（岩土工程专业论文）阜新矿区矿井水资源评价研究.pdf

捅要 本文结合当前水资源评价的研究特点和发展方向，针对矿井水资源本身特 点，提出了“矿井水资源评价”的概念，并就它的内涵、研究内容、研究方法进 行了探讨。在此基础上，以我国典型的矿业缺水城市阜新为研究对象，通过 大量的现场调研所获得的阜新矿区自然、地质及水文地质资料，用改进的模糊综 合评判法对阜新矿区各矿矿井水水质监测结果进行了评价；并通过室内土柱实验 模拟了在饱水条件下，废弃矿坑矿井水中不同污染物质对地下水的污染情况，探 讨了矿井水的污染机理；然后对矿井涌水量多年监测数据进行分析，并对补给和 排泄量进行平衡计算，以确定矿井水取用量的稳定性；最后以1 5 万m 3 d 规模 的水站建设为例，对矿井水资源化利用进行经济效益分析，以考察矿井水的开发 利用条件。通过对矿井水水质、水量、污染及开发利用条件评价，得出矿井水应 该进行资源化利用，以解决矿区缺水问题，同时控制矿井水对地下水的污染。矿 井水资源评价为更科学、更有效地实现矿井水资源化提供了理论依据。 关键词：矿井水资源评价；阜新矿区；矿井水质；模糊综合评判法；矿井水污染； 土柱实验；矿井涌水量；经济效益分析：矿井水资源化 a b s t r a c t c o m b i n i n gt h ec u r r e n tw a t e rr e s o u r c ee v a l u a t i o nr e s e a r c hc h a r a c t e r i s t i ca n d d e v e l o p m e n td i r e c t i o n ，a i m e da tt h em i n ew a t e rr e s o u r c ei t s e l fc h a r a c t e r i s t i c ，t h i s a r t i c l ep r o p o s e dt h ec o n c e p t “m i n ew a t e rr e s o u r c ee v a l u a t i o n ，a n dd i s c u s s e di t s c o n n o t a t i o n ，t h er e s e a r c hc o n t e n ta n dt h er e s e a r c ha p p r o a c h o nt h ef o u n d a t i o n ， t a k i n gf u x i l l _ ar e p r e s e n t a t i v em i n i n gw a t e rs h o r t a g ec i t yi no u rc o u n t r ya st h eo b j e c t o fs t u d y , b ya b u n d a n tf u x i nm i n i n ga r e ad a t ao fn a t u r e ，g e o l o g i c a la n dt h eh y d r o l o g y g e o l o g i c a lo b t a i n e df r o ms c e n ei n v e s t i g a t i o n ，t h i sa r t i c l ec a r r i e do nt h ea p p r a i s a lt o m i n ew a t e rq u a l i t ym o n i t o rr e s u l to ff u x i nm i n i n ga r e aw i t l lt h ei m p r o v e df u z z y c o m p r e h e n s i v ed i f f e r e n t i a t i o n ；a n d s i m u l a t e dt h e d i f f e r e n t p o l l u t a n tp o l l u t i o n s i t u a t i o nt ot h eg r o u n dw a t e ri nm i n ew a t e ro fa b a n d o n e dm i n es t a l lu n d e rt h ef u l l w a t e rc o n d i t i o nb ys o i lc o l u m nt e s t ，t h e nd i s c u s s e dt h ep o l l u t i o nm e c h a n i s mo f m i n e w a t e r ；t h e ni no r d e rt oa s c e r t a i nt h es t a b i l i t yo fm i n ew a t e rq u a n t i t y ，t h ea u t h o r a n a l y z e dm o n i t o rd a t ao fm i n ew e l l so v e rm a n yy e a r s ，a n dc a r r i e do nt h eb a l a n c e c o m p u t a t i o nt ot h es u p p l yq u a n t i t ya n dt