肥城矿区水资源分析及其调水概念模型设计

廖爱民，黄鑫磊

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京210029;2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州221008)

肥城矿区位于山东省肥城市境内，东距泰安42 km，北到济南75 km。肥城盆地四周环山，中间低洼，为一向西南开口的断陷盆地，也是华北型全隐蔽式石炭二叠系煤田。煤田内自东到西有9个井田，分别为杨庄、曹庄、大封(于2005年末闭坑)、陶阳、兴隆、白庄、平阴、查庄、国家庄矿。矿区多年平均降水量为652.8 mm，年产原煤达680万 t，矿井年排水量为4260.6万t，是全国有名的大水矿区，受水害威胁严重［1］。据肥城气象站资料，本区多年平均降水量646.9 mm，最大年降水量为1964年1093.20 mm，最小年降水量为1988年的362.30 mm，多年平均蒸发量 1 224.50 mm。

为了更好地阐明矿井水的影响，在此提出两个新的水资源概念——“负水”和“压郁水”。所谓“负水”，就是水质未达到排放标准而进入环境中，会对环境造成负面影响的水，如含悬浮物矿井水、酸性矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水以及含微量元素或放射性元素较多矿井水。如果负水不经过处理达标后直接排到环境中，势必对环境造成负面的影响，如污染地表水体，危害各种特种等，提出“负水”的概念，是为了加深人们对水资源的保护意识，如果对负水不采取相应的处理措施，就会危及环境甚至自身的安全。所谓“压郁水”，是指那些本可以直接或者经过处理能够转化成生产、生活和生态用水，但是没有被很好地加以利用的水。如矿井水中的洁净水直接排掉而造成浪费，含悬浮物矿井水、酸性矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水以及含微量元素或放射性元素较多矿井水经过处理后都能够进行供水。提出“压郁水”的概念，是想提醒人们更注重对矿井水的合理利用。由此可见，“负水”和“压郁水”都是相对的概念，它们存在相同的部分，只是站在不同的角度使人产生不同的意识。

针对各类矿井水，根据它们的特性及影响，有意识地用“负水”和“压郁水”的理念来对待，对“负水”应该采取各种处理方法来消除它们对环境的负面影响，对“压郁水”应该采取各种处理方法将它们解放出来成为对环境有益的水资源。

1 矿区水量分析

1.1 肥城盆地水资源量评价

肥城盆地水资源量较丰富，尤其以该区内的岩溶水为最。该区岩溶水补给量主要取决于大气降水，奥灰地表出露广泛，在南部山区出露面积达260 km2，直接接受大气降水的补给，其动水量十分丰富，平均为2.8万m3/h。但由于大气降水的随机性，岩溶水补给量亦随之多变，典型年法能直观地反映地下水资源量与大气降水的关系，对多年的降水观测资料进行概率分析，连续的特枯年份出现的机率较少，连续丰水年出现的机率也较少，年降水以丰、平、枯交替出现最为常见。各年降水量见表1。

表1 肥城矿区各年降水量表

典型年一般取特枯年保证率95%，偏枯水年保证率75%，平水年保证率50%，丰水年保证率20%。根据多年降水系列用

用公式(1)进行经验频率计算，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，再根据年降水量挑选典型年。

由长期观测资料可知，与以上各典型年相对应的水位标高最低值分别为 26.07 m、31.52 m、35.67 m、39.15 m，岩溶水水位标高开采下限为18.00 m，即18.0 m以上的储量才是可动用的储存量。以上各典型年含水层厚度依次是8.07 m、13.52 m、17.67 m、21.15 m。

查资料得到肥城矿区的给水度μ和释水系数s，基本上揭示了该区岩溶含水介质岩溶裂隙较发育的特性，参数取平均值为0.0347。肥城盆地岩溶含水层隐伏区分布面积326 km2。将以上数据代入公式(2)即可算出各典型年岩溶水资源的储存量Q储，计算结果见表2。

式中:μ为平均给水度;F为隐伏岩溶含水层分布面积，km2;H为约束水位以上含水层厚度，m。

从以上结果可看出，90%的枯水年份可动用的储存量只有0.91亿m3，说明该区岩溶水资源的有限性。如95%年份的1988年一年动用储存量约0.68亿m3，如果连续两年枯水年，无节制大量动用储存量，势必导致该区岩溶水水位降到约束水位以下，所以如连续出现枯水年，必须采取开源节流的措施，开发地表水资源，补充地下水资源之不足，限制岩溶水开采量。75%年份可动用储存量可增加到1.53亿 m3，50%年份增加到1.99亿m3，20%年份增加到2.39亿m3，说明该区岩溶水资源具有可恢复性，可以以丰补欠:同时该区岩溶含水层还具有多年调节功能，如:1994～1996年连续的丰水年使肥城盆地这个调蓄水库供水量增加，1997年虽出现历史罕见的枯水期，但岩溶水水位标高仍能保持在28.59～29.38 m。

