尹尚先

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

試論礦井水資源化與礦區(qū)水資源優(yōu)化配置①

尹尚先②

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

我國煤礦區(qū)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(guān)概念，詳述了礦區(qū)水資源質(zhì)量評價內(nèi)容和方法，介紹了礦區(qū)供需分析預(yù)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(qū)水資源優(yōu)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(yù)測;優(yōu)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(chǎn)煤大國，而主產(chǎn)煤區(qū)大都分布在缺水的北方干旱、半干旱地區(qū)。自然環(huán)境及采掘破壞，使礦區(qū)水資源短缺與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的矛盾日益突出［1］，水危機(jī)已經(jīng)成為我國煤炭可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。

同世界各國發(fā)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(huán)境壓力，簡單水處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生［3］;由于礦區(qū)缺水，水處理技術(shù)［4］進(jìn)一步發(fā)展用于生產(chǎn)以及生活［5］;為合理利用礦井水，提出了排供結(jié)合［6］;目前，礦井水資源化［7］已經(jīng)從礦井拓展到區(qū)域，從單一目標(biāo)到多目標(biāo)綜合［8］，從資源綜合利用發(fā)展到優(yōu)化配置［9］，從理論到實(shí)踐均有所探索。本文就礦井水資源化的概念、礦區(qū)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(tǒng)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(chǎn)開發(fā)有影響的水資源統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)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(shí)上，礦井疏水和礦井排水是不同的概念，

2.1 水源評價基礎(chǔ)工作

礦井排水是指礦產(chǎn)開發(fā)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(chǎn)開發(fā)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(chǎn)作為同等重要寶貴的資源共同合理利用。煤炭等資源開發(fā)過程中視水為害或者水資源開發(fā)漠視煤炭開發(fā)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(yù)先疏水與礦井排水聯(lián)合作為水源供給不同用戶;(3)礦井預(yù)先疏水、礦井排水與礦區(qū)地表水優(yōu)化配置作為水源供給不同用戶。

1.3 礦區(qū)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(fā)、利用、保護(hù)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(tǒng)，以系統(tǒng)分析理論、運(yùn)籌學(xué)方法、知識規(guī)則、邏輯推理等為技術(shù)基礎(chǔ)，對各種工程措施和非工程措施進(jìn)行適當(dāng)組合和合理的聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用，以追求系統(tǒng)整體的可持續(xù)利用功能最優(yōu)為目標(biāo)的計(jì)算機(jī)模型。

2 水源(礦井水、地下水、地表水)質(zhì)、量評價

區(qū)域內(nèi)各種水資源量以及各種級別水質(zhì)的水資源量是供水的基礎(chǔ)，為此應(yīng)開展供水水源現(xiàn)狀調(diào)查、供水水資源量預(yù)測、供水水質(zhì)調(diào)查等三項(xiàng)工作。

2.1.1 供水水源現(xiàn)狀調(diào)查

已經(jīng)或者擬作為供水的水資源調(diào)查，包括礦井水、地下水、地表水作為供水水源的現(xiàn)狀。

2.1.2 供水水資源量預(yù)測

根據(jù)礦井涌水的歷史及現(xiàn)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(yù)測;同樣，應(yīng)對井田所在地下水系統(tǒng)的地下水資源量進(jìn)行評價預(yù)測，對流域內(nèi)地表水資源量進(jìn)行評價預(yù)測。

2.1.3 供水水質(zhì)調(diào)查

現(xiàn)有供水水源水質(zhì)調(diào)查，用于生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水及其它用水的水質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查。

2.2 水資源量評價方法

礦區(qū)所在水系統(tǒng)，其水資源量評價表達(dá)為下式:

式中:Q總——礦區(qū)內(nèi)水資源總量

Q地表——礦區(qū)內(nèi)地表水資源總量

Q地下——均衡區(qū)均衡期內(nèi)的地下水資源量

Q礦井涌水——礦區(qū)礦井涌水量

ΔQ重復(fù)——礦區(qū)內(nèi)水資源重復(fù)計(jì)算量

其中，對于地表水水資源量評價按下式進(jìn)行:

式中:Q河流徑流——礦區(qū)內(nèi)區(qū)間河流及支溝徑流量

Q地表水體——礦區(qū)內(nèi)地表水體總量

在選定的均衡區(qū)及均衡期內(nèi)，應(yīng)用地下水均衡方程評價地下水資源量:

