王沙沙，許安琪，宋寶來，魏久傳

(1.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院，福建 龍巖 364012；2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

煤礦開采會對地下水環(huán)境造成不同程度的污染。而煤礦關(guān)閉后，地下水化學(xué)環(huán)境會由氧化環(huán)境向還原環(huán)境逐漸演變，導(dǎo)致地下水中硫酸鹽和氯離子等含量進(jìn)一步增高，水的硬度和礦化度也會發(fā)生相應(yīng)改變[1]。硫酸鹽和氯離子過高會使水呈酸性，危害人類和動植物健康，并對建筑物、管道等也有腐蝕的威脅。另外高硬度、高礦化度的地下水不僅不適于飲用，還會嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長及工業(yè)用水的品質(zhì)。

龍永煤田是福建省的主要產(chǎn)煤區(qū)，但歷史上區(qū)內(nèi)小煤礦眾多，開采技術(shù)落后、安全管理不嚴(yán)格、廢礦廢渣處理不善，引發(fā)了一系列安全問題和環(huán)境污染問題。近幾年，為了響應(yīng)政府煤炭去產(chǎn)能的號召，龍巖市連續(xù)關(guān)閉整合了近60%的小煤礦[2]。然而福建省對廢棄煤礦區(qū)地下水污染狀況缺少研究，對于地下水資源的保護(hù)與管理，以及礦山修復(fù)治理工作都造成很大困難。若不加分析治理，會嚴(yán)重影響周圍生態(tài)環(huán)境及居民健康安全。

評價(jià)礦井地下水污染程度的因素眾多，針對各因素也有不同的評價(jià)級別和標(biāo)準(zhǔn)。如何科學(xué)合理地將各因素及各標(biāo)準(zhǔn)綜合起來是關(guān)鍵。本文以龍永煤田15個(gè)新近關(guān)閉的礦井為研究試點(diǎn)，通過搜集以往65個(gè)水樣點(diǎn)水文地質(zhì)及水質(zhì)分析資料，結(jié)合閉坑后87個(gè)新水樣點(diǎn)的現(xiàn)場取樣化驗(yàn)分析結(jié)果，選定影響水質(zhì)的幾個(gè)因子，引入模糊數(shù)學(xué)的原理和方法對區(qū)內(nèi)152個(gè)地下水水樣逐一分析定量計(jì)算，并進(jìn)行分級評判。研究結(jié)果為關(guān)閉礦井的生態(tài)環(huán)境的修復(fù)治理以及居民取水用水提供了一定依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

龍永煤田地處福建省西南部，其煤系覆蓋面積約700 km2，大部分位于龍巖市新羅區(qū)和永定區(qū)境內(nèi)，分蘇邦礦區(qū)、龍巖礦區(qū)、永定礦區(qū)，包括楊梅坑煤礦、五九煤礦、許嶺村煤礦、大坑煤礦等。下二疊統(tǒng)童子巖組第三段是主要采煤部位[3]。

1.1 主要含水層

1) 孔隙型水：主要賦存在第四系巖組內(nèi)，厚0～16 m，該組直接出露于地表，厚度隨地形而變化。降水是直接補(bǔ)給來源，以地表徑流為主要形式排泄。

圖1 龍永煤田及采樣煤礦位置圖

2) 裂隙型水：位于第四系含水巖組下部，屬二疊系童子巖組，大多以脈狀及透鏡狀產(chǎn)出，巖性以細(xì)砂巖、粗砂巖為主，并有砂質(zhì)泥巖、細(xì)粉砂巖，主采煤層也分布于此。 含水巖組產(chǎn)狀發(fā)育狀態(tài)受地質(zhì)構(gòu)造分布的控制。 弱富水，含水空間分布發(fā)育較為復(fù)雜。

