一种基于水质生物综合的采煤沉陷水域生态环境评价方法

技术领域

本发明涉及生态环境评价技术领域，具体是基于水质和生命表征的采煤沉陷水域生态环境评价方法。

背景技术

随着开采规模的扩大，塌陷区不断扩展，积水面积亦逐年增长，导致矿区生态环境不断恶化，部分矿区已出现富营养化或严重污染的塌陷水域，构成了广大矿业城市可持续发展的重要制约因素。因此，对塌陷积水区的水生态环境研究势在必行。与常见的河流、湖泊等地表水体相比，采煤沉陷水域分布广且分散，水下地形复杂。随着开采范围不断扩大，多煤层重复开采扰动影响，总体呈现由陆生向水陆复合系统转变的趋势。在沉陷水体形成过程中，其水质受农业非点源污染和原有农田土壤中潜在污染物释放的影响，沉陷水域水质也在不断变化。由于环境变换因素较多，无法得出准确的评价报告，导致治理方案难以准确适用目标区域。

关于水生态环境质量评价，现行的有《河流水生态环境质量监测与评价技术指南》，该指南中仅仅介绍了各种不同的检测技术与评价方法，但未对具体的水生态流域如何进行综合性的环境质量评价进行详细揭露，缺少专门针对采煤沉陷水域水资源环境调查评价的技术标准，行业内的人员在操作时仍然没有较为可靠的评价方法与标准来执行。

采煤沉陷水域环境质量评价是一个综合评价的指标，若单纯以水质或生物指标进行水生态质量评价可能与实际情况存在一定的差异。因此，需要建立一套包含水质和生物在内的、指标尽量统一、简化的水生态质量综合评价方法。

发明内容

本发明的目的在于提供基于水质和生命表征的采煤沉陷水域生态环境评价方法，基于水质和生命表征的采煤沉陷水域生态环境评价方法，通过分析研究浮游动植物、底栖生物以及微生物群落组成，获得水生态系统结构和功能的关键特征，从水生生物、物理生境和水质理化参数三个方面构建科学的生态评价指标体系，综合评价采煤沉陷区水域生态环境质量状况，克服了现有技术的不足，专注于采煤沉陷水域生态环境，完善了以往的评价指标体系。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

基于水质和生命表征的采煤沉陷水域生态环境评价方法，所述评价方法包括以下步骤：

步骤1、确立检测位点和参照位点，进行采集样本。

步骤2、初步选取评价指标，构建具有阶梯层次关系的评价指标体系。

步骤3、从步骤2的评价指标体系中筛选核心的生物完整性指数、生境质量指数和水质质量指数，并建立评价方法和标准。

步骤4、采用层次分析法计算步骤3各评价指标的相对权重，根据权重累积得到采煤沉陷水域生态环境质量得分，划分采煤沉陷水域生态环境质量等级。

进一步的，所述步骤1参照位点包括区域参照位点和特定参照位点；

所述步骤1采集样本具体流程包括：

(1)采集时间：每月采集2次，在具有明显丰水期和枯水期时，在枯水期和丰水期采集水样、底泥、微生物、浮游动植物、底栖动物等样本，共设置20个采样位点，采样位点包括封闭型沉陷水域9个(FB1～FB9)、开放型沉陷水域11个、泥河天然水域(泥河上游D1～D5)、养殖区水域(K1～K5)和光伏水域(泥河下游D11)。

(2)采样断面、采样垂线设置：封闭式采煤塌陷积水区的采样断面和采样垂线设置参照GB/T 14581、HJ/T 91执行；开放式采煤塌陷积水区的采样断面和采样垂线设置参照GB/T 14581、HJ/T 91执行，在进入塌陷区、流出塌陷区的河流汇合口处分别增设采样断面，按照塌陷区的水体种类适当增减采样断面。

(3)采样点位置确定：活跃期的采煤塌陷积水区水质采样点的位置按HJ/T91-2002中表3-3湖(库)监测垂线采样点的设置布设；稳沉期的采煤塌陷积水区水质采样点的位置按HJ/T91-2002中表3-3湖(库)监测垂线采样点的设置布设。

