廖愛民，黃鑫磊

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210029;2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221008)

肥城礦區(qū)位于山東省肥城市境內(nèi)，東距泰安42 km，北到濟(jì)南75 km。肥城盆地四周環(huán)山，中間低洼，為一向西南開口的斷陷盆地，也是華北型全隱蔽式石炭二疊系煤田。煤田內(nèi)自東到西有9個(gè)井田，分別為楊莊、曹莊、大封(于2005年末閉坑)、陶陽、興隆、白莊、平陰、查莊、國家莊礦。礦區(qū)多年平均降水量為652.8 mm，年產(chǎn)原煤達(dá)680萬 t，礦井年排水量為4260.6萬t，是全國有名的大水礦區(qū)，受水害威脅嚴(yán)重［1］。據(jù)肥城氣象站資料，本區(qū)多年平均降水量646.9 mm，最大年降水量為1964年1093.20 mm，最小年降水量為1988年的362.30 mm，多年平均蒸發(fā)量 1 224.50 mm。

為了更好地闡明礦井水的影響，在此提出兩個(gè)新的水資源概念——“負(fù)水”和“壓郁水”。所謂“負(fù)水”，就是水質(zhì)未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)入環(huán)境中，會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響的水，如含懸浮物礦井水、酸性礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水以及含微量元素或放射性元素較多礦井水。如果負(fù)水不經(jīng)過處理達(dá)標(biāo)后直接排到環(huán)境中，勢必對(duì)環(huán)境造成負(fù)面的影響，如污染地表水體，危害各種特種等，提出“負(fù)水”的概念，是為了加深人們對(duì)水資源的保護(hù)意識(shí)，如果對(duì)負(fù)水不采取相應(yīng)的處理措施，就會(huì)危及環(huán)境甚至自身的安全。所謂“壓郁水”，是指那些本可以直接或者經(jīng)過處理能夠轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水，但是沒有被很好地加以利用的水。如礦井水中的潔凈水直接排掉而造成浪費(fèi)，含懸浮物礦井水、酸性礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水以及含微量元素或放射性元素較多礦井水經(jīng)過處理后都能夠進(jìn)行供水。提出“壓郁水”的概念，是想提醒人們更注重對(duì)礦井水的合理利用。由此可見，“負(fù)水”和“壓郁水”都是相對(duì)的概念，它們存在相同的部分，只是站在不同的角度使人產(chǎn)生不同的意識(shí)。

針對(duì)各類礦井水，根據(jù)它們的特性及影響，有意識(shí)地用“負(fù)水”和“壓郁水”的理念來對(duì)待，對(duì)“負(fù)水”應(yīng)該采取各種處理方法來消除它們對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，對(duì)“壓郁水”應(yīng)該采取各種處理方法將它們解放出來成為對(duì)環(huán)境有益的水資源。

1 礦區(qū)水量分析

1.1 肥城盆地水資源量評(píng)價(jià)

肥城盆地水資源量較豐富，尤其以該區(qū)內(nèi)的巖溶水為最。該區(qū)巖溶水補(bǔ)給量主要取決于大氣降水，奧灰地表出露廣泛，在南部山區(qū)出露面積達(dá)260 km2，直接接受大氣降水的補(bǔ)給，其動(dòng)水量十分豐富，平均為2.8萬m3/h。但由于大氣降水的隨機(jī)性，巖溶水補(bǔ)給量亦隨之多變，典型年法能直觀地反映地下水資源量與大氣降水的關(guān)系，對(duì)多年的降水觀測資料進(jìn)行概率分析，連續(xù)的特枯年份出現(xiàn)的機(jī)率較少，連續(xù)豐水年出現(xiàn)的機(jī)率也較少，年降水以豐、平、枯交替出現(xiàn)最為常見。各年降水量見表1。

表1 肥城礦區(qū)各年降水量表

典型年一般取特枯年保證率95%，偏枯水年保證率75%，平水年保證率50%，豐水年保證率20%。根據(jù)多年降水系列用

用公式(1)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算，可求出95%年份降水量360.0 mm，75%年份降水量589.5 mm，50%年份降水量650 mm，20%年份降水量807.0 mm，再根據(jù)年降水量挑選典型年。

由長期觀測資料可知，與以上各典型年相對(duì)應(yīng)的水位標(biāo)高最低值分別為 26.07 m、31.52 m、35.67 m、39.15 m，巖溶水水位標(biāo)高開采下限為18.00 m，即18.0 m以上的儲(chǔ)量才是可動(dòng)用的儲(chǔ)存量。以上各典型年含水層厚度依次是8.07 m、13.52 m、17.67 m、21.15 m。