3) 灰?guī)r水：屬于二疊系棲霞組，富水性強(qiáng)。與煤系之間有文筆山組隔水層的阻隔，故此灰?guī)r含水層為主采煤層的間接充水含水層[4]。

1.2 現(xiàn)狀

本文選取的楊梅坑煤礦等15所關(guān)閉礦井現(xiàn)已全面停采，礦坑及周邊生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理、地下水資源的保護(hù)和回收利用都是亟需解決的難題。在先前生產(chǎn)過程中，礦井水被抽出排到坑外，周圍地下水則通過各種空隙向礦坑匯聚，當(dāng)停止開采后，滯留在礦坑中的污水難以排出自凈，同時(shí)也會與周圍地下水進(jìn)行水量和水質(zhì)交換，有可能會向周圍含水層回灌，造成串層污染，而且影響范圍也越來越大，逐漸向深處及遠(yuǎn)處擴(kuò)散[5]。因此對已關(guān)閉礦井地下水做專項(xiàng)水質(zhì)分析并進(jìn)行綜合評價(jià)尤為迫切。但決定水質(zhì)污染程度的因子眾多，且各自有不同對應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文運(yùn)用模糊綜合評判法(FCE法)將多個(gè)評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)融合來解決這一難題。

2 FCE法的原理及算法介紹

要實(shí)現(xiàn)綜合評價(jià)，一般都會考慮多個(gè)評價(jià)指標(biāo)，而對于每個(gè)指標(biāo)因子又有多個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和級別，分別用集合的方式將二者表示出來，用模糊數(shù)學(xué)的方法找出二者之間的模糊關(guān)系，并計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，量化指標(biāo)因子對應(yīng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)各個(gè)級別之間的隸屬度，對問題進(jìn)行綜合評判，以上為FCE法的步驟和原理[6-7]。

分析問題，先選取n個(gè)指標(biāo)因子，它們的集合用U來表示；有m個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，它們的集合用Q來表示，見式(1)和式(2)。

U={u1,u2,…,un}

(1)

Q={q1,q2,…,qm}

(2)

式中：Q為m個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的集合；U為n個(gè)指標(biāo)因子的集合。

然后利用一個(gè)關(guān)系矩陣R將U和Q兩個(gè)集合聯(lián)系起來，見式(3)。

(3)

式中，rij為標(biāo)號為i的指標(biāo)因子對標(biāo)號為j的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級的隸屬程度，即表示當(dāng)利用此指標(biāo)因子進(jìn)行評價(jià)時(shí)，評價(jià)結(jié)果為j對應(yīng)等級的可能性。 若j=1，也就是以1級標(biāo)準(zhǔn)為例，各個(gè)指標(biāo)對1級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度值用式(4)來確定。

(4)

式中：ri1為標(biāo)號為i的指標(biāo)對評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為1級的隸屬度；xi為第i個(gè)指標(biāo)因子的實(shí)測數(shù)值；Sij為此因子對應(yīng)第j級標(biāo)準(zhǔn)時(shí)其標(biāo)準(zhǔn)值的大小，如式(4)中Si1、Si2就分別為標(biāo)號為i的因子所對應(yīng)的1級標(biāo)準(zhǔn)和2級標(biāo)準(zhǔn)下的標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)xi

(5)

同理，如果指標(biāo)因子的實(shí)測值大小處于1級和m級對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值間，將模糊數(shù)學(xué)相關(guān)概念引入，利用式(6)和式(7)對隸屬度求解[8-10]。

(6)

(7)

式中：rij、rim為標(biāo)號為i的因子對評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為j級、m級的隸屬度；xi為第i個(gè)指標(biāo)因子的實(shí)測數(shù)值；Sij、Sim為此指標(biāo)相對第j級和第m級標(biāo)準(zhǔn)時(shí)其標(biāo)準(zhǔn)值的大小。

用權(quán)重集W將n個(gè)因子的權(quán)重集合在一起，見式(8)。

W={w1,w2,…,wn}

(8)

式中，wi為其中的一個(gè)指標(biāo)因子在所有因素中對研究對象最終評價(jià)等級影響程度的度量量化，即指標(biāo)因子的權(quán)重。權(quán)重值的計(jì)算見式(9)。

(9)

式中，si為標(biāo)號為i的指標(biāo)所對應(yīng)的各級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的平均值。其余各參數(shù)含義同以上各式。

將模糊綜合評價(jià)子集E={e1,e2,…,em}(ej∈[0,1])表示為式(10)。

E=WR

(10)

ej為樣品被評價(jià)為第j級的可能性。有四種模糊集的方法可以計(jì)算ej的值[10]，見式(11)。

(11)

式中，∧和∨為在模糊集合中做取大和取小運(yùn)算。

3 基于FCE法的地下水水質(zhì)分級綜合評價(jià)

3.1 評價(jià)指標(biāo)選取

(12)

