（环境工程专业论文）矿区塌陷塘水质特征综合研究及模糊评价——以淮南谢二矿南塌陷塘为例.pdf

摘要 摘要 煤矿塌陷区是一个自然、社会复合生态系统，塌陷区水质状况是该区域环境 质量的综合反映。为了充分认识这些塌陷区水体，找出该水系相对其它水系的特 殊性，更合理地开发、利用塌陷区水域并使其生态环境和资源向可持续方向发展， 为地方政府合理有效治理塌陷区水域提供基础资料和科学依据。 于2 0 0 4 年4 月一2 0 0 6 年3 月间对谢二矿南塌陷塘进行了详细调查，重点对2 0 0 5 年4 月- 2 0 0 6 年3 月间的理化因子、营养盐指标、微生物学指标的时空变化及其 相互关系进行对比分析，并采用现场调查、检测分析、对比研究的方法，使用 m a r g e l e f 多样性指数法、营养状念综合指数法( t s c i ) 和狄色理论建立数学模型等 对其水体水质状况进行定性分析和定量研究，找出其水体富营养化的影响因素， 探讨该水体水质变化的内在发展规律，并对其水体水质状况进行综合评价与分析。 结果表明，谢二矿南塌陷塘水体c o d 、b o d ；指标已达到或超过了地表水环 境质量标准g b 3 8 3 8 2 0 0 2 的类标准，说明其水体受还原性物质污染较为严 重，需引起重观；t n 、t p 等营养性，染物浓度严重超标，表i 蝎农业面源污染和畜 禽业污染对塌陷塘影响较大：营养私度分析表明其营养水平处于中营养型向富营 养型发展的过度状念；微生物学评价显示其水质变化受环境因素干扰较严重，j 下 在逐渐变差。水质状况综合研究结果表明谢二矿南塌陷塘水体中t n 、t p 值是决定 其水质级别的主要因素，其主要污染物为有机污染物，水质级别总体为中度富营 养( i v ) 型。 图： 3 4 ：表： 2 6 ；参： 7 2 关键词；矿区；塌陷塘；水质；有机污染；环境质量 a b s t r a c t a b s t r a c t m i n i n ge x c a v a t i n ga r e ai sac o e c o s y s t e mo fn a t u r ea n ds o c i e t y , t h ec h a r a c t e ro f w a t e rq u a l i t yi nt h em i n i n gs u b s i d e n c ea r e ai st h ec o n c e n t r a t i n gr e f l e c t i o no ft h e r e g i o n a le n v i r o n m e n t a lq u a l i t y , i no r d e rt od i s c u s st h ed i f f e r e n c eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h ew a t e rb o d yi nt h ep o o l ，f i n do u tt h ei t ss p e c i a lb e t w e e nc u r r e n ts y s t e ma n d o t h e r s ，e x p l o i tt h es u b s i d e n c ep o o l ，m a k et h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dr e s o u r c e l a s t i n gd e v e l o p m e n t ，a n dt h er e f e r e n c ec o u l d b eg i v e nf o rt h el o c a lg o v e r n m e n t i nt h i sp a p e lt h ex i e e re x c a v a t i n gp o n dh a sb e e ni n s p e c t e da n ds t u d i e dd u r i n g t h ey e a r2 0 0 4 4t o2 0 0 6 3 ，e s p e c i a l l y , t h ec h a n g eo ft h et i m e s p a c ea n di t sr e l a t i o n s h i p o ft h ep h y s i c o c h e m i c a lf a c t o r s ，n u t r i t i o n a ls a l ta n dt i n yo r g a n i s mi n d u c eh a v eb e e n a n a l y z e d ，i n t h em e a n t i m e ，t h es t a t eo ft h ew a t e r q u a l i t y h a sb e e ns t u d i e d c o m p r e h e n s i v e ly iu s i n gf i e l ds u r v e y , t e s t i n ga n a l y s i sa n dc o m p a r i n gs t u d y , c o m b i n i n g w i t hm a r g e l e fm u l t i p l ei n d e x ，t r o p h i cs t a t u so fc o m p r e h e n s i v ei n d e x ，f u z z yt h e o r y t 0s e tu pm o d e lt or e s e a r c ho nt h ew a t e rq u a l i t y , t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h ee u t r o p h i c h a sb e e nf o u n do u t ，a n dt h ei n h e r e n tl a wh a sb e e nd i s c u s s e d ，a n dt h es t a t eo ft h ew a t e r q u a l i t yh a sb e e ne v a l u a t e da n da n a l y z e d t h ec o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w ：t h ei n d i c a t r i xo fc o d ，b o d 5i nt h e w a t e rb o d yi nx i e e rs u b s i d e n c ep o o lh a v eb e e no na n de v e no nt h ea b o v et h et r u eu p a c c o r d i n gt o t h e ，a n ds h o w st h a ti ti sc o n t a m i n a t e db yt h er e d u c t i v em a t t e ra n d t h ec a r en e e dt ob eg i v e n t h en u t r i t i o n a lc o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n to ft n ，t pe t c h a s b e e ne x c e e d e dt h es t a n d a r dm o r e ，s h o w st h a ti ti si n f l u e n c e db yt h ea g r i c u l t u r ea r e a p o l l u t i o ns e r i o u s l y t h ea n a l y s i so ft r o p h i cl e v e ls h o w st h a tt h en u t r i t i v el e v e l i s g e t t i n gm i d n u t r i t i o nt oe u t r o p h i cs t a t e ，t h ee v a l u a t i o nb ym i c r o b i o l o g ys h o w st h a tt h e w a t e rq u a l i t yh a sb e e nb a c k d r o p e dc a u s e db yt h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r sm o s ta n di s g e t t i n gw o r s ea n dw o r s e t h ec o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho nt h ew a t e rq u a l i t ys h o w st h a t t h ev a l u eo ft h ei n d u c eo ft n t pi nx i e e rp o n di st h em a i nf a c t o r sw h i c hd e t e r m i n e d t h eg r a d eo ft h ew a t e rq u a l i t y ，a n dt h em a i np o l l u t i o no ft h ew a t e rb o d yi so r g a n i c c o n t a m i n a n t ，t h eg r a d eo fw a t e rq u a l i t yi sm i d - e u t r o p h i cs t a t e ( r ) t o t a l l y 1 1 a b s t r a c t f i g u r e ：【3 4 】：t a b l e ：【2 6 】；r e f e r e n c e ：【7 2 】 k e y w o r d s ：m i n i n ga r e a ；s u b s i d e n c ep o n d ；w a t e rq u a l i t y ；o r g a n i cc o n t a m i n a n t ； e n v i r o n m e n t a lq u a l i t y ； i h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞丝堡三太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 、i 学位论文作者签名：? 