进一步的，所述步骤2具有阶梯层次关系的评价指标体系分为三层，分别是目标层、系统层和指标层。

目标层为采煤沉陷水域生态环境质量指数。

系统层为生物完整性指数、生境质量指数和水质质量指数。

指标层包括生物完整性指数指标层、生境质量指数指标层和水质质量指数指标层。

进一步的，所述步骤2中生物完整性指数指标层分为生物丰富度、物种组成和耐受性/敏感性3种指标类型，包括以下23个候选参数，其中，生物丰富度指标包括底栖动物总类别数、密度、摇蚊种类别数、敏感物种类别数、敏感物种数量、耐污种类别数、耐污种数量、浮游植物总分类单元数、着生藻类密度、浮游动物总分类单元数、浮游动物密度。

物种组成指标包括优势种物种比例、敏感物种不同类别物种的比例、敏感物种数量比例、耐污种不同类别物种比例、耐污种数量比例、底栖动物Shannon—H多样性指数、浮游植物Shannon—H多样性指数、Pielou均匀度指数和浮游动物Shannon—H多样性指数；耐受性/敏感性指标包括BMWP记分系统、优势种的污染指数值和Palmer指数。

生境质量指数的指标层包括水体底部表层沉积物质、栖息环境复杂程度、速度与深度结合性、河岸稳定性、水域河道变化、水域水量情况、植被多样性、水质状况、人类活动强度和河岸土地利用类型。

水质质量指数的指标层包括普通水质指标和沉陷水域特定污染因子，普通水质指标包括水体pH、溶解氧、电导率、CODcr、总磷和总氮；沉陷水域特定污染因子包括超标率以及特征污染物，包括重金属、挥发性、半挥发性有机物和其他类别污染物质。

进一步的，所述步骤3中筛选核心指标的方法包括：

(1)分布范围分析是分析候选参数在所有监测样点中分布频率的方法，若参照点分布范围过窄或者存在零值情况大于等于95％的情况下，则排除该候选参数。

(2)所述判别能力分析是分析候选参数在参照点和受损点的重叠情况IQ，判别能力分析法根据候选指标在参照点和受损点的重叠情况对IQ进行赋值，比对范围(25％-75％)：有重叠区域时，当中位数都在对方箱体范围之内，令IQ为0；当有一个中位数在对方箱体之内，令IQ＝1；当中位数都在对方箱体之外，令IQ为2；无重叠区域时，令IQ为3，若候选指标的IQ大于等于2，则保留该候选指标。

(3)所述相关性分析是检验候选参数表达信息的独立性的方法，相关性分析的方法为当2个候选指标的相关性系数|r|>0.75时，则剔除其中一个候选指标。

6、根据权利要求1所述的基于水质和生命表征的采煤沉陷水域生态环境评价方法，其特征在于，所述步骤3评价方法和标准的建立包括：

(1)通过采用95％四分法，建立生物完整性指数与评价标准。

(2)通过基于赋分法，建立生境质量评价方法与标准。

(3)通过确认超标和污染因子，建立水质质量评价方法与标准。

进一步的，所述生物完整性指数评价标准采用95％四分法，基于参照点位的指数值分布，以95％分数位为最佳值，低于此值的分布分5个等分步骤进行评分。

进一步的，所述超标和污染因子的确认方法包括单因子评价法、内梅罗综合污染指数法和富营养化评价法。

所述单因子评价法的计算公式如下：

式中：P

所述内梅罗综合污染指数法计算公式如下：

式中：P

所述富营养化评价采用综合营养指数(TLI)法，评价富营养化程度研究，计算公式如下：

式中：TLI(Σ)—综合营养状态指数、W

进一步的，所述计算各评价指标的相对权重根据参与比较的两个因素相对于上一层共同隶属因素的重要程度，赋予1-9的标准值，构建初步判断矩阵，对初步判断矩阵进行归一化处理，得到评价指标判断矩阵，计算最大特征值和对应的特征向量，经一次性检验通过(CR<0.1)后，确定指标层内与层内的相对权重，其中，判断矩阵的一致性指标CI和检验系数CR计算公式如下：

