基于地下水系統(tǒng)的礦區(qū)水資源評價方法研究

武珂 田云露 武小云 張琛

摘 要：礦井水是一種寶貴的資源，實施礦井水資源化利用，對保護環(huán)境和節(jié)約水資源具有重要的意義，也是建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的必然要求。基于此，本文主要探討基于地下水系統(tǒng)的礦區(qū)水資源評價方法，以期豐富和發(fā)展礦區(qū)水資源評價理論與方法。

關(guān)鍵詞：礦區(qū);水資源;地下水系統(tǒng);評價方法

中圖分類號：TV211.1文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）29-0086-03

Abstract： Mine water is a kind of precious resource. The utilization of mine water resources is of great significance to protect the environment and save water resources. It is also an inevitable requirement for building a resource-saving and environment-friendly society. Based on this， this paper mainly discussed the evaluation method of mine water resources based on groundwater system， in order to enrich and develop the theory and method of mine water resources evaluation.

Keywords： mining area;water resources;groundwater system;assessment method

1 研究背景

水資源匱乏是當今世界性焦點問題，其阻礙了經(jīng)濟的發(fā)展，影響了人們的生活水平[1]。我國水資源嚴重短缺，北方礦區(qū)尤為嚴重。在煤礦開采過程中，大量的礦井水被排放。據(jù)統(tǒng)計，全國煤礦每年外排礦井水約2.2×109m3，利用率卻不到20%[2]?？梢?，礦井水是采礦區(qū)的一種特殊水資源。其是地表水、地下水和其他水的混合物，具有經(jīng)濟和生態(tài)價值[3]。同時，礦井水資源不同于地表水資源和地下水資源，其具有自身獨特的特點，因此應單獨評估。

科學開發(fā)礦井水和礦井水給水源化是解決礦區(qū)水資源短缺問題的最有效途徑。將煤礦礦井水資源化，使之具有經(jīng)濟效益、環(huán)境效益及社會效益，在建設節(jié)約型社會的今天具有非常重要的現(xiàn)實意義[4]。礦井水資源與地下水密不可分。在煤礦開采過程中，排泄的大量地下水主要由兩部分組成：孔隙含水層釋出的地下水和巖溶含水層排出的地下水。因此，礦井地下水資源化的首要問題是礦區(qū)地下水資源評價，精確資源評價量是資源化的基礎(chǔ)，但在評價過程中不能脫離地下水系統(tǒng)，否則會出現(xiàn)不必要的誤差，其評價也不足信。本文根據(jù)礦區(qū)的特點，利用地下水系統(tǒng)理論分析區(qū)域水文地質(zhì)條件，研究礦井水的形成，評價、管理和保護地下水資源，為礦區(qū)水資源評價提供可靠的科學依據(jù)[5]。

2 礦區(qū)水資源化的必要性

有效利用礦區(qū)水不僅可以減少廢水量，還可以減少地下水開采量，增加了資源利用的經(jīng)濟效益。有效利用礦井水使之成為新的給水源，減少了淡水資源量的消耗[6]，實現(xiàn)了“優(yōu)質(zhì)水、好利用”的原則，且減少或避免了遠程給水等問題。此外，其緩解了開灤礦區(qū)甚至整個京津地區(qū)嚴重缺水的局面，使水資源的使用更加經(jīng)濟高效。礦井水資源有效利用減少了礦井水對地表水系統(tǒng)的污染，阻塞了污染源，美化了采礦環(huán)境[7]，實現(xiàn)了經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益的統(tǒng)一。同時，礦區(qū)水資源化具有重要的意義。①開創(chuàng)了城市供水的新模式。為缺水的市區(qū)提供了一個水源可靠、水量充沛、水質(zhì)優(yōu)良的供水基地。②全年實現(xiàn)礦井水的資源利用，改變了礦井水的傳統(tǒng)。過去，煤礦公司只專注于煤炭資源的開采，忽視了地下水的使用，導致寶貴的地下水損失嚴重。礦山的水資源及煤礦的煤炭開采和水的生產(chǎn)，不僅使煤炭的商業(yè)化成為可能，也為適應煤礦產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提供了有效途徑。③提高了公司的環(huán)保意識，促進礦山的文明管理，有效改善了煤礦周邊環(huán)境。