擞 日期：莎堑复年一占月j 珀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文的规足， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于塞徼堡王太 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学可以将学位论文 啪全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存，汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本 授权书) 学位论文作者签名 导师签名： 签字日毽多椤年z 月日 签字日期：弘9 年月f 日 引言 引言 随着人类文明的进步，经济的发展，人类也为高速的经济发展付出了环境代 价。资源被过渡利用，环境进一步恶化，水资源短缺和水污染状况越来越严重。 水环境质量恶化，大气污染加剧，固废堆积、垃圾围城，噪声污染普遍超标，农 业污染日趋严重，森林匾乏、草原退化，水土流失有增无减，荒漠化不断扩展， 生物多样性减少，地质灾害频繁。近年来淮南的煤炭开采规模逐年增大，煤炭的 大量开采在给人们带来巨大经济效益的同时也带来了许多环境问题，其中采空区 的大量塌陷，不仅造成了地面环境景观的破坏，毁坏耕地与植被，而且造成大面 积积水，给当地人们的生产、生活带来了许多不便j 。 目前国内外在矿区采煤塌陷塘水体水质变化方面的研究还处于起步阶段，本 研究是在国内外研究淡水水体水质状况的理论基础和分析方法上，针对矿区的具 体情况和本研究的实际特点，采用现场调查、检测分析、对比研究的方法，并结 合其水体的物理、化学和生物学指标，采用m a r g e l e f 多样性指数法、营养状态 综合指数法( t s c i ) 和灰色理论建立数学模型等对淮南矿区塌陷塘水体水质状况 进行定性分析和定量研究，分析影响该水体水质各指标的时空变化，以及其水体 富营养化的影响因素，探讨该水体水质变化的内在发展规律，并对其水体水质状 况进行综合评价与分析。 为了搞好矿区环境的综合治理及开发利用和美化环境，了解塌陷塘水体水质 变化情况，确定水体水质的污染程度、类型及发展趋势等，在2 0 0 4 - 2 0 0 5 年度 研究的基础之上，在安徽省高校省级自然科学研究重点项目( 2 0 0 6 k j 0 0 9 a ) 以及安 徽省高校“十五”学科拔尖人才基金的资助下，2 0 0 5 2 0 0 6 年度，本文就矿区塌 陷塘水体水质状况作进一步研究，进行综合评价，为地方政府开发、利用和控制 塌陷塘资源，实现亭会经济与环境的和谐、可持续发展提供决策依据。 安徽理工大学硕士论文 1 1 研究的目的和意义 1绪论 水是我们人类非常宝贵的自然资源，它不但是世界上一切生命赖以生存的源 泉，而且也是人类远古文明的发展摇篮。古往今来，有多少文人墨客赞美和讴歌 奔流不息的江河，古埃及人把尼罗河比做母亲，中华民族把黄河喻为华夏民族的 发源地，就是因为水孕育了生命和人类文明。河流哺育着人类，人类依水而居， 在水源的基础上日益繁荣，但是，随着经济的发展、人口的增长，人类对资源的 消耗和需求在不断的增加，各种废水的排放量也不断增加，从而加剧了水体富营 养化进程。早在上世纪5 0 6 0 年代，国际上许多大型湖泊、水库己呈现出富营养化 ( g u t r o p h i c a t i o n ) 的征兆。水体富营养化是由于径流对地表的冲刷、淋溶，雨水 对大气的淋洗，以及各种生物活动产生的废、污水流入湖泊，导致氮、磷等植物 营养元素在湖泊中汇聚沉积引起的，如果这些元素之间的比例、存在形式等适宜 水生植物利用，在光照和环境条件适宣的情况下，就会引起藻类及其他浮游生物 迅速繁殖，藻类死亡后，又促使分解藻类的异养微生物大量繁殖，水体溶解氧量 下降，水质恶化，鱼类及其它高等水生生物大量死亡，水生生态结构被破坏，这 就是水体富营养化现象。水体的富营养化进一步发展，会使得水体沼洋化，并最 终导致水体的消亡。在自然条件下，这种过程j l 常缓慢，常需几千年甚至上万年。 近年来许多发达国家由于工业、农业、牧业与人类活动而产生的大量营养物排入 水体，使水体急剧富营养化。有人曾对2 1 世纪中国环境所面l 临的形势进行了总体 预测：进入2 l 世纪，我国“第一代”的环境问题远未解决，“第二代”的环境问题 撄踵而来；环境污染严重，生态破坏令人担忧：国内环保任务日益艰巨，全球环境 外交压力逐步升级。形势十分严峻，可以说这将是面临最为严峻的阶段【l 叫。 煤炭工业是我国国民经济的支柱产业之一，大规模煤炭开采所造成的地表塌 陷已是矿业城市的重要环境地质灾害。煤炭生产在带来巨大经济效益、推动社会 发展的同时，也给生态环境带来了巨大的压力，矿区“环境”透支现象相当严重 o 。