試論礦井水資源化與礦區水資源優化配置①

尹尚先

(華北科技學院安全工程學院，北京東燕郊 101601)

試論礦井水資源化與礦區水資源優化配置①

尹尚先②

(華北科技學院安全工程學院，北京東燕郊 101601)

我國煤礦區水資源匱乏，礦井水資源化意義重大。探討了礦井水資源化的相關概念，詳述了礦區水資源質量評價內容和方法，介紹了礦區供需分析預測及礦井水資源化可行性研究程序和方法，提出了三種礦區水資源優化配置模式及研究方法。

礦井水;水資源化;水處理;供需分析預測;優化配置

我國水資源匱乏，人均水資源量只有世界人均占有量的四分之一。同時我國是產煤大國，而主產煤區大都分布在缺水的北方干旱、半干旱地區。自然環境及采掘破壞，使礦區水資源短缺與經濟社會發展的矛盾日益突出［1］，水危機已經成為我國煤炭可持續發展的重要制約因素。

同世界各國發展歷程相似［2］，我國礦井水資源化走過了漫長而艱辛的探索之路。早期礦井水直排;迫于環境壓力，簡單水處理技術應運而生［3］;由于礦區缺水，水處理技術［4］進一步發展用于生產以及生活［5］;為合理利用礦井水，提出了排供結合［6］;目前，礦井水資源化［7］已經從礦井拓展到區域，從單一目標到多目標綜合［8］，從資源綜合利用發展到優化配置［9］，從理論到實踐均有所探索。本文就礦井水資源化的概念、礦區水資源供需分析、礦井水利用模式及合理配置等展開討論，以筆者的思考為系統研究礦井水資源化提供借鑒。

1 概念淺釋

1.1 礦井水及礦井排水、礦井疏水

對煤炭等礦產開發有影響的水資源統稱為礦井水。影響包括直接影響和間接影響。廣義講，礦井水包括礦井疏排水、井田所在水系統內的地下水和地表水。僅僅把礦井排水、疏水視為礦井水乃狹義理解。

事實上，礦井疏水和礦井排水是不同的概念，

2.1 水源評價基礎工作

礦井排水是指礦產開發過程中自然涌水而形成的水資源，而礦井疏水是指為保障礦產開發有意識排放的水資源。所以，礦井疏水是主動行為，而礦井排水屬被動行為。

1.2 礦井水資源化及形式

將礦井水與煤炭等礦產作為同等重要寶貴的資源共同合理利用。煤炭等資源開發過程中視水為害或者水資源開發漠視煤炭開發安全的傾向都是有悖于礦井水資源化的理念的。

礦井水資源化的形式:(1)礦井排水處理后作為水源供給不同用戶;(2)礦井預先疏水與礦井排水聯合作為水源供給不同用戶;(3)礦井預先疏水、礦井排水與礦區地表水優化配置作為水源供給不同用戶。

1.3 礦區水資源配置

從廣義概念上講，水資源合理配置就是研究如何利用好水資源，包括對水資源的開發、利用、保護與管理［10］。

水資源配置模型可定義為:以礦井水利用最大化供水為主要目的，針對的水資源系統，以系統分析理論、運籌學方法、知識規則、邏輯推理等為技術基礎，對各種工程措施和非工程措施進行適當組合和合理的聯合調度運用，以追求系統整體的可持續利用功能最優為目標的計算機模型。

2 水源(礦井水、地下水、地表水)質、量評價

區域內各種水資源量以及各種級別水質的水資源量是供水的基礎，為此應開展供水水源現狀調查、供水水資源量預測、供水水質調查等三項工作。

2.1.1 供水水源現狀調查

已經或者擬作為供水的水資源調查，包括礦井水、地下水、地表水作為供水水源的現狀。

2.1.2 供水水資源量預測

根據礦井涌水的歷史及現狀，對未來其作為供水水源的保證程度作出定量或者定性評價預測;同樣，應對井田所在地下水系統的地下水資源量進行評價預測，對流域內地表水資源量進行評價預測。

2.1.3 供水水質調查

現有供水水源水質調查，用于生活用水、工業用水、農業用水及其它用水的水質現狀調查。

2.2 水資源量評價方法

礦區所在水系統，其水資源量評價表達為下式:

式中:Q總——礦區內水資源總量

Q地表——礦區內地表水資源總量

Q地下——均衡區均衡期內的地下水資源量

Q礦井涌水——礦區礦井涌水量

ΔQ重復——礦區內水資源重復計算量

其中，對于地表水水資源量評價按下式進行:

