廢棄礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)開發(fā)

李 庭，馮啟言，周來，朱雪強(qiáng)

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇徐州221116）

我國(guó)對(duì)煤炭資源的高強(qiáng)度開采已使部分老礦區(qū)煤炭資源趨于枯竭，如淄博、徐州、肥城、棗莊、峰峰、焦作、沈陽(yáng)等礦區(qū)，部分井工礦井開采深度已接近開采極限。由于煤炭資源枯竭、深部煤層賦存條件復(fù)雜、開采條件惡劣、瓦斯、水害、地?zé)岬葹?zāi)害頻發(fā)，致使很多煤礦已經(jīng)關(guān)閉或即將關(guān)閉。同時(shí)，為了保證煤炭資源安全和有序開采，國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)政策，大力整合煤炭資源，已對(duì)數(shù)萬小煤礦進(jìn)行了關(guān)閉和整合，根據(jù)能源局的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的煤礦數(shù)量已從1990年的80 000多處減到目前的13 000余處。在未來幾年，廢棄礦井還將繼續(xù)增加，廢棄礦井帶來的安全與環(huán)境問題也將愈發(fā)突出，其中，廢棄礦井引發(fā)的地下水污染將越來越嚴(yán)重，并會(huì)帶來一系列水環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，監(jiān)控和評(píng)估廢棄礦井的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)并制定和采取有效的保護(hù)措施對(duì)廢棄礦井的安全處置和礦區(qū)水環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

國(guó)外對(duì)礦井閉坑后污染地下水的研究始于20世紀(jì)80年代，美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)等地的研究者通過長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)、大量的實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬等方法進(jìn)行了相關(guān)研究[1-3]。例如Paul L.Younger等，對(duì)廢棄礦井水的水質(zhì)變化、水文地球化學(xué)、廢棄礦井水系統(tǒng)模型概化、地下水回彈淹沒礦井的過程等作了深入研究[4-6]。國(guó)內(nèi)方面，煤炭科學(xué)研究總院西安研究院的虎維岳、周建軍等學(xué)者對(duì)廢棄礦井地下水污染特征、含水介質(zhì)場(chǎng)特征和地下水回灌等進(jìn)行了研究[7-10]，另外遼寧工程技術(shù)大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的部分學(xué)者也開展了閉坑對(duì)地下水系統(tǒng)的污染及防治的研究[11,12]。目前，我國(guó)尚無廢棄礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的相關(guān)研究，更缺乏相關(guān)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)及軟件，礦井閉坑后對(duì)地下水的危害無法度量與預(yù)測(cè)，不利于相關(guān)部門的管理與監(jiān)督。為此，本文研究與構(gòu)建了廢棄礦井污染地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并基于該模型設(shè)計(jì)與開發(fā)了廢棄礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以快速地對(duì)已關(guān)閉或規(guī)劃關(guān)閉的礦井進(jìn)行地下水污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)規(guī)范廢棄礦井的管理和煤礦建設(shè)項(xiàng)目后評(píng)價(jià)具有重要意義。

1廢棄礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

1.1廢棄礦井地下水污染主要模式

礦井關(guān)閉停止疏排水后，水位逐漸回彈，隨著回彈水位的不斷增高，礦井水有可能反向補(bǔ)給含水層，從而造成地下水污染。根據(jù)廢棄礦井與目標(biāo)含水層之間的水力聯(lián)系類型，可以將廢棄礦井污染地下水的主要模式分為以下4種：

(1)頂板導(dǎo)水裂隙串層污染：煤層開采對(duì)覆巖造成極大的破壞，形成導(dǎo)水裂隙帶，開采時(shí)導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)含水層地下水下泄，形成礦坑涌水，當(dāng)煤礦關(guān)閉停止排水后，水位回彈至初始水位，礦井中的污染物隨著地下水的運(yùn)移而遷移，造成上覆含水層的串層污染，甚至頂托污染第四系松散含水層。

