李 庭，馮啟言，周來，朱雪強

（中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇徐州221116）

我國對煤炭資源的高強度開采已使部分老礦區(qū)煤炭資源趨于枯竭，如淄博、徐州、肥城、棗莊、峰峰、焦作、沈陽等礦區(qū)，部分井工礦井開采深度已接近開采極限。由于煤炭資源枯竭、深部煤層賦存條件復雜、開采條件惡劣、瓦斯、水害、地熱等災害頻發(fā)，致使很多煤礦已經關閉或即將關閉。同時，為了保證煤炭資源安全和有序開采，國家陸續(xù)出臺了相關政策，大力整合煤炭資源，已對數(shù)萬小煤礦進行了關閉和整合，根據(jù)能源局的統(tǒng)計，我國的煤礦數(shù)量已從1990年的80 000多處減到目前的13 000余處。在未來幾年，廢棄礦井還將繼續(xù)增加，廢棄礦井帶來的安全與環(huán)境問題也將愈發(fā)突出，其中，廢棄礦井引發(fā)的地下水污染將越來越嚴重，并會帶來一系列水環(huán)境安全風險，因此，監(jiān)控和評估廢棄礦井的地下水污染風險并制定和采取有效的保護措施對廢棄礦井的安全處置和礦區(qū)水環(huán)境保護具有重要意義。

國外對礦井閉坑后污染地下水的研究始于20世紀80年代，美國、德國、韓國等地的研究者通過長期的監(jiān)測、大量的實驗以及數(shù)值模擬等方法進行了相關研究[1-3]。例如Paul L.Younger等，對廢棄礦井水的水質變化、水文地球化學、廢棄礦井水系統(tǒng)模型概化、地下水回彈淹沒礦井的過程等作了深入研究[4-6]。國內方面，煤炭科學研究總院西安研究院的虎維岳、周建軍等學者對廢棄礦井地下水污染特征、含水介質場特征和地下水回灌等進行了研究[7-10]，另外遼寧工程技術大學、中國礦業(yè)大學的部分學者也開展了閉坑對地下水系統(tǒng)的污染及防治的研究[11,12]。目前，我國尚無廢棄礦井地下水污染風險評價的相關研究，更缺乏相關的評價系統(tǒng)及軟件，礦井閉坑后對地下水的危害無法度量與預測，不利于相關部門的管理與監(jiān)督。為此，本文研究與構建了廢棄礦井污染地下水污染風險評價模型，并基于該模型設計與開發(fā)了廢棄礦井地下水污染風險評價系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以快速地對已關閉或規(guī)劃關閉的礦井進行地下水污染風險進行評價，對規(guī)范廢棄礦井的管理和煤礦建設項目后評價具有重要意義。

1廢棄礦井地下水污染風險評價方法

1.1廢棄礦井地下水污染主要模式

礦井關閉停止疏排水后，水位逐漸回彈，隨著回彈水位的不斷增高，礦井水有可能反向補給含水層，從而造成地下水污染。根據(jù)廢棄礦井與目標含水層之間的水力聯(lián)系類型，可以將廢棄礦井污染地下水的主要模式分為以下4種：

(1)頂板導水裂隙串層污染：煤層開采對覆巖造成極大的破壞，形成導水裂隙帶，開采時導水裂隙帶范圍內含水層地下水下泄，形成礦坑涌水，當煤礦關閉停止排水后，水位回彈至初始水位，礦井中的污染物隨著地下水的運移而遷移，造成上覆含水層的串層污染，甚至頂托污染第四系松散含水層。

(2)底板采動裂隙串層污染：煤層開采造成底板巖層破壞，裂隙發(fā)育，溝通了礦坑與底板含水層的聯(lián)系，當?shù)装搴畬铀坏陀诨貜椝粫r，礦井水將污染底板含水層。

(3)封閉不良鉆孔串層污染：煤田勘探和生產階段，需要施工大量的鉆孔，包括地質孔、水文地質孔、井下放水孔、瓦斯抽放孔等等，這些鉆孔部分封閉不良造成不同含水層的水力聯(lián)系，礦井污染物通過這些鉆孔進入含水層，污染地下水。

(4)斷層或陷落柱串層污染：采煤過程中，斷層或陷落柱是煤礦突水的重要通道，煤礦關閉后水位回彈，礦井水攜帶污染物反補給充水含水層，從而造成地下水污染。

1.2廢棄礦井地下水污染風險分析

通過前面對礦井廢棄后污染地下水的模式的分析，整個污染風險可以總結為以下三個部分：

(1)污染源風險：可以將整個廢棄礦井視為污染源，風險主要來自于煤炭開采等人為活動對煤系含水層的影響與破壞，以及產生污水的水質及水量。

(2)污染通道風險：污染物遷移主要是受作為通道的煤系含水層的滲透性的影響。此外，廢棄礦井回彈水位與目標含水層最低水位的水力梯度差，以及兩者之間的位置關系也是重要的風險因素。

