基于韦伯–费希纳定律的淮南采煤沉陷水域水环境综合预警评价_裴文明.pdf

第 48 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.3 2020 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. Ji- angsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology, Nanjing University of Ination Science 3. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing Uni- versity, Nanjing 210023, China Abstract In area with high groundwater level in the east of China, long-time underground coal mining results in a large subsidence water area on the surface. The risk of water environment pollution in subsidence waters is increasing gradu- ally with the influence of human activities. According to Weber-Fisher law, this paper took Panji waterlogged area of Huainan as the research object, selected the water quality uation inds closely related to the water environment of the waterlogged area, analyzed the water environmental conditions of the waterlogged area in different periods, and quantitatively reflected the time and the area of the water environment quality change and potential water environment risk of the waterlogged area through the overlay and fusion of layers. The results show that the water quality of water- logged area is not optimistic, and there is a risk of water quality deterioration. The waterlogged area presents warning conditions above middle level with the change of time from May to November. The warning areas changes in different ChaoXing 2 煤田地质与勘探 第 48 卷 months. Among them, the western and central part of the waterlogged area has a higher probability of occurrence of warning situation. In the future water environment management, it is needed to take targeted preventive measures for dif- ferent areas during different periods to avoid the risk of water environment pollution. Keywords Weber-Fisher law; waterlogged area; water quality assessment; comprehensive forewarning; Panji coalfield of Huainan 我国东部平原矿区有其特殊的地理位置、地质环 境和水文条件，长期的大规模地下煤炭开采活动造成 地表形成了大面积的沉陷水域。据统计，全国采煤沉 陷区面积已超过 2 万 km2[1]。随着地下采煤活动的持 续进行，沉陷水域范围将持续扩大，对区域地表水系 结构和生态系统产生的影响也将越来越大[2-7]。 近年来，社会经济水平不断提高及生态文明建 设不断深入，沉陷水域的关注度不断提高，关于沉 陷水域的水质监测、 水环境治理等研究也不断增多。 