(2)底板采動(dòng)裂隙串層污染：煤層開采造成底板巖層破壞，裂隙發(fā)育，溝通了礦坑與底板含水層的聯(lián)系，當(dāng)?shù)装搴畬铀坏陀诨貜椝粫r(shí)，礦井水將污染底板含水層。

(3)封閉不良鉆孔串層污染：煤田勘探和生產(chǎn)階段，需要施工大量的鉆孔，包括地質(zhì)孔、水文地質(zhì)孔、井下放水孔、瓦斯抽放孔等等，這些鉆孔部分封閉不良造成不同含水層的水力聯(lián)系，礦井污染物通過這些鉆孔進(jìn)入含水層，污染地下水。

(4)斷層或陷落柱串層污染：采煤過程中，斷層或陷落柱是煤礦突水的重要通道，煤礦關(guān)閉后水位回彈，礦井水?dāng)y帶污染物反補(bǔ)給充水含水層，從而造成地下水污染。

1.2廢棄礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析

通過前面對(duì)礦井廢棄后污染地下水的模式的分析，整個(gè)污染風(fēng)險(xiǎn)可以總結(jié)為以下三個(gè)部分：

(1)污染源風(fēng)險(xiǎn)：可以將整個(gè)廢棄礦井視為污染源，風(fēng)險(xiǎn)主要來自于煤炭開采等人為活動(dòng)對(duì)煤系含水層的影響與破壞，以及產(chǎn)生污水的水質(zhì)及水量。

(2)污染通道風(fēng)險(xiǎn)：污染物遷移主要是受作為通道的煤系含水層的滲透性的影響。此外，廢棄礦井回彈水位與目標(biāo)含水層最低水位的水力梯度差，以及兩者之間的位置關(guān)系也是重要的風(fēng)險(xiǎn)因素。

(3)污染受體風(fēng)險(xiǎn)：污染受體的風(fēng)險(xiǎn)主要是指目標(biāo)含水層遭受污染后的損害程度，評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有水量、水質(zhì)和功能。

1.3評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)模型

根據(jù)廢棄礦井地下水污染模式及污染風(fēng)險(xiǎn)分析，本文篩選出包括污染源風(fēng)險(xiǎn)、污染通道風(fēng)險(xiǎn)、污染受體危害性3大影響因素的15個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，見表1。

在評(píng)價(jià)指標(biāo)確定后，還需要確定指標(biāo)的權(quán)重，用來反映各個(gè)指標(biāo)對(duì)整體風(fēng)險(xiǎn)“貢獻(xiàn)”的大小。本項(xiàng)目選用目前最常使用的層次分析法，經(jīng)過計(jì)算后各指標(biāo)的權(quán)重大小見表1。

表1廢棄礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

最后，基于迭置指數(shù)法的原理與方法，采用加權(quán)求和法建立廢棄礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)綜合指數(shù)模型，見公式1。

式中，R為廢棄礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)綜合指數(shù)，xi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分值，ωi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

2評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)采用.Net Framework技術(shù)開發(fā)，開發(fā)工具選擇微軟的Visual Studio 2010，開發(fā)語(yǔ)言選用的C#。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，由于本系統(tǒng)主要側(cè)重于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，而非信息管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)量不大，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)要求不高。因此，在綜合考慮更好移植性、兼容性以及用戶安裝難易程度的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)采用Access。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廢棄礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的核心功能需求是，實(shí)現(xiàn)政府管理者、礦山企業(yè)等不同用戶能夠快速利用該系統(tǒng)，對(duì)礦井閉坑后污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行初步識(shí)別，并給出相應(yīng)的防治方案，為相關(guān)部門的管理與監(jiān)督提供參考。根據(jù)對(duì)功能需求的分析，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)核心功能為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)功能與評(píng)價(jià)項(xiàng)目管理，配置與幫助菜單為輔助功能。

