煤炭礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

郭欣偉，白 樂，張 楠，劉政平

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

煤炭長期占據(jù)我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)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(chǎn)安全，必須將滲漏進(jìn)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(tài)環(huán)境脆弱的干旱缺水地區(qū)，大規(guī)模的礦井水外排會導(dǎo)致一系列生態(tài)環(huán)境和水資源浪費(fèi)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(chǎn)潛力最大的區(qū)域，其煤炭年產(chǎn)量約占全國年產(chǎn)量的70%，每年產(chǎn)生的礦井水量為12億m3以上。在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略實(shí)施背景下，綜合利用外排礦井水，緩解區(qū)域水資源供需矛盾，避免生態(tài)環(huán)境污染，是落實(shí)黃河流域水資源節(jié)約集約利用要求的重要途徑。國家發(fā)展與改革委員會與水利部聯(lián)合印發(fā)的《國家節(jié)水行動方案》明確要求“在缺水地區(qū)要加強(qiáng)非常規(guī)水利用，強(qiáng)制推動非常規(guī)水納入水資源統(tǒng)一配置，逐年提高非常規(guī)水利用比例”［4］。2021年1月，國家發(fā)展改革委員會等十部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)污水資源化利用的指導(dǎo)意見》，提出要積極推動工業(yè)廢水資源化利用，實(shí)施區(qū)域再生水循環(huán)利用工程。然而，礦井水利用是一個(gè)系統(tǒng)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(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)之間相互影響、相互制約，一旦某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題將對礦井水安全利用構(gòu)成重大影響。如何安全高效利用礦井水，有效規(guī)避影響利用的潛在風(fēng)險(xiǎn)是亟須研究的課題。目前國內(nèi)外對礦井水利用相關(guān)研究主要側(cè)重于礦井水處理［5-6］、礦井水污染［7］、礦井水資源優(yōu)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(fēng)險(xiǎn)及相關(guān)評價(jià)研究較少。本研究在全面梳理礦井水利用過程風(fēng)險(xiǎn)因素基礎(chǔ)上，構(gòu)建礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，以期通過風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)發(fā)現(xiàn)礦井水利用過程可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)，防范和規(guī)避不利影響。

1 煤炭礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)概念

目前國內(nèi)外對于礦井水利用還沒有統(tǒng)一規(guī)范的術(shù)語和定義，歐盟（EU）、美國環(huán)保局（EPA）、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）等國際組織或國家機(jī)構(gòu)常采用water reuse、water recycling、water reclamation等術(shù)語表達(dá)礦井水等非常規(guī)水資源利用［15］。我國水利部、生態(tài)環(huán)境部、中國煤炭工業(yè)協(xié)會等部門及《水資源術(shù)語》（GB/T 30943—2014）、《煤礦礦井水分類》（GB/T 19223—2015）相關(guān)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)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(shù)語均強(qiáng)調(diào)對礦井水進(jìn)行綜合利用的結(jié)果，而本研究著眼于礦井水安全利用全過程和各環(huán)節(jié)可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)，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(jīng)過統(tǒng)一收集、儲存、輸送、處理等環(huán)節(jié)后進(jìn)行礦井水資源綜合利用的過程。進(jìn)一步將礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)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(tài)、技術(shù)、政策、經(jīng)濟(jì)、社會條件等多因素共同作用下，礦井水供給側(cè)和需求側(cè)受到不利影響的可能性。

根據(jù)礦井水利用過程中受到不利影響的因素分析，其風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算式為

R=αA+βB

式中:A、B分別為礦井水利用供給側(cè)和需求側(cè)存在的風(fēng)險(xiǎn)性；α、β分別為供給側(cè)和需求側(cè)對應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)因子的綜合權(quán)重。

2 礦井水利用評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)影響因素及特點(diǎn)分析

礦井水利用包括收集、儲存、輸送、處理、利用等環(huán)節(jié)，受工程、生態(tài)、技術(shù)、政策、經(jīng)濟(jì)、社會等多重因素的影響和約束，不同利用條件下系統(tǒng)復(fù)雜多變，利用鏈條普遍較長，每一環(huán)節(jié)的不確定因素都會被放大成為整個(gè)利用過程的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，各個(gè)因素發(fā)生的時(shí)間及其影響范圍和程度等都具有隨機(jī)性，礦井涌水量、水質(zhì)污染類型、降水量、處理工藝技術(shù)穩(wěn)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(gè)數(shù)學(xué)公式或某個(gè)簡單的定量指標(biāo)準(zhǔn)確表述，需要通過建立科學(xué)的評價(jià)指標(biāo)體系來對風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評估，多種不確定性的風(fēng)險(xiǎn)因素主要體現(xiàn)在供給側(cè)和需求側(cè)。

