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        模糊綜合評價法在煤礦礦井水現(xiàn)狀評價中的應(yīng)用

        2022-03-07 08:33:10羅道華
        能源與環(huán)境 2022年1期
        關(guān)鍵詞:煤礦水質(zhì)評價

        羅道華

        (福建省華廈能源設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

        煤礦在井下開采過程中不可避免地疏放頂?shù)装宓牡叵滤畯亩a(chǎn)生礦井水。研究表明2019 年全國煤礦礦井水產(chǎn)量達(dá)到71 億m3,華東地區(qū)煤礦礦井水的產(chǎn)生量達(dá)到1.59 m3/t[1]。礦井水抽排一方面會引起地下水資源流失,另一方面礦井水直排誘發(fā)地表水和淺層地下水污染,影響淺地表生態(tài)環(huán)境,同時也給礦區(qū)周邊居民的生產(chǎn)及生活用水帶來不利影響。

        礦井水通過凈化再利用,可以解決礦井水污染礦區(qū)水源和環(huán)境的問題,也可以作為水資源不足礦區(qū)的有效補(bǔ)充和替代,緩解礦區(qū)缺水問題,實(shí)現(xiàn)變廢為寶,化害為利。對煤礦礦井水資源進(jìn)行合理的現(xiàn)狀評價,了解礦井水水質(zhì)情況,是礦井水凈化利用的重要前提[2-5]。

        煤礦礦井水是多元復(fù)雜體系,影響水質(zhì)的因素眾多,規(guī)律各不相同,給水質(zhì)評價帶來了模糊性和不確定性[6]。常用的水質(zhì)評價方法主要有單因子分析法[7]、污染指數(shù)法[7-9]、灰色評價法[6,10]、模糊數(shù)學(xué)法[2-5]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[11]等。這些方法各具特色,但也有各自的適用范圍和局限性。模糊綜合評價法兼顧了污染程度、分類標(biāo)準(zhǔn)、評價等級等模糊概念,符合水環(huán)境系統(tǒng)中各因素的不確定性、隨機(jī)性和模糊性,在工程實(shí)際中有較多成功應(yīng)用,如卞惠瑛等[2]利用模糊綜合法評價榆神府礦區(qū)礦井水現(xiàn)狀,劉玥等[4]對鉛鋅礦周邊地表水進(jìn)行現(xiàn)狀評價,潘妍妍等[5]對山西潞安礦區(qū)礦井水現(xiàn)狀評價。

        福建省作為生態(tài)文明建設(shè)示范區(qū),全面關(guān)停產(chǎn)能≤9 萬t/a的小煤礦,并大力推行煤礦安全綠色開采,對礦井水資源化利用愈發(fā)重視。龍巖市和三明市是福建省的兩大主要產(chǎn)煤區(qū),煤礦數(shù)量較多,因此本文選取福建閩西地區(qū)7 家煤礦礦井水(龍巖市3 家和三明市4 家)作為研究對象,運(yùn)用模糊綜合評價法對不同煤礦礦井水水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行評價,為煤礦礦井水的污染治理和綜合利用提供一定的參考價值。

        1 研究區(qū)概況

        福建省井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,走向及傾向上的斷裂、褶曲構(gòu)造均十分發(fā)育,煤層穩(wěn)定性較差,多為極薄、薄煤層,因地質(zhì)條件限制采用機(jī)械化開采的水平較低,均采用地下開采,采煤工藝為炮采[13]。本文以三明市4 家煤礦礦井水和龍巖市3 家煤礦礦井水為研究對象,煤礦地理位置見圖1,7 家煤礦的礦區(qū)范圍、年開采規(guī)模、已開采時間及正常涌水量等基本情況見表1。

        圖1 福建省閩西7 家煤礦地理位置圖

        表1 福建省閩西7 家煤礦基本信息表

        2 水樣采集與分析

        本研究于2020 年7 月27 日—28 日對7 家煤礦礦井水進(jìn)行統(tǒng)一采樣,每個礦山在礦井水沉淀池出口設(shè)置1 個采樣點(diǎn),采樣時間為1 d,采樣頻次為采集3 個瞬時水樣,混合成1 個水樣。測試項(xiàng)目包括總硬度、氟化物、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、鋅、砷、汞、鐵、錳、鉛、鎘、六價鉻、礦化度等14 項(xiàng)指標(biāo)。由于礦井水評價標(biāo)準(zhǔn)參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017),因此礦井水樣品的采集、保存、測試方法均參照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 164—2004)。