式中:Q河流徑流——礦區內區間河流及支溝徑流量

Q地表水體——礦區內地表水體總量

在選定的均衡區及均衡期內，應用地下水均衡方程評價地下水資源量:

Q補給——均衡區均衡期內的地下水總補給量

Q排泄——均衡區均衡期內的地下水總排泄量

Δε——均衡期內水的儲存量變化值

Q降雨——大氣降雨入滲補給量

Q側向徑流——均衡區側向徑流補給量

Q蒸發——均衡區均衡期內地下水的蒸發量

Q泉——河流及支溝泉排泄量

Q基流——排向河流及支溝的基流量

2.3 水質評價內容及方法

2.3.1 水質評價內容

針對不同水資源水質評價(預測)的主要內容基本一致，但也有差異:

1)天然水化學特征評價內容:礦化度、總硬度、鉀、鈉、鎂、鈣、重碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽等。

2)地表水現狀水質評價內容(必評):溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、氨氮、揮發酚、砷;(選評):5d生化需氧量、氟化物、氰化物、汞、銅、鋅、鎘、六價鉻、總磷、石油類等;(參考):pH值、水溫、總硬度。

地表水水質變化趨勢分析的內容:總硬度、高錳酸鹽指數、5d生化需氧量、氨氮、溶解氧、揮發酚、鎘、總磷和總氮(湖、庫)、入海河口增加氯化物，內陸河增加硫酸鹽。

3)地下水(礦井水)水資源質量評價內容(必評):pH值、礦化度、總硬度、氨氮、揮發酚、高錳酸鹽指數、總大腸菌群;(選評)氟化物、氯化物、氰化物、碘化物、砷、硝酸鹽、亞硝酸鹽、六價鉻、汞、鉛、錳、鐵、鎘、化學需氧量、有毒有機物、重金屬等。

2.3.2 水質評價方法

國內外水質評價工作歷經近半個多世紀，提出的評價方法種類繁多，歸納起來分為三大類型:(1)指數法;(2)分級評價法;(3)純數學的方法。上述方法各有利弊，可以根據實際情況選擇應用。

3 用戶需水質、量要求

3.1 需水量、質現狀調查

區內所有用戶需水量、水質調查，包括生活用水、工業用水、農業用水及其它用水用戶需水量、水質的現狀。

3.2 需水量預測

需水量預測就是根據歷史用水量數據的變化規律，利用科學的、系統的或經驗的方法，對未來某時間段內的需水量進行預測，并對其可能產生的效果和趨勢做出定性或定量的預測。

4 礦井水資源化可行性分析

4.1 礦區水資源量供需平衡分析

礦區水資源供需平衡計算與分析是指在礦區一定區域范圍內，就水資源的供給與需求，以及它們之間的余缺關系進行計算與分析的過程。它以礦區現狀和供需水發展趨勢為基礎，為礦區水資源的合理開發利用和礦區經濟、社會、生態持續協調發展提供決策支持。

4.2 礦井水處理方式選擇

經礦區水資源供需平衡分析，可以明晰供需矛盾，我國大部分礦區缺水，因此，利用礦井水緩減供需矛盾成為首選。如何合理利用就涉及礦井水處理方式選擇。

礦井水處理后幾乎可以滿足目前各種不同要求用戶的需求。一般礦井水處理方式應按照以下原則進行選擇:首先滿足礦井生產加工洗選，其次用于礦區生活、工農業生產，還可以用于生態、環保、人工景觀等，當然也可以作為回灌、水源熱泵等水源。根據不同目的可以選擇相應礦井水處理方式，詳見有關文獻。

4.3 供水工程技術可行性和經濟合理性分析

水資源儲、輸、用系統以及水處理構筑物、管路，供水系統等，技術上是否可行、經濟上是否合理。

5 礦井水資源化模式

5.1 淺排水源地疏供聯合模式

淺排水源地是指建立在井田周圍，可以分擔礦井疏水降壓的地面水源地，適用于不能單靠礦井排水將水位降至安全水頭的大水礦區。如果淺排水源地建立在強徑流帶上，效果更佳。

淺排水源地輔助礦井疏干，起碼涉及兩個相互矛盾的目標:對供水部門，總是希望在滿足供水要求的前提下，使含水層產生最小的水位降，供水孔離開礦井疏干中心越遠越好;而礦山部門則希望以最小的排水量達到礦井疏干降壓要求，因而，供水孔距疏干中心越近越好。應用最優化方法從技術、經濟角度協調這些互相矛盾的目標，使“疏供聯合”總體指標(可以表示成礦井安全程度、總體經濟效益等)達到最優化。

