以煤礦塌陷土地利用為核心的水和能源集成體系研究

鐘希翠，任一鑫

（山東科技大學 經濟管理學院，山東 青島 266590）

以煤礦塌陷土地利用為核心的水和能源集成體系研究

鐘希翠，任一鑫

（山東科技大學 經濟管理學院，山東 青島 266590）

針對煤炭資源開采造成的煤炭礦區土地塌陷、水資源及能源浪費嚴重、生態環境惡化等問題，本文以集成、優化配置理論為指導，結合礦區實際情況，對礦區塌陷土地、水資源及能源構成成分及特征分析基礎上，提出以塌陷土地為核心，水和能源一體化集成利用模式，并依據錯時、互補、聯合、替代等利用方式，設計出煤炭礦區土地、水和能源一體化集成利用體系，為礦區節能減排尋求新道路，同時為礦區資源優化配置提供參考依據。

煤炭礦區；塌陷區土地─水─能源；集成利用；優化配置

一、引言

隨著煤礦行業生產運營，煤炭產量的增多，被破壞的土地不斷增加，礦井水、生活污水和工業廢水排放量與日俱增，大量的煤泥、煤矸石、余熱等能源被浪費。上述資源長期處于閑置荒廢狀態，不僅造成嚴重的資源浪費，更有甚者因處理不當引發生態破壞、環境污染。礦區土地塌陷、工業廢水和生活污水亂排亂放已嚴重影響當地農業生產、經濟發展和人民生活質量，威脅著廣大人民群眾的生命財產與安全，同時也制約煤礦行業的可持續發展。因而，實現礦區土地、水和能源的一體化集成利用，構建以塌陷區土地利用為核心的水、能源集成利用體系十分必要。

二、礦區塌陷土地、水和能源構成種類和特征分析

1、塌陷區土地

煤炭資源開采后，采空區上覆巖層的原始應力平衡狀態受到破壞，依次發生冒落、彎曲、斷裂等移動變形，并于地表地貌相互作用，最終塌陷形成近似橢圓形的下沉盆地，稱之為采煤塌陷地。依據塌陷地性質將塌陷土地分為無積水塌陷干旱地、沼澤塌陷區、季節性積水塌陷區、常年積水塌陷區。各類塌陷區特征如表1-1所示：

表1 -1 礦區塌陷區種類特征表

2、水資源

煤炭礦區水資源種類繁多，根據其產生的方式及特征將其分為地下水、地表水、礦井水、工業廢水及生活污水五類水源。礦區各類水源特征如表1-2所示。

表1 -2礦區水資源種類特征表

3、礦區能源

礦區能源具有種類繁多、關聯性強、用途廣泛、特性各異，按照能源特征將礦區能源分為：常規能源、新能源和閑置能源。常規能源主要包括礦區生產生活用的煤、電、汽油、柴油等，具有存儲方便、供給穩定，不受限制等特征；新能源主要包括風能、太陽能、地熱能、生物質能等，具有存儲不便、供給不穩定、受自然條件限制等特征；閑置能源主要包括煤矸石、煤泥、余熱等，具有存儲方便、供給穩定、受產量限制等特征。

三、礦區塌陷區土地為核心的水和能源集成體系研究

1、礦區塌陷土地、水和能源集成利用體系

對礦區塌陷土地、水資源及能源種類及特征分析基礎上，本著生態治理、環境保護、可持續性發展原則，構建煤炭礦區土地、水和能源一體化集成利用體系。該體系包括陸生生產、水生生產、農產品加工、生態濕地四部分。

(1)水生生產。水生生產指煤炭礦區低洼塌陷區，引入礦區水資源和能源，發展水生生產業。一方面在其引入水資源后可發展水生養殖、水生種植，另一方面在引入能源后可進行水生溫室、水生大棚等生產活動。用水以經過深加工處理的礦井水和生活污水替代由地下水和地表水供給；礦井水余熱、電廠余熱、乏風余熱等均可替代常規的電力、煤炭使用。在低洼塌陷區進行水生產品生產不僅改善當地的生態環境、提高人們生活質量而且還能帶來一定的經濟效益。具體種植養殖品種依據礦區實際狀況確定，做到因時因地種植養殖。礦區土地類型中常年積水塌陷地最適合發展水生生產，其次為季節性積水塌陷地。

(2)陸生生產。陸生生產指將煤炭礦區無積水塌陷干旱地在進行墊平覆土后，建設一系列農業設施設備發展陸生農業生產，開展“農一禽一畜”生態農業模式。用水以江河湖泊、及由經過處理后礦井水替代地表水和地下水滿足，熱能供給是以礦井水和電廠余熱通過水源熱泵技術轉換成熱能提供，乏風余熱、沼氣也可以滿足，在熱能不足時可以通過技術手段將煤矸石、煤泥等閑置能源轉換成熱能供其組合使用。陸生生產主要包括陸生養殖、陸生種植，以牛、羊、豬等牲畜類，雞、鴨、鵝等禽類的飼養，小麥、玉米、水稻等谷物以及林業的種植為主。

