礦井水開發利用模式分類研究

張楠 郭欣偉 倪深海 白樂 蘇曉慧

摘 要：為實現礦井水納入水資源統一配置，從礦井水空間利用格局出發，在明確礦井水利用分類的基礎上，考慮供需雙向協調要求，分析提出礦井水分類利用指標因子，采用自組織特征映射網絡（SOM）方法構建了煤炭礦井水安全利用模式分類指標體系和評價模型。以寧東煤炭基地典型煤礦為實例，評價了礦井水開發利用模式分類，結果表明：構建的利用模式分類評價指標體系、評價方法能有效識別主要礦井水利用分類的相關指標和特征值對應的模式分類。

關鍵詞：礦井水;開發利用;模式分類;協調指標;寧東煤炭基地

中圖分類號：TV213.9 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.014

引用格式：張楠，郭欣偉，倪深海，等.礦井水開發利用模式分類研究[J].人民黃河，2021，43（8）：74-78.

Abstract： In order to realize the unified allocation of mine water into water resources， starting from the spatial utilization pattern of mine water， on the basis of clarifying the classification of mine water utilization and considering the requirements of two-way coordination between supply and demand， this paper analyzed and proposed the index factors of mine water classified utilization. It constructed the classification index system and evaluation model of coal mine water safe utilization mode by using self-organizing feature mapping network （SOM） method. Taking a typical coal mine in Ningdong coal base as an example， this paper evaluated the classification of mine water development and utilization pattern. The results show that the evaluation index system of utilization pattern classification constructed can effectively identify the key items of main categories.

Key words： mine drainage; exploitation and utilization; pattern classification; coordination index; Ningdong coal base

煤炭長期占據我國能源消費結構的主體地位，為我國能源安全提供了重要保障[1]。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，煤炭年產量約占全國總量的70%，年產生礦井水量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時代背景下，綜合利用外排礦井水，緩解區域水資源供需矛盾，是落實黃河流域水資源節約集約利用要求的重要途徑。國家發展和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”[2]。2021年1月，國家發展和改革委員會等10部門聯合發布《關于推進污水資源化利用的指導意見》[3]，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。全國75%以上的礦井水來自缺水地區和嚴重缺水區的大型煤炭基地，處理后的礦井水可用于工業、生活、農業與生態環境等領域[4-8]。2019年我國煤礦礦井水資源量57億m3，利用率為80%。2019年的礦井水利用中，工業用水占六成，生態環境用水占三成，農業和生活用水很少。目前國內外對礦井水綜合利用的相關研究側重于礦井水利用途徑及方式等方面[9-12]，對于從空間格局考慮供需雙向協調要求以及區域內適合何種利用模式少有討論。本研究在細化礦井水利用分類的基礎上，考慮供需雙向協調要求，構建了適用于煤炭礦井水安全利用模式分類指標體系和評價模型，有效識別礦井水利用分類的相關指標和特征值對應的模式分類。

1 礦井水開發利用模式分類

1.1 按利用對象分類

考慮供需雙向協調要求，提出礦井水就近利用模式、面向園區產業鏈利用模式、回歸河湖利用模式。

（1）就近利用模式：收集、處理后的礦井水水質達到礦場內用水要求的就近利用模式（見圖1）。

（2）面向園區產業鏈利用模式：收集、處理后的礦井水水質達到用水戶需求，經調節池調蓄，通過管網收集輸送至工業園區企業、周邊農業灌溉、景觀綠化、水產養殖、生活等用水戶的利用模式（見圖2）。

（3）回歸河湖利用模式：礦區周邊無用水戶時，收集、處理后的礦井水達標排放，增加河道生態基流，補

充河流、湖泊流量，回歸河湖的利用模式（見圖3）。

1.2 按處理難度分類

考慮礦井水水質類別，提出簡單處理利用模式、深度處理利用模式、特殊處理利用模式3種利用模式。

（1）簡單處理利用模式：潔凈礦井水、含懸浮物礦井水經混凝沉淀、預氧化、過濾、消毒工藝進行二次處理，達到生產、生活用水要求的利用模式。

（2）深度處理利用模式：高礦化度礦井水（咸水、苦咸水）、酸性礦井水經消鹽、過濾反滲透等工藝處理，達到生產、生活用水要求的利用模式。

（3）特殊處理利用模式：含有有害有毒元素的礦井水經濃縮、分離等工藝處理，達到生產、生活用水要求的利用模式。

1.3 礦井水開發利用模式細化分類

考慮礦井水處理工藝難易程度和礦井水利用對象，以礦井水供給量、需求量關系為基礎，細化3種礦井水利用模式分類（就近利用模式細分為A1、A2，面向園區產業鏈利用模式細分為B1～B5，回歸河湖利用模式細分為C1、C2），見表1。

