CN113762774A - 一种矿区所在地矿井水配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿区所在地矿井水配置方法，通过确定所述矿井水的供水量和所述矿区所在地的常规水源的供水量，然后根据所述矿井水的供水量、所述常规水源的供水量和所述矿区所在地用水类别确定矿井水配置模型，最后基于所述矿井水配置模型对矿区所在地进行所述矿井水的配置，实现了将矿井水配置到整个矿区所在地进行使用，极大的提高了矿井水的利用率，保护了水资源。
Description
技术领域
本发明属于矿井水利用技术领域，具体涉及一种矿区所在地矿井水配置方法。
背景技术
我国矿区中的采矿企业每年都会产生大量的矿井水，为了响应保护水资源的号召，通常会对矿井水进行净化回收处理，而净化后的矿井水除了矿企自用外，大部分无法进一步利用，造成矿井水利用率低。
传统的矿井水处理方法仅仅是将净化后的矿井水一部分在地面利用，一部分返回至矿井下利用，利用率低下，无法对整个矿区的生态用水形成有益配置。
因此，如何将矿井水配置到整个矿区所在地进行使用，提高矿井水的利用率，是本领域技术人员有待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中无法将矿井水配置到整个矿区进行使用，以提高矿井水的利用率的技术问题，提出了一种矿区矿井水配置方法。
本发明的技术方案为：一种矿区所在地矿井水配置方法，包括以下步骤：
S1、确定所述矿井水的供水量和所述矿区所在地的常规水源的供水量；
S2、根据所述矿井水的供水量、所述常规水源的供水量和所述矿区所在地用水类别确定矿井水配置模型；
S3、基于所述矿井水配置模型对矿区所在地进行所述矿井水的配置。
进一步地，所述用水类别具体包括工业用水、城市用水和农业用水，所述矿井水配置模型包括目标函数和约束条件。
进一步地，所述矿井水配置模型中的目标函数具体如下公式所示：
f(X)＝opt{maxf1(x),minf2(X)，minf3(x)}；
其中，
式中，f(X)为目标函数，opt为计算均能满足上述目标的最优配置结果，maxf1(x)为最大经济效益函数，minf2(X)为所述矿区所在地总缺水量最小，minf3(x)为所述矿区所在地的污水排放中化学需氧量最少，k表示有k个子类，j表示有j个用户，
是第k个子类第i个水源给第j个用户的供水量，
是第k个子类中第i个水源的供水次序系数，
是第k个子类中第i个水源供水的用户公平系数，
为第k个子类中第i个水源的供水费用系数，
k子类i水源给j用户的供水效益系数，
为第k个子类中第j个用户的单位废污水排放量中化学需氧量，
为第k个子类中第j个用户的需水量，
为第k个子类中第j个用户的污水排放系数。
进一步地，所述矿井水配置模型中的约束条件具体为供水量约束、输水能力约束、需水能力约束、水质约束、区域发展协调约束和非负约束。
进一步地，所述矿井水配置模型中还包括狼群算法，所述矿井水配置模型确定出矿井水配置方案时，会通过狼群算法进行寻优确定出最优配置方案，通过所述最优配置方案对矿区所在地进行所述矿井水的配置。
与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：
(1)本发明通过确定所述矿井水的供水量和所述矿区所在地的常规水源的供水量，根据所述矿井水的供水量、所述常规水源的供水量和所述矿区所在地用水类别确定矿井水配置模型，最后基于所述矿井水配置模型对矿区所在地进行所述矿井水的配置，实现了将矿井水配置到整个矿区所在地进行使用，极大的提高了矿井水的利用率，保护了水资源。
(2)本发明中的矿井水配置模型中设有目标函数以及约束条件，约束条件中包含了供水量约束、输水能力约束、需水能力约束、水质约束、区域发展协调约束和非负约束，能够使矿井水的配置更加合理和准确，避免水资源的浪费。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种矿区所在地矿井水配置方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请提出一种矿区所在地矿井水配置方法，用以解决现有技术中对矿井水利用低下的技术问题。
如图1所示为本发明实施例提出的一种矿区所在地矿井水配置方法的流程图，该方法包括以下步骤：
步骤S1、确定所述矿井水的供水量和所述矿区所在地的常规水源的供水量。
