張楠 郭欣偉 倪深海 白樂 蘇曉慧

摘 要：為實(shí)現(xiàn)礦井水納入水資源統(tǒng)一配置，從礦井水空間利用格局出發(fā)，在明確礦井水利用分類的基礎(chǔ)上，考慮供需雙向協(xié)調(diào)要求，分析提出礦井水分類利用指標(biāo)因子，采用自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)（SOM）方法構(gòu)建了煤炭礦井水安全利用模式分類指標(biāo)體系和評價(jià)模型。以寧東煤炭基地典型煤礦為實(shí)例，評價(jià)了礦井水開發(fā)利用模式分類，結(jié)果表明：構(gòu)建的利用模式分類評價(jià)指標(biāo)體系、評價(jià)方法能有效識別主要礦井水利用分類的相關(guān)指標(biāo)和特征值對應(yīng)的模式分類。

關(guān)鍵詞：礦井水;開發(fā)利用;模式分類;協(xié)調(diào)指標(biāo);寧東煤炭基地

中圖分類號：TV213.9 文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)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(jù)我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)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(chǎn)潛力最大的區(qū)域，煤炭年產(chǎn)量約占全國總量的70%，年產(chǎn)生礦井水量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)略時(shí)代背景下，綜合利用外排礦井水，緩解區(qū)域水資源供需矛盾，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)展和改革委員會(huì)與水利部聯(lián)合印發(fā)的《國家節(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”[2]。2021年1月，國家發(fā)展和改革委員會(huì)等10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》[3]，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。全國75%以上的礦井水來自缺水地區(qū)和嚴(yán)重缺水區(qū)的大型煤炭基地，處理后的礦井水可用于工業(yè)、生活、農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)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(yè)用水占六成，生態(tài)環(huán)境用水占三成，農(nóng)業(yè)和生活用水很少。目前國內(nèi)外對礦井水綜合利用的相關(guān)研究側(cè)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(xié)調(diào)要求以及區(qū)域內(nèi)適合何種利用模式少有討論。本研究在細(xì)化礦井水利用分類的基礎(chǔ)上，考慮供需雙向協(xié)調(diào)要求，構(gòu)建了適用于煤炭礦井水安全利用模式分類指標(biāo)體系和評價(jià)模型，有效識別礦井水利用分類的相關(guān)指標(biāo)和特征值對應(yīng)的模式分類。

1 礦井水開發(fā)利用模式分類

1.1 按利用對象分類

考慮供需雙向協(xié)調(diào)要求，提出礦井水就近利用模式、面向園區(qū)產(chǎn)業(yè)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(zhì)達(dá)到礦場內(nèi)用水要求的就近利用模式（見圖1）。

（2）面向園區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈利用模式：收集、處理后的礦井水水質(zhì)達(dá)到用水戶需求，經(jīng)調(diào)節(jié)池調(diào)蓄，通過管網(wǎng)收集輸送至工業(yè)園區(qū)企業(yè)、周邊農(nóng)業(yè)灌溉、景觀綠化、水產(chǎn)養(yǎng)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(qū)周邊無用水戶時(shí)，收集、處理后的礦井水達(dá)標(biāo)排放，增加河道生態(tài)基流，補(bǔ)

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(zhì)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(jīng)混凝沉淀、預(yù)氧化、過濾、消毒工藝進(jìn)行二次處理，達(dá)到生產(chǎn)、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(jīng)消鹽、過濾反滲透等工藝處理，達(dá)到生產(chǎn)、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(jīng)濃縮、分離等工藝處理，達(dá)到生產(chǎn)、生活用水要求的利用模式。

1.3 礦井水開發(fā)利用模式細(xì)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(guān)系為基礎(chǔ)，細(xì)化3種礦井水利用模式分類（就近利用模式細(xì)分為A1、A2，面向園區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈利用模式細(xì)分為B1～B5，回歸河湖利用模式細(xì)分為C1、C2），見表1。

2 礦井水分類指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建方法選擇

目前，國內(nèi)外對于指標(biāo)體系構(gòu)建及分類評價(jià)方法較為成熟，廣泛使用的方法有系統(tǒng)聚類法、K-近鄰分類法、支持向量機(jī)法等。礦井水利用分類既有定性因素，又有定量因素，相當(dāng)多的因素在結(jié)構(gòu)上具有遞進(jìn)層次的形式。礦井水利用具有過程復(fù)雜、鏈條長的特點(diǎn)，需要考慮各個(gè)環(huán)節(jié)各因素之間的相互關(guān)系，同時(shí)應(yīng)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(wǎng)絡(luò)（SOM）作為礦井水利用分類指標(biāo)體系構(gòu)建方法[13-14]，SOM是由荷蘭學(xué)者Teuvo Kohonen提出的一種全連接的自組織和自學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它可通過降維減少計(jì)算量，并通過相似數(shù)據(jù)項(xiàng)的劃分對數(shù)據(jù)的相似性進(jìn)行描繪。本文通過訓(xùn)練使SOM網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值向量位于輸入向量聚類的中心，進(jìn)而根據(jù)得到的聚類中心進(jìn)行序列聚類。

