熵权法在煤矿区地表水环境质量评价中的应用

    陈晨 桂和荣 梅静梁 陈家玉 李晨 王春雷

    

    

    

    摘 要：为了研究煤矿开采对地表水环境质量的影响，以芦岭矿区5个塌陷塘（1#、2#、3#、4#、5#）以及流經矿区的沱河为研究对象，选取氨氮、总氮、总磷、化学需氧量、氟化物、硝酸盐、硫酸盐为评价指标，运用熵权法对矿区内地表水体进行了水环境质量评价。结果表明：沱河Ⅳ类水占100%;4#塌陷塘水质最好，可以作为生活用水;2#塌陷塘水质最差，有3个水样超过Ⅴ类标准;1#及5#塌陷塘为Ⅳ类水，3#塌陷塘为Ⅴ类水。总体上看，处于流动状态的沱河水质优于静水环境下的塌陷塘。

    关键词：熵权法;地表水;环境质量评价;芦岭矿区

    中图分类号 X832文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）12-0124-04

    Application of Entropy Weight Method in Environmental Quality Assessment of Surface Water in Coal Mine Affected Area

    CHEN Chen1，2 et al.

    （1School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China; 2National Engineering Research Center of Coal Mine Water Hazard Controlling（Suzhou University）， Suzhou 234000， China）

    Abstract： In order to study the environmental quality of surface water in coal mining affected area， this paper takes five collapse ponds （1#， 2#， 3#， 4#， 5#） in Luling mining area and Tuohe river flowing through the mining area as the research object， selects ammonia nitrogen， total nitrogen， total phosphorus， chemical oxygen demand， fluoride， nitrate， sulfate as evaluation indexes， and uses entropy weight method to evaluate the water environmental quality of surface water in the mining area.The results show that： Tuohe River class IV water accounts for 100%; the water quality of No.4 collapse pond is the best， which can be used as domestic water; the water quality of No.2 collapse pond is the worst， with three water samples exceeding class V standard; No.1 and No.5 collapse pond is class IV water， and No.3 collapse pond is class V water.Generally speaking， the water quality of Tuohe River in flowing state is better than that of collapse pond in still water environment.

    Key words： Entropy weight method; surface water; Environmental quality assessment; Luling mining area

    近年来，由于工农业“三废”的不合理处置，导致局部区域水体水质恶化，甚至发生水污染事件频繁事件，严重影响人们的身体健康[1]。因此，水环境质量评价受到了学界的广泛关注[2]。中国是世界上最大的煤炭生产国与消费国，煤炭资源开采与利用在国民经济发展中占有重要地位[1]。大规模的煤矿开采，在地表形成了大量的塌陷水域（简称“塌陷塘”），构成了矿区水资源的重要的组成部分[5]。矿区塌陷塘与地表河流是矿区内工业生产、农业灌溉以及居民生活饮用重要的供水水源[3]。采用科学的方法合理评价矿区水环境质量，对于矿区水资源保护与开发利用具有重要意义。

    目前，国内外水质评价方法有很多，包括指数评价法、模糊评价法、单因子评价法、灰色评价法等[8]。这些评价方法的特点是评价标准权重的确定具有主观性。熵权法能够对评价指标项中贡献较大的指标赋予较大的权重，从而更好地避免主观赋权造成的评价误差[4]。本研究以芦岭矿区的5个塌陷塘（1#、2#、3#、4#、5#）以及矿区内河流（沱河）为对象，利用水样测试成果，根据地表水环境质量评价标准（GB3838-2002）中的选取评价指标，采用熵权法对2种水体进行水环境质量评价。

    1 研究区域与方法

    1.1 研究区域概况 研究区芦岭矿区位于中国安徽省北部的淮北煤田[5]，东经117.11°～117.21°，北纬33.51°～33.58°，面积80km2。贯穿矿区的沱河属淮河流域，全长243km，流域面积2983km2。芦岭煤矿于20世纪60年代投产，年生产煤炭220万t，开采历史50多年，形成了较大面积的塌陷塘（图1），包括1#塌陷塘、2#塌陷塘、3#塌陷塘、4#塌陷塘、5#塌陷塘，塌陷水域总面积近1000hm2，最大积水深度超过20m[5]。