式中，λ

进一步的，所述步骤4采煤沉陷水域生态环境质量得分通过以下公式计算得出：

式中，S为沉陷水域生态环境质量得分，x

本发明的有益效果：

1、本发明采煤沉陷水域生态环境评价方法，通过分析研究浮游动植物、底栖生物以及微生物群落组成，获得水生态系统结构和功能的关键特征，从水生生物、物理生境和水质理化参数三个方面构建科学的生态评价指标体系，综合评价采煤沉陷区水域生态环境质量状况，克服了现有技术的不足，专注于采煤沉陷水域生态环境，完善了以往的评价指标体系；

2、本发明采煤沉陷水域生态环境评价方法能够全面、综合地反映沉陷区水域生态环境状况，有助于掌握沉陷水域生态环境的真实情况与演变规律，有利于科学管理采煤沉陷区水生态环境，为矿区生态治理的技术选择与水资源保护性开发利用提供依据。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明采煤沉陷水域生态环境评价方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

基于水质和生命表征的采煤沉陷水域生态环境评价方法，如图1所示，评价方法包括以下步骤：

步骤1、确立参照位点，采集样本并进行预处理。

选择位于淮南市潘一、潘二矿采煤沉陷区的典型封闭型积水区，选择泥河与潘一矿沉陷区汇合区域作为开放型采煤沉陷区，同时泥河上游(汇入)、下游(流出)作为对照；

采集样本流程包括：

采集时间：每月采集2次，在具有明显丰水期和枯水期时，在枯水期和丰水期采集水样、底泥、微生物、浮游动植物、底栖动物等样本，共设置20个采样位点，采样位点包括封闭型沉陷水域9个(FB1～FB9)、开放型沉陷水域11个、泥河天然水域(泥河上游D1～D5)、养殖区水域(K1～K5)和光伏水域(泥河下游D11)。

采样断面、采样垂线设置：封闭式采煤塌陷积水区的采样断面和采样垂线设置参照GB/T 14581、HJ/T 91执行；开放式采煤塌陷积水区的采样断面和采样垂线设置参照GB/T14581、HJ/T 91执行，在进入塌陷区、流出塌陷区的河流汇合口处分别增设采样断面，按照塌陷区的水体种类适当增减采样断面；

采样点位置确定：活跃期的采煤塌陷积水区，应在工作面投影到地面的区域内布设采样点，必要时增加水下地形测绘，其余位置按HJ/T91-2002中表3-3湖(库)监测垂线采样点的设置布设；稳沉期的采煤塌陷积水区水质采样点的位置按HJ/T91-2002中表3-3湖(库)监测垂线采样点的设置布设。

对采集的样本进行预处理，处理方法如下：

水质样本：对现场采集的水样，原水样用来抽滤，测量水中阴阳离子；加酸固定用于室内COD

微生物样本：加鲁哥试剂用于浮游植物的固定与富集；加福尔马林固定用于浮游动物、底栖动物的检测；少量水样、底泥放冰箱冷冻保存，用于测量微生物多样性。

具体实施时，现场测定水样指标有pH、TDS、EC、ORP、DO、T、H和SD；室内测试水样指标有NH4

在此步骤中，参照位点根据评价目的分为区域参照位点和特定参照位点，一些未受干扰或受干扰较少地区的参考点则代表沉陷区的自然生态梯度。这类参考点更适合于建立水域或流域尺度的生态健康基准，用于评价资源利用损害或影响，并制定相应的水质标准及监测网络；特定参考点通常是点源上游的一个或多个点，这种类型的参考条件可靠性有限，不适合监测或评价大面积。