在具体的应用场景中，各矿区域地下水主要以萨拉乌苏组为主的第四系松散岩类孔隙与裂隙孔洞潜水，区内地下水主要接收大气降水补给，其次是侧向径流，灌溉回渗和地表水的补给。根据国内外学者调查研究发现，大气降水对矿井水的影响程度受地下水埋深、采空区面积，大气降水大小及年内分布特征等多种有因素综合影响，本申请中确定矿井水供水量的公式具体如下：
Wa＝(Q正常×24×365×0.75+Q最大×24×365×0.24-Q自用-Q配套)/10000
式中，Wa为矿井年排水量(万m3/a)，Q正常为非汛期矿井涌水量(m3/h)，Q最大为汛期矿井涌水量(m3/h)，Q自用为矿井生产、生活、消防等自用水量(m3/h)，Q配套为矿区配套项目用水量(m3/h)。
以陕西榆林市榆阳区矿区所在地为例确定每一个矿井水的供水量，见如下表1：
表1
另外，还需要确定出矿区所在地的需水量，需水量可分为三个部分，分别为工业用水、城市用水和农业用水，
在具体应用场景中，城市用水包括湖泊及生态水面补水、海子湿地补水、道路浇撒绿化和沟道补水，农业用水包括乡镇灌溉用水和林场用水，工业用水包括产业园和工业区用水。
以陕西榆林市榆阳区矿区所在地为例，城市用水的需水量可如下表2所示：
表2
乡镇灌溉用水的需水量可如下表3所示：
表3
林场用水的需水量可如下表4所示：
表4
| 对象 | 灌溉面积(亩) | 需水量(万m<sup>3</sup>) |
| 白界林场 | 5000 | 150 |
| 巴拉素林场 | 5000 | 150 |
| 小纪汗林场 | 5000 | 150 |
工业用水的需水量可如下表5所示：
表5
榆横工业区位于榆林市西13km，地处横山区白界乡和榆阳区芹河乡范围内，规划面积102km2。规划建设净水厂、污水处理厂、2×300MW热电厂、2座330kv变电站、工业气体、机械加工厂、通信、物流储备、消防站等公用设施，总投资115亿元。陕西新兴DMMTO示范项目、中化益业60万t甲醇项目、延长石油20万t醋酸项目已于2009年建成投产，总投资101亿元。至2020年，园区将建成1000万t甲醇、260万t甲醇制烯烃、100万t二甲醚、90万t醋酸、100万t聚氯乙烯、1000万t煤制油等能源化工产品大型基地。
产业园定位：国家能源化工基地核心区，重点发展高新技术产业、现代服务业、装备及煤化工、盐化工产业。
各工业园区及工业项目的需水量预测，参考《榆林市水资源综合规划》(2015-2030年)、《马镇东线引黄可行性报告》(2018年)、《榆林市榆阳区煤矿矿井水综合利用项目输配水系统工程总体方案》(2019年)、《神木市非常规水源调查评价与规划报告》(2019年)需水量预测成果。
步骤S2、根据所述矿井水的供水量、所述常规水源的供水量和所述矿区所在地用水类别确定矿井水配置模型。
在本申请实施例中，所述用水类别具体包括工业用水、城市用水和农业用水，所述矿井水配置模型包括目标函数和约束条件。
在本申请实施例中，所述矿井水配置模型中的目标函数具体如下公式所示：
f(X)＝opt{maxf1(x),minf2(X)，minf3(x)}；
其中，
式中，f(X)为目标函数，opt为计算均能满足上述目标的最优配置结果，maxf1(x)为最大经济效益函数，minf2(X)为所述矿区所在地总缺水量最小，minf3(x)为所述矿区所在地的污水排放中化学需氧量最少，k表示有k个子类，j表示有j个用户，
是第k个子类第i个水源给第j个用户的供水量，
是第k个子类中第i个水源的供水次序系数，
是第k个子类中第i个水源供水的用户公平系数，
为第k个子类中第i个水源的供水费用系数，
k子类i水源给j用户的供水效益系数，
为第k个子类中第j个用户的单位废污水排放量中化学需氧量，
为第k个子类中第j个用户的需水量，
为第k个子类中第j个用户的污水排放系数。
在本申请实施例中，所述矿井水配置模型中的约束条件具体为供水量约束、输水能力约束、需水能力约束、水质约束、区域发展协调约束和非负约束。
具体的，各约束可如下所示：
供水量约束：
常规水源：
矿井水源：
式中：
分别为常规水源i、矿井水源c向子类k用户j的供水量；Wc k为常规水源c分配给子类k的水量；Wc和Wi k分别为常规水源c及子类k矿井水源i的可供水量。
输水能力约束：
常规水源：
矿井水源：
式中，
分别为k子类常规水源c、矿井水源i的最大输水能力。
需水能力约束：