2 礦井水分類指標體系構建

2.1 指標體系構建方法選擇

目前，國內外對于指標體系構建及分類評價方法較為成熟，廣泛使用的方法有系統聚類法、K-近鄰分類法、支持向量機法等。礦井水利用分類既有定性因素，又有定量因素，相當多的因素在結構上具有遞進層次的形式。礦井水利用具有過程復雜、鏈條長的特點，需要考慮各個環節各因素之間的相互關系，同時應盡可能避免專家打分存在的主觀性影響。鑒于此，選擇自組織特征映射網絡（SOM）作為礦井水利用分類指標體系構建方法[13-14]，SOM是由荷蘭學者Teuvo Kohonen提出的一種全連接的自組織和自學習的神經網絡，它可通過降維減少計算量，并通過相似數據項的劃分對數據的相似性進行描繪。本文通過訓練使SOM網絡連接權值向量位于輸入向量聚類的中心，進而根據得到的聚類中心進行序列聚類。

2.2 考慮供需雙向協調影響因素

2.2.1 供給方礦井水分類的協調因素

對于供給方，影響礦井水利用分類的主要因素包括礦井水水量、水質兩方面[15-22]。礦井涌水量的穩定性是滿足礦場內外用水需求的決定性因素，礦場內生產、生活、綠化等用水量是礦井水是否滿足礦場內用水需求、是否存在外供水量的主要因素。礦井水質方面，不同水文地質條件、不同礦井水補給來源導致礦井水質千差萬別，不同礦井水需要采用不同的處理工藝和處理方法，處理工藝技術能否滿足水質要求較高的用水戶的需要是礦井水利用時必須考慮的因素。

2.2.2 需求方礦井水分類的協調因素

對于需求方，影響礦井水利用分類的主要因素包括需求量、水質、經濟性、政策法規4個方面[15-16]。礦井水需求量、水質、經濟性方面，礦井水量穩定性、水質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、處理成本、排污費、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政策、未來產業規劃布局等因素也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性都會一定程度上影響礦井水利用。

2.3 指標因子選擇的原則

（1）系統性原則。系統性原則是指評價指標應全面客觀地反映礦井水供需協調系統中各子系統內部及子系統之間的相互協調性，也就是說，納入指標體系的各項指標在總體上應具備一定的系統性、統一性和完整性，涉及礦井水供需協調的各個方面。

（2）科學性原則。按照礦井水供需協調的客觀規律和要求，在礦井水供給協調指標和礦井水需求協調指標的選取、指標權重確定、具體指標數據選取以及分析方法運用的過程中，充分考慮其科學性，既要全面反映礦井水供需協調狀況，也要真實、準確地反映礦井水供給和需求的具體情況。

（3）可操作性原則。包含可測性和可控性兩方面內容。可測性是指應重點考慮指標的代表性、覆蓋性和發展性，所選擇的指標應是可測的且與有關資料在統計口徑上具有一致性，通過納入的各項指標數值能夠計算出客觀、科學的礦井水供給與需求協調度;可控性是指如果評價顯示某一年礦井水供給或者需求協調度不高，則需要釆取措施予以彌補，從而維護缺水區礦井水的供需協調。

（4）動態性原則。礦井水供需協調度的提升既是目標又是過程，其內涵和意義隨著當地社會經濟的發展、能源基地建設布局及規模的調整而不斷變化，這就要求指標體系應動態反映礦井水供需協調的發展狀態、能力與趨向。

3 礦井水供需協調評價指標體系構建

3.1 指標優選

從理論上講，面向供需雙向協調的礦井水開發利用的影響因素就是評價礦井水供需雙向協調的具體指標。從上文分析來看，一是影響礦井水供需雙向協調的因素較多、涉及面較廣，指標過多不符合多因素指標評價要求;二是部分指標不能直接反映礦井水供需雙向協調關系，需要進行拆分、合并;三是對于難以收集到具體評價數據的指標，可以考慮刪除或者替換。

（1）保留指標。供需雙方對礦井水的要求無外乎水量、水質兩個方面，故礦井涌水量（正常涌水量、最大涌水量）、用水量（自用水量、損失量、已開發利用量）、礦井水出礦區水質、用水戶需求量等指標予以保留。

（2）替換指標。“成本和處理設備工作效率”指標屬礦井水水質處理環節，合并為一個指標“前處理成本”，礦井水需求方“處理成本”替換為“其他水源供水成本”，以便于區別。

（3）派生指標。由于“開采年限、開采規劃、導水裂隙帶發育情況、礦井水水源、水質類別、處理工藝、損失量”只能單一反映指標本身的變化，不能綜合反映礦井水供需變化，綜合以上指標信息，整合并設置“開采影響系數、水源影響系數、水質影響系數、管道輸送率”指標。