h ee x c r e t i o nq u a n t i t y ；f i n a l l yt h ee c o n o m i c e f f i c i e n c ya n a l y s i st om i n ew a t e ru t i l i z a t i o nw a sc a r r i e do n , t a k i n g1 5 ，0 0 0m 3 ds c a l e w a t e rs t m i o na st h ee x a m p l et og e tt h em i n ew a t e rt h ec o n d i t i o no fu s e t h r o u g ht h e e v a l u a t i o nf o rw a t e rq u a l i t y , w a t e rq u a n t i t y , p o l l u t i o nt og r o u n dw a t e ra n du t i l i z a t i o n c o n d i t i o no fm i n ew a t e r , w ef o u n dt h a tt h em i n ew a t e rs h o u l db eu t i l i z e da sr e s o u r c e t os o l v ew a t e rs h o r t a g ep r o b l e mo f t h em i n i n ga r e a , s i m u l t a n e o u s l yc o n t r o lt h eg r o u n d w a t e rp o l l u t e db yt h em i n ew a t e r t h em i n ew a t e rr e s o u r c ee v a l u a t i o np r o v i d e da t h e o r yb a s i sf o rm i n ew a t e ru t i l i z a t i o nm o r es c i e n t i f i ca n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：m i n ew a t e rr e s o u r c ee v a l u a t i o n ；f u x i nm i n i n ga r e a ；m i n ew a t e rq u a l i t y ； f u z z yc o m p r e h e n s i v ed i f f e r e n t i a t i o n ；m i n ew a t e rp o l l u t i o n t og r o u n dw a t e r ；s o i l c o h t m nt e s t ；m i n ew a t e rq u a n t i t y ；e c o n o m i cb e n e f i ta n a l y s i s ；m i n ew a t e ru t i l i z a t i o n 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果：1 ) 提出“矿井水资源评价”的概念， 并以阜新矿区为研究对象，对阜新矿区矿井水资源进行了评价；2 ) 用改进的模糊综合评判法对阜新矿区各矿矿井水水质监测结果进 行了评价；3 ) 通过室内土柱实验模拟了在饱水条件下，废弃矿 井矿井水中不同污染物质对地下水的污染情况及污染因子在煤岩 中的迁移情况。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1绪论 1 1矿井水资源评价概念的提出 1 1 1 矿井水资源及其特点 矿井水是由于采矿活动造成采动区域及其周边区域水文地质系统与水文地 质单元隔水构造的破坏，从而改变了地下水及地表水径流方向和途径，最终在采 空区或采动场所汇集、并在汇集过程中因物化作用与时问效应遭受污染的、交替 性差的水体；本质是地下水沿裂隙岩体运移过程中与多组分反应溶质在中小时空 尺度上耦合问题“叫和局部渗流条件与渗流场发生变化问题m 日 矿井水呈现2 种赋存形式，形式1 为为保证安全煤炭生产，在采矿过程中随 汇随排的、过路矿井水，是必须进行输排的；形式2 是矿井、井巷关闭后经一定 时问汇集的、滞留矿井水，其在资源化取用之前交替性和循环性极差。 在煤炭开采过程中形成的矿井水，水的感观性( 色、味、嗅、浊) 、物理化学 性能( 温度、酸碱度、导电率等) 、化学成分( 无机、有机) 、生物组分( 种类、数 量、形态等) 及底质情况等产生了恶化。从感观上，水体呈黑灰色，浑浊，水面 浮有油腥，并散发出少量的腥味。从水质分析结果看，悬浮物、浑浊度、矿化度 及色度高，化学耗氧量大，尤其是细菌总数和大肠杆菌群特别大此外，铁、挥 发酚、氟化物、氯化物、溶解性总固体含量等也较高。可见，矿井水受到了一定 程度的污染。 造成矿井水污染的污染物来源主要有：井下粪便的污染，煤、砂尘的污染， 废坑木的腐烂污染，废机油、废酸液的污染，井下洒水及防火灌浆水的污染嘲。 