肥城礦區水資源分析及其調水概念模型設計

廖愛民，黃鑫磊

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京210029;2.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州221008)

肥城礦區位于山東省肥城市境內，東距泰安42 km，北到濟南75 km。肥城盆地四周環山，中間低洼，為一向西南開口的斷陷盆地，也是華北型全隱蔽式石炭二疊系煤田。煤田內自東到西有9個井田，分別為楊莊、曹莊、大封(于2005年末閉坑)、陶陽、興隆、白莊、平陰、查莊、國家莊礦。礦區多年平均降水量為652.8 mm，年產原煤達680萬 t，礦井年排水量為4260.6萬t，是全國有名的大水礦區，受水害威脅嚴重［1］。據肥城氣象站資料，本區多年平均降水量646.9 mm，最大年降水量為1964年1093.20 mm，最小年降水量為1988年的362.30 mm，多年平均蒸發量 1 224.50 mm。

為了更好地闡明礦井水的影響，在此提出兩個新的水資源概念——“負水”和“壓郁水”。所謂“負水”，就是水質未達到排放標準而進入環境中，會對環境造成負面影響的水，如含懸浮物礦井水、酸性礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水以及含微量元素或放射性元素較多礦井水。如果負水不經過處理達標后直接排到環境中，勢必對環境造成負面的影響，如污染地表水體，危害各種特種等，提出“負水”的概念，是為了加深人們對水資源的保護意識，如果對負水不采取相應的處理措施，就會危及環境甚至自身的安全。所謂“壓郁水”，是指那些本可以直接或者經過處理能夠轉化成生產、生活和生態用水，但是沒有被很好地加以利用的水。如礦井水中的潔凈水直接排掉而造成浪費，含懸浮物礦井水、酸性礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水以及含微量元素或放射性元素較多礦井水經過處理后都能夠進行供水。提出“壓郁水”的概念，是想提醒人們更注重對礦井水的合理利用。由此可見，“負水”和“壓郁水”都是相對的概念，它們存在相同的部分，只是站在不同的角度使人產生不同的意識。

針對各類礦井水，根據它們的特性及影響，有意識地用“負水”和“壓郁水”的理念來對待，對“負水”應該采取各種處理方法來消除它們對環境的負面影響，對“壓郁水”應該采取各種處理方法將它們解放出來成為對環境有益的水資源。

1 礦區水量分析

1.1 肥城盆地水資源量評價

肥城盆地水資源量較豐富，尤其以該區內的巖溶水為最。該區巖溶水補給量主要取決于大氣降水，奧灰地表出露廣泛，在南部山區出露面積達260 km2，直接接受大氣降水的補給，其動水量十分豐富，平均為2.8萬m3/h。但由于大氣降水的隨機性，巖溶水補給量亦隨之多變，典型年法能直觀地反映地下水資源量與大氣降水的關系，對多年的降水觀測資料進行概率分析，連續的特枯年份出現的機率較少，連續豐水年出現的機率也較少，年降水以豐、平、枯交替出現最為常見。各年降水量見表1。

表1 肥城礦區各年降水量表

典型年一般取特枯年保證率95%，偏枯水年保證率75%，平水年保證率50%，豐水年保證率20%。根據多年降水系列用

用公式(1)進行經驗頻率計算，可求出95%年份降水量360.0 mm，75%年份降水量589.5 mm，50%年份降水量650 mm，20%年份降水量807.0 mm，再根據年降水量挑選典型年。

由長期觀測資料可知，與以上各典型年相對應的水位標高最低值分別為 26.07 m、31.52 m、35.67 m、39.15 m，巖溶水水位標高開采下限為18.00 m，即18.0 m以上的儲量才是可動用的儲存量。以上各典型年含水層厚度依次是8.07 m、13.52 m、17.67 m、21.15 m。

查資料得到肥城礦區的給水度μ和釋水系數s，基本上揭示了該區巖溶含水介質巖溶裂隙較發育的特性，參數取平均值為0.0347。肥城盆地巖溶含水層隱伏區分布面積326 km2。將以上數據代入公式(2)即可算出各典型年巖溶水資源的儲存量Q儲，計算結果見表2。

式中:μ為平均給水度;F為隱伏巖溶含水層分布面積，km2;H為約束水位以上含水層厚度，m。

從以上結果可看出，90%的枯水年份可動用的儲存量只有0.91億m3，說明該區巖溶水資源的有限性。如95%年份的1988年一年動用儲存量約0.68億m3，如果連續兩年枯水年，無節制大量動用儲存量，勢必導致該區巖溶水水位降到約束水位以下，所以如連續出現枯水年，必須采取開源節流的措施，開發地表水資源，補充地下水資源之不足，限制巖溶水開采量。75%年份可動用儲存量可增加到1.53億 m3，50%年份增加到1.99億m3，20%年份增加到2.39億m3，說明該區巖溶水資源具有可恢復性，可以以豐補欠:同時該區巖溶含水層還具有多年調節功能，如:1994～1996年連續的豐水年使肥城盆地這個調蓄水庫供水量增加，1997年雖出現歷史罕見的枯水期，但巖溶水水位標高仍能保持在28.59～29.38 m。