吴建宇[8]和张维翔[9]利用常规水质监测手段， 对比分 析了沉陷水域、河流等水体水质指标的差异，研 究不同类型水体水环境质量变化的影响因素；叶 圆圆[10]和陈晓晴[11]利用遥感和 GIS 手段， 通过建立 水质指标模型，反演沉陷水域水质状况，有效弥补 了常规水样采集的缺失。然而，目前的研究多针对 沉陷水域单次采样的水质指标进行水环境方面的评 价研究，尚缺乏对沉陷水域不同时间段，不同季节 条件下系统性的水环境监测，监测指标与数据积累 性不够，沉陷水域水环境管理所需数据不足，导致 沉陷水域水环境安全受到威胁时，不能及时准确掌 握沉陷水域水环境状况及其发展趋势。 为此， 本文以淮南潘集沉陷水域为例， 根据心理 学理论韦伯–费希纳定律，利用多期水质采样数据， 选取与沉陷水域水环境关系较为密切的水质参数指 标， 分析沉陷水域水环境的变化过程， 评价沉陷水域 潜在的水环境污染风险， 以期为沉陷水域的水环境安 全管理和水质改善提供科学依据和技术支持。 1 研究区概况与样品采集 本研究选择淮南市潘集区潘一矿采煤沉陷水域 为研究对象。 潘一矿于 1984 年投产， 截至 2019 年底， 原煤产量累计已超过一亿吨。 沉陷水域形成于 20 世纪 80 年代， 主要由农田、 村庄沉陷形成， 面积约 3.50 km2， 平均水深 4.5 m，是淮南市因地下采煤活动较早形成 的沉陷水域之一，现已用于水产养殖，是当地一种特 殊的地表水资源[12]。沉陷水域为半封闭水域，与泥河 相连，最终汇入淮河。由于沉陷水域周边人类活动频 繁，工业和生活污水排放，农业活动产生的污染物等 通过地表径流进入水体，对沉陷水域水环境造成严重 的影响。 本研究共在沉陷水域中进行了 5 次水体样品采 集，时间分别为 2016 年 3 月 11 日、5 月 4 日、7 月 17 日、9 月 23 日和 11 月 23 日，采样点布设如图 1 所示。水样采集、样品保存和处理均按照国家相关 标准和规定完成，样品采集后及时送往实验室进行 水质指标的分析测试。 图 1 淮南潘集矿区地理位置及采样点位分布 Fig.1 Location of the study area and sampling sites in Panji coal field of Huainan ChaoXing 第 3 期 裴文明等 基于韦伯–费希纳定律的淮南采煤沉陷水域水环境综合预警评价 3 2 评价指标与方法 2.1 预警评价方法 韦伯–费希纳Weber-Fechner，记作 W-F定律是 定量描述人类感觉强度与外界环境刺激强度关系的 心理物理学公式[13]。近些年，由于其特别的数学思 想和基本含义，逐渐被一些学者应用到环境评价预 警领域[14-17]。本研究将沉陷水域水质指标的含量作 为外界环境刺激强度， 水环境质量作为人体反应量， 对沉陷水域水环境进行定量评价预警。 W-F 定律基本表达式为 kalgc 1 式中k为人体反应量；c为外界刺激量；a 为韦伯常数。 W-F 定律应用于水环境评价中，基于以下 3 点 假设 ① 将外界刺激量 c 视为水环境中某项指标的 浓度大小； ② 将人体反应量 k 视为该污染物对人体 的影响程度[18]；③ 韦伯常数 a 视为环境评价中各 污染物的权重[19]。 基于以上假设，W-F 定律函数关系式表示为 kijaijlgcij1 2 式中 kij为第 i 个采样点第 j 个水质参数对人体的影 响程度；aij为第 i 个采样点第 j 个水质参数的权重； cij为第 i 个采样点第 j 个水质参数的标准化值；cij 的目的是为了让 lgcij1＞0，经数学推导证明此处 理方法不影响最终评价结果[20]。 综合影响指数 ki计算公式为 ki 1 n ij i k   3 利用式3计算得出 5 次采样时间沉陷水域水质 的综合影响指数ki，并依次计算 5 次采样每个采样 点的综合影响指数。考虑到各项指标的高低区别， 对水体环境影响不同，需要对其进行权重计算。某 项指标的变异系数较大，就可以认为此指标样点差 异显著，可以作为环境评价的主要依据[17]。本文采 用变异系数法计算 5 次采样水体指标的权重值。 2.2 预警评价指标体系 评价体系分为目标层、准则层和指标层 3 层。 其中，目标层反映本次评价体系建立的主要目标任 务； 准则层是将一个大目标分解为多个目标或准则， 进而分解成多个指标层；指标层是详细描述各准则 层的独立因子，这些因子是构建整个评价体系的核 心内容。本文从两个方面选取具有综合性、代表性 和可操作性的评价指标。一方面是对地表水水质影 响较大的 6 种常规水质参数指标溶解氧 DO、悬浮 物 SS、总有机碳 TOC、叶绿素 a、总磷 TP、总氮 TN，另一方面是水体中对人体健康影响较大且采 煤活动极易释放的 8 种重金属元素指标铁 Fe、锰 Mn、锌 Zn、铜 Cu、铬 Cr、镉 Cd、铅 Pb、镍 Ni， 共计 14 个指标组成预警评价指标体系图 2。 一般情况下，预警级别可分为无警、轻警、 中警、重警和巨警 5 个等级[20-21]。