(3)農產品加工業。農產品加工用地包括兩部分，一是將礦區陸生和水生產生蔬菜、谷物、肉類等進行烘干、發酵等深加工區域，二是將農業副產品加工成飼料，加工下腳料及其他資源生產有機肥與能源等農業廢棄物資源化利用區域。礦區土地類型中無積水塌陷地墊平后可用于農產品加工基地建設，用水可由深加工后礦井水及江河湖泊等中階水替代地表水供給；用能由礦區余熱替代電能，也可利用農業廢棄物制成沼氣供能，不足時可充分利用煤泥、煤矸石等閑置能源組合利用。

(4)生態濕地。生態濕地是陸地與水域之間相互作用形成的自然綜合體。礦區利用塌陷區構建濕地，在較深地帶挖溝造渠、建池蓄水，并栽種荷花翠柳等樹木，建設人工生態湖泊，并將以往堆積的廢棄礦渣和垃圾就地利用，在湖邊堆成小山，形成旅游休閑區、濕地蓄水區、娛樂服務區等區域。礦區季節性積水塌陷區和沼澤塌陷地是發展生態濕地的天然場所。用水需求由經過深加工處理的工業廢水和生活污水供給，不足時由礦井水組合供給，同時要充分發揮生態濕地的水處理供能；用能主要以常規的電、油、汽供給。

四、水資源及能源集成配置方法

1、水資源多目標規劃模型

煤炭礦區水資源有礦井水、生活污水、地表水、地下水和工業廢水，依據土地的利用方式和產業結構確定用水單元有工業生產和生活用水、陸生生產用水、水生生產用水、生態濕地用水、農產品加工用水。在確定礦區水供給量和各用水單元對水需求種類和數量后，在可用水量一定條件下對水進行分配。

（1）模型建立的原則。為實現礦區水資源充分利用，保證供水滿足需求基礎上，實現成本最小化。模型的建立原則如下:

根據用戶進行優先級排序，即滿足工業生產需求→生活需求→陸生生產用水→水生生產用水→農產品加工用水→生態濕地用水。

根據各水源水質的不同，各水源利用的優先級：地表水和地下水→礦井水→生活污水→工業廢水。

（2）決策變量的選擇。根據模型的目標（即綜合考慮水源的分布、水量、水質及其主要用水地域特點、需水量等基本信息，保證水資源供給率最高前提下，供水成本最低)，把即第i個水源向第j個用戶的供水量做為決策變量。

把用戶分為7種類型，即井下生產、地面生產、生活、陸生生產、水生生產、農產品加工、生態濕地，對應的用戶類型編號（j）為：1,2,3,4,5,6,7

根據水源的水質，把水源劃分為四種類型：工業廢水、生活污水、礦井水、地表水和地下水，對應的水源類型編號（i）為：1,2,3,4

（3）目標函數的建立。目標函數以決策變量的線性或非線性函數表示，目標不同，目標函數表達式也不同。礦區水資源多目標規劃模型主要實現水資源供給率最高前提下，供水成本最低，因此該模型有兩個目標函數：

目標1：礦區供水量最大限度滿足各用戶需水要求

式中： i—水源編號，i=1,2,3,4；j—用戶類型編號，j=1,2,3,4,5,6,7；xij—表示第i個水源向第j個用戶的供水量

目標2：礦區供水量總費用最小

式中：aj一第j種水源供單位水量的成本系數；

（4）約束條件確定。約束條件是模型在求解過程中依據的定律、法則和規定，只有在一定的約束條件下，模型運算結果才有效。本模型有以下兩類約束:

a水量供給量約束：水量供給約束是在滿足各用戶各水源需求的基礎上，最大的供給量不能大于礦區水源總量。

b決策變量非負約束：

（5）模型求解

煤炭礦區不同，其礦井水、生活污水、工業廢水和地表水、地下水等供給量不同，各個用水單元對水需求量不同，各類水源對各個用水單元供給費用也不同，因而模型應用需要依據各個礦區實際情況具體操作。

2、能源集成優化配置模型

在確定礦區能源供給量后需將其分配到相應用能領域，即陸生生產用能、水生生產用能、農產品加工用能、生態濕地用能。不同用能單元所使用能源種類和數量不同，同種能源投入不同使用領域，所產生的綜合效益亦不同。因此，需要研究集成利用中能源最優分布問題，需要建立能源集成優化配置模型。

其中Qij表示礦區能源Qio在各用能領域之間的分配量，在模型中不考慮當地能源的配置問題，但其大小會影響各用能領域能源消費的邊際效益，從而影響礦區能源的配置。Pi表示接受輸入能源量為Ei對第i區域造成的污染總量。

問題可轉化為：

構造拉格朗日乘數函數：

即當各用能領域能源消費邊際效益與污染排放水平之差均衡時，礦區總社會效益最大。

六、結論

本文在集成、優化配置理論指導下，對礦區塌陷土地、水資源和能源種類及特征分析基礎上，確定塌陷區土地利用的四種方式，即陸生生產、水生生產、農產品加工和生態濕地，并將水資源和能源與四種土地進行匹配，構建了以礦區塌陷土地、水和能源一體化集成利用體系。且建立了水土資源多目標規劃模型和能源最佳配置模型確定礦區陸生生產、水生生產、農產品加工、生態濕地對水和能源量的分配，為具體目標的實施提供了依據，解決了礦區資源孤立開發利用的問題。

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（責任編輯：劉 康）