步骤2、初步选取评价指标，构建具有阶梯层次关系的评价指标体系。

具有阶梯层次关系的评价指标体系分为三层，分别是目标层、系统层和指标层；目标层为采煤沉陷水域生态环境质量指数；

系统层为生物完整性指数、生境质量指数和水质质量指数；

生物完整性指数的指标层包括以下23个候选生物参数指标，分为3种指标类型，分别为生物丰富度、物种组成和耐受性/敏感性指标，其中，物种丰富度指标包括底栖动物总类别数、密度、摇蚊种类别数、敏感物种类别数、敏感物种数量、耐污种类别数、耐污种数量、浮游植物总分类单元数、着生藻类密度、浮游动物总分类单元数、浮游动物密度；物种组成指标包括优势种物种比例、敏感物种不同类别物种的比例、敏感物种数量比例、耐污种不同类别物种比例、耐污种数量比例、底栖动物Shannon—H多样性指数、浮游植物Shannon—H多样性指数、Pielou均匀度指数和浮游动物Shannon—H多样性指数；耐受性/敏感性指标包括BMWP记分系统、优势种的污染指数值和Palmer指数；

生境质量指数的指标层包括以下10个评价指标，分别为水体底部表层沉积物质、栖息环境复杂程度、速度与深度结合性、河岸稳定性、水域河道变化、水域水量情况、植被多样性、水质状况、人类活动强度和河岸土地利用类型；

水质质量指数的指标层分为普通水质参数和沉陷水域特定污染因子两类，分别为普通参数和沉陷水域特定污染因子；普通参数包括水体pH、溶解氧、电导率、COD

步骤3、筛选核心生物指标，通过采用95％四分法建立生物完整性指数与评价标准。

基于步骤2中生物完整性指数、生境质量指数和水质质量指数筛选核心生物指标，筛选核心生物指标的方法包括：候选参数分布范围监测、判别能力分析和相关性分析。

其中分布范围分析是分析候选参数在所有监测样点中分布频率的方法，若参照点分布范围过窄或者存在零值情况大于等于95％的情况下，则排除该候选参数；判别能力分析是分析候选参数在参照点和受损点的重叠情况IQ，其特征在于，所述判别能力分析法根据候选指标在参照点和受损点的重叠情况对IQ进行赋值，比对范围(25％-75％)：有重叠区域时，当中位数都在对方箱体范围之内，令IQ为0；当有一个中位数在对方箱体之内，令IQ＝1；当中位数都在对方箱体之外，令IQ为2；无重叠区域时，令IQ为3。若候选指标的IQ大于等于2，则保留该候选指标；相关性分析是检验候选参数表达信息的独立性的方法，相关性分析的方法为当2个候选指标的相关性系数|r|>0.75时，则剔除其中一个候选指标。

其中，生物完整性指数(IBI)评价标准采用95％四分法，计算生物完整性指数时采取95％四分法生物完整性评价结果，得到生物完整性指数评价等级划分标准，基于参照点位的指数值分布，以95％分数位为最佳值，低于此值的分布分5个等分步骤进行评分，第一个接近95％四分法的分数代表受干扰较少的地点，IBI一般按5级评分从上到下依次为：优、良、中、差、很差，见表1，并对区域内20个点位的水生态环境质量进行了评价，得出的沉陷水域生物完整性评价结果如表2。

表1生物完整性指数评价等级划分标准

表2生物完整性评价结果

步骤4、生境质量评价方法与标准通过基于赋分法建立。

根据《河流水生态环境质量评价技术指南》(试行)，利用“生境评价表”获得监测点的生境评分，并累加各项参数总值，最后对获得的评价栖息地生境质量分值H进行赋分。

生境质量指数标准如下：当H大于150时，等级为无干扰，赋分值为5；当H大于120小于150时，等级为轻微干扰，赋分值为4；当H大于90小于120时，等级为轻度污染，赋分值为3；当H大于60小于90时，等级为中度污染，赋分值为2；当H小于60时，等级为重度污染，赋分值为1。

对研究水域二十个调查位点的10项生境调查指标进行打分评估，结果如表3，生境评分是基于调查人员主观判断，人为主观性较大，调查中一般需要两名调查人员同时对各种生境指标进行观察，并将两者评分均值作为最终结果，以确保评价结果尽量准确。