这种未经处理的矿井水排入矿区塌陷坑或附近地表水体，由于地表水体与浅 层地下水之间存在水力联系，因而外排的矿井水会造成对浅层地下水的污染。 矿井水水质按含有的物质差异可分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化 度矿井水( 矿井苦咸水) 、酸性矿井水和特殊污染物矿井水五种类型，其各自特点 分述如下”： ( 1 ) 洁净矿井水 水质中性，低浊度，低矿化度，有毒有害元素含量很低，基本符合生活饮用 水标准，主要来源于奥陶纪石灰岩水、矿岩裂隙水等。 ( 2 ) 含悬浮物矿井水 地下水受开采的影响带入煤和岩粉，水中含有较多的悬浮物和细菌，但是其 余理化和毒理指标基本符合生活饮用水标准a ( 3 ) 高矿化度矿井水( 矿井苦咸水) 矿化度( 无机盐总含量) 大于1 0 0 0 m g l 的矿井水。它主要含有s 0 c 矿、r 、 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 n a * 、h c o ；等离子，硬度相应较高，水质多数呈中性或偏碱，带苦涩味，少数为 酸性。高矿化度矿井水不利于作物生长，会使土壤盐碱化；用作锅炉用水，容易 结垢；作建筑用水，会影响混凝土质量，若长期饮用，将引起腹泻和消化不良。 中国北方缺水煤矿的矿井水往往属于高矿化度水。 ( 4 ) 酸性矿井水 水质特性为p h 值小于5 5 的矿井水。一般为3 5 5 之间，个别小于3 ，总 酸度高。当开采含硫煤层时，硫受到氧化与生化作用产生硫酸，酸性水易溶解煤 及岩石中的金属元素、放铁，锰等重金属以及无机盐类增加使矿化度、硬度升 高 ( 5 ) 含有毒有害元素矿井水 主要含有氟、铁、锰、铜、锌、铅及铀、镭等元素的水，含氟矿井水来源于 含氟较高的地下水区域或煤与岩石中含氟矿物萤石c a f 2 、氟磷灰石；含铁、锰矿 井水一般是在地下水还原条件下形成，多呈f e ”、 l n ”的低价状态，有铁腥味， 易变浑浊，可使地表水的溶解氧降低；含重金属矿井水主要有铜、锌、铅等；放 射性元素水主要含有铀、镭等天然放射性核素及其衰变产物，其含量超过饮用水 标准。 实际上矿井水的水质往往是复合型的，其中有的矿井水含了1 0 多项超过饮 用水标推和工业用水标准的成分，给矿井水的资源化带来了一定的困难。 全国煤矿每年外排矿井水4 0 亿m 3 左右，处理利用的水量仅2 0 9 6 多一点。大 量矿井水外排不仅污染环境，而且加剧了煤矿矿区缺水的严重局面。矿井水的特 点是排放量大，毒性低，大多数矿井水经过简单处理即可作为工业用水，或经过 深度处理后作生活饮用水啪。如果将其进行处理，使水质达到工业与生活用水标 准，则为水资源紧缺的煤矿区开辟出第二水资源，对缓解矿区严重缺水的局面是 十分有益的，具有极大的社会效益、经济效益和环境效益。 1 1 2 矿井水资源评价概念的提出 水资源短缺是当今全球水环境的热点问题，制约着经济的发展，影响着人们 生活水平的改善。而水污染的日益严重，又加重了水资源的短缺。2 0 0 2 年的“可 持续发展世界首脑会议”就将水危机列为未来1 0 年人类面临的最严重的挑战之 一嘲 我国水资源情况也不容乐观。我国是一个水资源短缺、水旱灾害频繁的国家 全国水资源总量约为2 8 万亿m 3 ，居世界第六位，人均占有量约2 2 0 0 m = ，仅排世 界第1 1 0 位，是世界人均量的1 4 ，被列为全球1 3 个人均水资源贫乏国家之一 水资源短缺已经成为我国经济和社会发展的主要制约因素之一 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 目前缺水问题主要靠超采地下水或者过度开发地表水来弥补，以牺牲生态环 境的方式来维持经济发展。现在已经导致了地面沉降、海水入侵等一系列环境问 题。 面对日益严重的水危机，要想缓解目前的水资源短缺问题，必须从两个方面 入手：一是节约用水，特别是提高农业及工业用水的利用率；二是寻找新的可利 用水资源，最为可行的途径就是实现污水回用。 1 9 4 9 年前，我国保留比较完整的矿山仅3 0 0 多座，经过5 0 多年的矿业开发， 现已建成国有矿山近万座，遍布全国2 0 0 0 多个县市“町。矿产资源大量开发的同 时，缺水现象也日趋严重。据调查，在全国9 6 个国有重点矿区中，缺水矿区占 7 1 ，其中严重缺水矿区占4 0 ；在我国北方煤矿城市，煤炭资源占全国的7 5 ， 但水资源仅占全国的1 9 9 6 ，出现了“富煤贫水”的格局。这些城市，几乎全部缺 水或严重缺水，严重制约着地区经济的发展。同时，矿区内大量矿井水外排，不 仅污染环境，而且加剧了煤矿矿区缺水的严重局面。据不完全统计，在我国，不 经处理而外排的矿井水约4 0 亿谢y a ，这些矿井水中通常悬浮物等污染物的浓度 较高，必然造成水环境的污染，这很可能就是目前许多煤矿区地表水污染的主要 原因。矿井水资源化正是在解决煤炭产区严重缺水和矿井水污染环境这两个困绕 煤炭行业的难题的基础上提出的。 然而，目前矿井水资源化仅限于矿井水的抽取、净化和利用方面0 1 “”，而且 自上个世纪7 0 年代开始的矿井水处理和利用，重点是针对仍在服务期内的矿井 捧出的矿井水的净化处理“”，对于报废关闭的矿井中聚集的矿井水，作为一种 新水源，它的处理利用，工作做得甚少。