由以上论述可知，由于受降水量随机变化的影响，该区岩溶水资源量表现出有限性和多变性，水资源决策部门应根据岩溶水资源状况确定最佳的供水方案。在20%、50%年份充分发挥地下水库的调蓄潜力，满足地方重要工业企业对水资源的需求;在75%、95%年份限量开发利用地下水资源，大力发挥地表水库的调蓄供水能力，以缓解本区水资源供需矛盾，为该区经济发展创造一个良好的供水环境。

1.2 肥城矿区矿井水涌水特征

肥城矿区涌水量的变化主要取决与两方面的因素:一是降雨量的多少，因为大气降水是补给含水层的主要来源，因而越是受降水影响程度重的含水层其涌水量也越受降水的影响，而随着深度的增加降水的影响就会越小。所以涌水量的变化存在着周期性变化，包括季节性(年周期性)变化和多年周期性变化。二是开采活动及突发事件的影响。在该矿区范围内，开采工作范围越大、深度越深，涌水量也会随之增加。而一些突发性的突水之类的事件，也必然会导致矿井涌水量急剧的变化。肥城矿区历年矿井涌水量情况见图1。

从以上的图表分析可得:(1)从整体趋势看，肥城矿区的涌水量在逐渐增长，从1994年的平均矿井涌水量2 649 m3/h增加到2006年的5 480 m3/h，已经翻了一番;(2)从历年各矿最大矿井涌水量表和历年各矿平均矿井涌水量表在2003年都出现一个峰值，经查肥城地区的各年降水量资源，在2003年的降水量相对之前年是增加的，致使矿区的涌水量的随之增加，这表明肥城矿区的地下水受到大气降水的影响;(3)肥城矿区的平均涌水量达5 500 m3/h，最大涌水量可达10 000 m3/h，可以将5 500 m3/h作为矿井的可供水量，再加上降水量的汇聚，将10 000 m3/h(或20万m3/d)作为水处理厂的处理能力。

图1 历年各矿平均矿井涌水量图

2 矿区水质分析

2.1 地下水环境质量分类的判别方法

地下水质量综合评价，采用加附注的评分法［2］。具体要求与步骤如下:

(1)参加评分的项目，应不少于本标准规定的监测项目，但不包括细菌学指标。

(2)首先进行各单项组分评价，划分组分所属质量类别。

(3)对各类别按下列规定(表3)分别确定单项组分评价分值Fi。

表3 单项组分评分值表

(4)按下面计算式计算综合评价分值F。

式中，F平均为各单项组分评分值Fi的平均值;F最大为单项组分评价分值Fi中的最大值;n为项数。

(5)根据F值，按以下规定(表4)划分地下水质量级别，再将细菌学指标评价类别注在级别定名之后。如“优良(Ⅱ类)”、“较好(Ⅲ类)”。

表4 地下水质量级别判定值表

矿井水主要涉及水仓水、地表水和水源井水，故选取这三类水样点进行综合评价肥城矿区水质特征，是具有代表性，并可以解决问题。根据上述的地下水环境质量分类的判别方法进行评定水质情况，见表5(以白庄矿水样为例)。

表5 白庄矿水样水质评价表

由评价结果可得到以下结论:(1)肥城矿区的地表水体的水质较差，说明地表水已遭到污染，主要原因是矿井水的未达标排放;(2)水仓中的矿井水的水质较差，主要原因是某些单项指标超标，如SO42－，NO2－，全硬度等;(3)有水源井的水质也遭到一定程度的污染，主要原因是监管不严，保护不利所致;(4)矿区的“压郁水”主要是水仓水，因为这部水的水量很大，在矿区往往没有较好的处理就排出，成为环境的“负水”，这部分急需处理，将其解脱出来，成为支持经济和社会的发展。

通过选定合适的矿井水净化工艺流程，矿井水可以得到很好的资源化，已有不少学者［3－7］在这方面开展了工作。

3 肥城矿区调水概念模型的总体设计

根据肥城矿区的水资源水质和水量的分析情况，作者认为可以采取行政、经济、工程等措施对肥城矿区的水资源进行规划。下面从工程规划方面来设想肥城矿区调水概念模型。

3.1 塌陷坑改造

地面塌陷是指表岩、土体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种地质现象，根据形成塌陷的主要因素可分成自然塌陷和人为塌陷;根据塌陷区是否有岩溶发育，分为岩溶地面塌陷和非岩溶地面塌陷两类。