栖息地质量根据参考地点栖息地评分分布的25th分位数法进行评估，即如果监测点的栖息地质量值高于参考地点栖息地分值分布的25th分位数，则栖息地质量为良好，然后将第25th分位数以下的分布分成三部分进行评估，即47.6至71.5之间的栖息地价值为一般；23.8至47.6之间为较差；低于23.8为非常差。

表3生境要素评分结果

步骤5、确认超标和污染因子，建立水质质量评价方法与标准。

采用单因子评价法、内梅罗综合污染指数法和富营养化评价法，对不同时期(枯水期、丰水期)封闭和开放型沉陷水域以及开放型沉陷水域不同水功能类型(天然水域、光伏水域和养殖水域)进行水质评价。

单因子评价法的计算公式如下：

式中：P

内梅罗综合污染指数法计算公式如下：

式中：P

富营养化评价采用满意度较高的综合营养指数(TLI)法，评价富营养化程度研究。计算公式如下：

式中：TLI(Σ)—综合营养状态指数；W

评价标准根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的阈值，对不同功能区的水质类别进行的水质指标评价水质评价，基于不同水质等级进行评价计算分值，评价标准如下：属于一类水质有5分；属于二类水质有4分；属于三类水质有3分；属于四类水质有2分；属于五类水质及以下水质有1分。

具体实施时，单因子评价法拟采用《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水的标准，对CODCr、TP、TN和DO进行单因子评价，各指标环境质量标准基本项目标准限值如表4，不同季时期评价结果如表5。

表4各指标环境质量标准基本项目标准限值(单位：mg/L)

表5主要污染物单因子评价结果表

具体实施时，内梅罗综合污染指数法以《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水为基准进行水质评价，内梅罗污染指数法评价标准如表6，内梅罗污染指数评价结果表如表7所示。

表6内梅罗污染指数法评价标准

表7内梅罗污染指数评价结果表

具体实施时，使用综合营养指数(TLI)法，评价富营养化程度研究，根据综合营养指数的计算需要，选取总磷、总氮、CODcr、叶绿素a作为富营养化评价的指标，对塌陷区进行度营养化评价。根据计算指数的大小，把水体的营养化程度分为5个级别如表8所示，富营养化指数评价结果如表9所示。

表8富营养化状态分级表

表9富营养化指数评价结果表

步骤6、采用层次分析法计算各评价指标的相对权重，根据权重累积得到采煤沉陷水域生态环境质量得分，划分采煤沉陷水域生态环境质量等级。

计算各评价指标的相对权重是采用两两比较的方法，根据参与比较的两个因素相对于上一层它们共同隶属的那个因素的重要程度，赋予1-9的标准值，构建初步判断矩阵，对初步判断矩阵进行归一化处理，得到评价指标判断矩阵，计算最大特征值和对应的特征向量，经一次性检验通过(CR<0.1)后，即可确定指标层内与层内的相对权重。其中，判断矩阵的一致性指标CI和检验系数CR计算公式如下：

式中，λ

采煤沉陷水域生态环境质量得分水生态环境质量综合指数(S)进行计算，计算公式如下：

式中，S为水和环境质量综合指数，x

按照上述水生态环境质量综合指数(S)计算公式，基于层次分析法，计算得出水生生物指标、水质理化参数指标、物理生境指标所占权重计算0.4、0.4、0.2；根据S值，水质分为五个等级：清洁(S≥4)、干净(4>S≥3)、轻微污染(3>S≥2)、中度污染(2>S≥1)和重度污染(S<1)，水生态环境综合评价指数中各指标分值及权重如表10所示，不同采样点S和水生态环境质量状况如表11所示。

表10水生态环境综合评价指数中各指标分值及权重

表11不同采样点S和水生态环境质量状况

采煤沉陷水域生态环境质量等级按照不同阈值划分为5级，分别为I级、II级、III级、IV级、V级。

本发明专注于采煤沉陷水域生态环境，完善了以往的评价指标体系，从水生生物、物理生境和水质理化参数三个方面构建科学的生态评价指标体系，综合评价采煤沉陷区水域生态环境质量状况。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。