2.1.1 供給側(cè)的不確定性

供給側(cè)影響礦井水利用的風(fēng)險(xiǎn)因素包括工程條件約束、生態(tài)環(huán)境約束和技術(shù)水平約束。礦井工程條件方面，如礦區(qū)水文地質(zhì)條件、涌水量的穩(wěn)定性、地下水水質(zhì)、與需求側(cè)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(tài)環(huán)境條件方面，如當(dāng)?shù)厮Y源條件、水域納污能力等生態(tài)環(huán)境約束也會對礦井水利用產(chǎn)生影響，水資源越短缺的地區(qū)企業(yè)利用礦井水的積極性越高，而豐水地區(qū)獲取常規(guī)水源代價(jià)更小，因此利用礦井水的積極性相對較低。礦井水處理技術(shù)水平方面，由于不同的水文地質(zhì)條件、不同礦井水水源的補(bǔ)給來源會導(dǎo)致礦井水水質(zhì)千差萬別，各種礦井水水質(zhì)（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(shù)能否滿足水質(zhì)要求較高的用水戶需要是利用礦井水時(shí)必須考慮的因素。

2.1.2 需求側(cè)的不確定性

需求側(cè)影響礦井水利用的約束條件包括經(jīng)濟(jì)條件、政策法規(guī)和社會認(rèn)可。礦井水利用經(jīng)濟(jì)性方面，由于礦井水源穩(wěn)定性和可靠性往往難以和地表水、地下水等常規(guī)水源相比，礦井水供水價(jià)格、礦井水處理成本、節(jié)約排污費(fèi)、節(jié)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(jīng)濟(jì)是需求側(cè)在選擇水源時(shí)的重要考量因素。政策法規(guī)方面，礦井水利用的制度是否健全、當(dāng)?shù)厥欠裼信涮椎亩愂諆?yōu)惠和財(cái)政補(bǔ)貼激勵(lì)措施等因素會直接影響礦井水能否被安全利用，區(qū)域取水總量控制、取水許可要求、污水資源利用等相關(guān)政策法規(guī)完善與否也會一定程度上促進(jìn)或阻礙礦井水利用。社會認(rèn)可方面，全社會對水資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的認(rèn)同是一個(gè)重要影響因素，政府和公眾若能形成良好的節(jié)水、環(huán)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(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)見圖1。

圖1 礦井水利用主要約束因素及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

2.2 礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建方法及原則

2.2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建方法

目前，國內(nèi)外對于風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)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(guān)聯(lián)度法、TOPSIS法、主成分分析法等。礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)既有定性因素，又有定量因素，且相當(dāng)多的因素在結(jié)構(gòu)上具有遞進(jìn)層次的形式，同時(shí)礦井水利用系統(tǒng)具有過程復(fù)雜、鏈條長的特點(diǎn)，需要考慮各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素間的相互關(guān)系，并充分顧及礦井水利用系統(tǒng)全局所處的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。考慮上述要求，選擇層次分析法構(gòu)建礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系。層次分析法作為一種綜合評價(jià)方法在風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中得到廣泛應(yīng)用，該方法通過將復(fù)雜問題分解為若干層次和若干因素，對兩兩指標(biāo)之間的重要程度進(jìn)行比較判斷，建立判斷矩陣，通過計(jì)算判斷矩陣的最大特征值以及對應(yīng)特征向量，得出不同方案重要性程度的權(quán)重。

2.2.2 構(gòu)建原則

風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建是否科學(xué)、合理，將直接影響礦井水利用的安全評價(jià)和相應(yīng)的管控措施。根據(jù)礦井水利用供需兩側(cè)風(fēng)險(xiǎn)影響因素，考慮礦井水利用特點(diǎn)，按照以下原則構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系。

（1）系統(tǒng)原則。考慮礦井水利用受多種因素影響，風(fēng)險(xiǎn)因子具有多樣性和復(fù)雜性，本次所選取的指標(biāo)力求涵蓋礦井水利用主要影響因素，體現(xiàn)層次分明、脈絡(luò)清晰、系統(tǒng)完善的原則。

（2）定性和定量相結(jié)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(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)在盡可能體現(xiàn)定量化的同時(shí)兼顧定性指標(biāo)。

（3）獨(dú)立易評價(jià)原則。各影響因素間有的具有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，應(yīng)努力避免指標(biāo)間的重疊及顯見的包含關(guān)系，從而有效保證指標(biāo)間的獨(dú)立性。指標(biāo)的概念應(yīng)明確、清晰，量化及數(shù)據(jù)收集應(yīng)易于操作，方便進(jìn)行快速評價(jià)。

