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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
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裴文明1，张 慧1,2，鞠昌华1，姚素平3，任永乐3，马孟枭1，仇宽彪1
(1. 生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042；2. 南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044；3. 南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210023)
摘要
1
在我国东部高潜水位地区，长期的地下煤炭开采造成地表形成大面积的沉陷水域，受周围人类活动的影响，沉陷水域水环境污染风险逐渐增大。以淮南潘集采煤沉陷水域为研究对象，根据韦伯–费希纳定律，选取与沉陷水域水环境关系密切的水质评价指标，分析不同时间段沉陷水域的水环境状况，通过图层叠加融合定量反映沉陷水域水环境质量时空变化及潜在水环境风险的发生时间和区域。研究结果显示，沉陷水域水质不容乐观，存在水质恶化的风险。从5月到11月，随着时间的变化，沉陷水域都呈现出中警以上的警情，在不同月份沉陷水域出现的警情区域也有所不同，其中沉陷水域的西部和中部警情出现的概率较大。在今后的水环境管理中需针对不同时间不同区域采取针对性的治理措施，避免水环境污染风险的发生。
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
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：
k=algc (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：
kij=aijlg(cij+1) (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lg(cij+1)＞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：
(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着，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 3838—2002《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 evaluation index system of early warning
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。
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
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
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。
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《煤田地质与勘探》
Coal Geology & Exploration
审核：晋香兰
图文编辑：金茂
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