由以上論述可知，由于受降水量隨機變化的影響，該區巖溶水資源量表現出有限性和多變性，水資源決策部門應根據巖溶水資源狀況確定最佳的供水方案。在20%、50%年份充分發揮地下水庫的調蓄潛力，滿足地方重要工業企業對水資源的需求;在75%、95%年份限量開發利用地下水資源，大力發揮地表水庫的調蓄供水能力，以緩解本區水資源供需矛盾，為該區經濟發展創造一個良好的供水環境。

1.2 肥城礦區礦井水涌水特征

肥城礦區涌水量的變化主要取決與兩方面的因素:一是降雨量的多少，因為大氣降水是補給含水層的主要來源，因而越是受降水影響程度重的含水層其涌水量也越受降水的影響，而隨著深度的增加降水的影響就會越小。所以涌水量的變化存在著周期性變化，包括季節性(年周期性)變化和多年周期性變化。二是開采活動及突發事件的影響。在該礦區范圍內，開采工作范圍越大、深度越深，涌水量也會隨之增加。而一些突發性的突水之類的事件，也必然會導致礦井涌水量急劇的變化。肥城礦區歷年礦井涌水量情況見圖1。

從以上的圖表分析可得:(1)從整體趨勢看，肥城礦區的涌水量在逐漸增長，從1994年的平均礦井涌水量2 649 m3/h增加到2006年的5 480 m3/h，已經翻了一番;(2)從歷年各礦最大礦井涌水量表和歷年各礦平均礦井涌水量表在2003年都出現一個峰值，經查肥城地區的各年降水量資源，在2003年的降水量相對之前年是增加的，致使礦區的涌水量的隨之增加，這表明肥城礦區的地下水受到大氣降水的影響;(3)肥城礦區的平均涌水量達5 500 m3/h，最大涌水量可達10 000 m3/h，可以將5 500 m3/h作為礦井的可供水量，再加上降水量的匯聚，將10 000 m3/h(或20萬m3/d)作為水處理廠的處理能力。

圖1 歷年各礦平均礦井涌水量圖

2 礦區水質分析

2.1 地下水環境質量分類的判別方法

地下水質量綜合評價，采用加附注的評分法［2］。具體要求與步驟如下:

(1)參加評分的項目，應不少于本標準規定的監測項目，但不包括細菌學指標。

(2)首先進行各單項組分評價，劃分組分所屬質量類別。

(3)對各類別按下列規定(表3)分別確定單項組分評價分值Fi。

表3 單項組分評分值表

(4)按下面計算式計算綜合評價分值F。

式中，F平均為各單項組分評分值Fi的平均值;F最大為單項組分評價分值Fi中的最大值;n為項數。

(5)根據F值，按以下規定(表4)劃分地下水質量級別，再將細菌學指標評價類別注在級別定名之后。如“優良(Ⅱ類)”、“較好(Ⅲ類)”。

表4 地下水質量級別判定值表

礦井水主要涉及水倉水、地表水和水源井水，故選取這三類水樣點進行綜合評價肥城礦區水質特征，是具有代表性，并可以解決問題。根據上述的地下水環境質量分類的判別方法進行評定水質情況，見表5(以白莊礦水樣為例)。

表5 白莊礦水樣水質評價表

由評價結果可得到以下結論:(1)肥城礦區的地表水體的水質較差，說明地表水已遭到污染，主要原因是礦井水的未達標排放;(2)水倉中的礦井水的水質較差，主要原因是某些單項指標超標，如SO42－，NO2－，全硬度等;(3)有水源井的水質也遭到一定程度的污染，主要原因是監管不嚴，保護不利所致;(4)礦區的“壓郁水”主要是水倉水，因為這部水的水量很大，在礦區往往沒有較好的處理就排出，成為環境的“負水”，這部分急需處理，將其解脫出來，成為支持經濟和社會的發展。

通過選定合適的礦井水凈化工藝流程，礦井水可以得到很好的資源化，已有不少學者［3－7］在這方面開展了工作。

3 肥城礦區調水概念模型的總體設計

根據肥城礦區的水資源水質和水量的分析情況，作者認為可以采取行政、經濟、工程等措施對肥城礦區的水資源進行規劃。下面從工程規劃方面來設想肥城礦區調水概念模型。

3.1 塌陷坑改造

地面塌陷是指表巖、土體在自然或人力因素之下，向下陷落，并在地面形成塌陷坑或洞的一種地質現象，根據形成塌陷的主要因素可分成自然塌陷和人為塌陷;根據塌陷區是否有巖溶發育，分為巖溶地面塌陷和非巖溶地面塌陷兩類。