（4）刪除指標。政策法規是影響未來產業布局的導向，不會直接影響現階段礦井水開發利用量，因此將“政策法規”指標予以刪除。

（5）增加指標。“礦井水利用率”是指礦井水現狀條件下利用率（利用量/涌水量），符合2013年國家發展和改革委員會、國家能源局聯合印發的《礦井水利用發展規劃》（發改環資[2013]118號）提出的“提高礦井水利用率，推動礦井水利用產業化發展”。按照本項目申報書與實施方案，需要提出供需雙向協調的礦井水開發利用潛力評價方法，并評價我國礦井水可利用量與潛力，故增加“可利用量”和“開發利用潛力”兩項指標。

礦井水供需雙向協調指標體系見表2。

3.2 SOM模型構建

綜合考慮細化礦井水3種利用模式（就近利用模式A、面向園區產業鏈利用模式B、回歸河湖利用模式C）和礦井水供給方、需求方協調指標，選取7個相關指標（自用水量S4、前處理成本S9、可利用水量S11、工業用水戶需水量S13、非工業用水戶需水量S14、其他水源供水成本S15、礦井水利用率S18）建立礦井水供需雙向協調SOM模型（見表3）。其中，每一種模式細化分類有9個特征值（P1～P9）：P1，可利用水量介于自用水量與自用水量+礦場外工業需水量之間，取值1或0;P2，可利用水量介于自用水量與自用水量+礦場外非工業需水量之間，取值1或0;P3，可利用水量小于自用水量+礦場外工業需水量，取值1或0;P4，可利用水量介于自用水量+礦場外工業需水量與自用水量+礦場外工業需水量+非工業需水量之間，取值1或0;P5，可利用水量大于自用水量+礦場外工業需水量+非工業需水量，取值1或0;P6，礦井水利用率小于100%，取值0;P7，礦場外工業有無需水要求，取值1或0;礦場外有無非工業需水要求（取值2或0）、礦場外有工業和非工業需水要求（取值3）;P8，水質處理成本與其他水源供水成本比值小于1，取值1;P9，水質處理成本與其他水源供水成本比值大于1，取值0。

4 實例應用

4.1 礦井概況

寧東煤炭基地位于寧夏中東部，是國家確定的14個大型煤炭基地之一，也是《能源發展戰略行動計劃（2014—2020年）》重點建設的9個千萬千瓦級大型煤電基地之一。寧東煤炭基地包括臨武、鴛鴦湖、橫城、馬家灘、積家井、甜水河、韋州7個礦區和石溝驛獨立井田。本文以寧東煤炭基地積家井礦區銀星一井、鴛鴦湖礦區紅柳煤礦為典型煤礦，通過SOM分類計算，確定這2個煤礦所符合的礦井水綜合利用模式。

4.2 評價結果

在進行SOM網絡分析時，預先給定SOM輸出神經元的數目，即確定SOM拓撲結構的規模，本文選取9個特征值，按9種分類模式，建立10×10的神經元分析模型，運行結果表明：銀星一井、紅柳煤礦屬面向園區產業鏈利用模式的B5類，即這2個煤礦礦井水經過處理后，除滿足本礦場內用水需求外，還供給外部工業園區使用。經調研了解，這2個煤礦周邊用水需求量有限，由于礦井水處理成本（17元/m3）明顯高于其他水源供水成本（5元/m3），因此礦井水利用率僅有10%左右，綜合利用難度大。為解決礦井水利用率低的問題，按照優先利用礦井排水和再生水的用水原則，建議采取以下措施提高礦井水利用率：①按照水資源稅征收管理辦法進行多倍計征;②對不優先使用礦井水的企業違規現象進行通報并處罰;③暫停或限制企業其他供水水源供水量;④按照一定配額比鼓勵企業優先使用礦井水等非常規水源。

5 結 語

（1）本文基于礦井水開發利用雙向協調水量、水質等影響因素，結合利用對象和處理難度，提出了就近利用、面向工業產業鏈、回歸河湖3種礦井水開發利用模式，從利用對象的組合、是否有富余礦井水量、是否存在外排水等角度細化為9種開發利用分類。

（2）基于礦井水供需雙向協調SOM模型，構建了供需協調評價指標體系。以寧東煤炭基地積家井礦區銀星一井、鴛鴦湖礦區紅柳煤礦為例，選取9個特征值，按9種分類模式，建立了10×10的神經元分析模型，確定這2個煤礦屬于面向園區產業鏈利用模式的B5類，并提出了提高礦井水利用率的建議措施。

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【責任編輯 張華興】