5.2 礦井水回灌模式

在礦井水處理廠附近，利用各種勘探方法尋找回灌目標含水層富水區段，然后施若干個礦井水回灌井鉆孔;利用地面標高與目標含水層水位標高差，將經過凈化的礦井水回灌至目標含水層中儲存起來。

礦井水回灌工藝流程見圖1。

圖1 礦井水回灌工藝示意圖

5.3 礦井水、地下水與地表水優化配置模式

水資源綜合利用的最佳境界應該是礦井水、地表水與地下水優化配置，可以通過建立礦井水、地表水與地下水聯合調度的管理模型來解決水資源優化配置。由于要達到的目標較多，一般采用水資源管理多目標經濟管理模型。

水資源管理多目標經濟管理模型由目標函數和約束條件組成。

5.3.1 目標函數

水資源綜合利用要求礦區水資源管理達到供水量極大，供水費用極小。故提出雙重目標函數如下:

式中:I——供水井總數;

J——礦井水供水總數;

K——地表水供水總數;

Qi——第i口井供水量;

Qj——第j處礦井水供水量;

Qk——第k處地表水供水量;

C——價值系數。

價值系數的取值是根據供水構筑物建造費用、取水費用及輸水費用三部分確定。

5.3.2 約束條件

1)水力約束。響應函數使水量與水位有機地聯系起來，成為管理模型的基礎。在下式所示的非線性系統內，要想求響應函數，必須分解為兩個定解問題的疊加:

式中:x，y，z，t——空間及時間變量;

Tx，Ty，Tz——x，y，z 軸方向的導水系數，m2/d;

μ——彈性給水度;

Q(x，y，z，t)——源匯項，m3/d;

δ(x，y，z)——δ 函數;

H——含水層地下水水位;

Qs——其他補給量;

Γ1，Γ2——第一類、第二類邊界條件;

h0，h1，q0——已知函數。

將齊次初邊值條件的線性系統，分解為I個單輸入定解問題的迭加，即:

對于每個子問題，取單位流量抽水，即Q1=1求得的有限元數值解即為響應系數矩陣Aij(x，y，t)。按照線性系統的迭加原理，其解為:

式中 β(k，j，N-i+1)——響應系數，即在j點，i時段的單位抽水對k點，N時段末刻的影響。

2)水位約束。應該控制地下水(或者地表水)水位降深控制在一定范圍內。如，地下水水位降深較大有可能破壞水均衡條件，引起不良工程地質問題，但降深太小對礦井安全起不到應有作用，為此應確定合理范圍。

3)水量約束。總供水量應小于天然資源量。

4)非負約束。目標函數及約束條件中各參數均為非負值。

5 結論

1)礦井水包括礦井疏排水、井田所在水系統內的地下水和地表水。僅僅把礦井排水(主動)、疏水(被動)視為礦井水乃狹義理解。應將礦井水與煤炭等礦產作為同等重要寶貴的資源共同合理利用。

2)在供水水源、水量、水質現狀調查和分析預測的基礎上，對系統內水資源進行水量、水質評價，結合礦區用戶需水要求調查、預測，經供需平衡分析，依據余缺關系選擇礦井水資源化模式，通過可行性論證，實施優化配置方案，實現礦井水資源化及優化配置。

［1］ 中國21世紀議程——中國21世紀人口、環境與發展白皮書［M］.北京:清華大學出版社，1994

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On mine water resources and the optimal allocation of water in mining area

YIN Shangxian

(Security Engineering Center，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601)

China＇s coal mining area is short of water and mine water resources are significant.In this article，the author discusses about the related concepts of mine water resources，deals with the contents and methods of mining area water quality evaluation，introduces the procedures and methods of supply and demand analysis and forecasting in mining area，and puts forward three optimal allocation modes and research methods of mining area water resources

mine water;water resources;water treatment;supply and demand forcast;optimal allocation:

P641.5

A

1672-7169(2012)01-0006-05

2012-01-06。

尹尚先(1964-)，男，山西朔州人，博士，華北科技學院安全工程學院院長，教授，研究方向:地質工程，水害防治。