肥城矿区的地面塌陷主要是由于采煤作业而造成的人为塌陷。塌陷成坑后，由于地表水的汇流和地下水的补给等形成湿地。肥城矿区有着较长的开采历史，也形成了较多塌陷坑;对塌陷坑改造的总体思路是:在每个矿井的附近的一个塌陷坑适当挖深，再用水泥胶底，作矿坑水的初级调节池(见图2中的2);在矿区作合理的选址，将塌陷坑群挖深并联成一片，作矿井水的中央调节池(见图2中的3);在初级调节池与中央调节池之间用管道或沟渠连通。

3.2 生物净水技术

根据水生植物的根、茎和叶对悬浮颗粒的拦截作用以及对氮、磷、金属元素的吸入作用［8，9］，可以选一些生命力顽强的水生植物种植在中央调节池中，可以起到较好效果。

3.3 地表水和地下水联合调度

为了加强整个调水系统的可靠性和稳定性，本文采取地表水和地下水的联合调度。对于地表水，主要是河流中水库水，在丰水期有过多的水可以通过水闸、沟渠或水管、水泵等构筑物将水引入中央调节池中，可以对矿井水进行稀释，同时加大水处理厂的工作能力，将水输入自来水网或者进入地下水库。

图2 肥城矿区调水概念模型

地下水库是指在地下可以蓄水的地层中采取人工措施引渗蓄水的水库，系封闭或近封闭边界圈闭的、具有实用规模库容且可以有效进行水更替的地下蓄水实体;地下水库是优化水资源配置的一种重要手段，可以加大对降水资源的截流，提高区域水资源利用率;还可以丰蓄枯采，调节水资源时空分配不均。地下水库的功能特征，集中体现在其调蓄能力上。故在枯水期，可以从地下水库中抽取清洁地下水对中央调节池中的矿井水进行稀释以提高处理厂的处理效率，或者直持进入自来水网以满足用水紧张的工业和居民生活;此时的中央调节池中水可以进入到河流或沟渠进行农业灌溉，以解决农业的缺水问题。

3.4 水资源配置

肥城矿区的矿井水经过处理后，显然已远远满足矿区用水，因此，经过优化配置调水及处理后的矿井水，在满足肥城地区自身用水的情况下，可以考虑将多余的水资源并入自来水网，通过输水管网向的临近缺水市县(如，泰安市区)进行供水，实现水资源的合理利用，实现社会的可持续发展，实现经济效益、社会效益和环境效益共赢。

4 结论与建议

经以上分析可知:(1)肥城矿区的矿井水量受降水量随机变化的影响表现出有限性和多变性，充分发挥地表水库的调蓄供水能力和地下水库的调蓄潜力，满足地方工农业对水资源的需求，以缓解本区水资源供需矛盾。(2)肥城矿区的平均涌水量达5 500 m3/h，其中，矿区的“压郁水”主要是水仓水，因为这部水的水量很大，可经水处理厂，将其解脱出来。(3)肥城矿区的各种水体的水质情况不一，地下水中大部分“压郁水”，没有得到合适的处理，排到地表成为“负水”，这种情况应得到充分的重视。

据此，作者提出以下建议:(1)针对肥城地区缺乏水资源管理的问题，有必要设立泰安市肥城矿区水务管理局，下设水处理厂，环境保障处和水资源调配处，三者相互密切协作，共同实现肥城矿区的水资源的可持续利用。(2)在法律和行政的协调下，落实各种技术措施，如矿井水资源化，水资源优化配置以及节水技术的研究和推广，有效地融入到肥城矿区调水总体设计中来。(3)对于肥城矿区的地下水，在满足本身农业、工业、生活和生态环境等需水条件下，部分水可以调往较严重缺水的泰安市区，以满足其需求。

［1］齐跃明，江玉祥，孟茜等.肥城矿区充水含水层地下水动态研究［J］.水资源保护，2008，24(1):12－ 15.

［2］中华人民共和国国家地下水质量标准(GB/T 14848－93).

［3］高振宇.北京区宏观经济水资源多目标分析系统研究［J］.北京水利，1997，(4):25－ 31.

［4］白添中.煤炭加工的污染与防治［M］.太原:山西科学教育出版社，1989.

［5］肖莉萍.矿井水资源化可行性研究［D］.辽宁:辽宁工程科技大学，2000.

［6］任庆伟.矿井水复用工程［J］.工业水处理，1999，19(5):42－ 43.

［7］杨德广，卫伟肥.城矿区地质环境现状及治理措施［J］.煤矿开采，2002，7(2):73－ 74.

［8］蒋廷杰，齐增湘，罗军等.人工湿地水质净化机理与生态工程研究进展［J］.湖南农业大学学报(自然科学版)，2010，36(3):356－ 362.

［9］刘学功，李金中，李学菊.生物生态技术在城市景观河道水环境改善中的应用研究［J］.海河水利，2008，4:37－39.