綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法在煤礦塌陷水域富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的應(yīng)用

唐鴻達(dá) 高良敏

（安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

由于煤炭的大量開(kāi)采，久而久之使地面下沉形成了地面塌陷，又由于淺層地下水和雨水的匯入，形成了面積大小不等的塌陷水域。由實(shí)地調(diào)查得知，礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境受到礦區(qū)附近的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染影響，尤其是塌陷水域水質(zhì)受其影響較大。因而有必要對(duì)礦區(qū)內(nèi)塌陷水域水質(zhì)情況，特別是富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題進(jìn)行研究關(guān)注。在塌陷水域的研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開(kāi)展了一系列科研工作[1-4]。本文選取潘集楊莊和潘一礦西區(qū)這兩個(gè)具有代表性的塌陷水域，對(duì)潘一西區(qū)進(jìn)行了一個(gè)季節(jié)的監(jiān)測(cè)和富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)與分析，對(duì)潘集楊莊塌陷水域進(jìn)行了兩個(gè)季節(jié)的監(jiān)測(cè)和富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)與分析。

1 研究區(qū)域概況

位于淮南市潘集區(qū)潘集的潘一礦于1983年投產(chǎn)塌陷水域年齡約為23a,水域相對(duì)較封閉,附近有農(nóng)田[5]。其2004年塌陷面積為23093畝到2009年為26538畝,到2010年底塌陷面積為28236畝。潘一西區(qū)水深約為1.8 m，面積約為4km2，無(wú)河流穿過(guò)，環(huán)境相對(duì)封閉。潘集楊莊塌陷區(qū)水深約為4.2m，面積約為3km2，有泥河穿過(guò)。兩個(gè)塘區(qū)域內(nèi)有漁業(yè)養(yǎng)殖，潘一西區(qū)塌陷前為農(nóng)田，楊莊塌陷區(qū)塌陷前為農(nóng)田和河道。潘一西區(qū)塌陷水域在楊莊塌陷區(qū)西北面，兩者相距2000m左右。

2 材料與方法

2.1 采樣點(diǎn)的布設(shè)及樣品采集

采樣點(diǎn)的布設(shè)參照 《水質(zhì)——采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(HJ495-2009)，在塌陷水域內(nèi)布設(shè)12-16個(gè)采樣點(diǎn)，具體點(diǎn)位用GPS定位。于2012年5月初和8月末，對(duì)塌陷塘內(nèi)的水進(jìn)行采樣以及分析監(jiān)測(cè)。樣品采集與保存的工作參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[6]。

2.2 指標(biāo)的監(jiān)測(cè)

表1 水樣檢測(cè)方法一覽表

根據(jù)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計(jì)算需要，選取葉綠素a(chla)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總磷(TP)、總氮(TN)作為其營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的指標(biāo)。潘一西區(qū)內(nèi)12個(gè)采樣點(diǎn)，潘集楊莊塌陷塘內(nèi)16個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)以上5個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行檢驗(yàn)分析。各個(gè)指標(biāo)監(jiān)測(cè)參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》。具體理化指標(biāo)測(cè)定方法見(jiàn)表1。

2.3 評(píng)價(jià)方法

水體富營(yíng)養(yǎng)化模型發(fā)展至今，我國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型主要有：營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、修正的營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法、綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法、評(píng)分法等。明翠，劉霄芹等通過(guò)對(duì)太湖水質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為不同方法的評(píng)價(jià)結(jié)果有所差別,但相關(guān)性較好。并在驗(yàn)算中發(fā)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)度指數(shù)法計(jì)算步驟繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng),不如綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法簡(jiǎn)便易行;而評(píng)分法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,如果某一參數(shù)的評(píng)分值明顯低于 (或高于)其他參數(shù)的評(píng)分值,表明該參數(shù)的變化除了受富營(yíng)養(yǎng)化的影響外,其他因子對(duì)該參數(shù)的影響亦較大,故該參數(shù)應(yīng)刪除,往往刪除的參數(shù)受人為因素的干擾較多,影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此,選取綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法做為評(píng)價(jià)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的統(tǒng)一方法可行的[7]。文中亦選取了該法作為本區(qū)域水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的方法。

2.3.1 綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：TLI（Σ）——綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；

Wj——第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；

TLI（j）——第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

Wj的得出是以chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，記為1，第j種參數(shù)的歸一化權(quán)重計(jì)算公式記為:

式中：rij——第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)chla的相關(guān)系數(shù)；

m——評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。

2.3.2 塌陷區(qū)水域的chla與其它參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系rij及

金相燦等根據(jù)我國(guó)26個(gè)主要湖泊調(diào)查數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果，得出中國(guó)湖泊(水庫(kù))的chla與其它參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系rij的值以及的值[8]。 具體見(jiàn)表 ，文中將其數(shù)值引用至塌陷區(qū)水域。

2.3.3 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式

營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算式：

式中 chla單位是mg/m3，SD單位是m；其它指標(biāo)單位均為mg/L。

表2 中國(guó)湖泊(水庫(kù))的chla與其它參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系rij的值以及的值

表2 中國(guó)湖泊(水庫(kù))的chla與其它參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系rij的值以及的值

2.3.4 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)

