劉浩天，宋剛福，2，米 曉，2

(1.華北水利水電大學,河南 鄭州 450046;2.河南省水環(huán)境模擬與治理重點實驗室,河南 鄭州 450046)

1 引言

煤炭是我國經濟發(fā)展的第一能源，煤碳開采為我國經濟社會發(fā)展提供了有力保障，但過度開采所引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題也隨之而來[1]。例如過度開采導致的地面坍塌，滑坡及地下水、地表水水質的污染等問題[2]。不同采塌陷區(qū)所面臨的生態(tài)環(huán)境問題不盡相同，解決問題的方法也需因地制宜。對于資源型城市而言，景觀修復是采煤塌陷區(qū)治理的有效方案，采用挖深墊潛等技術結合生態(tài)修復技術打造生態(tài)旅游景區(qū)，既能使污染環(huán)境得到治理，又能為城市帶來經濟效益[3]。采煤塌陷水體污染問題嚴重影響環(huán)境和人體健康，水質是一個重要參數(shù)，涉及到生態(tài)環(huán)境和人類生活的方方面面，例如社區(qū)衛(wèi)生、生態(tài)系統(tǒng)健康以及生物多樣性等。因此定期水質監(jiān)測是確保民生、維持水環(huán)境健康的重要工作。

永城市是一座因煤而興的城市，煤炭開采業(yè)為全市整體發(fā)展做出了巨大貢獻。近些年煤炭業(yè)的發(fā)展在為該市經濟提供巨大推力的同時，也帶來了嚴重的礦區(qū)破壞問題。長期的煤炭開采導致該市地面龜裂、下陷，形成了大大小小的采煤塌陷區(qū)。不僅造成了土地資源的浪費，同時也給生態(tài)環(huán)境修復帶來了巨大壓力[4]。

日月湖位于永城市東西城之間，西側有大青溝、北側有沱河、南側有躍進溝、東側有航道，日湖與月湖不相連，湖體環(huán)境屬于封閉狀態(tài)，水動力較弱。湖體中間被道路隔開，被分割為3個不相聯(lián)通的湖區(qū)。湖區(qū)內現(xiàn)有耕地1100畝，水域面積達到6000余畝，最高水位可達27.5 m，湖底標高24.5 m，蓄水量可達1190萬m3。日月湖四周沒有污水處理設施，存在農田、畜牧養(yǎng)殖等面源污染，周邊布有一定面積的挺水植物。日月湖曾是永城市面積最大的采煤沉陷區(qū)，由于地表塌陷，導致地下水上涌，形成了一片封閉的采煤沉陷水體。本研究對日月湖水環(huán)境特征和水質現(xiàn)狀進行了評價，并為其水質的提升和保護提供了防治措施，對日月湖采煤沉陷區(qū)水資源規(guī)劃和治理，具有重要理論和現(xiàn)實意義。

2 數(shù)據(jù)來源與評價方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

為全面分析日月湖區(qū)域地表水情況，結合地表水水質布點原則和實際情況，共對日月湖設置16個采樣點位，其中月湖11個，日湖5個，以1年為周期，從2020年11月開始，至2021年9月，對日月湖進豐水期、平水期、枯水期3個時期水質進行監(jiān)測，文章采用月湖和日湖的平均值作為分析數(shù)據(jù)。具體點位分布情況如圖1所示。

圖1 日月湖采樣點位分布

每個采樣點在水深20 cm下取水，用不銹鋼采集器采集完成后，儲存進兩個聚乙烯瓶中，并將樣品帶回實驗室于冰箱中密封保存，24 h以內對樣品水質進行測定，指標測定選取為TN、TP、NH3-N、葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)、Zn、Cu、Cd、Fe、Mn、Pb等指標，葉綠素a是用棕色聚乙烯采樣瓶中的水用0.45 μm濾膜過濾后測定。研究方法如表1所示。

表1 水質指標監(jiān)測方法

2.2 評價方法

2.2.1 水質污染評價

本論文采用單因子評價法對日月湖水質進行污染評價[5,6]。評價標準參照《地表水環(huán)境質量標準(GB3838-2002)》Ⅲ類水，對日月湖豐、平、枯3個時期pH值、氨氮、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)等指標進行污染評價。

水質的單因子污染指數(shù)Pi的計算公式為:

Pi=Ci/Si

(1)

式(1)中:Ci為第i種水質指標的實測濃度(mg/L);Si為第i種水質指標的評價標準(mg/L) 。

表2 單因子污染指數(shù)評價標準

2.2.2 水體富營養(yǎng)化評價

2.2.2.1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算

采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法TLI(∑)對水體營養(yǎng)狀態(tài)進行評價[7,8]。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法TLI(∑)根據(jù)葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮和透明度等作為參評數(shù)據(jù)，從而得出湖泊的富營養(yǎng)化程度。計算公式如下：