式中，
分别为k子类j用户需水量变化的下限和上限。
水质约束：
达标排放：
式中：
为k子类j用户排放污染物r的浓度；
为污染物r达标排放规定的浓度。
区域发展协调约束：
式中，μ、μ*分别为区域协调发展指数及其最低值；μ1(σ1)、μ2(σ2)分别表示水资源利用与区域经济发展的协调度、经济发展与水环境质量改善的协调度。
非负约束：
其中，供水次序系数
反映k子类i水源相对于其它水源供水的有限程度。现将各水源的有限程度转化成[0,1]区间上的系数，即供水次序系数[9]。以
表示k子类i水源供水次序序号，
表示子类k水源供水次序序号最大值。
取值确定可参考下式确定：
用户公平系数
表示k子类j用户相对于其他用户得到供水的优先程度。
与
很相似，与用户优先得到供水的次序有关。首先根据用户的性质和重要性，确定用户得到供水的次序，然后可参照
的计算公式来确定。
基于公式确定的榆横矿区供水水源次序系数：常规水(1/3)0.33、矿井水(2/3)0.67。依照公平性原则，按照“首先确保城市用水，其次满足农业灌溉用水和工业生产用水”的原则，拟定各用户得到供水的先后次序为：城市用水、农业用水、工业用水，参照上式，计算得到各用户的公平系数分别为：(3/6)0.5、(2/6)0.33、(1/6)0.17。
工业用水的效益系数采用工业总产值分摊方法[10]，计算公式如下：
b＝β·(1/W)
式中，b指工业用水效益系数；β指工业用水效益分摊系数，以5％计算，W为万元工业增加值用水量。
农业用水效益系数按灌溉后的农业增产效益乘以水利分摊系数确定。
生活、环境及公共设施用水的效益是间接而复杂的，不仅有经济方面的因素，而且有社会效益存在，因而其效益系数比较难确定。根据生活、环境用水优先满足的配置原则，本文在计算中赋以较大的权值，用以表示其效益系数。
基于文献可知，2007年西安市的工业、生态用水也即城市用水效益系数11.94元/m3，农业的用水效益系数为7.02元/m3。基于陕西省水资源公报的数据可知，陕西省2007年万元工业增加值用水量为46m3，从而可知其工业用水效益系数为10.2元/m3，基于文献可知，陕西省灌溉水效益分摊系数的多年均值为0.34，2007年单方水效益为3.76元，从而可知其农业用水效益系数为1.3元/m3。分析可知该文献中西安市的工业和生态用水效益系数合理，农业用水效益系数偏大，因而本方案中西安市的农业用水效益系数取为1.3元/m3。
基于2007年西安市的各行业的生产总值，将其按比例折算到2019年西安市的指标值，同时基于2019年西安市和榆林市的各行业的生产总值，折算出2019年榆林市行业用水效益系数值。可知，榆横矿区灌溉用水效益系数为3.7元/m3，工业用水效益系数37元/m3，生态用水效益系数63元/m3。
从水厂取水的用户以水价作为其费用系数。
从自备井取水的用户以水资源费、污水处理费与提水成本之和作为其费用系数。
从水利工程取水的用户以水资源费、污水处理费与输水成本之和作为其费用系数。
农业用户的费用系数参考水费征收标准确定。
基于全国水费网上查询系统，根据榆横矿区现状年水费征收标准，基于本次计算中工业用水费用5.55元/m3，城市用水费用5.55元/m3，农业用水费用0.361元/m3。
确定权重的方法很多，主要分为主观赋权法、客观赋权法和综合赋权法。而由于本次研究仅分析榆横矿区，其所占的权重相等，目标权重系数为1：经济效益目标(经济净效益最大)0.6，社会效益目标(供水系统缺水量最小)0.4。
上述配置可如表6所示：
表6
供水量约束、输水能力约束、需水能力约束、水质约束、区域协调发展约束、非负约束：可对水源对用水户的可供水量进行限制，即优化寻优应该在这些约束范围内对最优解进行分确定。
子类可以是分区，也可以是其他的区分，子类在计算中不参与计算，只是对其进行的一种划分。用户是工业、农业、生活、生态等的用水户，可基于重要程度进行排序，排序的序号作为供水次序。
矿井水配置模型，是约束条件和目标函数确定的，同时需要用优化算法进行寻优。
需要说明的是，本方案水资源配置是以水资源供需分析为基础手段，以水资源优化配置模型为计算手段，在现状供需分析和对各种合理抑制需求、有效增加供水、积极保护生态环境的可能措施进行组合及分析的基础上，借助计算机模拟技术，对各种可行的水资源配置方案进行生成、评价和比选，提出推荐方案，以作为制定总体布局与实施方案的基础。