查資料得到肥城礦區(qū)的給水度μ和釋水系數(shù)s，基本上揭示了該區(qū)巖溶含水介質(zhì)巖溶裂隙較發(fā)育的特性，參數(shù)取平均值為0.0347。肥城盆地巖溶含水層隱伏區(qū)分布面積326 km2。將以上數(shù)據(jù)代入公式(2)即可算出各典型年巖溶水資源的儲(chǔ)存量Q儲(chǔ)，計(jì)算結(jié)果見表2。

式中:μ為平均給水度;F為隱伏巖溶含水層分布面積，km2;H為約束水位以上含水層厚度，m。

從以上結(jié)果可看出，90%的枯水年份可動(dòng)用的儲(chǔ)存量只有0.91億m3，說明該區(qū)巖溶水資源的有限性。如95%年份的1988年一年動(dòng)用儲(chǔ)存量約0.68億m3，如果連續(xù)兩年枯水年，無節(jié)制大量動(dòng)用儲(chǔ)存量，勢必導(dǎo)致該區(qū)巖溶水水位降到約束水位以下，所以如連續(xù)出現(xiàn)枯水年，必須采取開源節(jié)流的措施，開發(fā)地表水資源，補(bǔ)充地下水資源之不足，限制巖溶水開采量。75%年份可動(dòng)用儲(chǔ)存量可增加到1.53億 m3，50%年份增加到1.99億m3，20%年份增加到2.39億m3，說明該區(qū)巖溶水資源具有可恢復(fù)性，可以以豐補(bǔ)欠:同時(shí)該區(qū)巖溶含水層還具有多年調(diào)節(jié)功能，如:1994～1996年連續(xù)的豐水年使肥城盆地這個(gè)調(diào)蓄水庫供水量增加，1997年雖出現(xiàn)歷史罕見的枯水期，但巖溶水水位標(biāo)高仍能保持在28.59～29.38 m。

由以上論述可知，由于受降水量隨機(jī)變化的影響，該區(qū)巖溶水資源量表現(xiàn)出有限性和多變性，水資源決策部門應(yīng)根據(jù)巖溶水資源狀況確定最佳的供水方案。在20%、50%年份充分發(fā)揮地下水庫的調(diào)蓄潛力，滿足地方重要工業(yè)企業(yè)對(duì)水資源的需求;在75%、95%年份限量開發(fā)利用地下水資源，大力發(fā)揮地表水庫的調(diào)蓄供水能力，以緩解本區(qū)水資源供需矛盾，為該區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展創(chuàng)造一個(gè)良好的供水環(huán)境。

1.2 肥城礦區(qū)礦井水涌水特征

肥城礦區(qū)涌水量的變化主要取決與兩方面的因素:一是降雨量的多少，因?yàn)榇髿饨邓茄a(bǔ)給含水層的主要來源，因而越是受降水影響程度重的含水層其涌水量也越受降水的影響，而隨著深度的增加降水的影響就會(huì)越小。所以涌水量的變化存在著周期性變化，包括季節(jié)性(年周期性)變化和多年周期性變化。二是開采活動(dòng)及突發(fā)事件的影響。在該礦區(qū)范圍內(nèi)，開采工作范圍越大、深度越深，涌水量也會(huì)隨之增加。而一些突發(fā)性的突水之類的事件，也必然會(huì)導(dǎo)致礦井涌水量急劇的變化。肥城礦區(qū)歷年礦井涌水量情況見圖1。

從以上的圖表分析可得:(1)從整體趨勢看，肥城礦區(qū)的涌水量在逐漸增長，從1994年的平均礦井涌水量2 649 m3/h增加到2006年的5 480 m3/h，已經(jīng)翻了一番;(2)從歷年各礦最大礦井涌水量表和歷年各礦平均礦井涌水量表在2003年都出現(xiàn)一個(gè)峰值，經(jīng)查肥城地區(qū)的各年降水量資源，在2003年的降水量相對(duì)之前年是增加的，致使礦區(qū)的涌水量的隨之增加，這表明肥城礦區(qū)的地下水受到大氣降水的影響;(3)肥城礦區(qū)的平均涌水量達(dá)5 500 m3/h，最大涌水量可達(dá)10 000 m3/h，可以將5 500 m3/h作為礦井的可供水量，再加上降水量的匯聚，將10 000 m3/h(或20萬m3/d)作為水處理廠的處理能力。