3 構(gòu)建基于地下水系統(tǒng)的礦區(qū)水資源評價體方法

礦井水是一種特殊類型的水資源，不科學的開發(fā)方式可能導致許多環(huán)境問題，如沉降和水質(zhì)惡化。因此，合理開發(fā)礦井水資源是保持地下水可再生能力的重要途徑[8]。為了合理開發(fā)利用礦井水資源，有必要確定礦井水資源的質(zhì)量概況和三維空間領(lǐng)域分布特征，掌握礦井水的補給排泄因果，并對其進行合理評估。這對礦井水資源合理開發(fā)利用具有重要意義[9]。

在評估礦井水資源時，要充分考慮礦井水資源的類型，并將其視為區(qū)域水資源的一部分，納入?yún)^(qū)域水資源系統(tǒng)進行研究。同時，分別評估礦井水資源的特殊性。評估的基本出發(fā)點是盡量減少礦井水對周邊環(huán)境的影響并充分利用礦井水資源[10]。評估目的是通過合理評估，實現(xiàn)合理開發(fā)，有效利用，優(yōu)化配置，有效保護和綜合管理，實現(xiàn)經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益最大化。為了更加精確地評價礦井水資源，為礦區(qū)水資源化提供科學依據(jù)，為此構(gòu)建了基于地下水系統(tǒng)的礦區(qū)水資源評價體系，如圖1所示。對于該評價體系，需要闡述三方面的關(guān)鍵問題。

第一，利用地下水系統(tǒng)理論，分析區(qū)域水分地質(zhì)條件，分析地下水的補徑排關(guān)系，確定評價區(qū)的評價范圍與邊界條件。與礦井水資源評價不同的是，基于地下水系統(tǒng)的礦區(qū)水資源評價方法能根據(jù)地下水系統(tǒng)確定礦區(qū)的地下水子系統(tǒng)，能整體評價并反映礦區(qū)的水文地質(zhì)條件和礦區(qū)的水資源特征;能利用地下水系統(tǒng)理論精確評價范圍;能利用地下水系統(tǒng)確定評價范圍邊界條件和補徑排關(guān)系，提高水均衡法的精度和數(shù)值模擬仿真度。

第二，礦井水資源量的計算與評價。礦井水資源量的評價方法主要有解析法、數(shù)值法、Q-S曲線外推法和水均衡法和比擬法等。

①根據(jù)礦床的充水因素及水文地質(zhì)條件的復雜程度，選擇合適的評價方法。位于當?shù)厍治g基準面之上，以降水入滲補給的礦床，應采用水均衡法;水文地質(zhì)條件簡單或中等的礦床，可采用解析法或比擬法;水文地質(zhì)條件復雜的大水礦床，應采用數(shù)值方法[11]。

②根據(jù)掌握的水文地質(zhì)條件信息量，選擇合適的評價方法。對于不少于一個水文年的完整均衡域的補給與排泄項的動態(tài)資料，可采用水均衡法;當抽水試驗的水位降深達到預測標高水柱高度的1/3～1/2時，可采用Q-S曲線外推法[12];當含水層結(jié)構(gòu)、水動力學參數(shù)的確定與邊界的概化依據(jù)充分時，可采用解析法;當掌握含水層的非均質(zhì)各向異向、非等厚等結(jié)構(gòu)特征及其邊界條件，并能夠數(shù)值模型的建立、識別、預測所需的完整信息數(shù)據(jù)時，采用數(shù)值法，提高礦井水資源評價的精度。

第三，礦區(qū)水資源化可行分析?？紤]到煤礦水含量的復雜性和該地區(qū)的特性，現(xiàn)有的處理和再利用技術(shù)尚不完善。不同的工藝應該用于不同的水質(zhì)條件。根據(jù)該地區(qū)礦井水的質(zhì)量，結(jié)合目前國內(nèi)外最先進的礦山處理工藝，并結(jié)合礦區(qū)的經(jīng)濟、地質(zhì)條件模擬出最適合的方法流程，從而獲得礦區(qū)的采礦資源，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益的統(tǒng)一。

