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摘要：为给矿区水资源综合利用提供信息，以安徽宿州两煤矿芦岭和桃园煤矿塌陷水域为典型研究区，对芦岭9个水样和桃园17个水样进行常规离子（F-、Cl-、SO2-4、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、NO-2、NO-3、H2PO-4、HCO-3、CO2-3）和部分重金属（Cd、Cr、Fe）进行检测，结果表明：除了F-离子处于劣Ⅴ类水平，大部分采样点的Cr和Fe和其他元素均能满足水质标准的Ⅲ类标准。选定7个评价参数利用综合污染指数法评价塌陷塘的水环境质量，结果表明：芦岭矿塌陷水域综合污染指数是0.886，桃园为0.873，氟（F-）的单因子污染指数分别是1.355、1.306，F-对污染贡献最大，整个水域属于中度污染水平。采用因子分析和相关性分析对其进行污染来源分析，结果表明：主要污染来自F、Cr、Fe，外在污染源主要是煤矸石淋溶作用和煤矿开采；主要来源分为三类，第一类是基于水力联系的常规离子来源，第二类是大气降水对含氟化合物的溶滤作用，第三类是金属矿物的溶解和人类活动的影响。
关键词：宿州采煤塌陷水域；水质评价；污染来源解析
中图分类号： X142 文献标志码：A文章编号：1672-1098（2017）04-0024-08
Abstract：To provide valuable information for comprehensive utilization of water resources in mining area， Luling and Taoyuan located in Suzhou city， Anhui province. two typical subsidence water areas of coal mine， have been taken to do the research. What have been detected in 9 water samples from Luning and other 17 water samples from Taoyuan were the conventional ions and some heavy metals， with detected conventional ions as F-， Cl-， SO2-4， Na+， K+， Mg2+， Ca2+， NO-2， NO-3， H2PO-4， HCO-3， CO2-3， and heavy metals as Cd， Cr and Fe. The results show that except F- ，which was at the inferior Class Ⅴ quality， the Cr and Fe in most samples and other elements were all in Class Ⅲ standards， which could totally meet the water quality standard. Also， 7 assessment parameters had been selected and comprehensive pollution index method had been used to evaluate the water environmental quality of subsidence pond， the results show that the comprehensive pollution indexes of Luling and Taoyuan subsidence water area were 0.886 and 0.873， the pollution indexes of single factor F-in Luling and Taoyuan were 1.355 and 1.306， and the conventional ion F- had the largest contribution to the pollution， and the pollution of the water area was at a middle level. And then the factor analysis and the correlation analysis were applied into the source analysis of pollution， the results show that the main pollution conventional ions were F， Cr， Fe， and the external pollution sources mainly came from coal gangue eluviation and coal mining； and the main sources were divided into three categories， the first one was the conventional ion based on hydraulic connection， the second one the atmospheric precipitation leached effects of fluoride compounds， the third one the dissolution of metal mineral and the influence of human activities.