2.3 指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)及其權(quán)重

綜合考慮礦井水利用過程中的各種風(fēng)險(xiǎn)因素，按照評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建原則，從供需兩側(cè)構(gòu)建礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，采用層次分析法計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重。對于定性指標(biāo)，采用模糊數(shù)學(xué)方法量化，將定性指標(biāo)劃分為高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)等級，評估時(shí)采用最大隸屬度原則確定指標(biāo)等級。體系結(jié)構(gòu)及指標(biāo)權(quán)重見表1。

3 礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型及等級劃分

表1 礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

按照礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)概念，結(jié)合疊置指數(shù)評價(jià)方法，采用加權(quán)求和的形式，建立礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)綜合模型:

式中:R為礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)綜合指數(shù)；Ai、a i分別為工程條件約束第i項(xiàng)指標(biāo)得分和權(quán)重；B j、b j分別為生態(tài)環(huán)境約束第j項(xiàng)指標(biāo)得分和權(quán)重；C k、c k分別為技術(shù)水平約束第k項(xiàng)指標(biāo)得分和權(quán)重；D l、d l分別為政策法規(guī)約束第l項(xiàng)指標(biāo)得分和權(quán)重；E m、e m分別為經(jīng)濟(jì)條件約束第m項(xiàng)指標(biāo)得分和權(quán)重；F n、f n分別為社會認(rèn)可約束第n項(xiàng)指標(biāo)得分和權(quán)重。

采用礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)綜合模型進(jìn)行評價(jià)時(shí)，對每個(gè)評價(jià)指標(biāo)的評分方法為:對照礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，分高、中、低3個(gè)等級對指標(biāo)賦分，風(fēng)險(xiǎn)越低則得分越高。通過計(jì)算得知，礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)綜合指數(shù)（R）隨機(jī)分布在40～100之間。采用等間距法，將礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等級劃分為高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)等級，見表2。

表2 礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評估等級劃分

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 研究區(qū)概況

以榆林市榆陽區(qū)西紅墩煤礦為例，對其進(jìn)行礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。井田南北長18.0～21.5 km，東西寬12.5 km，面積約235.86 km2。設(shè)計(jì)開采規(guī)模為1 000萬t/a，配套建設(shè)選煤廠規(guī)模為1 000萬t/a，項(xiàng)目生產(chǎn)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(xiàng)目場地作為生產(chǎn)用水。由于礦井水礦化度較高，常規(guī)工藝處理后無法滿足回用要求，因此深度處理設(shè)計(jì)采用超濾+反滲透工藝。

4.2 評價(jià)結(jié)果

使用構(gòu)建的礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型對該煤礦礦井水利用進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，主要評價(jià)指標(biāo)見表3，評價(jià)結(jié)果顯示煤礦礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)綜合指數(shù)（R）為76.6，屬于中風(fēng)險(xiǎn)等級，接近低風(fēng)險(xiǎn)等級。主要的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)在于礦井水礦化度較高，常規(guī)工藝處理后，溶解性物質(zhì)無法去除，水質(zhì)仍較差，溶解性總固體、總硬度、硫酸根等指標(biāo)不滿足用水要求，甚至不符合雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，在利用礦井水時(shí)需要采用反滲透處理設(shè)施進(jìn)行處理，并加強(qiáng)礦井水水質(zhì)、水量動態(tài)監(jiān)測，以降低礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)。

表3 礦井水利用評價(jià)指標(biāo)

5 結(jié) 語

（1）隨著黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略實(shí)施，國家對缺水地區(qū)非常規(guī)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(guī)水資源納入水資源統(tǒng)一配置，包括礦井水在內(nèi)的非常規(guī)水資源的巨大潛力將進(jìn)一步得到釋放，礦井水開發(fā)利用將迎來新的發(fā)展機(jī)遇，但目前國內(nèi)外礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)相關(guān)研究甚少，礦井水利用的風(fēng)險(xiǎn)管控應(yīng)引起足夠重視。

（2）本文初步構(gòu)建了煤炭礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，并對典型礦區(qū)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，通過設(shè)計(jì)科學(xué)合理的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系能夠有效了解礦井水利用中的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，并能夠識別影響礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)的主要因素，從而有針對性地實(shí)施降低礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)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(huán)節(jié)，鏈條長、影響因素復(fù)雜，其風(fēng)險(xiǎn)管控是十分復(fù)雜的系統(tǒng)問題，在今后的研究中應(yīng)對礦井水利用進(jìn)行全面系統(tǒng)調(diào)研分析，加強(qiáng)對礦井水利用各環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與觀測試驗(yàn)，提高相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)因子和風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的識別準(zhǔn)確度，進(jìn)一步提高風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。