2.3數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

通過對(duì)廢棄礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)功能需求的分析，設(shè)計(jì)如下實(shí)體：

(1)項(xiàng)目信息表：存儲(chǔ)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的相關(guān)信息，主要包括項(xiàng)目名稱、評(píng)價(jià)用戶、評(píng)價(jià)時(shí)間、礦井名稱、地點(diǎn)、評(píng)價(jià)單位、閉礦時(shí)間、評(píng)價(jià)狀態(tài)、評(píng)價(jià)結(jié)果、說明等字段。

(2)參數(shù)信息表：存儲(chǔ)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的具體參數(shù)信息，包括工程名稱，以及十五個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(3)用戶信息表：主要包括用戶名、密碼、申請(qǐng)時(shí)間、權(quán)限等字段。

(4)配置信息表：存儲(chǔ)系統(tǒng)分級(jí)參數(shù)配置信息，包括各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)信息、權(quán)重等。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4主要功能的實(shí)現(xiàn)

（1）系統(tǒng)主界面:用戶登錄后進(jìn)入系統(tǒng)首頁(yè)界面（如圖2所示），在系統(tǒng)首頁(yè)界面上集成了“開始評(píng)價(jià)”、“項(xiàng)目管理”與“系統(tǒng)介紹”這三個(gè)主要功能。首次使用系統(tǒng)的用戶，可以通過“系統(tǒng)介紹”功能對(duì)系統(tǒng)功能、特點(diǎn)以及系統(tǒng)使用進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)。

圖2系統(tǒng)首頁(yè)界面

（2）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)：用戶在系統(tǒng)首頁(yè)界面點(diǎn)擊“開始評(píng)價(jià)”按鈕后，進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模塊。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模塊的菜單組主要以流程化的工具提供交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢棄礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。開始評(píng)價(jià)后，首先會(huì)彈出新建項(xiàng)目信息對(duì)話框，讓用戶輸入廢棄礦井的相關(guān)信息。完成新建項(xiàng)目信息輸入后，系統(tǒng)會(huì)按照順序，讓用戶輸入十五個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的參數(shù)，如圖3所示。系統(tǒng)在界面中提供了詳細(xì)的參數(shù)說明信息，同時(shí)，并提供了后臺(tái)參數(shù)驗(yàn)證功能，以保證用戶輸入的正確、有效。

圖3評(píng)價(jià)指標(biāo)的參數(shù)輸入界面

用戶輸入完參數(shù)后，單擊評(píng)價(jià)按鈕，即可顯示該礦區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)總分與分級(jí)情況。評(píng)價(jià)完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)Word格式的評(píng)價(jià)報(bào)告。

（3）評(píng)價(jià)項(xiàng)目管理

評(píng)價(jià)項(xiàng)目管理界面如圖4所示，界面左邊為歷史項(xiàng)目名稱，右邊為具體的項(xiàng)目信息。該功能模塊可以讓用戶對(duì)歷史評(píng)價(jià)項(xiàng)目進(jìn)行查詢、刪除、修改評(píng)價(jià)參數(shù)、查看評(píng)價(jià)結(jié)果、重新生成評(píng)價(jià)報(bào)告等管理操作。

3結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)基于對(duì)廢棄礦井地下水污染風(fēng)險(xiǎn)研究的基礎(chǔ)上，通過信息化技術(shù)設(shè)計(jì)與開發(fā)了廢棄礦井地下水評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)有良好的人機(jī)交互，用戶只需要按照系統(tǒng)的指示一步一步的操作即可完成整個(gè)評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了讓政府管理者、礦山企業(yè)等不同層次的用戶都能快速對(duì)礦井閉坑后污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的目標(biāo)，利于推廣，可以為相關(guān)部門對(duì)廢棄礦井的管理與監(jiān)督提供參考。當(dāng)然該系統(tǒng)在功能上、適應(yīng)性上也還有許多不足，有待進(jìn)一步的完善與改進(jìn)。

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