地处安徽省中北部的淮南市是一座以煤炭为主体的能源型城市，由于横跨淮 河两岸，河网众多，地下水位埋藏较浅，塌陷区大面积积水，并随开采规模的扩 大，积水面积逐年增长。目前，塌陷塘的利用有多种情形，如供水水源、纳污、 渔业养殖、灌溉等【，_ 7j 。 淮南矿区自上个世纪建设首座煤矿以来，至今已有近1 0 0 年的煤炭歼采历史。 1 绪论 解放后淮南矿区共恢复与新建国有重点煤矿1 9 个，年生产能力为2 9 7 5 万吨，核 定年生产能力为3 2 6 0 万吨，尚未利用9 8 2 5 亿吨( 精查储量4 0 2 7 亿吨，详查为 8 7 4 亿吨) ”。淮南矿区长期、大面积的地下开采，形成大范围的采煤塌陷区。 由于淮南市地下水位埋藏较浅，沉陷区形成的塌陷塘数量亦众多。经调查统计， 淮南矿业集团现有矿井占地总面积3 0 1 1 2 k m 2 ，采煤塌陷区总面积已达5 2 0 2 k m 2 ( 不含谢桥矿) ，占井田总面积的1 7 3 ，其中积水区面积9 2 1 k m ，占塌陷面积 的1 7 7 ；经统计数据计算，平均每生产1 万吨煤炭就发生0 。1 6 4 6 h a 土地塌陷， 随着煤炭产量的增加，每年至少增加4 0 0 多h a 的塌陷地阐。 矿区采煤塌陷塘是煤炭生产建设的产物，是煤矿开采造成的重要地质灾害之 一。近年来随着采煤力度的加大，采煤塌陷区不断扩展，致使矿区生态环境不断 恶化，由此形成的采煤塌陷塘数量众多，目前已成为淮南市地表水系的一种特殊 组成部分【6 圳。因此，研究采煤塌陷塘的水生态环境状况，了解塌陷塘水体水质变 化情况，研究其富营养化影响因予，确定水体水质的污染程度、类型及发展趋势，- 并对其水体水质状况进行综合评价等显得十分必要；为尽快开发、利用和控制塌 陷塘资源，并使其水体生态环境和水资源向可持续发展的方向演交以及为地方政 府开发、利用和控制塌陷塘资源，实现社会经济与环境的可持续发展提供决策依 据；另外。本研究所构建的采煤塌陷塘水体水质变化的评价模型将极大丰富国内 外在淡水水域生态环境研究方面的基本理论，也将为内陆河流淡水水质方面的研 究开辟一个新的领域，同时为今后从事该方面的研究者做有意义的探索。由此可 见，开展矿区采煤塌陷塘水体水质状况的综合评价和研究是十分必要的，具有重 要的理论和实际意义。本学位论文重点对采煤塌陷塘水体水质状况进行综合研究， 以谢二矿采煤塌陷塘( 简称：谢二塘，以下同) 为例。 1 2 研究内容和技术路线 1 2 1 主要研究内容 1 调研及分析 对选择的塌陷区水域和非矿区湖泊的周边环境状况、水的补给和排泄情况、 气候条件及其相关产业情况等进行调研；塌陷塘和湖泊的深度、面积、水体稳定 性( 永久性积水区域或季节性积水区域) 及其与周围的水力联系( t k 文条件) 、 塌陷时间的调查；气候方面的资料如：降水、季年温度、潜水位等：过去各年度、 各塌陷塘水质状况资料研究；周围污染源状况( 水质是否受影响) ；与附近河水 安徽理工大学硕士论文 水质状况的对比分析。 2 塌陷塘的水动力条件研究 由于局部地层条件不同或断层对地下水的影响，水质类型互相掺混。在地质 构造影响下，不同水层相联。塌陷水域是由于煤矿开采以后，造成地表下沉低凹 积水而形成的类似湖泊的封闭水体，其水域系统一般为封闭系统，不与外界漉通， 有毒物不易排除，受煤炭粉尘和周围环境影响较大【4 j ；采煤塌陷在地下水位相对 较高的低洼矿区，表现为下沉盆地积水，常形成积水塌陷坑或季节性积水塌陷坑， 淹没耕地，造成绝产：由于原有地形不同，地下采煤层数及总采高不同，当汇水 面积达到定程度，特别是水源( 雨水、矿井水、其它水源) 对坑内的补给大于 漏失量( 透入量) 、蒸发量和外泻量，就会出现常年积水现象，因此，按积水区水 体的稳定性可分为：季节性积水和常年( 永久性) 积水1 6 1 。 从存在的水力联系来看，塌陷积水区可以划分为：封闭式积水区和开放式积 水区，这主要取决于塌陷区的水文地质条件，如：濒临淮河地段的塌陷积水区( 如 孔集、李嘴孜矿) ，其积水通过砂层与淮河水有补给关系，其积水来源分别为：封 闭式积水区积水多为自然降水、生活污水、井矿排水及农田肥水；开放式积水区 积水除封闭式积水区积水来源外，还兼有地下水或地表径流的补给；由于各塌陷 积水区所具有的水文地质条件比较复杂，应视具体情况而定，一般封闭式积水区 受季节性气候的影响比较严重1 7 叫。淮南的采煤塌陷水域多为相对封闭性水域，按 积水情况，可将塌陷积水区分为：长年积水深度大于3 m 的深水区、长年积水深度 在1 3 m 的浅水区、季节性积水、因盐渍和水涝而荒芜的荒滩区【6 】。 3 塌陷塘的水生态环境研究 矿区采煤塌陷塘是煤炭生产建设的产物，是煤矿开采造成的重要地质灾害之 一。近年来随着采煤力度的加大，采煤塌陷区不断扩展，致使矿区生态环境不断 恶化，由此形成的采煤塌陷塘数量众多，目前已成为淮南市地表水体的一种特殊 组成部分。因此，研究采煤塌陷塘的水生态环境状况，了解塌陷塘水体水质变 化情况和浮游植物的种类组成及其对矿区生态环境的响应，寻求塘内浮游植物演 替的主要驱动因子及所指示的水域营养状况，确定水体水质的污染程度、类型及 发展趋势等显得十分必要， 对采煤塌陷区的自然地理、水域的形成概况，影响塌陷塘水体水生生态环境 的主要因素等进行合理的研究。 