    1.2 采样与检测 按照均匀布点原则采样。从河流的上游至下游，依次采集20个水样（水样编号为R1～R20）;5个塌陷塘（1#、2#、3#、4#、5#）主要集中在河流的北面，共取水样21个，编号如表1所示。取样点如图1所示。

    水样采集在1.5L的聚乙烯水桶中。取样前用超纯水对水桶进行清洗，采样时用水源地水对水桶清洗3遍。水样在4℃环境下保存，在24h内完成指标的检测工作。检测指标包括总氮、总磷、化学需氧量、氨氮、氟化物、硝酸盐和硫酸盐。检测方法如表2所示。

    1.3 熵权法评价 采用熵权法对地表水环境进行评价，可以较好地避免人为主观赋权因素对评价结果造成的影响，使得评价结果更为客观、评价结果更为科学[6]。

    一共设有m个取样点位，n个评价指标，第i个点位的第j项指标的数值为[xij]，构建评价矩阵[Roij=（xij）]（i=1，2，…m;j=1，2，…n）。

    熵权法权值的确定是根据数据本身得出的，避免主观赋权产生的模型的不确定性的影响，保证评价结果的准确性，对不同水体的评价更加的合理[7]。

    2 结果与分析

    2.1 水质概况 根据《地表水环境质量标准》GB 3838-2002，选取氨氮、COD、总氮、总磷、氟化物、硝酸盐、硫酸盐等作为评价指标，进行研究区地表水（塌陷塘及沱河）环境质量评价。地表水环境质量标准的标准限值见表3[8]。

    利用统计学的方法对芦岭矿区沱河以及塌陷塘的7个指标（NH4-N、COD、TP、TN、F-、NO3-、SO42-）进行统计分析，分析结果如表4所示。

    由表4可知，沱河的NH4-N值在0.36～0.99mg/L，均值为0.72mg/L，均在Ⅲ类水要求的范围以内。塌陷塘的NH4-N值在0.07～1.21mg/L，均值为0.34mg/L，仅1个水样超过了Ⅲ类水标准。沱河NH4-N值的略高于塌陷塘。沱河的COD值在24.08～55.68mg/L，均值为36.06mg/L。塌陷塘的COD值在16.14～40.20mg/L，均值为33.11mg/L。可见，沱河的COD值高于塌陷塘的COD值，且二者均有水样超过Ⅲ类水标准。沱河的TP值在0.04～0.10mg/L，全部水樣在Ⅱ类水要求的范围以内。塌陷塘的TP值在0.00～1.07mg/L，水体的TP值较高，且高于沱河的TP值。TP值的过高可能会导致水体的富营养化情况[9]。沱河的TN值在0.92～2.35mg/L，塌陷塘的TN值在0.41～3.97mg/L，分别有30%、28.57%的水样超过Ⅴ类水标准。氟化物的超标率也较为严重，其中沱河有16个水样的F-浓度在1mg/L以上，有80%的水样超过Ⅲ类水标准，塌陷塘有20个水样的F-浓度在1mg/L以上，Ⅲ类水以上占比为95.24%。2种水体的氟化物超标率较为明显，且塌陷塘的氟化物高于沱河。饮用水一般是人体氟化物的主要来源，氟化物的超标会导致龋齿以及增加骨折的风险，甚至会导致氟中毒。沱河的NO3-值在8.16～8.58mg/L，未超过Ⅰ类水的限值;塌陷塘的NO3-的值在7.68～15.37mg/L，有30%的水样超过Ⅲ类水标准。沱河的SO42-值在255.40～341.80mg/L;塌陷塘的SO42-值在30.39～117.59mg/L，均满足Ⅲ类水标准。