Key words：suzhou mining subsidence water area； water quality evaluation；pollution source apportionment
煤礦采掘后导致的地表沉降是煤矿区最为重要的地质灾害之一。对我国而言，每年开采1.2×109t煤就会造成2.4×102km2的采空塌陷面积，据不完全统计，截止2015年，全国煤矿累计采空塌陷面积超过9 000km2，造成的损失超过650亿元，到2020年安徽省两淮矿区塌陷面积超1 000 km2 [1-4]。矿区的采煤塌陷水域是煤炭生产建设的产物。近年来，随着煤炭开采规模扩大，采煤塌陷水域也不断扩展，矿区水环境不断恶化。作为一种特殊的地表水体，塌陷水域对矿区生态环境有着至关重要的作用：首先，随着煤炭开采及其规模的扩大，配套选煤厂、电厂增加及其规模扩大，充分并合理利用矿区水资源便成了解决矿区生产和生活用水需求量增加的有效途径之一；其次，作为一个自然和社会的复合生态系统，塌陷区水质状况是该区域环境质量的综合反映。因此，充分认识这些塌陷区水体，对水体进行水质评价和元素来源解析，对于合理开发、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十分有利，从而也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。
水质指数法（WQI）是水质评价常用方法，文献[4]采用该方法分析河流水质，文献[5]则用于模拟地下水水质，文献[6]则用于评价海洋水体污染和富营养化情况。塌陷水域作为特殊的地表水体，水质污染指数法亦适用于此类水体水质评价，但诸多学者对塌陷水域的研究多集中在塌陷塘富营养化的生物研究方面。文献[7-9]都将安徽淮南煤矿塌陷塘作为研究对象，评价塌陷水域水体富营养化程度并做生态学研究。本文采用水质指数法对塌陷水域的水质理化特征进行综合评价并结合水质结果进行污染来源解析。
主成分分析、因子分析和相关性分析通常用来进行元素来源解析[10-12]。在水质评价基础上，采用多种源解析分析方法相结合对主要污染物及其来源“追根溯源”。本论文中，采集来自宿州煤矿采煤塌陷区水域26组水样，对其进行常规离子含量测试和重金属浓度测试，在进行水质评价时参照中国地表水水质标准和WTO国际标准[13]，在此基础上讨论如何充分利用塌陷水体以达到矿区水资源综合利用。合理选择检测项作为评价因子，利用综合水质指数进行水质评价，并采用旋转因子分析和相关性分析进行源解析。
宿州位于安徽省东北部，以煤矿开采为主，东西长195km，南北长151km，总面积9 787 km2。主要有五大煤矿：朱仙庄和芦岭煤矿位于东边，桃园、祁南和祁东位于南面。芦岭煤矿建矿时间较长，形成塌陷水域面积近10 km2，积水深度8 m左右，塌陷塘周边土地主要用以农耕种植，水体周边堆有矸石，淮河主要支流沱河流经于此但旱季时常干涸。桃园煤矿南邻祁南矿，东邻芦岭矿，与淮河支流浍河、沱河相距不远，地下水系活动较为频繁，水文地质条件复杂，塌陷形成的积水面积大、深度大，且所研究区域周边存在矸石复垦造田及水产养殖。芦岭和桃园两个矿区塌陷水域较为典型，故以此塌陷塘水体为研究对象，分别采集这两个矿区周边塌陷水域水样进行测试评价，水样采集时间为2014年5月。图1（a）为芦岭煤矿塌陷区采样点布设图，图1（b）为桃园煤矿塌陷区采样点分布图，分别设9个和17个采样点，采样点周边布满农田、村庄、采矿废石和煤矸石。
2.1综合污染指数法与源解析方法
综合污染指数法是一种很重要的水环境质量评价方法，通过简单的数值代表水体污染等级。综合污染指数P代表水体质量，可以是算术平均指数、权重指数或者通过向量模型计算综合指数。本论文采用加权平均计算综合污染指数，该方法一般分为两个步骤，首先根据每个参数选择对应的评价等级，计算权重和单因子指数，再根据污染指数选择评价因子并进行综合污染指数计算[14]。由最终得到的综合污染指数平均值，依照所对应的水质等级，将评价体系分五个等级。
式中：ci代表第i 个参数的测定浓度，si 表示第i 个参数的允许标准浓度，Wi 是第i 个参数的影响权重，n是所选择的参数个数。当计算单因子污染指数时，允许标准浓度的选择依据相对应等级的上限值确定，同时由单因子污染指数与污染指数总和比值确定参数影响权重。
对水样数据进行污染来源解析采用SPSS软件进行因子分析和相关性分析。因子分析时，先降维后采用最大方差的因子旋转法得到各因子荷载；相关性分析时，采用基于Spearman秩相关方法，显著性检验选择双侧T检验。
2.2实验方法
水样采集 24h 内进行0.22 μm滤膜抽滤预处理和2% 硝酸酸化处理。对水质指标的检测，10种常规离子F-、 Cl-、 NO-2、NO-3、H2PO-4、SO2-4、Na+、 K+、Mg2+、Ca2+ 的浓度通过离子色谱仪测定，HCO-3和CO2-3 离子浓度通过传统实验室方法酸碱滴定测得，重金属含量Cd、Cr和Fe采用原子吸收石墨爐法测定。
水样中常规阴阳离子测定使用美国戴安公司 ICS-900 离子色谱仪：AS19 阴离子交换柱（250mm×4mm）、CS12 阳离子交换柱（250mm×4mm）、C18阴阳离子保护柱、MMS300型自动循环再生抑制器、DS5型检测器；碳酸盐采用传统实验室方法酸碱滴定；重金属测试采用原子吸收分光光度法，实验室所用仪器型号为北京普析通用公司TAS-990AFG。
3.1离子浓度
26组水样中L1-L9来自位于宿州东南芦岭塌陷区，T1-T17来自宿州南桃园煤矿塌陷区，测定所得常规离子浓度和部分重金属浓度如表1所示。
由表1可知：对于NO-2和 NO-3浓度变化范围，桃园塌陷水域明显比芦岭大；同一塌陷塘的H2PO-4含量变化不大，整体浓度变化桃园高于芦岭；HCO-3在所有水样中浓度含量占绝对优势。
通过Origin软件绘制主要常规阴阳离子F-、Cl-、SO2-4、Na+、K+、 Mg2+、Ca2+ 和重金属离子Cd、Cr、Fe浓度变化趋势图，如图2所示。
