采煤塌陷濕地水質(zhì)與富營養(yǎng)化評價(jià)

徐力力 肖 昕 韓寶周 劉慶峰 肖 雨 成 陽

（1江蘇賈汪資源枯竭礦區(qū)土地修復(fù)與生態(tài)演替教育部野外科學(xué)觀測研究站，江蘇 徐州 221011；2中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3徐州潘安湖濕地公園，江蘇 徐州 221137）

煤炭開采在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，帶來了一定的地表沉陷等問題。據(jù)估計(jì)，每萬噸煤炭開采的平均地表沉陷面積為0.20～0.33 hm2[1]。高潛水位平原區(qū)的采煤塌陷區(qū)容易導(dǎo)致地表水位上升，產(chǎn)生常年性積水，形成煤礦塌陷濕地。

煤礦塌陷湖泊水體營養(yǎng)物質(zhì)增加，會造成水質(zhì)惡化，水體中溶解氧含量減少[2-3]，可能導(dǎo)致水生動物（主要是魚類）因缺氧而死亡，致使水體濁度增加，透明度顯著降低。在富營養(yǎng)化水體中，許多藻類會分泌和釋放亞硝酸鹽等有毒有害物質(zhì)[4]，對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)平衡帶來影響。部分煤礦塌陷湖泊已出現(xiàn)不同程度的富營養(yǎng)化[5-6]。王鐸等[7]對采煤塌陷區(qū)水質(zhì)特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)夏季豐水期水體污染高于枯水期；劉浩天等[8]研究發(fā)現(xiàn)采煤塌陷區(qū)水體在枯水期、平水期和豐水期均處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài)；李軍[9]基于水體營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)3 個(gè)塌陷湖泊的水體營養(yǎng)狀態(tài)分別為中營養(yǎng)—輕富營養(yǎng)、輕富營養(yǎng)和輕富營養(yǎng)—中富營養(yǎng)狀態(tài)；張銀[10]選取5 個(gè)礦區(qū)的塌陷湖泊作為研究站點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)分析評價(jià)，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)塌陷水體主要為Ⅲ、Ⅳ類水質(zhì)，水體基本為重度富營養(yǎng)化。富營養(yǎng)化是煤礦塌陷濕地生態(tài)恢復(fù)和保護(hù)需要考慮的重要問題之一[11]，煤礦塌陷湖泊與地表水系溝通較差，水體交換量較小，一旦發(fā)生污染或者水體富營養(yǎng)化，治理難度較大。

PAH濕地公園是集生態(tài)濕地、人文景觀、游憩及科普功能于一體的綜合性景區(qū)。該濕地公園建設(shè)之前有部分農(nóng)用地，可能存在氮磷污染風(fēng)險(xiǎn)[12]。此外，PAH屬于煤礦塌陷湖泊，雖與外部水體連通，但水利流通量較小，水體易發(fā)生富營養(yǎng)化。劉杰等[13]對礦區(qū)采煤沉陷水域及河流水系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)塌陷區(qū)水體水質(zhì)達(dá)到地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，但周圍河流水質(zhì)僅達(dá)到地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)前期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，PAH 湖區(qū)水質(zhì)較好，周邊支流水質(zhì)差，隨著時(shí)間的推移，支流可能會影響PAH湖區(qū)的水質(zhì)狀況。本研究對PAH的水體進(jìn)行采樣測定，對其水環(huán)境質(zhì)量和水體富營養(yǎng)化程度進(jìn)行評價(jià)，為相關(guān)采煤沉陷區(qū)水體污染綜合防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)基本情況

PAH 濕地位于34°17′～34°32′ N，117°17′～117°42′E，是一個(gè)采礦塌陷區(qū)經(jīng)土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)后形成的人工濕地。作為采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)而設(shè)計(jì)的國家4A 級生態(tài)濕地公園，其濕地水域面積約9.21 km2。

