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

        2021-06-16 10:28:14郭欣偉劉政平
        人民黃河 2021年6期
        關(guān)鍵詞:利用因素評(píng)價(jià)

        郭欣偉,白 樂(lè),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(zhǎng)期占據(jù)我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的主體地位,煤炭開采為我國(guó)能源安全提供了重要保障[1]。煤層深埋地下,開采過(guò)程中必然會(huì)擾動(dòng)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(guó)主要億噸級(jí)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(huì)導(dǎo)致一系列生態(tài)環(huán)境和水資源浪費(fèi)問(wèn)題[3]。黃河流域煤炭資源富集但水資源短缺,作為我國(guó)煤炭生產(chǎn)潛力最大的區(qū)域,其煤炭年產(chǎn)量約占全國(guó)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(guó)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(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)與水利部聯(lián)合印發(fā)的《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)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(dòng)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(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)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(dòng)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(guò)程涉及收集、儲(chǔ)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(wèn)題將對(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(duì)于煤炭礦井水利用過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)及相關(guān)評(píng)價(jià)研究較少。本研究在全面梳理礦井水利用過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)因素基礎(chǔ)上,構(gòu)建礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,以期通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)礦井水利用過(guò)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(guó)內(nèi)外對(duì)于礦井水利用還沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)范的術(shù)語(yǔ)和定義,歐盟(EU)、美國(guó)環(huán)保局(EPA)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)等國(guó)際組織或國(guó)家機(jī)構(gòu)常采用water reuse、water recycling、water reclamation等術(shù)語(yǔ)表達(dá)礦井水等非常規(guī)水資源利用[15]。我國(guó)水利部、生態(tài)環(huán)境部、中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)等部門及《水資源術(shù)語(yǔ)》(GB/T 30943—2014)、《煤礦礦井水分類》(GB/T 19223—2015)相關(guān)術(shù)語(yǔ)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(yǔ)均強(qiáng)調(diào)對(duì)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(guò)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(guò)程中伴生的多余礦井水,經(jīng)過(guò)統(tǒng)一收集、儲(chǔ)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(guò)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(chǔ)存、輸送、處理、利用過(guò)程中受工程、生態(tài)、技術(shù)、政策、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)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(guò)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(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)因子的綜合權(quán)重。

        2 礦井水利用評(píng)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(chǔ)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(huì)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(zhǎng),每一環(huán)節(jié)的不確定因素都會(huì)被放大成為整個(gè)利用過(guò)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(jiǎn)單的定量指標(biāo)準(zhǔn)確表述,需要通過(guò)建立科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系來(lái)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)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(huì)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(huì)對(duì)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(duì)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(lái)源會(huì)導(dǎo)致礦井水水質(zhì)千差萬(wàn)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(huì)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(huì)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(huì)一定程度上促進(jìn)或阻礙礦井水利用。社會(huì)認(rèn)可方面,全社會(huì)對(duì)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(shí),將大大推動(dòng)礦井水的利用;此外,社會(huì)公眾對(duì)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(píng)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(guó)內(nèi)外對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(píng)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(guò)程復(fù)雜、鏈條長(zhǎng)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系。層次分析法作為一種綜合評(píng)價(jià)方法在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中得到廣泛應(yīng)用,該方法通過(guò)將復(fù)雜問(wèn)題分解為若干層次和若干因素,對(duì)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(guò)計(jì)算判斷矩陣的最大特征值以及對(duì)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(píng)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(píng)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

        (1)系統(tǒng)原則??紤]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(píng)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(píng)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(guò)程中的各種風(fēng)險(xiǎn)因素,按照評(píng)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(píng)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(duì)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(jí),評(píng)估時(shí)采用最大隸屬度原則確定指標(biāo)等級(jí)。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(píng)價(jià)模型及等級(jí)劃分

        表1 礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(píng)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(píng)價(jià)綜合模型:

        式中:R為礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(huì)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(píng)價(jià)綜合模型進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分方法為:對(duì)照礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,分高、中、低3個(gè)等級(jí)對(duì)指標(biāo)賦分,風(fēng)險(xiǎn)越低則得分越高。通過(guò)計(jì)算得知,礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(píng)價(jià)等級(jí)劃分為高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)等級(jí),見表2。

        表2 礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)劃分

        4 實(shí)例應(yīng)用

        4.1 研究區(qū)概況

        以榆林市榆陽(yáng)區(qū)西紅墩煤礦為例,對(duì)其進(jìn)行礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。井田南北長(zhǎng)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(wàn)t/a,配套建設(shè)選煤廠規(guī)模為1 000萬(wàn)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(chǎng)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(wú)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(píng)價(jià)結(jié)果

        使用構(gòu)建的礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)該煤礦礦井水利用進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),主要評(píng)價(jià)指標(biāo)見表3,評(píng)價(jià)結(jié)果顯示煤礦礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)綜合指數(shù)(R)為76.6,屬于中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),接近低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。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(wú)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),以降低礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)。

        表3 礦井水利用評(píng)價(jià)指標(biāo)

        5 結(jié) 語(yǔ)

        (1)隨著黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國(guó)家戰(zhàn)略實(shí)施,國(guó)家對(duì)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(dòng)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(lái)新的發(fā)展機(jī)遇,但目前國(guó)內(nèi)外礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并對(duì)典型礦區(qū)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),通過(guò)設(shè)計(jì)科學(xué)合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(shí)別影響礦井水利用風(fēng)險(xiǎn)的主要因素,從而有針對(duì)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(chǔ)存、輸送、處理、再利用等環(huán)節(jié),鏈條長(zhǎng)、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(wèn)題,在今后的研究中應(yīng)對(duì)礦井水利用進(jìn)行全面系統(tǒng)調(diào)研分析,加強(qiáng)對(duì)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(cè)試驗(yàn),提高相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)因子和風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的識(shí)別準(zhǔn)確度,進(jìn)一步提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

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