表1 部分水樣點(diǎn)水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

3.2 地下水水質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分類

本次評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照最新頒布實(shí)施的《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)，按照地下水中各組分的高低，結(jié)合工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和飲用水的不同要求，將地下水分為5種級別[11-14]：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。各級別對應(yīng)評價(jià)項(xiàng)目及用途范圍見表2。利用5級分類構(gòu)建水質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集合Q，見式(13)。

Q={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}

3.3 建立模糊關(guān)系矩陣

以放1孔為例，根據(jù)式(4)～式(6)計(jì)算出各評價(jià)指標(biāo)下對應(yīng)的隸屬度值rij，進(jìn)而構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣，見式(14)。

(14)

3.4 確定權(quán)重系數(shù)集合

結(jié)合表2逐一計(jì)算出4個(gè)指標(biāo)所對應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)所有級別的平均值。根據(jù)表達(dá)式(9)分別計(jì)算權(quán)重系數(shù)，得到表3，繼而得到權(quán)重系數(shù)集合，見式(15)。

W={0.295，0.185，0.499，0.021}

(15)

從權(quán)重計(jì)算結(jié)果來看，權(quán)重系數(shù)最大的為硫酸鹽0.499，即49.9%，其次是總硬度29.5%和溶解性總固體18.5%，氯離子的最小，為2.1%。說明選取的四個(gè)指標(biāo)中，硫酸鹽對本樣品水質(zhì)影響最大。

表3 權(quán)重系數(shù)計(jì)算過程表

3.5 FCE評價(jià)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選用式(11)中第一種先取小再取大的模糊集的計(jì)算方法，將關(guān)系矩陣和權(quán)重集融合，計(jì)算見式(16)。

(16)

構(gòu)建模糊評價(jià)子集見式(17)。

E=WR={0.295 0.185 0.499 0.021}×

{0.020 9，0.000 1,0,0,0.979}

(17)

由式(17)計(jì)算結(jié)果可知，放1孔附近水樣劃分為第Ⅴ級水的可能性最大，換算成百分?jǐn)?shù)為97.9%。 參照FCE法中最大隸屬度的選取原則，結(jié)合放1孔層位資料，將該孔周圍二疊系童子巖組裂隙水水樣的水質(zhì)評價(jià)為第V級。同樣利用FCE法，將研究區(qū)內(nèi)其余水樣的水質(zhì)逐一進(jìn)行評級分級，最終計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 龍永煤田不同空隙類型地下水水質(zhì)分級統(tǒng)計(jì)表

3.6 評判結(jié)果分析

分析評判統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，152組礦井地下水水樣中有55組基本都屬于第Ⅴ級水，占比36%，其中，第四系及二疊系童子巖組中賦存的孔隙水、砂巖裂隙水因被礦坑揭露水質(zhì)較差?？紫端?3組中有29組屬于第V級水，占比39.7%，裂隙水57組中有22組為第Ⅴ級水，占比38.6%。22組巖溶水中，有7組屬于第Ⅳ級水、第Ⅴ級水，占比31.8%，有9組為第Ⅱ級水，適宜作為飲用水源，較區(qū)內(nèi)孔隙型水、砂巖裂隙型水而言，棲霞組灰?guī)r中賦存的地下水水質(zhì)相對較好，這與其上部的文筆山組隔水層的阻隔作用相關(guān)。雖然棲霞組灰?guī)r含水層富水性好，但優(yōu)質(zhì)水源占比較少，深度較大，開發(fā)起來成本較高，應(yīng)著重做好水源保護(hù)及污染源阻隔工作。

4 結(jié) 論

1) 已關(guān)閉的礦井礦坑中匯聚的地下水硬度值、總?cè)芙庑怨腆w值、硫酸鹽含量和氯離子的含量數(shù)值普遍偏高，計(jì)算發(fā)現(xiàn)硫酸鹽對本樣品水質(zhì)影響最大，故將此指標(biāo)定為母因素。

2) 地下水總體水質(zhì)偏差，大多屬于第Ⅳ級水、第Ⅴ級水。閉井煤礦及附近的第四系孔隙水和童子巖組為代表的裂隙水基本不能作為飲用水源來使用，處理后部分可做農(nóng)業(yè)灌溉用水。

3) 棲霞組灰?guī)r層富水性好，但深度大，優(yōu)質(zhì)巖溶水比重小，應(yīng)做好保護(hù)。研究結(jié)果為地下水資源的保護(hù)和回收利用提供了參考。