4 評價方法

①確定礦區(qū)的地下水系統(tǒng)，該系統(tǒng)能整體評價且能反映礦區(qū)水文地質(zhì)條件和礦區(qū)水資源特征。

②為了正確評價礦井水補給資源和允許開采量，考慮開采水平，本著以排為主，排供結(jié)合的原則，以計算巖溶水補給和儲存量為前提，評價目前開采+20m水平時的礦井水允許開采量，并預測[±]0m水平時的總排水量。

③利用地下水系統(tǒng)理論確定評價區(qū)的系統(tǒng)邊界。確定評價系統(tǒng)的補給邊界及補給類型，查明評價區(qū)主要含水層的富水性和涌水量，這些為計算該系統(tǒng)的天然補給量及儲存量提供了主要依據(jù)。

④利用多年降水、開采（排水）等資料，采取開采條件下的排泄量，評價礦區(qū)水補給量和允許開采量。

⑤利用多年的開采量和水位動態(tài)資料，利用Q～f（s）曲線法，評價目前開采+20m水平時的礦井水允許開采量，并預測評價[±]0、-50、-100m水平時的允許開采量。

⑥考慮不同需水量和礦區(qū)各礦井排水量情況，對礦井水排水量進行分析評價。

5 結(jié)論

礦井水是一種寶貴的資源，實施礦井水資源化利用，對保護環(huán)境和節(jié)約水資源具有重要的意義，也是建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的必然要求?；诘叵滤到y(tǒng)的礦區(qū)水資源評價方法能精確評價范圍、確定評價區(qū)的邊界條件和分析地下水的補徑排關(guān)系。同時，能對礦區(qū)水資源進行整體評價，也能反映礦區(qū)的水文地質(zhì)條件和礦區(qū)的水資源特征，為礦區(qū)水資源化提供科學依據(jù)，豐富和發(fā)展礦區(qū)水資源評價理論與方法。

參考文獻：

[1]南亞林，楊惠，甄平福.陜北神府礦區(qū)地下水污染評價[J].地下水，2018（5）：5-8，25.

[2]熊芮，胡應繪，金志遠.巖溶礦區(qū)地下水資源儲存與管理[J].科技風，2018（20）：172-173.

[3]莫俊暉.大新錳礦礦區(qū)含水層對礦床開采潛在影響分析與研究[J].中國錳業(yè)，2018（3）：92-94.

[4]王婷婷.基于GMS的某礦區(qū)地下水數(shù)值模擬研究[D].北京：中國輻射防護研究院，2018.

[5]付佳.水資源保護從規(guī)劃開始[J].露天采礦技術(shù)，2018（1）：95-99.

[6]閆鑫宇，吳先勇，權(quán)振龍，等.科卡礦區(qū)地下水資源開采方案優(yōu)化研究[J].城市道橋與防洪，2017（12）：181-184，191.

[7]李演，崔丙志，韓銳仙.礦區(qū)地下水開發(fā)利用存在問題研究[J].世界有色金屬，2017（16）：291-292.

[8]李朦.礦區(qū)水資源利用現(xiàn)狀研究[J].世界有色金屬，2017（15）：287，289.

[9]趙雪瓊，黃茜蕊，鄒鯉嶺.礦山開發(fā)對地下水的影響研究[J].環(huán)境科學與管理，2017（7）：38-41.

[10]繆瑋.西南礦區(qū)地下水重金屬污染風險評價研究[D].成都：西南石油大學，2017.

[11]Franco Frau，Stefania Da Pelo，Roberta Atzori，Rosa Cidu. Impact on Streams and Sea Water of a Near-neutral Drainage from a Flooded Mine in Sardinia， Italy[J]. Procedia Earth and Planetary Science，2017（17）：213-216.

[12]UNESCO and WMO. Water Resources Assessment Activities： Handbook for National Evaluation[M]. Geneva： WMO secretariat，1998.