对选择的塌陷区水域和非矿区湖泊的周边环境状况、水的补给和排泄情况、 气候条件及其相关产业情况等，进行调研；按事先拟定的方案分别取样( 按月进行， 4 1 绪论 连续1 年) ，并测定水环境理化因子指标，鉴定浮游生物群落的组成、优势种和叶 绿素a ，综合分析其时、空变化( 平面分布、垂直分布、年际变化、季节变化和昼 夜节律等) 规律，从而对塌陷塘水生态环境状况和水质变化情况进行综合评价。 4 塌陷塘水体水质状况综合研究 ， 为了反映塌陷塘水质污染状况，这里选择了谢二塘的2 0 0 4 3 - 2 0 0 6 3 期间实 测资料的具有代表性的指标进行动态对比和评价，以了解谢二塘水体水质污染状 况及其内在变化规律。根据矿区塌陷塘的具体情况，参照国内外内陆淡水湖泊的 评价标准，并结合我们的具体研究，这里选择了具有代表性的指标：p h 值、透明 度、d o 、b o d ；、c o d 。，总磷、总氮、叶绿素a 、氯化物、总硬度、微生物指标等， 水质评价标准的确定，按照国家环保总局发布的地表水环境质量标准 g b 3 8 3 8 2 0 0 2 的地面水环境质量标准q ，i i i 类水为主要评价标准依据沙1 3 1 。 通过调查、检测分析，确定塌陷塘水体营养状况及合适用途，研究各指标的 时空变化、塌陷塘的富营养化状态情况和其水质影响因素，利用灰色理论建立数 学模型对其水质状况进行综合分析和科学预测，分析水体水质受污染状况，确定 塌陷水域的水质标准( 营养化标准) ，制定相关的保护对策；并进行综合评价，为 决策者提供合理的决策依据。 1 2 2 研究工作量 对选择的塌陷区水域和非矿区湖泊的周边环境状况、水的补给和排泄情况、 气候条件及其相关产业情况等，进行调研；查阅大量的相关资料，进行了充分的 调研，对采煤塌陷塘的深度、面积、水体稳定性( 永久性积水区域或季节性积水 区域) 及其与周围的水力联系( t k 文条件) 、塌陷时间的调查；气候方面的资料 如：降水、季年温度、潜水位等；过去各年度、各塌陷塘水质状况资料研究；周 围污染源状况( 水质是否受影响) ；与附近河水水质的对比分析等。 按事先拟定的方案分别取样，并测定水环境理化因子指标，鉴定浮游生物群 落的组成，优势种和叶绿素a ，对所获得的数据进行统计整理，综合分析其时、空 变化( q z 面分布、垂直分布、年际变化、季节变化和昼夜节律等) 规律，同时建立 合适的数学模型进行合理的分析，从而找出其水体水质变化的规律特征。 找出影响其水域水质的主要因子，进一步分析矿区塌陷塘水域水质变化规律， 从而找出矿区采煤塌陷塘水域水质状况特征：进而为矿区塌陷塘生态评价、制定 开发、利用和调控塌陷塘生态资源的对策提供依据。为控制塌陷塘的富营养化程 度，合理引导渔业生产，促进水域生态环境状况的改善等工作提供科学依据。 5 安徽理工大学硕士论文 1 2 - 3 研究技术路线 根据所选矿区塌陷塘的地理位置，并依照现有的试验条件和基金项目的研究 目标，我们采用的技术路线如图l 所示： 采煤塌陷塘 0 i 微生物指标理化指标 j 000 0 l 獭物ll 浮游植物il 叶绿素all 常黼li 营养盐指标 lil1l 空间变化时僦营养状态水域环境水掀状况 士 lij 衬旨标单项评价 f 各燃台分析| | 综合营养状态指数l 模糊模型评价 j 水房特征综台分析 工 结论与研究展望 图1 技术路线 f i g1 t e c h n i c a lc i r c u i td i a g r a m ， 1 3 研究的理论背景及研究现状 1 3 1 研究理论背景 矿区采煤使岩层冒落塌陷，形成大片地面沉降区采煤塌陷区。采煤塌陷 区相对沉降较深的区域，迸一步形成水域。淮南矿区的采煤塌陷形成特征有二： 一是淮河南岸西部的谢家集区，由于多煤层重复采动影响，加之各矿井的井筒距 离较近，开采强度较大。因此，各煤矿的主幅井筒形成疏干漏斗；这些因素的存 在，致使谢家集一、二、三矿的工业广场，5 0 年代以来地面普遍下沉；二是在缓 6 1 绪论 倾斜煤层采空后，形成大面积塌陷区；淮河南岸西部矿区的李郢孜、孔李嘴孜矿 区，以及已报废的东部矿区大通与九龙岗矿区，分别为缓倾斜与急倾斜煤层 矿井，这些矿区的采煤塌陷区狭长，相对沉降较深；缓倾斜煤层采后形成的塌陷 区相对地面沉降8 - 1 0 m ，孔集、李郢孜、九龙岗等急倾斜煤层矿井的塌陷深度局 部达2 2 m 以上【6 l 。 淮南市主要地表水系是淮河，淮河发源于河南省桐柏山，流经河南、安徽、 江苏、山东四省，是我国五大水系之一，也是全市工农业生产与人民生活的主要 水源。淮河在淮南境内的主要支流有：济河，西淝河，东淝河、岗河、架河、泥 河、黑河；由于治理淮河，开源截流，因而沿淮河河低洼地带形成：焦岗湖、瓦 埠湖、花家湖、湖大涧，高塘湖等1 2 个湖泊；此外，还有南塘、丁山、乳山，罗 山、泉山、曹岭等6 座水库，以及大通、谢家集、八公山、潘集矿区形成的采煤 塌陷水域；根据地质构造与新地层情况，目前，淮南老矿区划分为三个水文地质 单元：一是东部舜耕山地区，二是二道河区，三是新庄孜、谢家集、李郢孜区； 水质类型，主要根据所处岩层而异，根据矿区历年来8 9 5 个水文观测孔( 点) 的 水质分析资料，地下水主要划分为4 个水质类型： 煤系砂岩水： h c o , 】n li 型i 太原统石灰岩水： h c 0 3 e i i 型 中奥陶统石灰岩水： n c o ， c 。