1.2 樣品采集與指標(biāo)測定

基于現(xiàn)場實(shí)地勘察結(jié)果，2023年10月在PAH北湖設(shè)置13 個(gè)采樣點(diǎn)，具體點(diǎn)位見圖1。每個(gè)采樣點(diǎn)使用5 L 有機(jī)玻璃水質(zhì)采樣器在水下0.3～0.5 m 深度采集地表水樣本。測定指標(biāo)包括氧化還原電位（OPR）、水溫（T）、pH、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率（EC）、透明度、深度、五日生化需氧量（BOD5）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）、硝酸鹽氮（NO3-N）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、葉綠素（Chl-a）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和化學(xué)需氧量（CODCr）。水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測方法均參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》。

圖1 采樣點(diǎn)分布

1.3 水質(zhì)評價(jià)方法

（1）單因子指數(shù)法。

式（1）中，Ci為測得的指標(biāo)i含量（mg/kg）為指標(biāo)i的背景值（mg/kg）；Pi為指標(biāo)i的單因子污染指數(shù)。通過單因子污染指數(shù)評價(jià)可確定地下水體中的主要污染因子。Pi≤1 為無污染；1＜Pi≤2為輕度污染；2＜Pi≤3為中度污染；Pi＞3為重度污染。

（2）內(nèi)梅羅污染指數(shù)法。

式（2）中，NPI為內(nèi)梅羅污染指數(shù)，Piave為單因子污染指數(shù)的平均值，Pimax為單因子污染指數(shù)的最大值。內(nèi)梅羅污染指數(shù)法是一種兼顧極值和平均值的計(jì)權(quán)型多因子評價(jià)指數(shù)，NPI≤1 為清潔，1＜NPI≤2 為輕度污染，2＜NPI≤3 為中度污染，3＜NPI≤5 為重度污染，NPI＞5為嚴(yán)重污染。

（3）綜合營養(yǎng)水平指數(shù)。

式（3）中，TLI（Σ）表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，TLI（Σ）＜30 為貧營養(yǎng)；30≤TLI（Σ）≤50 為中營養(yǎng)；50＜TLI（Σ）≤60 為輕度富營養(yǎng)；60＜TLI（Σ）≤70 為中度富營養(yǎng)；70＜TLI（Σ）為重度富營養(yǎng)。TLI（j）代表第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，rij為Chl-a 與參數(shù)j之間的校正系數(shù)，m是參數(shù)的個(gè)數(shù)。以Chl-a 作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式如下。

營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算如式（5），式中各指標(biāo)單位：Chl-a，μg/L；TP，mg/L；TN，mg/L；SD，m；CODMn，mg/L。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法

使用Excel 2019 對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，使用Arcmap 10.8 軟件進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)的空間插值進(jìn)行模擬。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAH湖泊水質(zhì)參數(shù)含量特征

PAH北湖水質(zhì)理化性質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。由表1可見，PAH水質(zhì)理化性質(zhì)中OPR、T、pH、DO、EC、透明度、深度、BOD5、NO2-N、NO3-N、TN、NH3-N、TP、Chl-a、CODMn和CODCr的均值分別為117.82 mv、22.57 ℃、8.74、8.34 mg/L、925.85 μs/cm、35.83 cm、2.21 m、2.86 mg/L、0.006 mg/L、0.15 mg/L、0.67 mg/L、0.01 mg/L、0.16 mg/L、36.69 μg/L、3.62 mg/L和16.0 mg/L。根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838—2002），13個(gè)采樣點(diǎn)中pH、DO、BOD5、TN、CODCr、NH3-N、TP、CODMn指標(biāo)均值均符合地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；13 個(gè)采樣點(diǎn)的pH、DO、BOD5、CODCr、NH3-N 和CODMn指標(biāo)均符合地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；總氮有84.61%的采樣點(diǎn)符合地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；總磷有76.92%的采樣點(diǎn)符合地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。湖泊水質(zhì)理化性質(zhì)指標(biāo)存在不同程度的變異，變異系數(shù)大小可以對水質(zhì)因子的空間差異程度進(jìn)行粗略分級：CV＜0.1 則差異較小，0.1≤CV≤0.3 則差異較大，CV＞0.3 則差異性極強(qiáng)。T、pH、DO 和EC的變異系數(shù)遠(yuǎn)低于其他指數(shù)，均小于0.1，屬于低變異；OPR、透明度、BOD5、NO2-N、TP、Chl-a 和CODMn變異系數(shù)均大于0.1且小于0.3，屬于中等變異；NO3-N、TN 和NH3-N 變異系數(shù)均大于0.3，處于強(qiáng)變異狀態(tài)。

