王 铎，吴权佳，董佳甜，李向东
(中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)
煤炭资源是经济社会发展的重要基石，为我国经济的发展做出了重要贡献，由于煤矿资源的持续开采，导致矿区地表沉降，形成塌陷区，在降水以及浅层地下水的作用下，塌陷区会形成塌陷湖泊[1]。全国因煤炭开发使用造成的土地塌陷面积累计已超过110万hm2[2]，形成大面积的积水区域，造成水土流失、破坏植被、耕地减少以及损坏交通道路和线路管道等危害，给经济社会以及环境带来巨大损失[3]。对塌陷区的治理以及对塌陷湖泊的开发利用成为亟待解决的问题。本文以沛北采煤塌陷区作为研究对象，采用单因子评价法、综合污染指数法、分级评价法以及综合水质标识指数法对塌陷区水体进行综合评价，充分认识塌陷区水体，准确识别这类区域的污染特征，为采煤塌陷区的污染防治、综合利用以及生态恢复提供科学依据。
1.1 研究区概况
沛县位于江苏省西北部，地势西高东低，地表水系属淮河流域泗水水系，境内河道纵横，水资源充沛。东、西走向的主要河道有杨屯河、沿河、鹿口河等，南、北流向的主要河道有大沙河、姚楼河、苏北堤河、顺堤河等，由西南向东北流入昭阳、微山两湖。京杭运河、苏北堤河、徐沛运河、八段河等调度河贯穿南北，构成河网[4]。沛县煤炭资源丰富，是中国煤炭基地之一，煤矿主要分布在沛县北部，位于龙固镇、安国镇、大屯街道和沛城街道等地，保有资源量16.33亿t、累计查明资源量21.22亿t，占江苏省总储煤量的40%以上，自1977年以来，已累计开采原煤2.3亿t[5]。
沛县采煤塌陷区主要位于沛县北部矿区，该地区地处北纬34°37′～35°6′、东经116°41′～117°09′，东至微山湖湖西大堤，西达丰沛边界，南至丰沛路，北到龙固镇，东西跨度34 km，南北长度41 km 左右。目前矿区内塌陷区面积超过10 000 hm2，主要包括龙固镇、张双镇、安国镇、杨屯镇和大屯镇等镇和街道。随着煤炭资源的继续开采，塌陷区域将继续扩大，预计至2030年，沛北矿区内塌陷区域达到15 000 hm2[6]。
沛北矿区毗邻南水北调东线，塌陷区的水经大沙河、沿河和徐沛运河等河道流入南四湖，南四湖是南水北调东线重要的输水通道，其水环境状况对淮河流域乃至整个南水北调东线工程调水水质都有很大影响。
1.2 采样点布设
为了掌握沛县煤矿塌陷区的水质情况及其特征，根据塌陷区地理位置以及水体污染来源和塌陷区的修复利用情况，将沛北矿区内的采煤塌陷区分为5个区域，分别为A徐庄煤矿塌陷区(1#、2#)、B龙东煤矿塌陷区(3#、4#、5#)、C龙固煤矿塌陷区(6#、7#)、D三河尖煤矿塌陷区(8#)和E张双楼煤矿塌陷区(9#)。
采样过程中的布点、采样、保存参照《水质采样技术指导》(GB 12998—91)，采样位置避开死水区、回水区以及排污口处，尽量选择顺直河段、河床平稳、水流平稳处。本研究共设置了9个采样点，塌陷区现状以及采样点位置见表1和图1所示，分别在丰水期和枯水期各采取一次水样，对水体中的总氮(TN)、总磷(TP)、pH、高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(COD)、溶解氧(DO)等指标进行取样监测。在采样过程中，选择水位平稳时将采样瓶压制沉入水中10～20 cm深度处取样，并避免晃动水体。采样完成后，立即盖紧瓶盖，防止水体发生氧化反应，并密封避光保存。
表1 采样点分布与采煤塌陷区现状
1#和2#采样点位于徐庄煤矿塌陷区的河流，煤矿塌陷区被修复用于农田种植和渔业养殖。3#、4#和5#采样点位于龙东煤矿塌陷区，现被广泛应用于养鱼和莲藕种植，5#采样点附近有一生态农庄。6#和7#采样点位于龙固煤矿塌陷区内工业园区附近，周边有化工企业、氯碱企业以及新材料公司等工业企业。8#采样点位于三河尖煤矿塌陷区。9#采样点位于安国湖湿地公园，湿地公园西部与龙口河相接，南部流入徐沛河，北部则通过左尧大沟京杭运河和微山湖。湿地公园于2012年建立，2015年12月被国家林业局批准为国家级湿地公园试点。
1.3 水质评价方法
常用的水质评价方法有单因子评价法[7]、综合污染指数法[8]、分级评价法[9]以及综合水质标识指数法[10]。本文利用这4种水质评价方法，对煤矿塌陷区的水质污染状况进行综合评价[11]。
1.3.1 单因子评价法
单因子评价法是《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的水质评价方法，是通过实测水质指标与标准值相对比，选取水质最差的因子作为最终评价结果。
1.3.2 综合污染指数法
综合污染指数法是在单因子评价的基础上，将各个水质指标的评价结果运用数学统计方法综合计算，得到污染综合指数，计算公式如(1)所示[12]。
(1)
式(1)中，Ci为第i项污染物实测值，C0为所选取参考标准的评价限值。水质评价标准见表2。
表2 综合污染指数法评价标准
1.3.3 分级评价法
此方法根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ类水质赋予分值，分别为10、8、6、4、2、0分，计算各项水质指标的算数平均值[13]，计算公式如(2)所示。
