煤炭礦井水利用風險評價指標體系構建

郭欣偉，白 樂，張 楠，劉政平

（1.黃河水利科學研究院，河南 鄭州450003；2.水利部 發展研究中心，北京100038）

煤炭長期占據我國能源消費結構的主體地位，煤炭開采為我國能源安全提供了重要保障［1］。煤層深埋地下，開采過程中必然會擾動地下水含水層，為保證采煤生產安全，必須將滲漏進入礦井巷道的地下水排出工作面，形成外排的礦井水［2］。我國主要億噸級大型煤炭基地大部分位于水資源匱乏、生態環境脆弱的干旱缺水地區，大規模的礦井水外排會導致一系列生態環境和水資源浪費問題［3］。黃河流域煤炭資源富集但水資源短缺，作為我國煤炭生產潛力最大的區域，其煤炭年產量約占全國年產量的70%，每年產生的礦井水量為12億m3以上。在黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略實施背景下，綜合利用外排礦井水，緩解區域水資源供需矛盾，避免生態環境污染，是落實黃河流域水資源節約集約利用要求的重要途徑。國家發展與改革委員會與水利部聯合印發的《國家節水行動方案》明確要求“在缺水地區要加強非常規水利用，強制推動非常規水納入水資源統一配置，逐年提高非常規水利用比例”［4］。2021年1月，國家發展改革委員會等十部門聯合發布《關于推進污水資源化利用的指導意見》，提出要積極推動工業廢水資源化利用，實施區域再生水循環利用工程。然而，礦井水利用是一個系統性工程，礦井水從井下排出地面到綜合利用過程涉及收集、儲存、輸送、處理、再利用等環節，各個環節之間相互影響、相互制約，一旦某個環節出現問題將對礦井水安全利用構成重大影響。如何安全高效利用礦井水，有效規避影響利用的潛在風險是亟須研究的課題。目前國內外對礦井水利用相關研究主要側重于礦井水處理［5-6］、礦井水污染［7］、礦井水資源優化配置［8］、礦井水綜合利用途徑及方式［9-14］等方面，而對于煤炭礦井水利用過程風險及相關評價研究較少。本研究在全面梳理礦井水利用過程風險因素基礎上，構建礦井水利用風險評價指標體系，以期通過風險評價發現礦井水利用過程可能面臨的風險，防范和規避不利影響。

1 煤炭礦井水利用風險概念

目前國內外對于礦井水利用還沒有統一規范的術語和定義，歐盟（EU）、美國環保局（EPA）、國際標準化組織（ISO）等國際組織或國家機構常采用water reuse、water recycling、water reclamation等術語表達礦井水等非常規水資源利用［15］。我國水利部、生態環境部、中國煤炭工業協會等部門及《水資源術語》（GB/T 30943—2014）、《煤礦礦井水分類》（GB/T 19223—2015）相關術語標準常采用礦井（礦坑、疏干）水（綜合）利用等方式描述［16-18］。通常，上述定義和術語均強調對礦井水進行綜合利用的結果，而本研究著眼于礦井水安全利用全過程和各環節可能面臨的風險，因此將煤炭礦井水利用定義為:在煤炭資源開采過程中伴生的多余礦井水，經過統一收集、儲存、輸送、處理等環節后進行礦井水資源綜合利用的過程。進一步將礦井水利用風險定義為:在礦井水收集、儲存、輸送、處理、利用過程中受工程、生態、技術、政策、經濟、社會條件等多因素共同作用下，礦井水供給側和需求側受到不利影響的可能性。

根據礦井水利用過程中受到不利影響的因素分析，其風險計算式為

R=αA+βB

式中:A、B分別為礦井水利用供給側和需求側存在的風險性；α、β分別為供給側和需求側對應風險因子的綜合權重。

2 礦井水利用評價指標體系構建

2.1 礦井水利用風險影響因素及特點分析

礦井水利用包括收集、儲存、輸送、處理、利用等環節，受工程、生態、技術、政策、經濟、社會等多重因素的影響和約束，不同利用條件下系統復雜多變，利用鏈條普遍較長，每一環節的不確定因素都會被放大成為整個利用過程的風險。同時，各個因素發生的時間及其影響范圍和程度等都具有隨機性，礦井涌水量、水質污染類型、降水量、處理工藝技術穩定性、資金成本等均具有一定的不確定性，這些不確定性難以用某個數學公式或某個簡單的定量指標準確表述，需要通過建立科學的評價指標體系來對風險因素進行評估，多種不確定性的風險因素主要體現在供給側和需求側。