(3)污染受體風險：污染受體的風險主要是指目標含水層遭受污染后的損害程度，評價指標主要有水量、水質和功能。

1.3評價指標體系及評價模型

根據(jù)廢棄礦井地下水污染模式及污染風險分析，本文篩選出包括污染源風險、污染通道風險、污染受體危害性3大影響因素的15個評價指標，見表1。

在評價指標確定后，還需要確定指標的權重，用來反映各個指標對整體風險“貢獻”的大小。本項目選用目前最常使用的層次分析法，經過計算后各指標的權重大小見表1。

表1廢棄礦井地下水污染風險評價指標體系

最后，基于迭置指數(shù)法的原理與方法，采用加權求和法建立廢棄礦井地下水污染風險評價綜合指數(shù)模型，見公式1。

式中，R為廢棄礦井地下水污染風險評價綜合指數(shù)，xi為第i個評價指標的評分值，ωi為第i個評價指標的權重。

2評價系統(tǒng)設計與開發(fā)

2.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)采用.Net Framework技術開發(fā)，開發(fā)工具選擇微軟的Visual Studio 2010，開發(fā)語言選用的C#。在數(shù)據(jù)存儲方面，由于本系統(tǒng)主要側重于風險評價，而非信息管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)量不大，對數(shù)據(jù)庫要求不高。因此，在綜合考慮更好移植性、兼容性以及用戶安裝難易程度的基礎上，本系統(tǒng)采用Access。

2.2系統(tǒng)結構設計

廢棄礦井地下水污染風險評價系統(tǒng)的核心功能需求是，實現(xiàn)政府管理者、礦山企業(yè)等不同用戶能夠快速利用該系統(tǒng)，對礦井閉坑后污染地下水的風險等級進行初步識別，并給出相應的防治方案，為相關部門的管理與監(jiān)督提供參考。根據(jù)對功能需求的分析，系統(tǒng)結構設計如圖1所示。系統(tǒng)核心功能為風險評價功能與評價項目管理，配置與幫助菜單為輔助功能。

2.3數(shù)據(jù)庫設計

通過對廢棄礦井地下水污染風險評價功能需求的分析，設計如下實體：

(1)項目信息表：存儲評價項目的相關信息，主要包括項目名稱、評價用戶、評價時間、礦井名稱、地點、評價單位、閉礦時間、評價狀態(tài)、評價結果、說明等字段。

(2)參數(shù)信息表：存儲評價項目的具體參數(shù)信息，包括工程名稱，以及十五個評價指標。

(3)用戶信息表：主要包括用戶名、密碼、申請時間、權限等字段。

(4)配置信息表：存儲系統(tǒng)分級參數(shù)配置信息，包括各個評價指標的分級信息、權重等。

圖1系統(tǒng)結構

2.4主要功能的實現(xiàn)

（1）系統(tǒng)主界面:用戶登錄后進入系統(tǒng)首頁界面（如圖2所示），在系統(tǒng)首頁界面上集成了“開始評價”、“項目管理”與“系統(tǒng)介紹”這三個主要功能。首次使用系統(tǒng)的用戶，可以通過“系統(tǒng)介紹”功能對系統(tǒng)功能、特點以及系統(tǒng)使用進行了解和學習。

圖2系統(tǒng)首頁界面

（2）風險評價：用戶在系統(tǒng)首頁界面點擊“開始評價”按鈕后，進入風險評價模塊。風險評價模塊的菜單組主要以流程化的工具提供交互界面，實現(xiàn)對廢棄礦井地下水污染風險評價。開始評價后，首先會彈出新建項目信息對話框，讓用戶輸入廢棄礦井的相關信息。完成新建項目信息輸入后，系統(tǒng)會按照順序，讓用戶輸入十五個評價指標的參數(shù)，如圖3所示。系統(tǒng)在界面中提供了詳細的參數(shù)說明信息，同時，并提供了后臺參數(shù)驗證功能，以保證用戶輸入的正確、有效。

圖3評價指標的參數(shù)輸入界面

用戶輸入完參數(shù)后，單擊評價按鈕，即可顯示該礦區(qū)的風險評價總分與分級情況。評價完成后，系統(tǒng)會自動生成標準Word格式的評價報告。

（3）評價項目管理

評價項目管理界面如圖4所示，界面左邊為歷史項目名稱，右邊為具體的項目信息。該功能模塊可以讓用戶對歷史評價項目進行查詢、刪除、修改評價參數(shù)、查看評價結果、重新生成評價報告等管理操作。

3結語

本系統(tǒng)基于對廢棄礦井地下水污染風險研究的基礎上，通過信息化技術設計與開發(fā)了廢棄礦井地下水評價系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)有良好的人機交互，用戶只需要按照系統(tǒng)的指示一步一步的操作即可完成整個評價，實現(xiàn)了讓政府管理者、礦山企業(yè)等不同層次的用戶都能快速對礦井閉坑后污染地下水的風險進行評價的目標，利于推廣，可以為相關部門對廢棄礦井的管理與監(jiān)督提供參考。當然該系統(tǒng)在功能上、適應性上也還有許多不足，有待進一步的完善與改進。

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