由图2（a）可知：F-浓度相对稳定，两个矿区塌陷塘的F-相差不大，都接近2.0mg/L，但超出水质标准V类水质限值1.5mg/L；Cl-含量波动较小，水质较好，浓度范围20mg/L～40 mg/L；芦岭SO2-4含量较桃园高，且两个煤矿塌陷水域均有含量起伏较大的情况。由图2（b）可知：两个塌陷塘水样中阳离子Mg2+和 Ca2+变化伴随SO2-4的变化，且两种离子浓度变化范围相近；芦岭水样的 Na++K+含量在两个采样点有较大波动，且跟Cl-波动点变化一致；由图2（c）可知：重金属含量变化较大，尤其是桃园塌陷塘水样，其中Cr浓度范围1.742～162.8μg/L，Fe浓度范围84.6～231.5μg/L。同一片塌陷水域部分采样点水样中离子变化如此之大可能由于额外的污染源，无论桃园还是芦岭矿区的塌陷塘，都是周边农田土地灌溉用水，各种农药化肥的使用经雨水冲刷都将对周边水体造成一定污染，同时采矿围岩、废石、煤矸石长期堆放并在环境综合作用下也会污染水体。 3.2水质评价
根据我国《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），选取F-、Cl-、 NO-3、SO2-4、Cd、Cr 和 Fe 作为地表水水质评价的污染参数，标准值选择如表3所示：对于F-，所有水样F-浓度均高于1.5mg/L，选择V类水质作为标准限值；对于Cl-、NO-3和 SO2-4，在饮用水标准限值基础上，分别选择250mg/L、10mg/L和 250mg/L 作为标准值；对于Cd，浓度在0.1～0.4μg/L范围内，选择 II 类标准作为相应标准，标准限值为1.0μg/L；对于Cr，根据浓度范围的变化，选择I类、II类、III类和V类四个等级对应的限值作为标准值；Fe 标准值的选择方式同Cr，选择I类、II类、III类三个等级。污染等级的判定依据综合污染指数即P值，污染等级分为5个水平，水体清洁程度如表2所示。
对芦岭和桃园塌陷水域水样所选定的污染因子进行单因子污染指数及因子权重计算，分别将芦岭和桃园塌陷水域作为整体，其综合污染指数及其计算过程如表3和表4所示。由表3～表4可知：芦岭水样污染因子的权重大小为F-> Cr> Fe> SO2-4> Cd> Cl-> NO-3，桃园为 F-> Cr> Fe> Cd> SO2-4> Cl-> NO-3，两者权重大小差异仅存在于SO2-4和Cd 之间，前者SO2-4 影响大，后者Cd影响大，其他离子影响权重一致。由各离子浓度平均值计算得到的综合污染指数值、两个矿区采样点综合污染指数值和两个塌陷水体各自作为整体的综合污染指数均在0.7 通过相关性分析和因子分析进行元素来源解析。表5是采用斯皮尔曼法的相关性分析结果，图3为因子分析的因子载荷图，结果显示芦岭塌陷水域所研究元素有三个共同来源，桃园有四个共同来源。因子分析时经因子旋转后，元素共同来源解释总方差分别为92.0% 和81.5%，表明元素来源因子总贡献率高达92.0% 和81.5%，除此之外可能的所有影响因素所占比例较小。芦岭塌陷水域三种主要来源因子所占比例分别为42.6%、33.7% 和 15.8%，桃园四种来源因子权重比例分别为23.2%、20.7%、19.7% 和17.9%。
对于桃园水样，尽管因子分析结果显示有四个来源因子，但除去F-离子的影响，主要贡献因子为HCO-3、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-和 SO2-4，这与芦岭水域是一致的。因此，元素来源分为三类，一类是常规离子来源，一类是外在含氟化合物溶解与富集，另外就是重金属污染源。对于F-含量较高，与许光泉等人对淮北平原浅层地下水研究结论一致[15]，但对宿州地区城市地下水及河流地表水中F-均有测定[16-17]，含量均在1.0mg/L以下，表明塌陷水体F-受外在来源影响。
因此，元素可能性来源可总结为以下几个方面：常规阴阳离子来源，即来源因子1可能为地表水与地下水水力联系及转化作用，地下水与斜长石和碳酸盐岩水巖相互作用导致水体中含有部分常规阴阳离子，经水力作用进入到地表水层[18]。因子2即氟离子来源主要为大气降水对氟化物的淋溶作用；因子3即重金属来源主要考虑为地表径流、地下水和地表水之间的水力联系、地表水体周边含重金属矿物岩石溶解和人为活动影响[19]，其中后两者影响比较显著，这由重金属Cr 和 Fe变异系数接近100% 即可证实。
1） 长期煤矿开采导致芦岭和桃园矿区部分地表塌陷形成塌陷水域，采集的26组水样中常规离子F-、 Cl-、SO2-4、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、NO-2、NO-3、H2PO-4、HCO-3、CO2-3均被检出，重金属Cd、Cr和Fe含量也经测出。对于氟离子，两个矿区塌陷水体离子含量均超标，但满足高氟地区农业灌溉水水质标准；重金属含量较之常规离子含量波动较大，桃园塌陷区部分水体存在Cr污染。
2） 选定F-、Cl-、NO-3、SO2-4、Cd、Cr 和 Fe作为评价因子，对水体进行综合评价，结果表明：芦岭塌陷水域综合污染指数P值为0.886，桃园为0.873，介于第III等级0.7 和1.0之间，水体存在中度污染情况。其中起主要作用的为F、Cr 和 Fe，权重较大，污染来源考虑为煤矸石淋溶和煤炭开采活动。
3） 结合相关性分析、水化学特征分析和水污染评价进行元素来源及污染源分析，因子分析结果表明：两个矿区塌陷水域具有共同的来源，可归结为常规离子来源、氟化物来源、重金属来源，具体表现为各类水体间相互转化的水力联系是塌陷水域水体中常规离子的主要来源，含氟化合物淋溶作用是氟化物主要来源，含重金属矿物岩石的溶解和人类活动是重金属主要来源。