矿井水作为一种特殊的水资源能否资源 化，当地矿区矿井水是否具备长期足够使用价值( 水资源化的阈值) 、矿井水是 否有恢复和更新能力( 区域水资源可更新协调与耦合机理问题) ，矿井水抽取是 否会影响生态环境和生存条件变化，即矿井水的区域安全问题等，在矿井水处理 厂设计前，本应考虑的问题却鲜有人研究i 蝴。也就是说，在矿井水资源化利用 之前，我们应该对矿井水资源进行评价，以使矿井水资源达到合理开发、高效利 用、优化配置、有效保护，最终实现综合治理和利用。 2 0 0 4 年3 月1 0 日，胡锦涛总书记提出要“树立和落实科学发展观”，也将 “可持续发展”作为重点论述，号召建立资源节约型社会，依靠科技进步推进资 源利用方式的根本转变，不断提高资源利用的经济、社会和生态效益，坚决遏制 浪费资源、破坏资源的现象，实现资源的永续利用。 水资源对一个国家和地区的生存和发展有着极为重要的作用。水资源的评 价，是制定区域国民经济和社会发展计划的基本依据。对水资源应进行科学合理 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 的管理，以便充分满足国家经济各部门和各地区发展需要，进行综合平衡，统筹 安排。根据国民经济发展规划和水资源可能供水能力，规划国家和地区的经济和 社会的发展格局 水资源评价是广义的概念，针对不同水体开发还有自己的评价理论，如地下 水资源评价就是针对地下水资源的开发对地下水资源的数量、质量、时空分布特 征和开发利用条件作出科学的、全面的分析和估计，以对地下水迸行合理开发和 管理。矿井水是一种特殊的水资源，是地下水、地表水等水体混合的产物，是煤 炭工业具有行业特点的污染源，量大面广污染小，同样具有经济价值和生态价值。 矿井水资源既不同于地表水资源，也不同于地下水资源，有其自身的特点，因此 应单独进行评价。 矿井水资源的不合理开发可能会诱发系列的生态环境问题，如地下水位持 续下降激发的地面沉降、水质恶化等。因此，矿井水资源的合理开发是维持地下 水可再生能力的重要途径，而矿井水资源评价为矿井水资源合理开发利用提供了 基础资料，它是水资源合理开发和科学管理的基础，为国民经济各部门的科学决 策提供可靠的依据。要合理开发利用矿井水资源，必须查清矿井水资源的数量、 质量及其时空分布特点，掌握水资源的补给、径流、排泄规律，对矿井水资源进 行合理评价，这是具有极其重要的现实意义和深远的历史意义的事情。 1 1 3 矿井水资源评价的内涵和体系 对矿井水资源的数量、质量、时空分布特征、矿井水引起的生态环境效应和 开发利用条件作出科学的、全面的分析和估计称为矿井水资源评价。它是矿井水 资源合理开发( 即矿井水资源化) 和管理的基础。 以前对矿井水的研究多停留在外排矿井水的资源化技术上，对矿井水量的预 测主要为了防止和减少水害，对矿井水外排引起的环境效应和闭坑后矿井水的污 染和利用问题没有给予足够关注显然，这样不利于解决水资源短缺问题，不利 于矿区环境的污染治理，是与可持续发展战略不相适应的。 矿井水资源评价从概念上充分考虑到了矿井水资源的性质，将其视为区域水 资源的一部分而放入区域水资源系统中进行研究；同时考虑矿井水资源的特殊 性，对其进行单独评价基本出发点是防止或尽可能减轻矿井水对环境的污染， 充分利用矿井水资源。目标是通过评价，使水资源达到合理开发、高效利用、优 化配置、有效保护、实现综合治理，以取得最大的经济效益、环境效益和社会效 益 矿井水资源评价的体系简要表述如图l l 所示。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 一 矿井水资源化目标 上 上上上上上上 矿井外捧矿井废弃矿坑矿井水过涌水外捧矿 水水水对地表矿井水对量开采引量稳 井水和 质状水和浅层地下水污 起的灾害定性废弃矿 况地下水污 染问题问题问题坑水利 染问题用问题 上上 工0 ，上上 、 r 矿井水水质问题矿井水对水体污染问题矿井水水量问题 开发利用问题 图i - i 矿井水资源评价体系 1 1 4 矿井水资源评价的内容和评价方法 矿井水资源评价包括数量评价和质量评价两个方面。矿井水资源评价不仅是 算算水帐，而是根据所评价的区域或水文地质单元的具体条件，经过分析计算， 对矿井水提出一个“质”和“量”的数量界限。具体任务包括以下四个方面： ( 1 ) 矿井水水质评价 矿井水水质评价是对矿井水品质的优劣给以定量或定性的描述。它是人们认 识水环境质量，找出水环境质量存在的主要问题所必不可少的手段和工具，矿井 水水质评价有利于矿井水的治理和回用。 矿井水水质评价方法可以参考地下水水质评价方法。目前常用的评价方法主 要有综合指数法、模糊综合评判法、灰色聚类法与神经网络法等。 ( 2 ) 矿井水水量评价 矿井水水量评价需要弄清当地矿井水资源分布状况和矿井水资源量，以及地 下采动后渗流场的变化、渗流条件、补给条件和水力联系等；在对矿井涌水量监 测基础上进行预测，看当地矿区矿井水是否具备长期足够使用价值以及矿井水是 辽宁工程技术大学硕士学位论文6 否有恢复和更新能力 ( 3 ) 矿井水污染评价 在煤炭开采过程中，它们外排大量矿井水，这些矿井水的排出一方面在地表 径流过程中，造成地表水体污染，污染的地表水体在其径流途径中遇到合适的地 质条件又可以渗透形式补给地下水可能引起地下水的污染；另一方面，矿井水的 捧出可以引起地下水水位的变化，使原本的厌氧环境转变为氧化环境，促使地层 中的含硫矿物发生氧化还原作用，也可以引起地下水的污染“。 