表1 湖泊水質(zhì)理化性質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2 PAH湖泊水質(zhì)參數(shù)空間分布特征

PAH 主要水質(zhì)參數(shù)分布見圖2。pH 和DO 分布較均勻，EC、CODMn和TP 的分布特征為湖東測向湖西側(cè)增高。較CODMn和TP 而言，EC 的變異系數(shù)較低，天然淡水體電導(dǎo)率一般在50～500 μs/cm，礦化水可達(dá)500～1 000 μs/cm[14]。PAH 北湖電導(dǎo)率較高，水中可溶性固體較多，推測原因是該區(qū)域?qū)儆诜忾]型煤礦塌陷湖泊，與周圍水系溝通較弱，水源補(bǔ)給主要來源于大氣降水和地下水補(bǔ)給。經(jīng)查閱資料，研究區(qū)深層地下水電導(dǎo)率范圍為417～2 360 μs/cm，均值為1 076 μs/cm[15]。本次采樣數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)較為接近，故推測湖泊水質(zhì)電導(dǎo)率較高的原因?yàn)榈叵滤炌ㄒ约笆苤車刭|(zhì)、土壤的影響。TN、CODCr總體分區(qū)趨勢為從湖東側(cè)向西側(cè)遞減，TN高值區(qū)位于湖東北側(cè)的1號點(diǎn)、2號點(diǎn)；CODCr高值區(qū)位于湖東南側(cè)10號點(diǎn)一帶。Chl-a分布趨勢與計(jì)算得出的富營養(yǎng)化趨勢一致，由2 號點(diǎn)、7 號點(diǎn)和9 號點(diǎn)向四周擴(kuò)散。

圖2 PAH水質(zhì)參數(shù)空間分布

PAH 濕地公園主碼頭附近為游人密集區(qū)，水域除部分游船外受游人影響較小，這與氧化還原電位分布情況一致。CODMn高值區(qū)位于湖東側(cè)。研究表明畜禽養(yǎng)殖中大約20%的營養(yǎng)物質(zhì)被生物體吸收并轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，其余部分營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體或沉淀在沉積物中，形成內(nèi)源性污染物[16]，故推測湖東側(cè)Chl-a、TN偏高的原因可能是2號點(diǎn)附近的鳥類養(yǎng)殖。

2.3 PAH湖泊水質(zhì)評價(jià)

根據(jù)單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅污染指數(shù)得到研究區(qū)湖泊水質(zhì)評價(jià)結(jié)果（表2）。單因子指數(shù)評價(jià)結(jié)果表明，CODMn、BOD5、TP、NH3-N、TN 和CODCr的單項(xiàng)污染指數(shù)均值為0.91、0.72、0.81、0.01、0.67 和0.80。CODMn、BOD5、NH3-N 和CODCr處于無污染水平，TP 處于輕度和無污染水平的采樣點(diǎn)占比為23.08%和76.92%；TN 處于輕度和無污染水平的采樣點(diǎn)占比為15.39%和84.61%。