参考文献：
[1]LIU JZ， HAN DJ， GU ZK. Key Controlling Regions and Main Measures for Soil and Water Conservation in Coal Mining Area [J]. Mining Research &Development， 2009， 29（1）：65-67. [2]徐良骥，严家平，高永梅. 安徽省两淮矿区地质环境治理技术[J]. 煤田地质与勘探， 2007， 35（6）：37-40.
[3]王福琴. 安徽省两淮采煤塌陷区的现状、存在问题及治理措施建议[J]. 安徽地质，2010，20（4）：291-293.
[4]GE WQ. Countermeasures for Coal Mining Geologic Subsidence Disaster of China[J]. Energy of China，2004，26（10）：27-29.
[5]GUPTA RC，GUPTA AK，SHRIVASTAVA RK.Assessment and management of water quality of Kshipra River in Ujjain City （Madhya Pradesh）， India[J]. Journal of Environmental Science & Engineering， 2013， 55 （2）：189-196.
[6]SINGH SK，SRIVASTAVA PK，SINGH D，et al. Modeling groundwater quality over a humid subtropical region using numerical indices， earth observation datasets， and X-ray diffraction technique： a case study of Allahabad district， India[J]. Environmental Geochemistry and Health， 2015，37（1）：157-180.
[7]LIU SG，LOU S，KUANG CP，et al. Water quality assessment by pollution-index method in the coastal waters of Hebei Province in western Bohai Sea， China[J]. Marine Pollution Bulletin，2011，62（10）：2 220-2 229.
[8]桂和荣，宋晓梅，王振红，等. 煤矿塌陷塘环境生态学研究[M]. 北京：地质出版社，2009.
[9]张冰，严家平，范廷玉，等. 采煤塌陷水域富营养化评价与分析——以淮南张集和顾桥矿为例[J]. 煤炭科学技术，2012，32（1）：159-161.
[10]YI QT，WANG XM，WANG TT，et al. Eutrophication and nutrient limitation in the aquatic zones around Huainan coal mine subsidence areas，Anhui，China[J].Water Science & Technology，2014，70（5）： 878-887.
[11]SUN LH，GUI HR，PENG WH.Heavy metals in groundwater from the coal bearing aquifer in northern Anhui Province，China：Concentrations and usability[J]. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research，2013，5（12）：1 349-1 353.
[12]SUN LH，GUI HR.Hydro-chemical evolution of groundwater and mixing between aquifers：a statistical approach based on major ions[J].Appl Water Sci，2015 （5）：97-104.
[13]SUN LH，PENG WH.Groundwater in rural area of Suzhou，northern Anhui Province，China：Heavy metal concentrations and statistical analysis[J]. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research，2014，6（3）：1 501-1 505.
[14]SUN LH，LIU XH，Cheng chen. Quality of water from subsidence area：a case study in the Luling coal mine， northern Anhui Provice， China[J]. Water Practice & Technology， 2015， 10 （4）： 777-786.
[15]B PRASAD，J M BOSE.Evaluation of the Heavy Metal Pollution Index for Surface and Spring Water Near a Limestone Mining Area of the Lower Himalayas [J]. Environmental Geology， 2001， 41（1-2）：183-188.