肥城礦區的地面塌陷主要是由于采煤作業而造成的人為塌陷。塌陷成坑后，由于地表水的匯流和地下水的補給等形成濕地。肥城礦區有著較長的開采歷史，也形成了較多塌陷坑;對塌陷坑改造的總體思路是:在每個礦井的附近的一個塌陷坑適當挖深，再用水泥膠底，作礦坑水的初級調節池(見圖2中的2);在礦區作合理的選址，將塌陷坑群挖深并聯成一片，作礦井水的中央調節池(見圖2中的3);在初級調節池與中央調節池之間用管道或溝渠連通。

3.2 生物凈水技術

根據水生植物的根、莖和葉對懸浮顆粒的攔截作用以及對氮、磷、金屬元素的吸入作用［8，9］，可以選一些生命力頑強的水生植物種植在中央調節池中，可以起到較好效果。

3.3 地表水和地下水聯合調度

為了加強整個調水系統的可靠性和穩定性，本文采取地表水和地下水的聯合調度。對于地表水，主要是河流中水庫水，在豐水期有過多的水可以通過水閘、溝渠或水管、水泵等構筑物將水引入中央調節池中，可以對礦井水進行稀釋，同時加大水處理廠的工作能力，將水輸入自來水網或者進入地下水庫。

圖2 肥城礦區調水概念模型

地下水庫是指在地下可以蓄水的地層中采取人工措施引滲蓄水的水庫，系封閉或近封閉邊界圈閉的、具有實用規模庫容且可以有效進行水更替的地下蓄水實體;地下水庫是優化水資源配置的一種重要手段，可以加大對降水資源的截流，提高區域水資源利用率;還可以豐蓄枯采，調節水資源時空分配不均。地下水庫的功能特征，集中體現在其調蓄能力上。故在枯水期，可以從地下水庫中抽取清潔地下水對中央調節池中的礦井水進行稀釋以提高處理廠的處理效率，或者直持進入自來水網以滿足用水緊張的工業和居民生活;此時的中央調節池中水可以進入到河流或溝渠進行農業灌溉，以解決農業的缺水問題。

3.4 水資源配置

肥城礦區的礦井水經過處理后，顯然已遠遠滿足礦區用水，因此，經過優化配置調水及處理后的礦井水，在滿足肥城地區自身用水的情況下，可以考慮將多余的水資源并入自來水網，通過輸水管網向的臨近缺水市縣(如，泰安市區)進行供水，實現水資源的合理利用，實現社會的可持續發展，實現經濟效益、社會效益和環境效益共贏。

4 結論與建議

經以上分析可知:(1)肥城礦區的礦井水量受降水量隨機變化的影響表現出有限性和多變性，充分發揮地表水庫的調蓄供水能力和地下水庫的調蓄潛力，滿足地方工農業對水資源的需求，以緩解本區水資源供需矛盾。(2)肥城礦區的平均涌水量達5 500 m3/h，其中，礦區的“壓郁水”主要是水倉水，因為這部水的水量很大，可經水處理廠，將其解脫出來。(3)肥城礦區的各種水體的水質情況不一，地下水中大部分“壓郁水”，沒有得到合適的處理，排到地表成為“負水”，這種情況應得到充分的重視。

據此，作者提出以下建議:(1)針對肥城地區缺乏水資源管理的問題，有必要設立泰安市肥城礦區水務管理局，下設水處理廠，環境保障處和水資源調配處，三者相互密切協作，共同實現肥城礦區的水資源的可持續利用。(2)在法律和行政的協調下，落實各種技術措施，如礦井水資源化，水資源優化配置以及節水技術的研究和推廣，有效地融入到肥城礦區調水總體設計中來。(3)對于肥城礦區的地下水，在滿足本身農業、工業、生活和生態環境等需水條件下，部分水可以調往較嚴重缺水的泰安市區，以滿足其需求。

［1］齊躍明，江玉祥，孟茜等.肥城礦區充水含水層地下水動態研究［J］.水資源保護，2008，24(1):12－ 15.

［2］中華人民共和國國家地下水質量標準(GB/T 14848－93).

［3］高振宇.北京區宏觀經濟水資源多目標分析系統研究［J］.北京水利，1997，(4):25－ 31.

［4］白添中.煤炭加工的污染與防治［M］.太原:山西科學教育出版社，1989.

［5］肖莉萍.礦井水資源化可行性研究［D］.遼寧:遼寧工程科技大學，2000.

［6］任慶偉.礦井水復用工程［J］.工業水處理，1999，19(5):42－ 43.

［7］楊德廣，衛偉肥.城礦區地質環境現狀及治理措施［J］.煤礦開采，2002，7(2):73－ 74.

［8］蔣廷杰，齊增湘，羅軍等.人工濕地水質凈化機理與生態工程研究進展［J］.湖南農業大學學報(自然科學版)，2010，36(3):356－ 362.

［9］劉學功，李金中，李學菊.生物生態技術在城市景觀河道水環境改善中的應用研究［J］.海河水利，2008，4:37－39.