表2 PAH水質(zhì)評價(jià)結(jié)果

從整體來看，研究區(qū)各采樣點(diǎn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)范圍為0.65～1.41，水質(zhì)總體上為清潔，高值區(qū)位于2號點(diǎn)附近（1.41）。鳥島周圍水域TN最高，但NO3-N、NO2-N和NH3-N含量總和占比僅為6.1%，表明鳥島周圍水體中氮素主要組成為有機(jī)氮。經(jīng)過實(shí)地考察，2號點(diǎn)上有一動物園，飼養(yǎng)天鵝、麻鴨等游禽，游禽養(yǎng)殖水體與鳥島周圍水域貫通。研究表明，畜禽糞便易于淋溶，其進(jìn)入水體的流失量受當(dāng)?shù)亟涤陱搅鳌⑿笄菸廴疚锓e累量、土壤特性以及技術(shù)措施等影響[17-18]，因此推測2號點(diǎn)周圍水體氮含量較高的主要原因?yàn)轼B類直接排泄以及埋糞區(qū)土壤的淋溶作用。

2.4 PAH湖泊富營養(yǎng)化水平評估

PAH北湖綜合營養(yǎng)水平指數(shù)均值為59.58，表明研究區(qū)水體整體處于輕度富營養(yǎng)化向中度富營養(yǎng)化過渡狀態(tài)。其中，11點(diǎn)號富營養(yǎng)化水平最低，其TLI值為55.48，處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)；2點(diǎn)號的TLI指數(shù)最高，為62.54，為中度富營養(yǎng)化狀態(tài)。除了8點(diǎn)號、11 點(diǎn)號、12 點(diǎn)號和13 點(diǎn)號之外，其余采樣點(diǎn)都處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài)。

在沉積物—水界面上，溶解氧含量直接決定了有機(jī)質(zhì)的礦化速率、功能性微生物的豐度及活性，繼而影響著界面的物質(zhì)循環(huán)過程[19]。本研究測得PAH水體中溶解氧均值為8.34 mg/L。當(dāng)水體中溶解氧含量增加時(shí)，硝化反應(yīng)速率增加，導(dǎo)致硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)換速率增加，氨氮轉(zhuǎn)換速率降低，而硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮的增加為藻類生長繁殖提供了營養(yǎng)物質(zhì)；藍(lán)藻最佳繁殖溫度為25 ℃，高濃度的堿水和豐富的有機(jī)質(zhì)有利于藻類在最佳溫度下生長[20]，這可能導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。根據(jù)以往監(jiān)測數(shù)據(jù)，PAH 水體富營養(yǎng)化程度呈季節(jié)性變化，夏秋季葉綠素含量略高于春季。

湖泊自身深度也可能是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的原因之一。監(jiān)測結(jié)果表明，PAH北湖水深范圍為0.4～5.2 m，屬于淺水湖泊。研究表明，淺水湖泊比深水湖泊容易發(fā)生水體富營養(yǎng)化，并且最大深度小于20 m的湖泊更易發(fā)生水體富營養(yǎng)化[21]。

3 結(jié)論

（1）13個(gè)采樣點(diǎn)的pH、DO、BOD5、CODCr、NH3-N和CODMn指標(biāo)都符合地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；TN有84.61%的采樣點(diǎn)符合地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；TP有76.92%的采樣點(diǎn)符合地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

（2）PAH北湖水質(zhì)屬于地表Ⅲ類水，內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果顯示，湖區(qū)水質(zhì)總體上處于清潔狀態(tài)，無明顯污染源。

（3）從空間分布上看，PAH 污染物分布較均勻，部分污染源有聚集的風(fēng)險(xiǎn)。通過綜合營養(yǎng)水平指數(shù)得知，PAH 北湖水體整體上處于輕度富營養(yǎng)化和中度富營養(yǎng)化的臨界狀態(tài)，其指數(shù)范圍為55.48～62.54，水體富營養(yǎng)化高值出現(xiàn)在鳥島。

綜上，本研究通過對PAH 水體進(jìn)行采樣測定，對其水環(huán)境質(zhì)量和水體富營養(yǎng)化程度進(jìn)行了評價(jià)，為采煤沉陷區(qū)水體污染綜合防治提供參考。