Q補(bǔ)給——均衡區(qū)均衡期內(nèi)的地下水總補(bǔ)給量

Q排泄——均衡區(qū)均衡期內(nèi)的地下水總排泄量

Δε——均衡期內(nèi)水的儲存量變化值

Q降雨——大氣降雨入滲補(bǔ)給量

Q側(cè)向徑流——均衡區(qū)側(cè)向徑流補(bǔ)給量

Q蒸發(fā)——均衡區(qū)均衡期內(nèi)地下水的蒸發(fā)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(zhì)評價內(nèi)容及方法

2.3.1 水質(zhì)評價內(nèi)容

針對不同水資源水質(zhì)評價(預(yù)測)的主要內(nèi)容基本一致，但也有差異:

1)天然水化學(xué)特征評價內(nèi)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(xiàn)狀水質(zhì)評價內(nèi)容(必評):溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮、揮發(fā)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(zhì)變化趨勢分析的內(nèi)容:總硬度、高錳酸鹽指數(shù)、5d生化需氧量、氨氮、溶解氧、揮發(fā)酚、鎘、總磷和總氮(湖、庫)、入海河口增加氯化物，內(nèi)陸河增加硫酸鹽。

3)地下水(礦井水)水資源質(zhì)量評價內(nèi)容(必評):pH值、礦化度、總硬度、氨氮、揮發(fā)酚、高錳酸鹽指數(shù)、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(xué)需氧量、有毒有機(jī)物、重金屬等。

2.3.2 水質(zhì)評價方法

國內(nèi)外水質(zhì)評價工作歷經(jīng)近半個多世紀(jì)，提出的評價方法種類繁多，歸納起來分為三大類型:(1)指數(shù)法;(2)分級評價法;(3)純數(shù)學(xué)的方法。上述方法各有利弊，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇應(yīng)用。

3 用戶需水質(zhì)、量要求

3.1 需水量、質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查

區(qū)內(nèi)所有用戶需水量、水質(zhì)調(diào)查，包括生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水及其它用水用戶需水量、水質(zhì)的現(xiàn)狀。

3.2 需水量預(yù)測

需水量預(yù)測就是根據(jù)歷史用水量數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，利用科學(xué)的、系統(tǒng)的或經(jīng)驗(yàn)的方法，對未來某時間段內(nèi)的需水量進(jìn)行預(yù)測，并對其可能產(chǎn)生的效果和趨勢做出定性或定量的預(yù)測。

4 礦井水資源化可行性分析

4.1 礦區(qū)水資源量供需平衡分析

礦區(qū)水資源供需平衡計(jì)算與分析是指在礦區(qū)一定區(qū)域范圍內(nèi)，就水資源的供給與需求，以及它們之間的余缺關(guān)系進(jìn)行計(jì)算與分析的過程。它以礦區(qū)現(xiàn)狀和供需水發(fā)展趨勢為基礎(chǔ)，為礦區(qū)水資源的合理開發(fā)利用和礦區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供決策支持。

4.2 礦井水處理方式選擇

經(jīng)礦區(qū)水資源供需平衡分析，可以明晰供需矛盾，我國大部分礦區(qū)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(yīng)按照以下原則進(jìn)行選擇:首先滿足礦井生產(chǎn)加工洗選，其次用于礦區(qū)生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還可以用于生態(tài)、環(huán)保、人工景觀等，當(dāng)然也可以作為回灌、水源熱泵等水源。根據(jù)不同目的可以選擇相應(yīng)礦井水處理方式，詳見有關(guān)文獻(xiàn)。

4.3 供水工程技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性分析

水資源儲、輸、用系統(tǒng)以及水處理構(gòu)筑物、管路，供水系統(tǒng)等，技術(shù)上是否可行、經(jīng)濟(jì)上是否合理。

5 礦井水資源化模式

5.1 淺排水源地疏供聯(lián)合模式

淺排水源地是指建立在井田周圍，可以分擔(dān)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(qū)。如果淺排水源地建立在強(qiáng)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(biāo):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(chǎn)生最小的水位降，供水孔離開礦井疏干中心越遠(yuǎn)越好;而礦山部門則希望以最小的排水量達(dá)到礦井疏干降壓要求，因而，供水孔距疏干中心越近越好。應(yīng)用最優(yōu)化方法從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度協(xié)調(diào)這些互相矛盾的目標(biāo)，使“疏供聯(lián)合”總體指標(biāo)(可以表示成礦井安全程度、總體經(jīng)濟(jì)效益等)達(dá)到最優(yōu)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(biāo)含水層富水區(qū)段，然后施若干個礦井水回灌井鉆孔;利用地面標(biāo)高與目標(biāo)含水層水位標(biāo)高差，將經(jīng)過凈化的礦井水回灌至目標(biāo)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(yōu)化配置模式