i 一型 寒武纪鲕状石灰岩水： h c o , c 。i i i 型【6 】。 由于局部地层条件不同或断层对地下水的影晌，水质类型互相掺混，在地质 构造影响下，不同水层相联；塌陷水域是由于煤矿开采以后，造成地表下沉低凹 积水而形成的类似湖泊的封闭水体，其水域系统一般为封闭系统，不与外界流通， 有毒物不易排除，受煤炭粉尘和周围环境影响较大哪】煤矿塌陷区水域的特殊性在 于：煤矿塌陷区水的补给来源复杂。它既是地表径流和浅层地下水的汇集地， 也接受矿区居民生活污水、矿井排水、生产废水的排放，水生生物种群、数量以 及水的营养状态都有别于其它地表水体；动态变化。随着煤矿开采面积的扩大 和多层煤开采，塌陷区水深、水淹面积都在不断增大，水生生物种群、数量以及 水的营养状态都处于动态变化之中；煤矿塌陷区水体水质变化和生态系统特征， 与煤炭生产规模、服务年限、不同时期煤矿相关产业的兴起与发展密切相关 1 3 - 1 6 l 。 淮南矿区煤炭开采历史悠久自1 9 0 9 年建设首座煤矿以来，至今已有9 0 多 年的开采历史，淮南矿区长期、大面积的地下开采，形成大范围的采煤塌陷区； 由于淮南市地下水位埋藏较浅，沉陷区形成的塌陷塘数量办众多，经调查统计， 7 安徽理工大学硕士论文 淮南矿业集团现有矿井占地总面积3 0 1 1 2 k i n 2 ，采煤塌陷区总面积已达5 2 0 2 k m 2 ( 不含谢桥矿) ，占井田总面积的1 7 3 ；其中积水区面积9 2 1 k m z ，占塌陷面积 的1 7 7 ；经统计数据计算，平均每生产1 万吨煤炭就发生0 1 6 4 6 h a 地塌陷， 随着煤炭产量的增加，每年至少增加4 0 0 多h a 的塌陷地【6 】。大通矿区塌陷塘目 前有部分已被垃圾填埋，部分养鱼，部分闲置，水位较深，亟积不大，周围为农 田，塌陷时间长达1 0 0 多年。谢家集矿区( 谢二) 塌陷塘面积很大，水深，有渔 船，养鱼，附件为农田，北面是道路。潘集矿区( 潘三) 塌陷塘面积较大，但水 位不深有2 3 m ，北邻泥河，受河流水位影响较大，由于塌陷时间不长，故还未 进一步开发利用，煤矿开采时间在1 9 9 6 年左右，其中还可见塌陷的房屋和树木， 附近还有居民住宅，大部分为农田环绕；老潘集南已深挖作为鱼塘之用，大郢秦 家区为湿地 6 , 1 6 1 水质变化对水生生物群落的影响通常表现在生物群落结构的变化和功能的改 变两个方面：结构变化的标志如群落组成成分的缺损，组成生物群落的种类和种 群数量的增减，某些有指示价值的种类( 如对某种污染有耐性或敏感的种类) 的 出现成消失，生物自养异养程度的变化等；功能变化的标志表现在生产力高 低程度的改变；群落中种群的多样性是反应群落功能的生物学特征，多样性大的 群落，具有更复杂的营养通道，更多的营养链和侧链，与密度有关的种群控制机 能可通过多途径起作用，群落的稳定性也就越大；一股情况下，自然生物群落往 往由较多个体数的少数种和较少个体数的多数种组成，当水体水质受到污染后将 导致群落中生物种类减少，降低种间竞争的相互作用，使留下的面污种类的个体 数增多，以致受污染水体中生物的多样性比正常环境水体内少，而其重复性高 1 1 7 - 曲1 ，因此，利用水生生物群落结构的变化可作为评价水质的生物学指标。另外， 近年来邹锐、张颖、杜宝汉等人提出利用灰色理论建立合适的隶属函数模型，在多 目标综合指数评价决篆距阵中确定最佳局势，以确定水体水质污染程度。 关于水体污染的确切涵义目前国内外的无统一的定义。中国大百科全书( 环 境科学) ( 1 9 8 3 ) 对地面水体污染的解释是：“人类直接或间接地把物质或能量引 入河流、湖泊、水库、海洋等水域，因而污染水体和底泥，使其物理化学性质、 生物组成及底质情况恶化，降低了水体的使用价值”；梅思斯教授( 德国， g m a r t h e s s ) 在地下水性质( t h ep r o p e r t yo fg r o u n d w a t e r ) 一书中写到：“受 人类活动污染的地下水，是由人类活动直接或间接引起总溶解固体及总悬浮固体 含量超过国内或国际上制定的饮用水和工业用水标准的最大允许浓度的地下水： 不受人类活动影响的天然地下水，也可能含有超过标准的组分，在这种情况下， 8 1 绪论 也可据其某些组分超过天然变化值的现象而定为污染”；中华人民共和国水污 染防治法( 1 9 8 4 ) 对“水污染”的说明：“水污染是指水体因某种物质的介入，而 导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特性的改变，从而影响水的有效利用， 危害人体健康，破坏生态环境，造成水质恶化的现象”；由上所述可知，水污染 一是水体在受到人类活动影响后，改变了水体的自然状态；二是水体受人类活动 影响后，水质向恶化方向发展，超过了水体自净能力，而不能自然恢复；三是水 体受人类活动影响后，降低了水体的使用价值，或失去使用价值：四是水体受人类 影响后，破坏了水环境功能，恶化生态环境质量，威胁人类健康，乃致生存。所 以，水污染影响水体自然功能和用途，危害生态系统良性循环，水污染、水环境 恶化已严重地影响我国水资源的可持续利用，威胁社会经济的可持续发展。 