of warning situation. In the future water environment management, it is needed to take targeted preventive measures for different areas during different periods to avoid the risk of water environment pollution.

Weber-Fisher law; waterlogged area; water quality assessment; comprehensive forewarning; Panji coalfield of Huainan

P641.69；X141

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.001

1001-1986(2020)03-0001-07

2019-12-03；

2020-04-29

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2017YFC0506604)

National Key R&D Program of China(2017YFC0506604)

裴文明，1988年生，男，江蘇南京人，博士，助理研究員，從事生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境規(guī)劃等研究工作. E-mail：438661015@qq.com

張慧，1968年生，女，河南開封人，博士，研究員，從事生態(tài)安全、環(huán)境規(guī)劃等研究工作. E-mail：zhanghui@nies.org

裴文明，張慧，鞠昌華，等. 基于韋伯–費(fèi)希納定律的淮南采煤沉陷水域水環(huán)境綜合預(yù)警評(píng)價(jià)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：1–7.

PEI Wenming，ZHANG Hui，JU Changhua，et al. Water environment comprehensive forewarning for waterlogged area in Huainan based on Weber-Fechner law[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：1–7.

(責(zé)任編輯 周建軍)