2.1.1 供給側的不確定性

供給側影響礦井水利用的風險因素包括工程條件約束、生態環境約束和技術水平約束。礦井工程條件方面，如礦區水文地質條件、涌水量的穩定性、地下水水質、與需求側之間的高差和距離等，都會直接影響礦井水是否能夠被安全利用。礦井周邊生態環境條件方面，如當地水資源條件、水域納污能力等生態環境約束也會對礦井水利用產生影響，水資源越短缺的地區企業利用礦井水的積極性越高，而豐水地區獲取常規水源代價更小，因此利用礦井水的積極性相對較低。礦井水處理技術水平方面，由于不同的水文地質條件、不同礦井水水源的補給來源會導致礦井水水質千差萬別，各種礦井水水質（懸浮物、高礦化度、含重金屬、高氟、酸性、堿性、含放射性污染物）需要采用不同的處理工藝和處理方法，因此處理工藝技術能否滿足水質要求較高的用水戶需要是利用礦井水時必須考慮的因素。

2.1.2 需求側的不確定性

需求側影響礦井水利用的約束條件包括經濟條件、政策法規和社會認可。礦井水利用經濟性方面，由于礦井水源穩定性和可靠性往往難以和地表水、地下水等常規水源相比，礦井水供水價格、礦井水處理成本、節約排污費、節約水資源稅等都將決定礦井水能否被安全利用，因此礦井水利用是否經濟是需求側在選擇水源時的重要考量因素。政策法規方面，礦井水利用的制度是否健全、當地是否有配套的稅收優惠和財政補貼激勵措施等因素會直接影響礦井水能否被安全利用，區域取水總量控制、取水許可要求、污水資源利用等相關政策法規完善與否也會一定程度上促進或阻礙礦井水利用。社會認可方面，全社會對水資源節約和環境保護的認同是一個重要影響因素，政府和公眾若能形成良好的節水、環保意識，將大大推動礦井水的利用；此外，社會公眾對礦井水用于灌溉、生活飲用等的接受程度也是需要考慮的因素之一。

礦井水利用主要約束因素及風險點見圖1。

圖1 礦井水利用主要約束因素及風險點

2.2 礦井水利用風險評價指標體系構建方法及原則

2.2.1 指標體系構建方法

目前，國內外對于風險評價指標體系構建及風險評價方法已非常成熟，廣泛使用的方法包括層次分析法（AHP）、模糊綜合評判法、灰色關聯度法、TOPSIS法、主成分分析法等。礦井水利用風險既有定性因素，又有定量因素，且相當多的因素在結構上具有遞進層次的形式，同時礦井水利用系統具有過程復雜、鏈條長的特點，需要考慮各個風險因素間的相互關系，并充分顧及礦井水利用系統全局所處的環境風險。考慮上述要求，選擇層次分析法構建礦井水利用風險評價指標體系。層次分析法作為一種綜合評價方法在風險評價中得到廣泛應用，該方法通過將復雜問題分解為若干層次和若干因素，對兩兩指標之間的重要程度進行比較判斷，建立判斷矩陣，通過計算判斷矩陣的最大特征值以及對應特征向量，得出不同方案重要性程度的權重。

2.2.2 構建原則

風險評價指標體系構建是否科學、合理，將直接影響礦井水利用的安全評價和相應的管控措施。根據礦井水利用供需兩側風險影響因素，考慮礦井水利用特點，按照以下原則構建風險評價指標體系。

（1）系統原則?？紤]礦井水利用受多種因素影響，風險因子具有多樣性和復雜性，本次所選取的指標力求涵蓋礦井水利用主要影響因素，體現層次分明、脈絡清晰、系統完善的原則。

（2）定性和定量相結合的原則。一些礦井水利用影響因素難以直接定量描述，因此指標體系的構建應在盡可能體現定量化的同時兼顧定性指標。

（3）獨立易評價原則。各影響因素間有的具有一定的關聯關系，應努力避免指標間的重疊及顯見的包含關系，從而有效保證指標間的獨立性。指標的概念應明確、清晰，量化及數據收集應易于操作，方便進行快速評價。