淮南矿区的煤炭开采主要是井下开采，井下开采对生态环境的影响主要表现 为：土地沉陷，煤矸石排放压占土地，破坏景观，矸石淋溶水污染周围水环境， 井下开采导致地下水疏排影响区地下水资源环境，以及对地面建、构筑物的损坏 等，塌陷积水区水源为浅层地下水和大气降水补给，故土质不可避免地影响其水 化学成分，并且水体底泥主要为塌陷的土地，因此塌陷塘水化学成分的形成亦受 控于土壤矿物化学成分；其原生地球化学特征为1 w l 谢家集区石灰岩丘陵坡鹿 的岩土类型为石灰土，岩石矿物成分主要为：石灰岩，白云岩，大理岩，含钙质、 铁质结核，主要化学元素有：c a 、c 、m g 、f e 、r e 、t i 等；其次生地球化学特征【s j 淮南市区表现最为突出的是：污水灌溉和固体废弃物。由于塌陷塘为农田所 包围，农药、化肥和污水灌溉严重地影响塘中的水质；加之塌陷塘处于煤矿周围， 矸石山大量堆积，经日晒、风化、淋溶后带入水体中，造成土质和水质的改变。+ 1 3 2 研究现状 目前国内外在矿区采煤塌陷塘水体水质状况方面的研究还处于起步阶段，本 研究是在国内外研究淡水水体水质状况的基础上开展的，淡水水体营养化程度是 研究淡水水体水质变化规律的重要方面，其水体富营养化是水质变差的主要问题， 之一。水体富营养化是由于营养物质在水中积蓄过多，造成水体生产力从低的贫 营养状态逐步向生产力高的富营养状态过度的一种现象。水体生产力发展的进程 可能仅与个别营养元素的含量有关，尤其是受那些生物限制性营养元素的影响最 大，当限制性营养元素的含量处于某一营养型要求的范围，它就可能呈现该类营 养类型【2 1 2 酗。基于这样一些理论，早期的学者如日本的吉村( 1 9 3 7 ) 、美国的s a w y e r ( 1 9 4 7 ) 及加拿大的v o l l e n w e i d e r ( 1 9 6 7 ) 等人都根据自己的研究工作给淡水湖 泊营养进行分级。随着近些年来对湖泊研究的深入，人们越来越认识到：一个湖 9 安徽理 大学硕士论文 泊的营养类型不应仅仅是个别营养物质的量度，而应该除个别营养元素以外，还 包括某些化学、生物甚至物理感官等诸项目的综合反映和体现。在拟定该类标准 中，g e k s t a t t e r 、j ，r g e n s e n 、c a r l s o n 和相崎守弘等人所制定的评价标准为人 们应用较广，尤其是日本的相崎守弘等人选用以叶绿素a 为基准的营养状态指数， 比较好地体现了综合评价的特点“4 。彭苏萍( 2 0 0 2 ) 应用遥感技术对淮南煤矿区 6 年间积水塌陷塘水体变化情况进行动态监测，结果表明：在1 9 9 2 年淮南矿区积 水塌陷面积为6 7 0 9 h a ，到1 9 9 8 年底为7 8 5 9 h a ，6 年问增加了1 1 5 0 h a 。其发展速 度之快，令人瞩目；塌陷塘不断扩展，致使矿区生态不断恶化，必将制约矿区经 济和社会发展到目前为止，淮南市境内总塌陷面积约为1 l o k m 2 6 2 7 1 。 由于人口增长、经济发展，给水资源环境带来了巨大压力，全国污染物排放 量还很大，水污染程度仍处在相当高的水平：据近年对全国江河湖库水质监测评 价，九大水系干流中，只有6 0 2 的河段水质达到或优于国家地表水环境质量标 准i i i 类，另有1 6 8 的河段水质处于超v 类水标准，各大淡水湖泊均受到不同 程度污染，一些湖泊呈富营养化状态，水库水质状况亦不容乐观，营养化程度加 剧；沿河口地区和城市附近海域污染发生频次增加，面积扩大，2 0 世纪6 0 年代 前在我国海域很少见到的赤潮，现在赤潮发生不仅次数频繁，面积辽阔，且时间 拉长，水污染严重己成为我国许多地区和城市生存和发展的巨大障碍；随着认识 水平的提高及对环境、水资源等问题的重视，人们逐渐意识到水质及水生生物的 重要性。蔡庆华和刘健康等人曾提出水资源应明确包括水量、水质、水能和水生 生物四大要素，这种观点与传统观点的不同在于强调水质和水生生物 2 4 , 2 8 删的重 要性。 水质变化对水生生物群落的影响通常表现在生物群落结构的变化和功能的改 变两个方面：结构变化的标志如群落组成成分的缺损，组成生物群落的种类和种 群数量的增减，某些有指示价值的种类( 如对某种污染有耐性或敏感的种类) 的 出现成消失，生物自养异养程度的变化等：功能变化的标志表现在生产力高 低程度的改变；群落中种群的多样性是反应群落功能的生物学特征，多样性大的 群落，具有更复杂的营养通道，更多的营养链和侧链，与密度有关的种群控制机 能可通过多途径起作用，群落的稳定性也就越大；一股情况下，自然生物群落往 往由较多个体数的少数种和较少个体数的多数种组成，当水体水质受到污染后将 导致群落中生物种类减少，降低种间竞争的相互作用，使留下的面污种类的个体 数增多，以致受污染水体中生物的多样性比正常环境水体内少，而其重复性高 3 1 0 3 l ，因此，利用水生生物群落结构的变化可作为评价水质的生物学指标。另外， 】绪论 近年来邹锐、张颖、杜宝汉等人提出利用灰色理论建立合适的隶属函数模型，在多 目标综合指数评价决策距阵中确定最佳局势，以确定水体水质污染程度。 