(2)

式(2)中：TLI(∑)為綜合營養(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)的相關權重；TLI(j)為代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

以葉綠素a作為基準參數(shù)，第j種參數(shù)的歸一化的相關權重計算公式為：

(3)

式(3)中：rij為第j種參數(shù)與基準參數(shù)葉綠素a的相關系數(shù)；m為評價參數(shù)的個數(shù)。

2.2.2.2 湖泊營養(yǎng)狀態(tài)等級劃分

采用0～100的一系列連續(xù)的阿拉伯數(shù)字對水體營養(yǎng)狀態(tài)進行分級(表3)。

表3 富營養(yǎng)化程度評價等級

2.2.2.3 各項目營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算

TLI(Chla)=10(2.5+1.086lnChla)

(4)

TLI(TP)=10(9.436+1.624lnTP)

(5)

TLI(TN)=10(5.453+1.694lnTN)

(6)

TLI(SD)=10(5.118-1.94lnSD)

(7)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661lnCODMn)

(8)

式(4)～(8)中：

葉綠素a單位為mg/m3，透明度單位為m；其他指標單位均為mg/L。

3 結果與討論

3.1 水質污染評價分析

2020年11月至2021年9月枯水期、平水期、豐水期總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮濃度變化如圖2～圖4所示。

由圖2可知，日月湖豐水期的總磷濃度要明顯高于枯水期和平水期，枯平豐3個時期總磷的平均濃度分別為0.040 mg/L、0.035 mg/L、0.075 mg/L，從時間上來看，濕季總磷濃度要大于干季總磷的濃度，由采樣的點位分布情況可知，月湖的總磷濃度整體高于日湖，尤其豐水期，月湖總磷的平均濃度達到0.091 mg/L,遠高于日湖的0.040 mg/L；由圖3可知，日月湖枯水期、豐水期、平水期3個時期總氮的平均濃度分別為0.636 mg/L、0.779 mg/L、0.933 mg/L，存在由溫度的升高濃度逐漸上升的趨勢，日湖的總氮平均濃度要高于月湖，這與日湖水體流動性較差、水動力不足有關；由圖4可知，日月湖枯水期、豐水期、平水期3個時期高錳酸鹽指數(shù)的平均濃度分別為3.599 mg/L、3.990 mg/L、4.298 mg/L，變化趨勢仍舊是由溫度的升高存在逐漸上升的趨勢，總體而言日湖與月湖各點位的高錳酸鹽指數(shù)濃度并無明顯差異；由圖5可知，日月湖枯水期、豐水期、平水期3個時期氨氮的平均濃度分別為0.254 mg/L、0.215 mg/L、0.129 mg/L，變化趨勢是由溫度的升高存在逐漸下降的趨勢，總體而言，氨氮各時期濃度相對較低，達到了Ⅰ類水質標準，單項指標水質情況較好。

圖2 各時期總磷濃度

圖3 各時期總氮濃度

圖4 各時期高錳酸鹽指數(shù)濃度

圖5 各時期氨氮濃度

由公式(1)計算，日湖、月湖各項指標單因子污染評價指數(shù)見表4、表5。對選取的4種指標進行日月湖水質的單因子評價[9]，由表4、表5可知，枯水期和平水期四項指標的污染評價指數(shù)P均小于1，單項指標尚無污染。而豐水期日湖總磷污染評價指數(shù)達到1.82，已處于低污染狀態(tài)，應注意加強磷污染的防范。由枯水期、平水期、豐水期3個時期的監(jiān)測結果可以看出，溫度較高的豐水期氮、磷污染指數(shù)都高于枯水期和平水期，表明水質的污染水平與溫度存在正相關趨勢。

表4 日湖單因子污染評價指數(shù) mg/L

表5 月湖單因子污染評價指數(shù) mL/L

3.2 富營養(yǎng)化評價分析

參與富營養(yǎng)化的評測指標共六種，總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮見圖2～圖5，監(jiān)測期間日月湖枯水期、平水期、豐水期各點位葉綠素a濃度、透明度(m)變化如圖6、7所示。

圖6 各時期葉綠素a濃度

圖7 各時期透明度

日月湖16個點位在枯水期、平水期和豐水期的平均濃度分別為0.955 mg/m3、1.203 mg/m3、2.137 mg/m3。整體而言，豐水期的葉綠素a濃度要明顯高于枯水期和平水期，這表明進入濕季，隨著溫度升高，湖泊藻類迅速生長繁殖，葉綠素a濃度也上升明顯。由圖2分析可知，日湖上半區(qū)域監(jiān)測點位葉綠素a濃度在各時期都處于較高水平，其區(qū)域是由許多分散的小湖蕩組成，水體流動性能差，自凈能力差，從而導致藻類生物累計和富集，影響水質。