        采樣前,先用采樣水蕩洗采樣器和水樣容器2 次~3 次,每個水樣采集2 L,使用聚乙烯塑料瓶儲存。采樣過程,記錄各水樣采集日期和時間、監(jiān)測項(xiàng)目、地點(diǎn)、采樣人等信息。鉛、鋅、鐵、錳、鎘元素的測定采用原子吸收分光光度法;砷、汞的測定采用原子熒光分光光度法;六價鉻、硫酸鹽、硝酸鹽的測定采用可見分光光度法;總硬度、氯化物的測定采用滴定法;氟化物的測定采用離子選擇性電極法。

        3 模糊綜合評價原理

        模糊綜合評級法以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ),應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理,將一些邊界不清、不易定量的因素定量化,從多個因素對被評價事物隸屬等級狀況進(jìn)行全面綜合評價的一種方法。該評價方法用于礦井水水質(zhì)評價的步驟如下[3]。

        3.1 確定因素論域和評級論域

        設(shè)礦井水水質(zhì)因素集為U={u1,u2,u3,…,un},式中ui為參與評價的第i 個水質(zhì)因子的監(jiān)測結(jié)果;本文礦井水評價標(biāo)準(zhǔn)參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017),設(shè)礦井水質(zhì)量評語集為:V={v1,v2,v3,…,vm},式中vj為與ui相應(yīng)的第j 個評價標(biāo)準(zhǔn)的集合。

        3.2 建立隸屬函數(shù)

        因素論域(各水質(zhì)因素)和評級論域(評價等級)之間的模糊關(guān)系可以用模糊關(guān)系矩陣R 來表達(dá),將其稱為單因素評判矩陣,如公式(1)。

        式中:rij表示第i 種污染物的水質(zhì)因子數(shù)據(jù)值,可以被評為第j級評級等級的隸屬度。本文采用降半梯法確定隸屬度,具體見公式(2)~(4)。

        對于第1 級:

        對于第i 級:

        對于第m 級:

        其中Si={S1,S2,…,Sm}表示地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)集合。

        3.3 權(quán)重因子的確定

        由于各評價因子在水質(zhì)評價中作用的大小不同,因此應(yīng)按其貢獻(xiàn)分別賦予不同的權(quán)重。本文采用污染物超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法,并將權(quán)值進(jìn)行歸一化處理,組成模糊矩陣A,即為因子權(quán)重集。具體見公式(5)~(7)。

        式中:xi表示被評價指標(biāo)中第i 種污染物的實(shí)測濃度;ei表示第i 個被評價指標(biāo)的權(quán)重,ai表示第i 個評價指標(biāo)的歸一化權(quán)重。

        3.4 模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型

        綜合考慮各評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù),得到綜合評判矩陣B。

        式中:B=(b1,b2,…,bm)表示評價結(jié)果集,bi表示評價對象對第j個評價等級的隸屬度。

        按照最大隸屬原則,確定礦井水最終所屬的評價等級。

        4 煤炭礦井水模糊綜合評價

        4.1 評價因子和評價標(biāo)準(zhǔn)的選擇

        選取礦井水中14 項(xiàng)監(jiān)測因子構(gòu)成評價因素的集合:U={總硬度,氟化物,氯化物,硫酸鹽,硝酸鹽,鋅,砷,汞,鐵,錳,鉛,鎘,六價鉻,礦化度},各監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2 所示。

        表2 福建省閩西7 家煤礦礦井水監(jiān)測數(shù)據(jù) 單位:mg/L

        地下水水質(zhì)等級分為5 級,參照其標(biāo)準(zhǔn),礦井水質(zhì)量評語集為:V={Ⅰ級,Ⅱ級,Ⅲ級,Ⅳ級,Ⅴ級},礦井水評價等級及水質(zhì)用途見表3。本文選用的14 項(xiàng)監(jiān)測因子對應(yīng)各個評價等級的標(biāo)準(zhǔn)限值vj詳見表4。

        表3 礦井水評價等級及水質(zhì)用途

        表4 礦井水水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)限值 單位:mg/L

        4.2 建立模糊矩陣R

        根據(jù)公示(2)~(4)分別建立各評價因子的隸屬函數(shù),上述7 家煤礦礦井水的監(jiān)測值對每個評價因子ui進(jìn)行單因素評價確定其隸屬度ri,每個礦山的各評價因子的隸屬度的集合構(gòu)成一個模糊矩陣R。以XIT 煤礦為例,計(jì)算出隸屬度后,形成XIT煤礦礦井水的模糊矩陣RXIT 見公式(9)。