(2)
式(2)中，Xi为各项水质指标的评分值。
1.3.4 综合水质标识指数法
综合水质标识指数的表达式为：
I=X1.X2X3X4
(3)
式(3)中，X1为综合水质类别，X2为综合水质在水质变化区间内所处的位置，X3为参与水质评价的指标中低于功能区的指标的数量，X4为综合水质类别与水环境功能区的比较结果[14]。
X1.X2的计算公式为：
(4)
式(4)中，P为是指水质评价因子中单因子水质标识指数的取值，m为参加水质评价的水质指标的个数。根据综合水质标识指数的大小可将水质类别分为7类，具体评价标准[15]见表3。
表3 综合水质评价标准
2.1 塌陷区水质指标特征
根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类标准，分别在丰水期和枯水期对采煤塌陷区的水体各取一次样进行检测，各采样点的水质指标统计结果见表4。
表4 水质指标统计结果
由表4可知，塌陷区水体的pH为7.2～8.9，均值为8.0，属偏碱性水。TDS浓度随季节变化不大，在丰水期和枯水期的平均值分别为1 211 mg/L和1 157 mg/L，属于高矿度化水，说明水中溶解性无机盐含量较大，可能是塌陷区周围工业废水和生活污水的排放导致水中TDS含量增加。在5个采煤塌陷区水体的DO含量较高，各采样点的水体在丰水期和枯水期的均值分别为5.5 mg/L和7.7 mg/L，总体呈现出丰水期低于枯水期的趋势，且大部分达到Ⅰ、Ⅱ类水质，仅6#、7#在丰水期时DO含量为3.9 mg/L和3.1 mg/L，为Ⅳ类级别。水中的氧气主要来源是大气中的氧和水中浮游植物的光合作用，受周围环境的影响较大，夏季丰水期温度较高，气压降低，水中饱和溶解氧浓度越低[16]；
此外，夏季浮游植物大量繁殖，生物的新陈代谢加速了氧气的消耗，同时大量残体被微生物分解，使水体溶解氧浓度降低。
塌陷区水体的TN、TP和氨氮浓度分别为0.6～3.4 mg/L、0.02～0.65 mg/L和0.3～2.5 mg/L，从季节变化来看，TN浓度没有明显变化，而TP和氨氮的浓度在夏季丰水期超过冬季枯水期。仅个别采样点在枯水期达到Ⅱ、Ⅲ类级别，其他大部分采样点的水质超过Ⅳ类标准，6#采样点在丰水期的水质最差，达到了劣Ⅴ类标准。可能是塌陷地周围居民生活污水、工业废水以及化肥的施用使水体中氮磷含量增加[17]。TN和TP是评价湖泊富营养化的重要指标，氮磷元素的超标，说明塌陷区水体可能面临富营养化的风险。
根据检测结果来看，塌陷区水体COD和CODMn含量的平均值分别为33.35 mg/L和4.77 mg/L，污染较为严重且季节变化明显，呈现出夏季丰水期高冬季枯水期低的趋势。夏季丰水期水生植物的大量衰败，使大量的有机物溶解，塌陷区水域内的有机物浓度迅速提高。此外，夏季塌陷湖泊周边的农田退水、生活污水及畜牧养殖废水随雨水径流汇入湖泊，也是造成塌陷区水体COD升高的原因。其中6#和7#采样点的水体可能受到周边化工厂在生产过程中排放的高浓度COD废水的影响，水体COD异常升高[18]，为劣Ⅴ水质。
2.2 地表水水质评价
按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类标准，研究选取COD、TN、TP、氨氮、高锰酸盐指数和DO共6项指标进行水质评价。不同方法的评价结果见表5。
表5 多方法水质评价结果
由表5可知，单因子评价法显示龙固煤矿塌陷区(6#、7#)水质最差，在丰水期和枯水期水质均为劣Ⅴ类。因其评价结果由污染最为严重的指标参数决定，所以评价结果具有一定的片面性。根据综合污染指数法，徐庄煤矿塌陷区(1#、2#)、龙东煤矿塌陷区(3#、4#、5#)、三河尖煤矿塌陷区(8#)和张双楼煤矿塌陷区(9#)属于轻污染，龙固煤矿塌陷区(6#、7#)属于重污染。分级评价法和综合水质标识指数法得出的水质评价结果类似，即徐庄煤矿塌陷区水质较好，龙固煤矿塌陷区水质较差。
(1)水质综合评价结果表明：沛北采煤塌陷区的水体污染较为严重，综合水质标识指数在丰水期和枯水期的均值分别为4.204和3.477，大部分时期为Ⅳ、Ⅴ类水质标准，主要污染物COD、TN、TP浓度最高分别达到64.71、3.320、0.640 mg/L；
塌陷区水体在夏季丰水期污染更为严重，COD、TP、氨氮等污染物含量呈现出夏季高于冬季的趋势；
(2)沛北采煤塌陷区的水质主要受生活污水、工业废水和农业废水等污染源以及气候特征的影响，且工业废水对塌陷湖泊水质的影响较大，造成COD、TP、氨氮等污染物含量升高，可能会给南四湖的水质甚至南水北调东线的调水水质带来不利影响；
(3)沛北采煤塌陷湖泊中COD、TN和TP应重点治理，在综合考虑塌陷湖泊的环境容量和环境目标，特征污染物的自净能力以及湖泊水力学特征，建立适合的水质模型对各种治理措施进行评估，确定可行性并提出优化策略，增强区域生态保护以提高高质量发展的保障。
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