用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對(duì)塌陷區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)：TLI(Σ)＜30 時(shí)，營(yíng)養(yǎng)狀況為貧營(yíng)養(yǎng)；當(dāng) 30≤TLI(Σ)≤50 時(shí)，為中營(yíng)養(yǎng)；當(dāng) TLI(Σ)＞50 時(shí)，為富營(yíng)養(yǎng)。 其中，當(dāng) 50＜TLI(Σ)≤60 時(shí)，為輕度富營(yíng)養(yǎng)(輕富)；當(dāng) 60＜TLI(Σ)≤70 時(shí)，為中度富營(yíng)養(yǎng)(中富)；當(dāng) TLI(Σ)＞70 時(shí)，為重度富營(yíng)養(yǎng)(重富)。在同一營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)值越高，其營(yíng)養(yǎng)程度越高。

3 結(jié)果與討論

3.1 各個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果與富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)潘集楊莊塌陷區(qū)在每個(gè)季度中的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，取水塘該指標(biāo)的平均值為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)chla、SD、TP、TN、CODMn的監(jiān)測(cè)數(shù)值，運(yùn)用綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)的計(jì)算公式，求得潘集楊莊兩季的綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)及年度平均值并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)潘一西區(qū)春季中的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，取水塘該指標(biāo)的平均值為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)chla、SD、TP、TN、CODMn的監(jiān)測(cè)數(shù)值，運(yùn)用綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)的計(jì)算公式，求得潘一西區(qū)塌陷水域綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

3.2 討論

3.2.1 指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果討論

表3 潘一西區(qū)和潘集楊莊陷塘水質(zhì)監(jiān)測(cè)及富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2可知，同一季節(jié)不同塌陷塘的數(shù)據(jù)有較大差異，而不同季節(jié)5項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果有著一定的季節(jié)差異。在同一季節(jié)下，潘一西區(qū)的chla、TN、TP、CODMn4項(xiàng)指標(biāo)，均高于潘集楊莊的相應(yīng)指標(biāo)，而潘一西區(qū)SD則相應(yīng)的低于同期的潘集楊莊。潘集楊莊塌陷區(qū)夏季CODMn和chla的平均值略高于春季，而夏季的TN、TP和SD監(jiān)測(cè)結(jié)果則高于春季對(duì)應(yīng)數(shù)值。究其原因，有以下幾點(diǎn)：

1）透明度隨季節(jié)的變化有一定的變化，春秋季氣溫低，人類活動(dòng)教少，透明度高；夏季水溫高，魚(yú)類和水生生物生長(zhǎng)快，降低了水體透明度，同時(shí)也消耗了相當(dāng)一部分的氮磷及有機(jī)物。

2）潘集楊莊塌陷區(qū)夏季平均水深約為4.5米，而春季則約為3.9米。夏季雨水充沛，且有河流經(jīng)過(guò)，塘內(nèi)水量增加，對(duì)Chla、TN、CODMn、TP有較為明顯的稀釋作用。但同時(shí)雨水也會(huì)形成地表徑流，將周邊的農(nóng)業(yè)及生活污染物攜帶沖刷至塘內(nèi)，因而可能增加chla、TN、CODMn、TP的濃度。在以上因素相互影響的情況下，楊莊塌陷水域內(nèi)的chla和CODMn含量略微上升。

3）潘一西區(qū)塌陷水域水源主要為自然降水和地下水補(bǔ)充，水環(huán)境相對(duì)封閉，物質(zhì)交換較為緩慢，且由于周邊是村莊和農(nóng)田，受人為影響較大，污染物進(jìn)入后易形成富集。但潘集楊莊沉陷區(qū)域正好有泥河經(jīng)過(guò)，在泥河的推流作用下，加快了物質(zhì)的遷移和交換，有利于水體自凈作用。因而潘一西區(qū)塌陷水域在同一季節(jié)內(nèi)，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均高于潘集楊莊。

3.2.2 富營(yíng)養(yǎng)化討論

由表3可知潘一礦塌陷水域均達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化水平，其中潘一西區(qū)塌陷水域春季綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)為64.6，屬于中度營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；潘集楊莊塌陷區(qū)水域年綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)為55.8，屬于輕度營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，與張冰等[9]，研究采煤塌陷區(qū)水域影響狀態(tài)一致。由單因子營(yíng)養(yǎng)狀況指數(shù)的計(jì)算結(jié)果，以整個(gè)區(qū)域而言，富營(yíng)養(yǎng)化的主要貢獻(xiàn)因子為SD（最大值73.2和平均值 64.0）和 chla(最高值 65.1 和平均值 63.2)，而 TN（最大值 67.6和平均值 62.7）和 TP（最大值 63.3 和平均值 57.2）次之，CODMn（最大值53.5和平均值50.3）貢獻(xiàn)最小。同一季節(jié)下，其潘一西區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)化程度高于潘集楊莊；不同季節(jié)，潘集楊莊采煤塌陷區(qū)水域春夏季富營(yíng)養(yǎng)化程度相差不大。

4 結(jié)語(yǔ)

文中給出了潘一西區(qū)和和潘集楊莊塌陷塘水域水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)結(jié)果，總體而言，該區(qū)的水質(zhì)整體已經(jīng)達(dá)到輕度富營(yíng)養(yǎng)化的水平以上。雖然目前其富營(yíng)養(yǎng)化程度并不很高，但由于其水深、面積、水量還在不斷變化，且人類活動(dòng)對(duì)塌陷區(qū)的影響日益加劇，對(duì)該區(qū)域的水質(zhì)持續(xù)監(jiān)控及對(duì)周邊污染的防治仍十分重要。

［1］馮娜娜,高良敏,卓利玲.主成分分析法在煤礦塌陷水域水質(zhì)評(píng)價(jià)的應(yīng)用[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,32(2):55-58.

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［7］明翠,劉霄芹,張建輝.湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[J].中閏環(huán)境監(jiān)測(cè),2002,18(5)：47-49.

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