        4.3 確定權(quán)重系數(shù)

        根據(jù)公式(5)~(7)確定7 家煤礦監(jiān)測點(diǎn)的每個評價因子的權(quán)重系數(shù),評價因子監(jiān)測結(jié)果低于檢出限,以檢出限的半數(shù)參與計(jì)算。以XIT 煤礦為例,經(jīng)計(jì)算XIT 煤礦各評價因子的因子權(quán)重集AXIT為{0.173(總硬度),0.072(氟化物),0.005(氯化物),0.007(硫酸鹽),0.002(硝酸鹽),0.002(鋅),0.001(砷),0.003(汞),0.002(鐵),0.594(錳),0.000 05(鉛),0.000 005(鎘),0.006(六價鉻),0.134(礦化度)}。同理計(jì)算其余6 家煤礦各評價因子的權(quán)重系數(shù)ai,詳見表5。

        表5 福建省閩西7 家煤礦礦井水評價因子的權(quán)重系數(shù)

        4.4 模糊綜合評價結(jié)果

        根據(jù)公式(8),采用歸一化加權(quán)平均模型,計(jì)算得XIT 煤礦模糊綜合評價結(jié)果為BXIT=AXIT·RXIT={0.067,0.052,0.162,0.162,0.556},根據(jù)最大隸屬度原則,0.556 數(shù)值最大,故XIT 煤礦礦井水水質(zhì)評價等級為Ⅴ級。同理,對其余6 家煤礦礦井水的模糊綜合評價結(jié)果見表6。

        表6 福建省閩西7 家煤礦礦井水模糊綜合評價成果

        根據(jù)表6 的評價結(jié)論,除了三明市SJK、CPL 兩家煤礦礦井水水質(zhì)為Ⅳ級,其余五家煤礦礦井水水質(zhì)為Ⅴ級。

        5 討論與結(jié)果

        (1)本研究選取14 項(xiàng)監(jiān)測因子進(jìn)行礦井水水質(zhì)評價,根據(jù)權(quán)重系數(shù)的分析結(jié)果,XIT 煤礦礦井水的主要影響因子:錳(0.594);SUQ 煤礦礦井水的主要影響因子:氟化物(0.416);SJK 煤礦礦井水的主要影響因子:氟化物(0.446);CPL 煤礦礦井水的主要影響因子:錳(0.271)、總硬度(0.246);LOT 煤礦礦井水的主要影響因子:錳(0.486)、總硬度(0.285);CPS 煤礦礦井水的主要影響因子:總硬度(0.351),錳(0.333),礦化度(0.240);BES 煤礦礦井水的主要影響因子:錳(0.649)。綜上,福建省閩西地區(qū)不同煤礦礦井水的主要影響因子略有不同,主要集中4 個因子分別為錳、總硬度、氟化物和礦化度。

        (2)模糊綜合評價法兼顧了不同水質(zhì)因子的影響,對煤礦礦井水進(jìn)行全面綜合評價,本研究結(jié)論:三明市SJK、CPL 兩家煤礦礦井水水質(zhì)為Ⅳ級,其余5 家煤礦(XIT、SUQ、LOT、CPS、BES)礦井水水質(zhì)為Ⅴ級。三明市SJK、CPL 兩家煤礦礦井水水質(zhì)優(yōu)于其余5 家煤礦(XIT、SUQ、LOT、CPS、BES)礦井水水質(zhì)。

        (3)三明市SJK、CPL 煤礦礦井水可直接供工農(nóng)業(yè)用水使用(包括用于選煤、井下消防、綠化和道路除塵用水);其余5家煤礦(XIT、SUQ、LOT、CPS、BES)礦井水可直接用于井下消防、綠化和道路除塵用水等;XIT、SUQ、BES 煤礦礦井水可直接用作農(nóng)田灌水(礦化度≤1 000 mg/L),LOT、CPS 礦井水需要選擇電滲析法、反滲透法等進(jìn)行除鹽后可用于用作農(nóng)田灌水;三明市4 家煤礦(XIT、SUQ、SJK、CPL)礦井水可用作選煤用水(總硬度≤500 mg/L),龍巖市3 家煤礦(LOT、CPS、BES)礦井水需要選擇電滲析法、反滲透法等進(jìn)行除鹽后可用作選煤用水。

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