[16]許光泉，刘进，朱其顺，等. 安徽淮北平原浅层地下水中氟的分布特征及影响因素分析[J].水资源与水工程学报，2009，20（5）：9-13.
[17]程琛. 矿区城市地下水水质特征与元素来源分析——以宿州市为例[J]. 宿州学院报，2015，30（10）：109-112.
[18]陈松，桂和荣，林曼利，等. 淮北煤田河流水化学特征及意义[J]. 地球与环境，2016，44（4）：414-421.
[19]张传奇，温小虎，高猛，等. 莱州湾东岸地下水化学及盐化特征[J]. 海洋通报，2014，33（5）：584-591.
[20]徐良骥，严家平，高永梅. 煤矿塌陷水域水环境现状分析及综合利用——以淮南矿区潘一煤矿塌陷水域为例[J]. 煤炭学报，2009，34（7）：933-937.
（责任编辑：李丽，范君）
关键词：宿州采煤塌陷水域；水质评价；污染来源解析
中图分类号： X142 文献标志码：A文章编号：1672-1098（2017）04-0024-08
Abstract：To provide valuable information for comprehensive utilization of water resources in mining area， Luling and Taoyuan located in Suzhou city， Anhui province. two typical subsidence water areas of coal mine， have been taken to do the research. What have been detected in 9 water samples from Luning and other 17 water samples from Taoyuan were the conventional ions and some heavy metals， with detected conventional ions as F-， Cl-， SO2-4， Na+， K+， Mg2+， Ca2+， NO-2， NO-3， H2PO-4， HCO-3， CO2-3， and heavy metals as Cd， Cr and Fe. The results show that except F- ，which was at the inferior Class Ⅴ quality， the Cr and Fe in most samples and other elements were all in Class Ⅲ standards， which could totally meet the water quality standard. Also， 7 assessment parameters had been selected and comprehensive pollution index method had been used to evaluate the water environmental quality of subsidence pond， the results show that the comprehensive pollution indexes of Luling and Taoyuan subsidence water area were 0.886 and 0.873， the pollution indexes of single factor F-in Luling and Taoyuan were 1.355 and 1.306， and the conventional ion F- had the largest contribution to the pollution， and the pollution of the water area was at a middle level. And then the factor analysis and the correlation analysis were applied into the source analysis of pollution， the results show that the main pollution conventional ions were F， Cr， Fe， and the external pollution sources mainly came from coal gangue eluviation and coal mining； and the main sources were divided into three categories， the first one was the conventional ion based on hydraulic connection， the second one the atmospheric precipitation leached effects of fluoride compounds， the third one the dissolution of metal mineral and the influence of human activities.
Key words：suzhou mining subsidence water area； water quality evaluation；pollution source apportionment