各水质指标相 应预警级别的分级标准主要采用 GB 38382002 地表水环境质量标准和文献[22]，各等级标准 见表 1。 图 2 预警评价指标体系框架 Fig.2 Framework of uation index system of early warning 表 1 预警评价指标体系分级标准 Table 1 Grading standard of uation index system of early warning 评价指标质量浓度/mgL–1 等级 溶解氧 总有机碳 悬浮物 叶绿素 a 总氮总磷铁 锰锌铜铬 镉 铅镍 无警Ⅰ类 0.134 2 1 0.001 60.2 0.020.150.150.050.01 0.01 0.001 0.010.01 轻警Ⅱ类 0.167 4 2 0.010 00.5 0.100.300.101 1 0.05 0.005 0.010.02 中警Ⅲ类 0.200 6 4 0.026 01.0 0.200.300.101 1 0.05 0.005 0.050.02 重警Ⅳ类 0.334 10 8 0.064 01.5 0.300.600.202 1 0.05 0.005 0.050.04 巨警Ⅴ类 0.500 20 16 0.160 02.0 0.400.600.202 1 0.10 0.010 0.100.04 3 结果与讨论 3.1 权重分析 由表 2 可知，常规水质参数 5 次采样准则层的 权重值分别为 0.40、0.41、0.28、0.23、0.09。其中， 3 月份常规指标中叶绿素 a 对水体影响最大，权重 值达到 0.49，其次是悬浮物和总氮，权重值分别为 0.17 和 0.11。5 月份常规指标中对水体影响最大的 ChaoXing 4 煤田地质与勘探 第 48 卷 指标是悬浮物和总磷，权重值分别为 0.34 和 0.21。7 月份和 9 月份常规指标中悬浮物、叶绿素 a、总磷和 总氮的权重值相差不大，基本在 0.2 左右。11 月份常 规指标的悬浮物、叶绿素 a、总氮权重值基本在 0.23 左右，说明此月份对水体影响较大的指标为悬浮物、 叶绿素和总氮。总体上看，5 次不同采样时间 6 种水 质常规参数指标中， 叶绿素 a 和悬浮物的平均权重值 分别为 0.25 和 0.24，说明在沉陷水域，浮游植物和 水中悬浮物的含量对水质影响较大， 是影响水环境最 主要的两项指标，与之前的研究结果基本一致[12]。 从5组样品的8项重金属元素指标权重值分析， 5 次采样的平均权重值分别为 0.60、 0.59、 0.72、 0.77、 0.91，说明重金属是影响沉陷水域水质警级的主要 因素。3 月份，锌、镍和镉 3 种重金属元素对水体 警级的划分影响较大，权重值分别为 0.24、0.18 和 0.15。5 月份，镉、锌和铅 3 种重金属元素对水体警 级的划分影响较大，权重值分别为 0.28、0.19 和 0.19。7 月份，铅和铜重金属元素对水体警级的划分 影响较大，权重值为 0.17。9 月份，镉元素对水体 警级的划分影响较大，权重值达到 0.41。11 月份， 铜、铅和锌 3 种重金属元素对水体警级的划分影响 较大，权重值分别为 0.26、0.25 和 0.23。从单要素 来看，水体中重金属镉、锌、铅对沉陷水域水质警 级影响较大， 与王兴明[23]研究成果基本一致。 其中， 镉元素 5 次采样平均权重值为 0.21，9 月份权重值 达到 0.41。其次为锌元素和铅元素，5 次采样平均 权重值分别为 0.21 和 0.17。最小为铬和铁元素，5 次采样平均权重值分别为 0.056 和 0.066。 表 2 水环境预警评价指标的权重值 Table 2 Weight value of water environment forewarning uation index 常规水质参数权重 重金属元素权重 月份 层位 溶解氧 总有机碳 悬浮物 叶绿素 a 总氮总磷铁锰锌 铜 铬 镉 铅 镍 指标层 0.09 0.05 0.17 0.49 0.110.090.110.050.240.05 0.11 0.15 0.110.18 3 准则层 0.40 0.60 指标层 0.07 0.06 0.34 0.17 0.150.210.070.120.190.05 0.05 0.28 0.190.05 5 准则层 0.41 0.59 指标层 0.06 0.10 0.23 0.18 0.190.240.030.120.300.17 0.05 0.14 0.170.02 7 准则层 0.28 0.72 指标层 0.11 0.15 0.23 0.18 0.170.160.100.140.090.06 0.04 0.41 0.110.05 9 准则层 0.23 0.77 指标层 0.08 0.10 0.23 0.24 0.230.120.020.020.230.26 0.03 0.09 0.250.10 11 准则层 0.09 0.91 3.2 预警结果 为综合反映沉陷水域的水质状况，本文利用韦 伯–费希纳定律， 将 6 种常规水质参数指标和 8 种重 金属元素指标按照权重占比进行综合计算。