圖1 歷年各礦平均礦井涌水量圖

2 礦區(qū)水質(zhì)分析

2.1 地下水環(huán)境質(zhì)量分類的判別方法

地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，采用加附注的評(píng)分法［2］。具體要求與步驟如下:

(1)參加評(píng)分的項(xiàng)目，應(yīng)不少于本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的監(jiān)測項(xiàng)目，但不包括細(xì)菌學(xué)指標(biāo)。

(2)首先進(jìn)行各單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)，劃分組分所屬質(zhì)量類別。

(3)對(duì)各類別按下列規(guī)定(表3)分別確定單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)分值Fi。

表3 單項(xiàng)組分評(píng)分值表

(4)按下面計(jì)算式計(jì)算綜合評(píng)價(jià)分值F。

式中，F(xiàn)平均為各單項(xiàng)組分評(píng)分值Fi的平均值;F最大為單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)分值Fi中的最大值;n為項(xiàng)數(shù)。

(5)根據(jù)F值，按以下規(guī)定(表4)劃分地下水質(zhì)量級(jí)別，再將細(xì)菌學(xué)指標(biāo)評(píng)價(jià)類別注在級(jí)別定名之后。如“優(yōu)良(Ⅱ類)”、“較好(Ⅲ類)”。

表4 地下水質(zhì)量級(jí)別判定值表

礦井水主要涉及水倉水、地表水和水源井水，故選取這三類水樣點(diǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)肥城礦區(qū)水質(zhì)特征，是具有代表性，并可以解決問題。根據(jù)上述的地下水環(huán)境質(zhì)量分類的判別方法進(jìn)行評(píng)定水質(zhì)情況，見表5(以白莊礦水樣為例)。

表5 白莊礦水樣水質(zhì)評(píng)價(jià)表

由評(píng)價(jià)結(jié)果可得到以下結(jié)論:(1)肥城礦區(qū)的地表水體的水質(zhì)較差，說明地表水已遭到污染，主要原因是礦井水的未達(dá)標(biāo)排放;(2)水倉中的礦井水的水質(zhì)較差，主要原因是某些單項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)，如SO42－，NO2－，全硬度等;(3)有水源井的水質(zhì)也遭到一定程度的污染，主要原因是監(jiān)管不嚴(yán)，保護(hù)不利所致;(4)礦區(qū)的“壓郁水”主要是水倉水，因?yàn)檫@部水的水量很大，在礦區(qū)往往沒有較好的處理就排出，成為環(huán)境的“負(fù)水”，這部分急需處理，將其解脫出來，成為支持經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。

通過選定合適的礦井水凈化工藝流程，礦井水可以得到很好的資源化，已有不少學(xué)者［3－7］在這方面開展了工作。

3 肥城礦區(qū)調(diào)水概念模型的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)肥城礦區(qū)的水資源水質(zhì)和水量的分析情況，作者認(rèn)為可以采取行政、經(jīng)濟(jì)、工程等措施對(duì)肥城礦區(qū)的水資源進(jìn)行規(guī)劃。下面從工程規(guī)劃方面來設(shè)想肥城礦區(qū)調(diào)水概念模型。

3.1 塌陷坑改造

地面塌陷是指表巖、土體在自然或人力因素之下，向下陷落，并在地面形成塌陷坑或洞的一種地質(zhì)現(xiàn)象，根據(jù)形成塌陷的主要因素可分成自然塌陷和人為塌陷;根據(jù)塌陷區(qū)是否有巖溶發(fā)育，分為巖溶地面塌陷和非巖溶地面塌陷兩類。

肥城礦區(qū)的地面塌陷主要是由于采煤作業(yè)而造成的人為塌陷。塌陷成坑后，由于地表水的匯流和地下水的補(bǔ)給等形成濕地。肥城礦區(qū)有著較長的開采歷史，也形成了較多塌陷坑;對(duì)塌陷坑改造的總體思路是:在每個(gè)礦井的附近的一個(gè)塌陷坑適當(dāng)挖深，再用水泥膠底，作礦坑水的初級(jí)調(diào)節(jié)池(見圖2中的2);在礦區(qū)作合理的選址，將塌陷坑群挖深并聯(lián)成一片，作礦井水的中央調(diào)節(jié)池(見圖2中的3);在初級(jí)調(diào)節(jié)池與中央調(diào)節(jié)池之間用管道或溝渠連通。