煤礦采掘后导致的地表沉降是煤矿区最为重要的地质灾害之一。对我国而言，每年开采1.2×109t煤就会造成2.4×102km2的采空塌陷面积，据不完全统计，截止2015年，全国煤矿累计采空塌陷面积超过9 000km2，造成的损失超过650亿元，到2020年安徽省两淮矿区塌陷面积超1 000 km2 [1-4]。矿区的采煤塌陷水域是煤炭生产建设的产物。近年来，随着煤炭开采规模扩大，采煤塌陷水域也不断扩展，矿区水环境不断恶化。作为一种特殊的地表水体，塌陷水域对矿区生态环境有着至关重要的作用：首先，随着煤炭开采及其规模的扩大，配套选煤厂、电厂增加及其规模扩大，充分并合理利用矿区水资源便成了解决矿区生产和生活用水需求量增加的有效途径之一；其次，作为一个自然和社会的复合生态系统，塌陷区水质状况是该区域环境质量的综合反映。因此，充分认识这些塌陷区水体，对水体进行水质评价和元素来源解析，对于合理开发、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十分有利，从而也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。
水质指数法（WQI）是水质评价常用方法，文献[4]采用该方法分析河流水质，文献[5]则用于模拟地下水水质，文献[6]则用于评价海洋水体污染和富营养化情况。塌陷水域作为特殊的地表水体，水质污染指数法亦适用于此类水体水质评价，但诸多学者对塌陷水域的研究多集中在塌陷塘富营养化的生物研究方面。文献[7-9]都将安徽淮南煤矿塌陷塘作为研究对象，评价塌陷水域水体富营养化程度并做生态学研究。本文采用水质指数法对塌陷水域的水质理化特征进行综合评价并结合水质结果进行污染来源解析。
主成分分析、因子分析和相关性分析通常用来进行元素来源解析[10-12]。在水质评价基础上，采用多种源解析分析方法相结合对主要污染物及其来源“追根溯源”。本论文中，采集来自宿州煤矿采煤塌陷区水域26组水样，对其进行常规离子含量测试和重金属浓度测试，在进行水质评价时参照中国地表水水质标准和WTO国际标准[13]，在此基础上讨论如何充分利用塌陷水体以达到矿区水资源综合利用。合理选择检测项作为评价因子，利用综合水质指数进行水质评价，并采用旋转因子分析和相关性分析进行源解析。
1研究区概况
宿州位于安徽省东北部，以煤矿开采为主，东西长195km，南北长151km，总面积9 787 km2。主要有五大煤矿：朱仙庄和芦岭煤矿位于东边，桃园、祁南和祁东位于南面。芦岭煤矿建矿时间较长，形成塌陷水域面积近10 km2，积水深度8 m左右，塌陷塘周边土地主要用以农耕种植，水体周边堆有矸石，淮河主要支流沱河流经于此但旱季时常干涸。桃园煤矿南邻祁南矿，东邻芦岭矿，与淮河支流浍河、沱河相距不远，地下水系活动较为频繁，水文地质条件复杂，塌陷形成的积水面积大、深度大，且所研究区域周边存在矸石复垦造田及水产养殖。芦岭和桃园两个矿区塌陷水域较为典型，故以此塌陷塘水体为研究对象，分别采集这两个矿区周边塌陷水域水样进行测试评价，水样采集时间为2014年5月。图1（a）为芦岭煤矿塌陷区采样点布设图，图1（b）为桃园煤矿塌陷区采样点分布图，分别设9个和17个采样点，采样点周边布满农田、村庄、采矿废石和煤矸石。
2研究方法
2.1综合污染指数法与源解析方法
综合污染指数法是一种很重要的水环境质量评价方法，通过简单的数值代表水体污染等级。综合污染指数P代表水体质量，可以是算术平均指数、权重指数或者通过向量模型计算综合指数。本论文采用加权平均计算综合污染指数，该方法一般分为两个步骤，首先根据每个参数选择对应的评价等级，计算权重和单因子指数，再根据污染指数选择评价因子并进行综合污染指数计算[14]。由最终得到的综合污染指数平均值，依照所对应的水质等级，将评价体系分五个等级。
式中：ci代表第i 个参数的测定浓度，si 表示第i 个参数的允许标准浓度，Wi 是第i 个参数的影响权重，n是所选择的参数个数。当计算单因子污染指数时，允许标准浓度的选择依据相对应等级的上限值确定，同时由单因子污染指数与污染指数总和比值确定参数影响权重。
对水样数据进行污染来源解析采用SPSS软件进行因子分析和相关性分析。因子分析时，先降维后采用最大方差的因子旋转法得到各因子荷载；相关性分析时，采用基于Spearman秩相关方法，显著性检验选择双侧T检验。
2.2实验方法
水样采集 24h 内进行0.22 μm滤膜抽滤预处理和2% 硝酸酸化处理。对水质指标的检测，10种常规离子F-、 Cl-、 NO-2、NO-3、H2PO-4、SO2-4、Na+、 K+、Mg2+、Ca2+ 的浓度通过离子色谱仪测定，HCO-3和CO2-3 离子浓度通过传统实验室方法酸碱滴定测得，重金属含量Cd、Cr和Fe采用原子吸收石墨爐法测定。
水样中常规阴阳离子测定使用美国戴安公司 ICS-900 离子色谱仪：AS19 阴离子交换柱（250mm×4mm）、CS12 阳离子交换柱（250mm×4mm）、C18阴阳离子保护柱、MMS300型自动循环再生抑制器、DS5型检测器；碳酸盐采用传统实验室方法酸碱滴定；重金属测试采用原子吸收分光光度法，实验室所用仪器型号为北京普析通用公司TAS-990AFG。
3结果与分析
3.1离子浓度
26组水样中L1-L9来自位于宿州东南芦岭塌陷区，T1-T17来自宿州南桃园煤矿塌陷区，测定所得常规离子浓度和部分重金属浓度如表1所示。
由表1可知：对于NO-2和 NO-3浓度变化范围，桃园塌陷水域明显比芦岭大；同一塌陷塘的H2PO-4含量变化不大，整体浓度变化桃园高于芦岭；HCO-3在所有水样中浓度含量占绝对优势。
通过Origin软件绘制主要常规阴阳离子F-、Cl-、SO2-4、Na+、K+、 Mg2+、Ca2+ 和重金属离子Cd、Cr、Fe浓度变化趋势图，如图2所示。