    2.2 熵权法确定水质评价指标权重 根据沱河与塌陷塘41个水样的检测数据，利用公式（1）得到评价矩阵，然后对数据进行标准化处理，通过公式（2）～（8）计算计算各评价指标的权重。通过式（1）～（7）中计算得出各评价指标权重，计算结果如表5所示。

    2.3 熵权法分类结果 将5类水标准限值带入公式（8），计算得出：Ⅰ类水的得分为0.158，Ⅱ类水为0.208，Ⅲ类水为0.297，Ⅳ类水为0.436，Ⅴ类水为0.543。水样得分在0～0.158为Ⅰ类水，得分在0.158～0.208为Ⅱ类水，得分在0.208～0.297为Ⅲ类水，得分在0.297～0.436为Ⅳ类水，得分在0.436～0.543为Ⅴ类水。根据式（8）将20个河流水样以及21个塌陷塘水样的5个指标值带入，得到的结果如表6所示。

    由表6可知，沱河的水质等级主要为Ⅳ类水，可作为农业用水，但不能作为生活饮用水。Ⅳ类水一共20个水样，占总体的100%，其水质可以满足农业灌溉以及工业生产用水的要求[11]。对于塌陷塘而言，1#塘主要为Ⅳ类水，可作为工业用水以及农业灌溉用水;2#塌陷塘主要为Ⅴ类水，不能作为工业用水，有1个水样超过Ⅴ类水标准，污染较严重;3#塌陷塘为Ⅴ类水;4#塌陷塘没有超过Ⅲ类水标准，可以作为生活饮用水水源地，水质情况较好;5#塌陷塘部分水样超过Ⅲ类水，水质情况优于1#、2#、3#塌陷塘。可见，5个塌陷塘水质的好坏排序为：4#塌陷塘>5#塌陷塘>1#塌陷塘>3#塌陷塘>2#塌陷塘。统计沱河与塌陷塘整体的5个类别水样的占有率。沱河的Ⅳ类水占有率为100%;塌陷塘Ⅰ类水、Ⅱ类水、Ⅲ类水、Ⅳ类水、Ⅴ类水以及Ⅴ类水以上的占有率为14.29%、14.29%、28.57%、28.57%、9.5%。

    塌陷塘的TN和TP的含量较高，可能是由于塌陷塘作为养殖水产区，投入了大量的饲料氟化物，在水岩作用导致了岩石中氟化物的溶解[12]。部分水样COD值过高，可能是由于该水样离排污口较近。总体而言，塌陷塘水体作为一种封闭水体，水体处于静止状态，与外界没有联系，受外界污染源的干扰较大，且水塘面积较小，自我修复能力较弱。沱河是一种流动水体，受到外界的干扰较小，自我修复能力较强。因此，沱河水质要优于塌陷塘。

    3 结论

    采用熵权法对芦岭矿区内沱河以及5个塌陷塘进行了水环境质量评价，结果显示：沱河Ⅲ类水、Ⅳ类水以及Ⅴ类水分别占20%、75%、5%，适用于工业用水与农业用水，80%的水样不适用于生活饮用水。塌陷塘水质情况差别较大，其中，4#塌陷塘的水质最好，无超过Ⅲ类水的水样;2#塌陷塘的水质最差，有3个水样超过Ⅴ类似标准;1#塌陷塘与5#塌陷塘为Ⅳ类水，3#塌陷塘为Ⅴ类水。沱河的水质优于塌陷塘。

    根据地表水环境质量标准（GB3838-2002），Ⅲ类水可作为生活饮用水，Ⅳ类水可用于工业生产用水以及景观娱乐用水，Ⅴ类水适用于农业用水。结合评价结果可知，沱河水不适用于生活饮用水，但可以作为农业用水以及当地煤矿生产用水。4#塌陷塘的水质没有超过Ⅲ类水，可以作为饮用水地表水源地;1#塌陷塘以及5#塌陷塘的水质可以满足工业生产以及农业用水;3#塌陷塘只能用于农业用水。

    参考文献

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    （责编：张宏民）