2.3 指標體系結構及其權重

綜合考慮礦井水利用過程中的各種風險因素，按照評價指標體系構建原則，從供需兩側構建礦井水利用風險評價指標體系，采用層次分析法計算各項指標權重。對于定性指標，采用模糊數學方法量化，將定性指標劃分為高風險、中風險和低風險3個等級，評估時采用最大隸屬度原則確定指標等級。體系結構及指標權重見表1。

3 礦井水利用風險評價模型及等級劃分

表1 礦井水利用風險評價指標體系

按照礦井水利用風險概念，結合疊置指數評價方法，采用加權求和的形式，建立礦井水利用風險評價綜合模型:

式中:R為礦井水利用風險評價綜合指數；Ai、a i分別為工程條件約束第i項指標得分和權重；B j、b j分別為生態環境約束第j項指標得分和權重；C k、c k分別為技術水平約束第k項指標得分和權重；D l、d l分別為政策法規約束第l項指標得分和權重；E m、e m分別為經濟條件約束第m項指標得分和權重；F n、f n分別為社會認可約束第n項指標得分和權重。

采用礦井水利用風險評價綜合模型進行評價時，對每個評價指標的評分方法為:對照礦井水利用風險評價指標體系，分高、中、低3個等級對指標賦分，風險越低則得分越高。通過計算得知，礦井水利用風險評價綜合指數（R）隨機分布在40～100之間。采用等間距法，將礦井水利用風險評價等級劃分為高風險、中風險、低風險3個等級，見表2。

表2 礦井水利用風險評估等級劃分

4 實例應用

4.1 研究區概況

以榆林市榆陽區西紅墩煤礦為例，對其進行礦井水利用風險評價。井田南北長18.0～21.5 km，東西寬12.5 km，面積約235.86 km2。設計開采規模為1 000萬t/a，配套建設選煤廠規模為1 000萬t/a，項目生產用水全部取用礦井水，生活用水大部分取用地下水（洗澡、洗衣服用水取用礦井水），剩余礦井水由輸水泵輸送至配套的煤化工項目場地作為生產用水。由于礦井水礦化度較高，常規工藝處理后無法滿足回用要求，因此深度處理設計采用超濾+反滲透工藝。

4.2 評價結果

使用構建的礦井水利用風險評價模型對該煤礦礦井水利用進行風險評價，主要評價指標見表3，評價結果顯示煤礦礦井水利用風險評價綜合指數（R）為76.6，屬于中風險等級，接近低風險等級。主要的風險指標在于礦井水礦化度較高，常規工藝處理后，溶解性物質無法去除，水質仍較差，溶解性總固體、總硬度、硫酸根等指標不滿足用水要求，甚至不符合雜用水水質標準。因此，在利用礦井水時需要采用反滲透處理設施進行處理，并加強礦井水水質、水量動態監測，以降低礦井水利用風險。

表3 礦井水利用評價指標

5 結 語

（1）隨著黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略實施，國家對缺水地區非常規水資源利用的支持力度將前所未有，各部門也將不斷推動非常規水資源納入水資源統一配置，包括礦井水在內的非常規水資源的巨大潛力將進一步得到釋放，礦井水開發利用將迎來新的發展機遇，但目前國內外礦井水利用風險評價相關研究甚少，礦井水利用的風險管控應引起足夠重視。

（2）本文初步構建了煤炭礦井水利用風險評價指標體系，并對典型礦區進行了風險評價，通過設計科學合理的風險評價指標體系能夠有效了解礦井水利用中的風險狀態，并能夠識別影響礦井水利用風險的主要因素，從而有針對性地實施降低礦井水利用風險的防范措施。

（3）礦井水利用包括收集、儲存、輸送、處理、再利用等環節，鏈條長、影響因素復雜，其風險管控是十分復雜的系統問題，在今后的研究中應對礦井水利用進行全面系統調研分析，加強對礦井水利用各環節的基礎數據統計與觀測試驗，提高相關風險因子和風險狀態的識別準確度，進一步提高風險評價指標的科學性和準確性。