通过采 用 GIS 的栅格计算器，获得 5 次采样各项指标的空 间分布图。叠加融合各指标图层后得到不同采样时 间的沉陷水域水质警级状态图 3， 并统计 5 次采样 各警级水域的占比情况表 3。 从图 3 可以看出，沉陷水域水环境状况存在明 显的时空变化特征。时间上，3 月份水体整体呈现 无警状态。5 月份，沉陷水域中警及以上占比达到 45，其中巨警范围所占比例居全年最高，约 5， 主要集中在沉陷水域西部，泥河入水口处。这可能 与农业生产有关，上游河流两岸农田开始播种，农 业化肥使用增加， 污染物流入泥河后汇入沉陷水域。 据水质监测数据显示，5 月总磷和总氮指标值均达 到或超过Ⅴ类标准；加上春季入梅之前，降雨较少， 对污染物的排泄能力较差。7 月份，警情有所减缓， 沉陷水域中警及以上占比达到 30左右，这可能是 因为春末夏初，降雨增多，水体流动性增强，对污 染物存在一定的稀释作用。重警、巨警水域主要位 于水体东西部交汇处和水域东部出水口处。这与特 殊的区域位置存在一定关系，中部和东部出水口处 通道较为狭窄，水流较缓，水中营养物质容易在此 处富集。9 月份，警情稍微有所增加，沉陷水域中 警及以上占比超过 30，主要位于沉陷水域西部。 这可能与夏秋季的暴雨和台风有关，位于沉陷水域 西部的煤矸石堆受雨水冲刷淋溶出来的重金属污染 元素流入沉陷水域[24]。11 月份，水体状态主要以无 警为主，占比超过 60，重警、巨警水域仅占 8， 主要集中在沉陷水域中部。 总体上看，沉陷水域存在水质恶化的风险，这 与已有研究结果基本一致，淮南矿区沉陷水域水质 已呈现富营养状态[25]。沉陷水域周围人口密集，人 ChaoXing 第 3 期 裴文明等 基于韦伯–费希纳定律的淮南采煤沉陷水域水环境综合预警评价 5 图 3 不同月份水环境预警评价各警级分布和占比 Fig.3 Distribution and proportion of warning levels in water environment forewarning assessment 表 3 不同月份不同预警级别占比 Table 3 Proportion of different warning levels in different months 单位 预警级别 3月 5月 7月 9月 11月 无警 100 30 50 43 64 轻警 0 20 20 19 20 中警 0 25 13 18 8 重警 0 20 15 16 7 巨警 0 5 2 4 1 类活动频繁，农业生产过程中使用的化肥、农药， 含有磷、氮化合物，在地表和土壤中累积后，随地 表径流进入沉陷水域。同时，周边的工矿企业以及 居民生活排放的各种污染物、营养物质进到沉陷水 域内，给沉陷水域带来不同程度的影响。时间上分 析，从 5 月份开始，随着温度升高，降雨较少，水 体中的藻类、浮游物质繁殖旺盛；再者是当地农业 生产播种施肥的季节，造成水体藻类、浮游植物过 度繁殖的磷、氮元素会被排入沉陷水域内，加重水 体的污染程度，沉陷水域出现预警。到 11 月份，随 着气温下降，沉陷水域内藻类、浮游植物等大量死 亡，水体的污染情况减弱，沉陷水域预警情况逐渐 消失。空间上分析，由于沉陷水域有泥河沟通，水 体流动性较强，在一定程度上对沉陷水域水质造成 影响，沉陷水域不同时间段水环境呈现出明显的区 域变化。沉陷水域的西部和中部出现重警、巨警的 预警级别比例最高， 成为容易出现水质恶化的水域， 也是沉陷水域水环境管理中需要关注的区域。在今 后的水环境管理中，可以根据沉陷水域水环境预警 时空变化规律，提出有针对性的管理措施，并进行 因地制宜的水环境治理。 4 结 论 a. 基于韦伯–费希纳定律对沉陷水域进行水环 境预警，通过选取 6 种常规水质参数和 8 种重金属 元素指标， 并根据不同采样时间赋予不同的权重值， 可定量反映出沉陷水域水环境质量变化及潜在的水 环境风险发生的时间和区域，未来能够更好地与水 环境管理目标相结合，广泛应用于沉陷水域的水环 境质量评价。 b. 受降水、气温、水文条件的影响，沉陷水域 水环境预警结果显示出明显的时空变化特征。3 月， 沉陷水域基本处于无警状态，5 月到 11 月，沉陷水 域都呈现出中警以上的警情，其中，5 月、7 月、9 月出现的警情较高，水域面积较大。同时，在不同月 份沉陷水域出现警情的水域有所变化， 沉陷水域的西 部和中部因特殊的区位条件， 造成警情出现的比重较 高， 在今后的水环境管理中需要在不同时间和不同区 域制定针对性的预防措施，避免水环境风险的发生。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 胡炳南， 郭文砚. 我国采煤沉陷区现状、 综合治理模式及治理 ChaoXing 6 煤田地质与勘探 第 48 卷 建议[J]. 煤矿开采，2018，2321–4. 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