煤矿报废停排水后会引起井下水位大幅度上升，经一定时间与滞留矿井水汇 集，在资源化取用之前交替性和循环性极差，会污染深层地下水“”。 因此，应通过野外观测、室内土柱实验、数值模拟等形式弄清矿井水对地下 水污染的特点、形成机理，以采取措施减缓污染。 ( 4 ) 矿井水开发利用条件评价 矿井水在资源化利用之前，不仅要对水质、水量进行评价，还应该针对各矿 具体情况对矿井水开发利用条件进行评价。矿井水开发利用条件评价包括矿井水 处理站工艺的选择，以及矿井水开发利用的经济效益分析等内容。 1 2 选题目的和意义 水资源是人类生产和生活不可缺少的自然资源，也是生物赖以生存的环境资 源。尽管地球上的水资源是丰富的，但可利用的淡水资源是极其有限的。同时， 随着全球人口的急剧增长，工业迅速发展，生活污水、工业废水和农药、化肥污 水剧增，这些污水大多没有经过处理就直接排入地表水体，使许多本来可以利用 的淡水资源遭到破坏，水环境质量不断恶化。水资源短缺问题已演变成世界倍受 关注的资源环境问题之一 在我国，水资源短缺形势也相当严峻，我国被列为全球1 3 个人均水资源贫 乏国家之一，水资源短缺已经成为我国经济和社会发展的主要制约因素之一 中国的能源消费结构以煤炭为主，2 0 0 3 年煤炭消费量达1 7 2 亿t ，居世界 第一位能源工业是我国的基础产业之一，其发展规模和速度在很大程度上影响 到社会和经济的发展，同时它又受到资源和环境的制约。中国正处在加速实现工 业化和城镇化建设的进程中，能源的发展将起关键性的作用。从这种意义上讲， 一方面，煤炭资源的开发规模在短期内不会缩小；另一方面，煤炭的消耗量在短 期内也不会减小。因此，煤炭资源的开发、加工和利用仍将是长期持续发展的。 但对于矿业城市来说，环境问题日趋严重，特别是水资源的供需矛盾的加剧所导 致的水资源的无序开发必将引起水循环条件发生改变，产生一系列生态环境负效 应 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 其中矿井水作为一种资源，它的无害化处理和资源化利用理应受到重视，这 对于减轻土壤和地下水的环境压力，解决矿区水资源短缺问题，实现矿业城市的 可持续发展具有巨大的促进作用。因而，开展矿井水资源评价研究，将矿井水与 生态系统作为整体，探讨矿井水的生态价值，建立面向生态的区域矿井水资源评 价的理论与方法，促进水资源合理开发利用与生态环境协调发展，最终实现“在 保护下开发”，“在开发中保护”的可持续开发模式，是适应矿业城市可持续发展 的需要。 阜新曾经是一座典型的资源型城市，这里矿井密布，大小煤矿众多，其矿井 排水量非常大，且几乎未经处理即已排放，这些矿井水对地表和地下水体带来了 严重的污染，给矿区生态环境造成了巨大破坏，严重影响了矿区人民的生活质量。 今天，随着煤矿资源的枯竭，许多煤矿闭坑，阜新又成了一座典型的资源枯竭型 城市。但矿井水对地表和地下水体带来的污染并没有停止，对矿区人们的工农业 生产和生活，甚至人们的健康构成了巨大威胁。同时，阜新市是我国严重缺水城 市之一，水资源总量9 7 2 1 0 8 m 3 ，人均占有量5 0 7m 3 ，为全省人均量( 8 7 8 m ) 的 5 8 ，不到全国人均量( 2 2 0 0 m 3 ) 的1 4 ，更不足世界人均量的1 1 4 ，缺水问题 已成为制约阜新经济发展的重要问题。作为我国典型的矿业城市，又是国家经济 转型的试点城市，对该地区矿井水资源进行评价，无疑具有广泛的代表性和重大 的现实意义 1 3国内外研究现状及存在的问题 1 3 1 国内外研究现状、 从2 0 世纪印年代以来，水资源的矛盾越来越突出，深人开展水资源评价已 为世界各国所重视。1 9 6 8 年美国完成了国家第一次水资源评价，进行了全国的 水资源分区，讨论了缺水问题。1 9 7 8 年继续完成了第二次水资源评价工作，对 与水资源有关的关键问题，如地下水超采、海水人侵等进行了专项研究。前苏联 在1 9 6 0 年以后开始进行国家水册的第二次修订。 我国第一次水资源评价工作是在1 9 8 0 年开始的，主要分析了水文要素的时 空变化、地表和地下水水动力场与水化学场的演变，对水资源总量和水质进行了 评价；1 9 8 7 年完成了中国水资源评价。在2 0 0 0 年开始第二次地下水资源评 价工作，任务是评价地下水资源量i 调蓄能力和环境与生态功能，提出地下水合 理开发利用方案，建立全国地下水资源空问信息系统和动态评价平台“”。 随着水资源评价工作的深人，水资源评价从理论、方法上发生了很大的变化， 主要体现在以下几方面： ( 1 ) 水资源评价在范围上由局部到区域，在深度上由简单到复杂，在视野上， 辽宁工程技术大学硕士学位论文- 8 从饱和带扩充到非饱和带。我国2 0 世纪7 0 年代后期，开始用系统的、动态的观 点和数学模型的方法定量地解决系统和其环境水量交换关系“”。8 0 年代开始， 在指导思想上，按照地表水、土壤水、地下水“三水”相互转化的系统观点，运 用区域水均衡法计算了地下水资源补给量、储存量、可开采量。同时还进行了区 域供需平衡分析，为正确制订水资源有关政策、法规、开发利用与保护规划提供 了基本依据伽。