针对淮南矿区采煤塌陷塘不同的塌陷时间序列，对各塌陷塘的水域面积、水 深、水力条件及其周遍环境影响因素进行了大量的调研，经综合分析，选择具有 代表性的谢二塘，来分析其水体水质变化情况，并进行综合评价。谢二塘位于淮 河以南谢家集区境内，矿井始建于1 9 5 4 年，1 9 5 5 年建成投产，1 9 5 7 年即出现塌 陷，井田面积5 7 k m 2 ，矿井于2 0 0 2 年破产。塌陷塘面积较大，约为1 2 8 0 0 0 m 2 ，水 体最大深度为2 2 1 m ，现做养鱼利用，附近为农田，向北面临公路”1 。 安徽理工大学硕七论文 2 1 自然地理概况 2 1 1 地理位置 2 塌陷区水域概况 淮南采煤塌陷区地处淮北平原南缘，属亚热带和暖温带过度地带，为大陆一 一海洋过度性、暖温带半湿润季风气候区。地势由西北向东南微微倾斜，坡度为 万分之一。成土母质为寒武纪石灰岩，形成本区地带性黄壤黄棕壤，本区土 壤总的说来，有机质含量偏低，速效磷含量偏少，氮磷比不协调，含钾量较丰富； 谢二矿位于淮河以南谢家集区境内，该区属亚热带与暖温带过渡地带，为大陆一 一海洋过渡性、温暖带半湿润季风气候区；本区内季节分明，季风显著，光j ! 充 足，太阳辐射总量约为1 2 0 1 3 0 k c c m “”。 淮河由西向东横穿全市，淮河北岸为地势平坦的淮北平原，淮河南岸为丘陵 地区。市区由丘陵到淮河，自南向北依次递减为斜坡、洪冲积二级阶地、淮河冲 积一级阶地、淮河滨河床滩。地貌类型分丘陵、岗地、河谷平原、河间浅洼平原、 河流湖库等“1 。 谢二矿于1 9 5 6 年开采，6 0 年代后期即出现塌陷，其中南大塘塌陷水域面积为 1 9 1 4 亩( 约合1 2 8 0 0 0 m 2 ) ，据资料表明，最大塌陷深度为2 1 1 m ，我们所监；9 1 ；i 的 最大水深值为1 1 3 m ，目前作养鱼利用，附近为农田，北临公路，西南侧为居民 区；该矿于2 0 0 2 年破产，但附近有小型的煤矿仍在开采，开采中的矿井水有部分 排入该塘，另有麻纺厂废水和附近居民生活污水排入。且静南大塘塌陷水域仍在 继续逐渐塌陷。4 川。 2 1 2 气象环境 淮南市地处亚热带与暖湿带的过度带，属暖温带半湿润大陆性季风气候区 6 , 3 2 i 。基本特征是：春暖、夏热、秋凉、冬冷，四季分【| 月，气候温和，光照充足， 热量丰沛，无霜期长，季风显著，雨热同季。年内冬季：受北方冷空气的控制， 晴日多，气温低，降水少：春季：气温回升快，降水耋? 逐渐增多，受南北冷暖空 气活动影响，天气多变，气温不够稳定；夏季：受副热带高压控制，气压偏低， 高温多雨：秋季：晴朗天气偏多，有时秋雨连绵。 淮南近五年平均气温1 6 3 ；最热为7 月份，历史杉端最高气温4 1 2 ( 1 9 5 9 2 区水域概况 年8 月2 3 日) ；最冷为1 月份，历史极端最低气温- 2 2 2 c ( 1 9 5 5 年1 月6 日) ；昼夜温差大，一般昼间气温高于夜间，市中心区域气温高于郊区；日内最高 气温出现在1 4 时左右，最低气温出现在日出前”。 1 9 5 5 2 0 0 0 年，全市平均降水量9 3 9 3 m m 本特征是：降水年季变化大，季节分 配不均匀，冬季于冷，夏季多雨；历年月平均最大降水量5 2 1 2 m m ( 1 9 5 6 年6 月) ， 历年月平均最小降水量0 o m m ( 1 9 6 3 年1 月) ；历年平均雨日1 0 7 1 日，历年日最 大降水量1 4 5 o m m ：历时( 1 小时) 最大降水量7 7 5 m m ( 1 9 6 0 年7 月1 5 日) ，历 年一次最大降水量1 1 6 6 m m ( 1 9 6 8 年6 月，历时1 4 时1 3 分) ；历年最多雷暴雨日 数5 2 日( 1 9 6 1 年) ，历年最少雷暴雨r 数1 6 日( 1 9 7 6 年) i 年内5 - 9 月为雨季， 其中：6 7 月为梅雨期，6 坷月为汛期；- 年丙低温变化趋势与气温大体相同“1 。 淮南市的全年平均日照时数2 2 7 9 2 小时。冬季夜长昼短，年内1 2 月份日照 时数最少；3 4 月，多隐含、阴雨天气，期间日照率最低；8 月份后，雨季基本结 束，多晴热天气，期间e t 照时数最多、日照率最高；常年主导风向东风，夏季主 导风向东南风，冬季主导风向东北风；1 9 9 6 2 0 0 0 年平均风速2 7 m s ；冬夏季节 次之，平均风速均为2 8 m s ；秋季风速最小，平均2 5 m s 。 2 1 3 水文特征 1 地表水 淮南市主要地表水系是淮河。淮河发源于河南省桐柏山，流经河南、安徽、 江苏、山东四省，是我国五大水系之一，也是全市工农业生产与人民生活的主要 水源。淮河在淮南境内的主要支流有：济河、西淝河、东淝河，岗河、架河、泥 河、黑河；由于治理淮河，开源截流，因而沿淮河河低洼地带形成：焦岗湖、瓦 埠湖、花家湖、湖大涧、高塘湖等1 2 个湖泊；此外，还有南塘、丁山、乳山、罗 山、泉山、曹岭等6 座水库，以及大通、谢家集、八公山、潘集矿区形成的采煤 塌陷水域。 淮河在淮南境内长7 1 3 k m ，河道宽般4 0 0 m 左右，枯水期河道宽一般 2 5 0 3 0 0 m ，丰水期河道宽一般4 0 0 8 0 0 m ，净水域面积2 1 j k i ；历史最高水位 ( 1 9 5 4