水資源綜合利用的最佳境界應(yīng)該是礦井水、地表水與地下水優(yōu)化配置，可以通過建立礦井水、地表水與地下水聯(lián)合調(diào)度的管理模型來解決水資源優(yōu)化配置。由于要達(dá)到的目標(biāo)較多，一般采用水資源管理多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)管理模型。

水資源管理多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)管理模型由目標(biāo)函數(shù)和約束條件組成。

5.3.1 目標(biāo)函數(shù)

水資源綜合利用要求礦區(qū)水資源管理達(dá)到供水量極大，供水費(fèi)用極小。故提出雙重目標(biāo)函數(shù)如下:

式中:I——供水井總數(shù);

J——礦井水供水總數(shù);

K——地表水供水總數(shù);

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(shù)。

價值系數(shù)的取值是根據(jù)供水構(gòu)筑物建造費(fèi)用、取水費(fèi)用及輸水費(fèi)用三部分確定。

5.3.2 約束條件

1)水力約束。響應(yīng)函數(shù)使水量與水位有機(jī)地聯(lián)系起來，成為管理模型的基礎(chǔ)。在下式所示的非線性系統(tǒng)內(nèi)，要想求響應(yīng)函數(shù)，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(dǎo)水系數(shù)，m2/d;

μ——彈性給水度;

Q(x，y，z，t)——源匯項(xiàng)，m3/d;

δ(x，y，z)——δ 函數(shù);

H——含水層地下水水位;

Qs——其他補(bǔ)給量;

Γ1，Γ2——第一類、第二類邊界條件;

h0，h1，q0——已知函數(shù)。

將齊次初邊值條件的線性系統(tǒng)，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(shù)值解即為響應(yīng)系數(shù)矩陣Aij(x，y，t)。按照線性系統(tǒng)的迭加原理，其解為:

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

2)水位約束。應(yīng)該控制地下水(或者地表水)水位降深控制在一定范圍內(nèi)。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(zhì)問題，但降深太小對礦井安全起不到應(yīng)有作用，為此應(yīng)確定合理范圍。

3)水量約束?？偣┧繎?yīng)小于天然資源量。

4)非負(fù)約束。目標(biāo)函數(shù)及約束條件中各參數(shù)均為非負(fù)值。

5 結(jié)論

1)礦井水包括礦井疏排水、井田所在水系統(tǒng)內(nèi)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(yīng)將礦井水與煤炭等礦產(chǎn)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(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查和分析預(yù)測的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)內(nèi)水資源進(jìn)行水量、水質(zhì)評價，結(jié)合礦區(qū)用戶需水要求調(diào)查、預(yù)測，經(jīng)供需平衡分析，依據(jù)余缺關(guān)系選擇礦井水資源化模式，通過可行性論證，實(shí)施優(yōu)化配置方案，實(shí)現(xiàn)礦井水資源化及優(yōu)化配置。

［1］ 中國21世紀(jì)議程——中國21世紀(jì)人口、環(huán)境與發(fā)展白皮書［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1994

［2］ Warren Viessman.Water management:Challenge and opportunity［J］.Journal of Water Resources Planning and Management.1990，116(02):557–571

［3］ 何緒文，肖寶清，王平.廢水處理與礦井水資源化［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2002

［4］ 劉杰，何為軍.我國礦井水處理的現(xiàn)狀及其資源化利用［J］.煤炭加工與綜合利用，2007，(04):36-39

［5］ 何緒文，楊靜，邵立南.我國礦井水資源化利用存在的問題與解決對策［J］.煤炭學(xué)報，2008，(01):225-230

［6］ 王夢玉.礦井防治水和水資源管理研究論文選集［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2011

［7］ 方創(chuàng)琳.區(qū)域可持續(xù)發(fā)展與水資源優(yōu)化配置研究［J］.自然資源學(xué)報，2001，4(07):341-347

［8］ 姬亞東.陜北煤礦區(qū)礦井水資源化及綜合利用研究［J］.地下水，2009，31(01):84-90

［9］ 尤祥瑜，謝新民，孫仕軍等.我國水資源配置模型研究現(xiàn)狀與展望［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2004，2(02):131-140

［10］尹尚先，劉月琴.Application of the Boundary Element Method to Groundwater Resources Management［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2002，30(05):86-90

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(xué)院安全工程學(xué)院院長，教授，研究方向:地質(zhì)工程，水害防治。