目前，面向生态的地下水资源评价是地下水研究的热点之一，在 地下水资源评价中，如何考虑生态环境影响，合理调控地下水位，使地下水资源 在维护生态环境良性发展的前提下产生最大的经济效益，是地下水资源评价的核 心闯题之一删 ( 2 ) 水资源评价在方法上数值模拟迅速发展 目前，水文地质领域内常用的数值模拟方法有：有限差分法、有限元法、边 界元法和有限分析法。如1 9 7 6 年g u p t a 等的三维等参数有限元法嘲、张宏仁、 李俊亭( 1 9 7 9 ) 提出“改进有限元法川铆、；2 0 世纪7 0 年代初期及8 0 年代的边界 元法、美国l o w a 大学的陈景仁教授( 1 9 8 4 ) 提出的有限分析法嗍对水资源评价产 生了重要影响，解决了许多实际问题。薛禹群、谢春红( 1 9 8 7 ) 嘲对井附近地下水 流的对数插值法的提出，王文科嘲全面系统地提出了l o 多种有限分析法的计算 格式，使数值法理论在完善的同时广泛应用于供水水源地的资源评价、矿坑涌水 量预测、区域地下水资源评价等方面 ( 3 ) 水资源评价在手段上由单一性到多样化 传统的水文地质手段在划分岩性剖面，确定含水层( 带) 、岩溶发育带、地 下咸淡水界面位置以及直接测定含水层的某些水文地质参数等方面起了重要作 用，但它具有一定的局限性，环境同位素和空间信息技术的应用扩大了水文地质 工作者的视野，提高了成果的精度，增强了科研成果的实用性溉捌。g i s 在地下 水资源评价方面的应用主要包括水文地质空间结构的构建、地下水的评价模型研 究、地下水水质监测和预测、含水层的识别和编制水文地质图等方面。 水资源评价理论和方法的进步，极大地促进了矿井水资源的评价工作，在 矿井水资源化利用的同时，矿井水所带来的生态环境安全问题也逐渐引起了人们 的重视，除了矿井水涌水量问题被研究外，矿井水对地下水体的污染也在文献中 被提及。尽管研究比较零散，也不够成熟，还未形成一定的理论体系，但毕竟工 作已经开始。具体包括如下几方面： ( 1 ) 在矿井水水质评价方面 a k 本森( 1 9 9 5 ) 运用地球物理方法和地球化学方法对美国盐湖城东南的 矿山场地及其酸性矿坑水( a 如) 进行了测图和评价。刘文明，何霞( 2 0 0 1 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文9 对淮南谢家集矿区矿充水类型、涌水变化特征、矿井水的水质特征及其影响因素 进行了分析研究并对该矿区矿井水水质进行了评价嘲。于皓，刘志斌，王昭君 ( 2 0 0 3 ) 用灰色聚类法对阜新矿井水水质进行了评价，确定出矿井水环境质量等 级韩程辉，刘文生( 2 0 0 4 ) 用模糊综合评判法对淮南矿区地下水水质进行了 评价，并提出了防止水质继续恶化的几点建议踟高亮( 2 0 0 4 ) 阐述了煤矿矿 井水的水质特性，探讨了我国不同煤种及其开采过程中形成的矿井水水质特性之 间的相关性，分析了煤矿矿井水与普通地表水的水质差异原因及特征嘲 ( 2 ) 在矿井水水量评价方面 a m a b t p o n u c b 等( 1 9 9 0 ) 利用计算机数学模拟地质渗流过程对矿井的涌 水量和矿井水的水质进行了预测，预测考虑了采掘随时间发展的复杂多变状况和 地下水圈在大量各种不同的人为因素影响下的变化洲。美国科罗拉多州莱克伍德 市水文咨询公司高级水文地质工程师t m 汉纳、高级环境工程师e a 阿兹拉格、 项目负责人l c 阿特金森( 1 9 9 4 ) 分别采用简单的解析法和较复杂的数值模型 法计算露天采场地下涌水量，并对结果进行了比较。用此两种方法按露天开采中 遇到的某些代表性水文地质条件计算的结果经比较得出两种结果的比值范围为 0 2 o 6 。这些数值可以用作露天采矿场水流解析法的一个系数，即使与此法应 用中所包含的理想条件存在明显差异的情况下也可得出涌水量的合理预计值瑚1 。 吴良才，李大军( 1 9 9 7 ) 以灰色系统理论为基础，建立了矿井地下水涌出的涮( 1 ， 1 ) 动态预测模型，对短期预测有较大的参考价值1 武强( 2 0 0 0 ) 对目前国际 上最盛行的地下水资源评价和矿井涌、突水量预测的三维可视化标准专业软件系 统包v i s u a lm o d f l o w 的基本运行环境主要模块和生成的主要数据文件进行了简 介，在此基础上，根据我国煤矿床的矿井水文地质条件特点，综合分析论证了这 套软件系统在我国矿井防治水研究领域的推广应用前景”唐依民( 2 0 0 1 ) 在讨 论了系统域值所具有的一个数学性质的基础上，从理论上分析了系统域值的水文 地质意义，并通过对六个不同矿井涌水量时间序列的计算结果分析，提出了地下 水系统域值随时间变化所具有的幂指数规律及增长性，由此证明，系统域值是能 够描述矿区地下水系统整体特征的一个参数嗍。叶风珍、宋开本( 2 0 0 2 ) 以德保 铝土矿尾头矿段为例，在采用分析计算法计算矿体底板有粘性土与下覆灰岩相隔 部分的矿坑涌水量时，尝试采用等效渗透原理，把粘性土底板面积等效为无粘性 土相隔的灰岩底板面积计算，以此计算矿坑的涌水量能较好的反映灰岩直接底板 与粘性土底板充水的差异性，反映粘性土底板厚度以及粘性土底板渗透性能对充 水量的影响，并能将两种底板混杂分布时的复杂运算简单化，较好地解决了矿坑 涌水量的计算问题，为矿床开采提供科学依据1 。沈慧珍，许光泉( 2 0 0 4 ) 运 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 0 用多元线性回归的方法找出了涌水量和降深及输放点距离闻的关系，不需大量数 据也能预测涌水量嗍。 ( 3 ) 在矿井水污染评价方面 r a z e m ( 1 9 8 3 ) 研究了煤矿开采前、开采过程中以及闭坑期间采煤活动对水体环 境和地表植被环境影响嗍；b a y l e s s ( 1 9 9 9 3 ) 研究了煤矿区矿井水的形成过程及其 对地下水化学环境的影响1 ；ld e a n o v i c ，v m ( 1 9 9 9 ) 利用生物检测和毒性识别 评价过程对矿山排水影响的河系里收获率和补救活动的有效性进行了评定“帕： a l v i nk ( 1 9 9 8 ) 利用水文地质、地球化学和地球物理资料检测了酸性矿山排水 的存在嗍；p g w h i t e h e a d ( 2 0 0 5 ) 阐述了采用物理化学和生物技术对矿区排放的 酸性矿井水污染治理方法侧。胡有彪( 1 9 9 7 ) 分析了矿区长期的疏干排水可引起 水资源枯竭、岩溶地面塌陷、地表沉降、水质恶化等不良环境效应并指出对此需 采取排供结合，综合利用矿井水的对策并论述了实现这一对策的途径哪! 。张锐， 杨继贤( 1 9 9 8 ) 针对当前煤炭企业矿井水污染日益严重的实际情况，从环境与经 济系统协调发展的角度，运用多目标优化方法建立煤炭企业矿井水处理与利用的 多目标决策模型，并运用该模型对矿井水处理与利用的经济效益和环境效益做了 综合评价晦妇孙洪星，王兰健、邹人和( 2 0 0 0 ) 采用环境同位素作为天然示踪剂 可以标识矿井水分布、运移和补给规律，为矿井水害的防治提供直接依据嘲。吴 耀国，沈照理( 2 0 0 4 ) 分析了污水灌溉对地下水化学环境影响的研究现状，并以 淄博煤矿区矿井水污染的孝妇河水进行灌溉的区域为例，利用土柱实验研究煤矿 矿井水污染的地表水灌溉入渗过程中的水岩作用机理佑岫 ( 4 ) 在矿井水开发利用条件评价方面 在矿井水开发利用( 矿井水资源化) 方面，国内外做了大量工作，对矿井水 的抽取、净化和利用有了比较成熟的技术和方法。 国外煤矿都把处理矿井水作为环境保护工作的重点，而且认为矿山排水是煤 炭开采中的一种伴生资源而不是负担，处理与利用技术的研究与应用起步较早 嗍。2 0 世纪7 0 年代以来，又开展了区域综合治理规划，寻求在环境整体上的最 佳治理方案，以达到经济上合理，技术上可行和环保上可靠的目标。俄罗斯的煤 炭工业居世界领先地位，对矿井水的处理技术及其利用的研究也世界领先，俄罗 斯顿巴斯矿区1 9 8 8 年矿井水利用率就已超过9 0 m 1 美国在2 0 世纪8 0 年代初 期，煤矿井下水的利用率也达到8 l 此外，英国煤矿年排水量为3 6 亿m 3 ，其 中1 5 作为工业用水，8 5 排放到地表水系。常采用化学试剂中和处理以及反渗 透、冻结法进行脱盐处理嘲日本矿井水除部分用于洗煤外，大部分矿井水经沉 淀处理去除悬浮物后捧入地表水系，对矿井水的处理一般采用中和法、氧化处理、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 还原法、离子交换法等嘲。 我国煤矿矿井废水处理与回用研究起步较晚。我国煤矿矿井水净化站大多是 2 0 世纪8 0 年代以后建立的，如大同，平顶山，徐州、淮北等矿区的矿井水净化 站，到目前为止，我国煤矿已陆续建造了六十余座矿井水处理站，矿井水净化后 供生活饮用的水量达5 万m d 以上，在净水工艺及方式上，一般都能做到因地 制宜，根据水质选择工艺，并且对矿井水利用进行了经济效益、社会效益和环境 效益分析。然而，综合利用率仍然很低，近几年，随着水资源的日益紧张，全国 各矿井对矿井水的处理，尤其是深度处理方面的工作已逐步展开，环保工作者也 积极研究，矿井水的利用率里不断增长的趋势。应该说，在我国，矿井水的利用 潜力巨大，前景广阔。 1 3 2 研究中存在的问题 目前矿井水研究中存在的问题： ( 1 ) 由于煤炭矿井水成份的复杂性和地域的特点等因素，现有的处理与回 用工艺技术还不够完善和成熟，针对不同的水质情况和回用的具体要求，应采用 不同的工艺。 ( 2 ) 矿井水是地下水、地表水等水体混合的产物，因此同一矿井的水质也 在不断变化，目前所设计的工艺很少考虑水质变化的需要。 ( 3 ) 目前对矿井水资源化研究较多，而在矿井水资源化利用之前并没有对 矿井水水质进行评价。事实上，根据矿井水的主要物质成分和给定的水质标准， 对矿井水水质进行评价，分析矿井水水质的时空分布状况，能为矿井水资源的开 发利用、规划和管理提供科学的依据。它是人们认识水环境质量，找出水环境质 量存在的主要问题所必不可少的手段和工具，矿井水水质评价有利于矿井水的治 理和回用。 ( 4 ) 矿井水要实现资源化，应对矿井涌水量在监测基础上进行预测，即当 地矿区矿井水是否具备长期足够使用价值( 水资源化的阈值) 、矿井水是否有恢 复和更新能力( 区域水资源可更新协调与耦合机理问题) ，目前水站建设考虑较 少。 ( 5 ) 未经处理的矿井水捧入矿区塌陷坑或附近地表水体，由于地表水体与 浅层地下水之间存在水力联系，因而外排的矿井水会造成对浅层地下水的污染。 目前，矿井水对地下水的污染机理研究很少。 ( 6 ) 矿井水抽取是否会影响生态环境和生存条件变化，即矿井水的区域安 全问题，决定着矿井水资源化经济和社会意义的价值，目前鲜有人研究 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 2 1 4 研究内容、技术路线及创新点 本论文在前人研究基础上，针对矿井水研究中存在的问题，以阜新矿区矿井 水为研究对象，研究以下内容： ( 1 ) 提出“矿井水资源评价”的概念，并就它的内涵、研究内容、研究方 法进行了探讨。 ( 2 ) 用改进的模糊综合评判法对阜新矿区各矿矿井水水质监测结果进行评 价，为矿井水资源的开发利用、规划和管理提供科学的依据。 ( 3 ) 通过室内土柱实验模拟了在饱水条件下，矿井水中不同污染物质对地 下水的污染情况，污染因子在土壤中的迁移情况，弄清矿井水的污染机理，以引 起人们对废弃矿井中矿井水污染的重视，从而可以采取措施来减缓或控制矿井水 对地下水的污染。 ( 4 ) 对矿井涌水量多年监测数据进行分析，并对补给和排泄量进行平衡计 算，以确定矿井水的取用量是否稳定。 ( 5 ) 对阜新矿区各矿井水处理站工艺存在的问题进行分析，提出适合阜新 矿区水质特点的工艺，并以1 5 万m 3 d 的处理规模为例进行了经济可行性研究。 综上，本次研究就是要对矿区矿井水做多角度、较全面的评价，为更科学、 更有效地实现矿井水资源化提供理论依据。 研究方案如下： 以辽宁阜新矿区矿井水为研究对象，结合当前水资源评价的研究特点和发展 方向，紧紧抓住“矿井水能否资源化”进行追踪，收集资料、分析资料，弄清水 文、地质、水文地质等区域环境条件及背景概况，探究矿井水形成与补充机理； 调查过去一些年份的水质、水量情况，利用数学手段建立水质模型并做水质评价 和涌水量评价，从而为矿井水资源化利用提供理论依据；利用室内土柱模拟实验 技术，揭示矿井水和区域水资源关系。最终实现矿井水利用从“经济用水”向“生 态用水”思想的转变。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一1 3 - 2 阜新矿区概况 2 1自然概况 阜新盆地为北东3 0 。走向的狭长盆地。它处于辽宁省中西部，属阜新、锦 州两市管辖；其地理坐标为东经1 2 7 。0 77 1 2 1 。5 6 ，北纬4 1 。3 0 4 2 。 1 1 之间；宽1 l 2 2k m ，长约8 4k m ，总面积约1 4 0 0k m 。盆地三面环山，一 面临河；北缘是二郎庙山，标高为3 0 0 6 0 0 东临医巫闻山，标高为5 0 0 8 5 0 m ；西靠小松岭山脉，标高为5 0 0 8 0 0m ；南面与大凌河毗邻。 图2 1 辽宁省早新市位置图 本区的地形分山脉、丘陵，平原3 类。盆地山脉的外围分布有波状起伏的丘 陵，标高为1 0 0 3 0 0l a ，多由出露的侏罗、白垩构成。平原在盆地的中央，由 第四系覆盖，还有零散的沼泽湿地，标高为7 0 8 0m 。盆地呈北高南低之势 细河由北向南纵贯本区全境，它汇集了十几条发源于东西两侧山岭的季节性小支 流，并在义县以东流入大凌河。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 4 阜新盆地处于中纬度北温带，受西伯利亚蒙古气流控制，具有半干旱半湿润 大陆性季风气候特征，其特点是年日温差显著，年降水量小于蒸发量，干燥；春 夏之交风沙较大，最大风力可达7 8 级。年平均降水量为5 4 0 咖。雨季多集中 在8 、9 月份，无霜期1 5 5 d 年最高气温4 0 9 c ，最低气温- 3 0 6 c ，冰冻期达 4 个多月，表土层最大冻结深度达1 4 0m 。平均日照时间为2 8 0 0 h ，光能总辐射 量1 3 0 k c a l c m 2 。盆地内交通便利，新义铁路贯穿全区，有直达北京、上海、丹 东、天津、沈阳的列车，公路交通四通八达。 2 2 地质概况 区内分布有太古宇、中元古界、中生界和新生界。中生界下白垩系阜新组是 研究区含煤的重要层位。新生界在本区分布零星，有时对地下水起主要作用。 1 ) 中生界( m z ) 中生界在研究区内出露有侏罗系和白垩系。侏罗系只在盆地西南侧出露，白 垩系在盆地内广泛分布。 ( 1 ) 侏罗系 侏罗系有下统北票组、中统蓝旗组和土城子组、上统义县组。 北票组：岩性为灰绿色砂岩、页岩夹炭质页岩、薄煤层或煤线，总厚度为 4 0 5 2m ，与下伏中元古界呈断层接触，在本区仅零星出露于盆地西侧外围。 蓝旗组：为一套中性火山岩建造。其岩性主要为安山质角砾岩、集块岩和 安山岩，厚度2 3 7 8m ，角度不整合覆于北票组之上，主要分布于盆地西侧外围。 土城子组：为一套湖泊相碎屑岩建造，其岩性为砾岩、凝灰质砂岩、页岩。 厚约1 6 3 3m ，与下伏蓝旗组呈整合接触，主要分布于盆地西侧外缘。 义县组：为一套基性一中性火山岩建造。其岩性主要为玄武岩、安山岩、 安山质集块岩、安山质火山角砾岩夹凝灰岩与沉凝灰岩，厚度大约3 8 0 0m ，与 下伏土城子组呈角度不整合接触，主要分布于盆地的西侧。 ( 2 ) 白垩系 本区白垩系自下而上发育有下统九佛堂组、沙海组、阜新组和上统孙家湾组。 其中九佛堂组发育油页岩；沙海组和阜新组含有重要煤层。 九佛堂组：为一套正常火山碎屑沉积岩，其岩性为凝灰质砂页岩、泥岩夹 薄煤层，厚约1 0 0 0m ，与下伏义县组为整合接触。 沙海组：下部为紫红色安山质砾岩，向上演变成猪肝色砾岩，与砂岩，泥 岩互层。