由图2（a）可知：F-浓度相对稳定，两个矿区塌陷塘的F-相差不大，都接近2.0mg/L，但超出水质标准V类水质限值1.5mg/L；Cl-含量波动较小，水质较好，浓度范围20mg/L～40 mg/L；芦岭SO2-4含量较桃园高，且两个煤矿塌陷水域均有含量起伏较大的情况。由图2（b）可知：两个塌陷塘水样中阳离子Mg2+和 Ca2+变化伴随SO2-4的变化，且两种离子浓度变化范围相近；芦岭水样的 Na++K+含量在两个采样点有较大波动，且跟Cl-波动点变化一致；由图2（c）可知：重金属含量变化较大，尤其是桃园塌陷塘水样，其中Cr浓度范围1.742～162.8μg/L，Fe浓度范围84.6～231.5μg/L。同一片塌陷水域部分采样点水样中离子变化如此之大可能由于额外的污染源，无论桃园还是芦岭矿区的塌陷塘，都是周边农田土地灌溉用水，各种农药化肥的使用经雨水冲刷都将对周边水体造成一定污染，同时采矿围岩、废石、煤矸石长期堆放并在环境综合作用下也会污染水体。 3.2水质评价
根据我国《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），选取F-、Cl-、 NO-3、SO2-4、Cd、Cr 和 Fe 作为地表水水质评价的污染参数，标准值选择如表3所示：对于F-，所有水样F-浓度均高于1.5mg/L，选择V类水质作为标准限值；对于Cl-、NO-3和 SO2-4，在饮用水标准限值基础上，分别选择250mg/L、10mg/L和 250mg/L 作为标准值；对于Cd，浓度在0.1～0.4μg/L范围内，选择 II 类标准作为相应标准，标准限值为1.0μg/L；对于Cr，根据浓度范围的变化，选择I类、II类、III类和V类四个等级对应的限值作为标准值；Fe 标准值的选择方式同Cr，选择I类、II类、III类三个等级。污染等级的判定依据综合污染指数即P值，污染等级分为5个水平，水体清洁程度如表2所示。
对芦岭和桃园塌陷水域水样所选定的污染因子进行单因子污染指数及因子权重计算，分别将芦岭和桃园塌陷水域作为整体，其综合污染指数及其计算过程如表3和表4所示。由表3～表4可知：芦岭水样污染因子的权重大小为F-> Cr> Fe> SO2-4> Cd> Cl-> NO-3，桃园为 F-> Cr> Fe> Cd> SO2-4> Cl-> NO-3，两者权重大小差异仅存在于SO2-4和Cd 之间，前者SO2-4 影响大，后者Cd影响大，其他离子影响权重一致。由各离子浓度平均值计算得到的综合污染指数值、两个矿区采样点综合污染指数值和两个塌陷水体各自作为整体的综合污染指数均在0.7
对于桃园水样，尽管因子分析结果显示有四个来源因子，但除去F-离子的影响，主要贡献因子为HCO-3、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-和 SO2-4，这与芦岭水域是一致的。因此，元素来源分为三类，一类是常规离子来源，一类是外在含氟化合物溶解与富集，另外就是重金属污染源。对于F-含量较高，与许光泉等人对淮北平原浅层地下水研究结论一致[15]，但对宿州地区城市地下水及河流地表水中F-均有测定[16-17]，含量均在1.0mg/L以下，表明塌陷水体F-受外在来源影响。
因此，元素可能性来源可总结为以下几个方面：常规阴阳离子来源，即来源因子1可能为地表水与地下水水力联系及转化作用，地下水与斜长石和碳酸盐岩水巖相互作用导致水体中含有部分常规阴阳离子，经水力作用进入到地表水层[18]。因子2即氟离子来源主要为大气降水对氟化物的淋溶作用；因子3即重金属来源主要考虑为地表径流、地下水和地表水之间的水力联系、地表水体周边含重金属矿物岩石溶解和人为活动影响[19]，其中后两者影响比较显著，这由重金属Cr 和 Fe变异系数接近100% 即可证实。
4结论
1） 长期煤矿开采导致芦岭和桃园矿区部分地表塌陷形成塌陷水域，采集的26组水样中常规离子F-、 Cl-、SO2-4、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、NO-2、NO-3、H2PO-4、HCO-3、CO2-3均被检出，重金属Cd、Cr和Fe含量也经测出。对于氟离子，两个矿区塌陷水体离子含量均超标，但满足高氟地区农业灌溉水水质标准；重金属含量较之常规离子含量波动较大，桃园塌陷区部分水体存在Cr污染。
2） 选定F-、Cl-、NO-3、SO2-4、Cd、Cr 和 Fe作为评价因子，对水体进行综合评价，结果表明：芦岭塌陷水域综合污染指数P值为0.886，桃园为0.873，介于第III等级0.7 和1.0之间，水体存在中度污染情况。其中起主要作用的为F、Cr 和 Fe，权重较大，污染来源考虑为煤矸石淋溶和煤炭开采活动。
3） 结合相关性分析、水化学特征分析和水污染评价进行元素来源及污染源分析，因子分析结果表明：两个矿区塌陷水域具有共同的来源，可归结为常规离子来源、氟化物来源、重金属来源，具体表现为各类水体间相互转化的水力联系是塌陷水域水体中常规离子的主要来源，含氟化合物淋溶作用是氟化物主要来源，含重金属矿物岩石的溶解和人类活动是重金属主要来源。
参考文献：
[1]LIU JZ， HAN DJ， GU ZK. Key Controlling Regions and Main Measures for Soil and Water Conservation in Coal Mining Area [J]. Mining Research &Development， 2009， 29（1）：65-67. [2]徐良骥，严家平，高永梅. 安徽省两淮矿区地质环境治理技术[J]. 煤田地质与勘探， 2007， 35（6）：37-40.