2.2 考慮供需雙向協(xié)調(diào)影響因素

2.2.1 供給方礦井水分類的協(xié)調(diào)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(zhì)兩方面[15-22]。礦井涌水量的穩(wěn)定性是滿足礦場內(nèi)外用水需求的決定性因素，礦場內(nèi)生產(chǎn)、生活、綠化等用水量是礦井水是否滿足礦場內(nèi)用水需求、是否存在外供水量的主要因素。礦井水質(zhì)方面，不同水文地質(zhì)條件、不同礦井水補(bǔ)給來源導(dǎo)致礦井水質(zhì)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(shù)能否滿足水質(zhì)要求較高的用水戶的需要是礦井水利用時(shí)必須考慮的因素。

2.2.2 需求方礦井水分類的協(xié)調(diào)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(zhì)、經(jīng)濟(jì)性、政策法規(guī)4個(gè)方面[15-16]。礦井水需求量、水質(zhì)、經(jīng)濟(jì)性方面，礦井水量穩(wěn)定性、水質(zhì)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、處理成本、排污費(fèi)、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)政策、未來產(chǎn)業(yè)規(guī)劃布局等因素也會(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)完善性都會(huì)一定程度上影響礦井水利用。

2.3 指標(biāo)因子選擇的原則

（1）系統(tǒng)性原則。系統(tǒng)性原則是指評價(jià)指標(biāo)應(yīng)全面客觀地反映礦井水供需協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)內(nèi)部及子系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)性，也就是說，納入指標(biāo)體系的各項(xiàng)指標(biāo)在總體上應(yīng)具備一定的系統(tǒng)性、統(tǒng)一性和完整性，涉及礦井水供需協(xié)調(diào)的各個(gè)方面。

（2）科學(xué)性原則。按照礦井水供需協(xié)調(diào)的客觀規(guī)律和要求，在礦井水供給協(xié)調(diào)指標(biāo)和礦井水需求協(xié)調(diào)指標(biāo)的選取、指標(biāo)權(quán)重確定、具體指標(biāo)數(shù)據(jù)選取以及分析方法運(yùn)用的過程中，充分考慮其科學(xué)性，既要全面反映礦井水供需協(xié)調(diào)狀況，也要真實(shí)、準(zhǔn)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(nèi)容。可測性是指應(yīng)重點(diǎn)考慮指標(biāo)的代表性、覆蓋性和發(fā)展性，所選擇的指標(biāo)應(yīng)是可測的且與有關(guān)資料在統(tǒng)計(jì)口徑上具有一致性，通過納入的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值能夠計(jì)算出客觀、科學(xué)的礦井水供給與需求協(xié)調(diào)度;可控性是指如果評價(jià)顯示某一年礦井水供給或者需求協(xié)調(diào)度不高，則需要釆取措施予以彌補(bǔ)，從而維護(hù)缺水區(qū)礦井水的供需協(xié)調(diào)。

（4）動(dòng)態(tài)性原則。礦井水供需協(xié)調(diào)度的提升既是目標(biāo)又是過程，其內(nèi)涵和意義隨著當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、能源基地建設(shè)布局及規(guī)模的調(diào)整而不斷變化，這就要求指標(biāo)體系應(yīng)動(dòng)態(tài)反映礦井水供需協(xié)調(diào)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)、能力與趨向。

3 礦井水供需協(xié)調(diào)評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

3.1 指標(biāo)優(yōu)選

從理論上講，面向供需雙向協(xié)調(diào)的礦井水開發(fā)利用的影響因素就是評價(jià)礦井水供需雙向協(xié)調(diào)的具體指標(biāo)。從上文分析來看，一是影響礦井水供需雙向協(xié)調(diào)的因素較多、涉及面較廣，指標(biāo)過多不符合多因素指標(biāo)評價(jià)要求;二是部分指標(biāo)不能直接反映礦井水供需雙向協(xié)調(diào)關(guān)系，需要進(jìn)行拆分、合并;三是對于難以收集到具體評價(jià)數(shù)據(jù)的指標(biāo)，可以考慮刪除或者替換。

（1）保留指標(biāo)。供需雙方對礦井水的要求無外乎水量、水質(zhì)兩個(gè)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(fā)利用量）、礦井水出礦區(qū)水質(zhì)、用水戶需求量等指標(biāo)予以保留。

（2）替換指標(biāo)?！俺杀竞吞幚碓O(shè)備工作效率”指標(biāo)屬礦井水水質(zhì)處理環(huán)節(jié)，合并為一個(gè)指標(biāo)“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(qū)別。