日月湖16個點位在枯水期、平水期和豐水期的變化情況如圖所示。透明度反映的是水體的清澈程度，是判斷水體富營養(yǎng)化程度的重要指標。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，從枯水期、平水期到豐水期，水質透明度存在逐漸變好的趨勢，平均值分別為0.50 m、0.51 m、0.58 m，這說明隨著降雨量的增加，水質透明度會逐漸變好。而日湖的透明度各時期都要低于月湖，這也是由于水體流動性較差，導致各類懸浮物和污染物的累積導致。

由公式(2)計算，永城市日月湖2020年11月至2021年9月豐平枯3個時期綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)見表6、表7。由監(jiān)測結果可知，日湖、月湖在豐、平、枯3個時期均為中營養(yǎng)狀態(tài)。日富營養(yǎng)化是影響湖泊水質的重要因素，長期富營養(yǎng)化將使湖泊水環(huán)境遭到破壞。由兩個湖區(qū)的富營養(yǎng)化評價結果可以看出日湖的富營養(yǎng)化程度要略高于月湖，月湖的面積要大于日湖，水體的流動性稍強，自凈能力要略強于日湖，評價結果表明水體的富營養(yǎng)化程度與水體的水動力有關。

3.3 葉綠素a濃度與氮、磷營養(yǎng)因子的關系

浮游植物的葉綠素a濃度是反映水體富營養(yǎng)化程度的重要指標[10,11]，以日月湖枯水期、平水期、豐水期3個時期16個點位的實驗監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，采用相關分析法，對日月湖整體在3個時期中葉綠素a濃度與總磷、總氮相關性進行分析[12](表8)。

表6 監(jiān)測期間日湖綜合營養(yǎng)指數(shù)評價成果

表7 監(jiān)測期間月湖綜合營養(yǎng)指數(shù)評價成果

從表8可以看出，3個時期葉綠素a與總氮和總磷均表現(xiàn)出一定的相關性，但相關性并不顯著?？菟诤拓S水期，葉綠素a濃度與總磷的相關性略高于總氮，而平水期，葉綠素a與總氮的相關性略高于總磷。綜合分析結果可得，日月湖的葉綠素a的濃度主要與總磷相關性較大，日月湖湖泊藻類生長受磷的影響更大。

表8 豐水期葉綠素a與氮、磷皮爾遜相關性分析

4 結論與建議

4.1 結論

(1)日月湖水質單項指標監(jiān)測結果顯示，湖水目前水質處于較好狀態(tài)，豐水期總磷存在輕度污染，其他指標尚未污染。

(2)對日月湖的富營養(yǎng)化評價結果顯示，其在枯水期、平水期、豐水期均處于中營養(yǎng)狀態(tài)。

(3)對日月湖各個時期的重金屬離子進行監(jiān)測，其結果均低于檢出限，說明日月湖水體并無重金屬污染風險，日月湖水體目前主要面臨的是富營養(yǎng)化問題。日湖水體單項指標氨氮、高錳酸鹽指數(shù)一直處于較好狀態(tài)，日湖與月湖在豐水期、平水期和枯水期3個時期氨氮和高錳酸鹽指數(shù)狀態(tài)并無明顯差異。水質氮、磷水平卻一直處在下降趨勢，尤其到了豐水期月湖總磷濃度已經處于低污染狀態(tài)，這是富營養(yǎng)化形成的重要原因。

4.2 建議

(1)目前，日月湖水質各項監(jiān)測指標能達到Ⅲ類以上較好水平，但富營養(yǎng)化問題需要重視，應加強環(huán)境監(jiān)管力度，完善地表水和地下水的監(jiān)測水準，采用周期性換水的方式改善湖區(qū)蓄水水體水質，除地下水引水方式以外，可從以附近的沱河或者再生水做為補水水源，以保障日月湖水質持續(xù)健康[12]。

(2)日月湖作為景觀建設湖，水體富營養(yǎng)化所帶來的透明度降低，浮游生物大量繁殖等問題勢必會影響景區(qū)環(huán)境[13]。想要更好地改善湖泊富營養(yǎng)化狀況，需要采取禁止周邊村莊未經處理的生活污水排入周圍河道和日月湖湖區(qū)，并周期性地打撈湖面污染物，在湖區(qū)周圍建設生態(tài)防護欄、生態(tài)溝渠等措施[14]改善面源污染，并依靠水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，配合水環(huán)境模型構建，細致的分析湖泊水環(huán)境，提出更合理的解決方案，以達到長期改善水質的目的[15]。