[3]王福琴. 安徽省两淮采煤塌陷区的现状、存在问题及治理措施建议[J]. 安徽地质，2010，20（4）：291-293.
[4]GE WQ. Countermeasures for Coal Mining Geologic Subsidence Disaster of China[J]. Energy of China，2004，26（10）：27-29.
[5]GUPTA RC，GUPTA AK，SHRIVASTAVA RK.Assessment and management of water quality of Kshipra River in Ujjain City （Madhya Pradesh）， India[J]. Journal of Environmental Science & Engineering， 2013， 55 （2）：189-196.
[6]SINGH SK，SRIVASTAVA PK，SINGH D，et al. Modeling groundwater quality over a humid subtropical region using numerical indices， earth observation datasets， and X-ray diffraction technique： a case study of Allahabad district， India[J]. Environmental Geochemistry and Health， 2015，37（1）：157-180.
[7]LIU SG，LOU S，KUANG CP，et al. Water quality assessment by pollution-index method in the coastal waters of Hebei Province in western Bohai Sea， China[J]. Marine Pollution Bulletin，2011，62（10）：2 220-2 229.
[8]桂和荣，宋晓梅，王振红，等. 煤矿塌陷塘环境生态学研究[M]. 北京：地质出版社，2009.
[9]张冰，严家平，范廷玉，等. 采煤塌陷水域富营养化评价与分析——以淮南张集和顾桥矿为例[J]. 煤炭科学技术，2012，32（1）：159-161.
[10]YI QT，WANG XM，WANG TT，et al. Eutrophication and nutrient limitation in the aquatic zones around Huainan coal mine subsidence areas，Anhui，China[J].Water Science & Technology，2014，70（5）： 878-887.
[11]SUN LH，GUI HR，PENG WH.Heavy metals in groundwater from the coal bearing aquifer in northern Anhui Province，China：Concentrations and usability[J]. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research，2013，5（12）：1 349-1 353.
[12]SUN LH，GUI HR.Hydro-chemical evolution of groundwater and mixing between aquifers：a statistical approach based on major ions[J].Appl Water Sci，2015 （5）：97-104.
[13]SUN LH，PENG WH.Groundwater in rural area of Suzhou，northern Anhui Province，China：Heavy metal concentrations and statistical analysis[J]. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research，2014，6（3）：1 501-1 505.
[14]SUN LH，LIU XH，Cheng chen. Quality of water from subsidence area：a case study in the Luling coal mine， northern Anhui Provice， China[J]. Water Practice & Technology， 2015， 10 （4）： 777-786.
[15]B PRASAD，J M BOSE.Evaluation of the Heavy Metal Pollution Index for Surface and Spring Water Near a Limestone Mining Area of the Lower Himalayas [J]. Environmental Geology， 2001， 41（1-2）：183-188.
[16]許光泉，刘进，朱其顺，等. 安徽淮北平原浅层地下水中氟的分布特征及影响因素分析[J].水资源与水工程学报，2009，20（5）：9-13.
[17]程琛. 矿区城市地下水水质特征与元素来源分析——以宿州市为例[J]. 宿州学院报，2015，30（10）：109-112.
[18]陈松，桂和荣，林曼利，等. 淮北煤田河流水化学特征及意义[J]. 地球与环境，2016，44（4）：414-421.
[19]张传奇，温小虎，高猛，等. 莱州湾东岸地下水化学及盐化特征[J]. 海洋通报，2014，33（5）：584-591.
[20]徐良骥，严家平，高永梅. 煤矿塌陷水域水环境现状分析及综合利用——以淮南矿区潘一煤矿塌陷水域为例[J]. 煤炭学报，2009，34（7）：933-937.
（责任编辑：李丽，范君）