3.2 生物凈水技術(shù)

根據(jù)水生植物的根、莖和葉對(duì)懸浮顆粒的攔截作用以及對(duì)氮、磷、金屬元素的吸入作用［8，9］，可以選一些生命力頑強(qiáng)的水生植物種植在中央調(diào)節(jié)池中，可以起到較好效果。

3.3 地表水和地下水聯(lián)合調(diào)度

為了加強(qiáng)整個(gè)調(diào)水系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本文采取地表水和地下水的聯(lián)合調(diào)度。對(duì)于地表水，主要是河流中水庫水，在豐水期有過多的水可以通過水閘、溝渠或水管、水泵等構(gòu)筑物將水引入中央調(diào)節(jié)池中，可以對(duì)礦井水進(jìn)行稀釋，同時(shí)加大水處理廠的工作能力，將水輸入自來水網(wǎng)或者進(jìn)入地下水庫。

圖2 肥城礦區(qū)調(diào)水概念模型

地下水庫是指在地下可以蓄水的地層中采取人工措施引滲蓄水的水庫，系封閉或近封閉邊界圈閉的、具有實(shí)用規(guī)模庫容且可以有效進(jìn)行水更替的地下蓄水實(shí)體;地下水庫是優(yōu)化水資源配置的一種重要手段，可以加大對(duì)降水資源的截流，提高區(qū)域水資源利用率;還可以豐蓄枯采，調(diào)節(jié)水資源時(shí)空分配不均。地下水庫的功能特征，集中體現(xiàn)在其調(diào)蓄能力上。故在枯水期，可以從地下水庫中抽取清潔地下水對(duì)中央調(diào)節(jié)池中的礦井水進(jìn)行稀釋以提高處理廠的處理效率，或者直持進(jìn)入自來水網(wǎng)以滿足用水緊張的工業(yè)和居民生活;此時(shí)的中央調(diào)節(jié)池中水可以進(jìn)入到河流或溝渠進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，以解決農(nóng)業(yè)的缺水問題。

3.4 水資源配置

肥城礦區(qū)的礦井水經(jīng)過處理后，顯然已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足礦區(qū)用水，因此，經(jīng)過優(yōu)化配置調(diào)水及處理后的礦井水，在滿足肥城地區(qū)自身用水的情況下，可以考慮將多余的水資源并入自來水網(wǎng)，通過輸水管網(wǎng)向的臨近缺水市縣(如，泰安市區(qū))進(jìn)行供水，實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用，實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益共贏。

4 結(jié)論與建議

經(jīng)以上分析可知:(1)肥城礦區(qū)的礦井水量受降水量隨機(jī)變化的影響表現(xiàn)出有限性和多變性，充分發(fā)揮地表水庫的調(diào)蓄供水能力和地下水庫的調(diào)蓄潛力，滿足地方工農(nóng)業(yè)對(duì)水資源的需求，以緩解本區(qū)水資源供需矛盾。(2)肥城礦區(qū)的平均涌水量達(dá)5 500 m3/h，其中，礦區(qū)的“壓郁水”主要是水倉水，因?yàn)檫@部水的水量很大，可經(jīng)水處理廠，將其解脫出來。(3)肥城礦區(qū)的各種水體的水質(zhì)情況不一，地下水中大部分“壓郁水”，沒有得到合適的處理，排到地表成為“負(fù)水”，這種情況應(yīng)得到充分的重視。

據(jù)此，作者提出以下建議:(1)針對(duì)肥城地區(qū)缺乏水資源管理的問題，有必要設(shè)立泰安市肥城礦區(qū)水務(wù)管理局，下設(shè)水處理廠，環(huán)境保障處和水資源調(diào)配處，三者相互密切協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)肥城礦區(qū)的水資源的可持續(xù)利用。(2)在法律和行政的協(xié)調(diào)下，落實(shí)各種技術(shù)措施，如礦井水資源化，水資源優(yōu)化配置以及節(jié)水技術(shù)的研究和推廣，有效地融入到肥城礦區(qū)調(diào)水總體設(shè)計(jì)中來。(3)對(duì)于肥城礦區(qū)的地下水，在滿足本身農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境等需水條件下，部分水可以調(diào)往較嚴(yán)重缺水的泰安市區(qū)，以滿足其需求。

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