（3）派生指標(biāo)。由于“開采年限、開采規(guī)劃、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況、礦井水水源、水質(zhì)類別、處理工藝、損失量”只能單一反映指標(biāo)本身的變化，不能綜合反映礦井水供需變化，綜合以上指標(biāo)信息，整合并設(shè)置“開采影響系數(shù)、水源影響系數(shù)、水質(zhì)影響系數(shù)、管道輸送率”指標(biāo)。

（4）刪除指標(biāo)。政策法規(guī)是影響未來產(chǎn)業(yè)布局的導(dǎo)向，不會(huì)直接影響現(xiàn)階段礦井水開發(fā)利用量，因此將“政策法規(guī)”指標(biāo)予以刪除。

（5）增加指標(biāo)?！暗V井水利用率”是指礦井水現(xiàn)狀條件下利用率（利用量/涌水量），符合2013年國家發(fā)展和改革委員會(huì)、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《礦井水利用發(fā)展規(guī)劃》（發(fā)改環(huán)資[2013]118號）提出的“提高礦井水利用率，推動(dòng)礦井水利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展”。按照本項(xiàng)目申報(bào)書與實(shí)施方案，需要提出供需雙向協(xié)調(diào)的礦井水開發(fā)利用潛力評價(jià)方法，并評價(jià)我國礦井水可利用量與潛力，故增加“可利用量”和“開發(fā)利用潛力”兩項(xiàng)指標(biāo)。

礦井水供需雙向協(xié)調(diào)指標(biāo)體系見表2。

3.2 SOM模型構(gòu)建

綜合考慮細(xì)化礦井水3種利用模式（就近利用模式A、面向園區(qū)產(chǎn)業(yè)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(xié)調(diào)指標(biāo)，選取7個(gè)相關(guān)指標(biāo)（自用水量S4、前處理成本S9、可利用水量S11、工業(yè)用水戶需水量S13、非工業(yè)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(xié)調(diào)SOM模型（見表3）。其中，每一種模式細(xì)化分類有9個(gè)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)需水量與自用水量+礦場外工業(yè)需水量+非工業(yè)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(yè)需水量+非工業(yè)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(yè)有無需水要求，取值1或0;礦場外有無非工業(yè)需水要求（取值2或0）、礦場外有工業(yè)和非工業(yè)需水要求（取值3）;P8，水質(zhì)處理成本與其他水源供水成本比值小于1，取值1;P9，水質(zhì)處理成本與其他水源供水成本比值大于1，取值0。

4 實(shí)例應(yīng)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(gè)大型煤炭基地之一，也是《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》重點(diǎn)建設(shè)的9個(gè)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(gè)礦區(qū)和石溝驛獨(dú)立井田。本文以寧東煤炭基地積家井礦區(qū)銀星一井、鴛鴦湖礦區(qū)紅柳煤礦為典型煤礦，通過SOM分類計(jì)算，確定這2個(gè)煤礦所符合的礦井水綜合利用模式。

4.2 評價(jià)結(jié)果

在進(jìn)行SOM網(wǎng)絡(luò)分析時(shí)，預(yù)先給定SOM輸出神經(jīng)元的數(shù)目，即確定SOM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的規(guī)模，本文選取9個(gè)特征值，按9種分類模式，建立10×10的神經(jīng)元分析模型，運(yùn)行結(jié)果表明：銀星一井、紅柳煤礦屬面向園區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈利用模式的B5類，即這2個(gè)煤礦礦井水經(jīng)過處理后，除滿足本礦場內(nèi)用水需求外，還供給外部工業(yè)園區(qū)使用。經(jīng)調(diào)研了解，這2個(gè)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(yōu)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(jìn)行多倍計(jì)征;②對不優(yōu)先使用礦井水的企業(yè)違規(guī)現(xiàn)象進(jìn)行通報(bào)并處罰;③暫?；蛳拗破髽I(yè)其他供水水源供水量;④按照一定配額比鼓勵(lì)企業(yè)優(yōu)先使用礦井水等非常規(guī)水源。

5 結(jié) 語

（1）本文基于礦井水開發(fā)利用雙向協(xié)調(diào)水量、水質(zhì)等影響因素，結(jié)合利用對象和處理難度，提出了就近利用、面向工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈、回歸河湖3種礦井水開發(fā)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(xì)化為9種開發(fā)利用分類。

（2）基于礦井水供需雙向協(xié)調(diào)SOM模型，構(gòu)建了供需協(xié)調(diào)評價(jià)指標(biāo)體系。以寧東煤炭基地積家井礦區(qū)銀星一井、鴛鴦湖礦區(qū)紅柳煤礦為例，選取9個(gè)特征值，按9種分類模式，建立了10×10的神經(jīng)元分析模型，確定這2個(gè)煤礦屬于面向園區(qū)產(chǎn)業(yè)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(zé)任編輯 張華興】