水资源合理配置是水资源综合规划的一个重要组成部分。它以水资源评价、开发利用评价以及需水预测、供水预测、节水规划、水资源保护等工作的成果为基础，分析水资源的动态供需平衡状况，明晰各水资源配置方案下的供需平衡情况，研究开源节流以及污水处理、回用的最佳组合，工程和非工程措施并举，对有限的不同形式的水资源进行科学合理的分配，其最终目的就是实现水资源的可持续利用，保证社会经济、生态环境的协调发展。重点内容包括：
(1)水资源供需平衡分析。以2025、2035年为规划水平年，对榆横矿区不同水平年的需水和供水进行预测，并作出相应的基于现状供水能力、节约用水水平“平衡分析”，这一工作为水资源配置方案可行域确定和水资源配置方案选择奠定基础。
(2)水资源优化配置模型及配置方案比选。以水资源优化配置模型为基础，采用编制的计算机模拟软件，对各种可能方案进行多次模拟计算，通过分析比较最终得到较为合理的推荐方案，并对比选的配置方案及其主要措施进行技术经济分析。这是进行水资源优化配置的核心工作。
水资源供需平衡分析以行政分区为单元，根据水量平衡原理，对各分区内水资源供、用、耗、排水等进行分析计算，得出不同水平年的相关指标。即考虑强化节水、污水处理再利用、挖潜配套以及合理提高水价、调整产业结构、合理抑制需求和保护生态环境等措施进行水资源供需分析。
水资源供需平衡是指在区域现状供水能力与外延式增长用水需求间所进行的水量平衡分析。水资源需求按满足国民经济发展和生态环境用水要求进行计算，水资源供给按规划年可供水量计算。通过供需平衡来分析现状供水能力与外延式用水需求间的缺口，充分暴露现状条件下未来水资源供需矛盾，用以说明加强控制区域人口增长、进行工农业生产结构调整、节水改造等措施的必要性，为合理配置节水、防污、挖潜及其它新增供水措施的分析工作奠定基础，为水资源的开源和节流措施提供切入点。同时考虑最严格水资源管理用水总量控制，在不缺水的情况下，分析规划水平年需水是否超出用水总量控制指标的限制。通过各项节水措施压缩需水增长速度，挖掘节水潜力；通过开源建设进一步挖掘区域内供水潜力，并加强污染治理等措施改善水质、增加水资源可利用水量，将一次平衡下的供需缺口或超出用水总量控制目标的部分大幅度的降低。
根据需水预测分析及供水预测分析，得到不同规划水平年水资源供需平衡分析的成果，且分析若是矿井疏干水不用于供水，会造成的生态和环境问题。
供需平衡分析是指在现状工程条件下，考虑新水源开发、供水量的增加及不同水平年需水量预测成果，进行的水资源平衡分析。为缓解水资源供需矛盾和保护开采地下水，需通过加大水利工程建设增加地表水供水能力、增加污水再生水回用力度等措施来降低缺水程度。根据榆横矿区现状年可供水量及各水平年需水量进行了供需平衡分析，降水预测前结果如下：2025水平年，矿井水供水7284万m3，缺水1701.5万m3；2035水平年，矿井水供水7284万m3，缺水1299.5万m3。降水预测后分析结果见表6.6-2，2025水平年，矿井水供水7284万m3，缺水1701.5万m3；2035水平年，矿井水供水7284万m3，缺水890万m3。由此可以看出，将矿井水用于榆横矿区供水能够有效缓解区域供水压力，且榆横矿区缺水严重，由于水源众多，且各自的供水户不同，为了实现供水效益的最大化，需要对水资源进行优化配置。
在具体应用中，陕西榆林市榆阳区矿区所在地的需水量统计表如下表7所示：
表7
结合上述，陕西榆林市榆阳区矿区所在地供水量小于需水量，因而需要对水资源进行优化配置以提高水资源的利用率。经分析榆横矿区的水源为地表水(常规水源)、再生水和矿井水，用水户可分为工业、生态和灌溉。由于本研究主要是对矿井水的利用进行分析，而矿井水暂不用于生活用水，因而对榆横矿区的矿井水水资源优化配置研究不供给生活用水。地表水的水源为王圪堵水库和引黄工程的水，再生水只有榆林高新区西红墩化工产业园、榆横工业区以及空港生态区、芹河新区和科创新城产生，再生水只供给上述三个地区，可知再生水实际不参与多水源的配置，矿井水由榆横矿区的9个煤矿供给。
陕西榆林市榆阳区矿区所在地属于生态脆弱区，为了有效改善该区域的生态环境，对该地区的公园河湖补水、小海子补水、景观补水、城区绿化补水以及沟道补水量进行分析计算，作为区域生态用水量的基础。区域的发展需要实现综合效益的最大化，以往的配置模型基于该地区定性的配置原则进行分析，水源配置的水量值仅仅为可行解而非最优解，而且模型存在供需平衡分析的误差，因而本研究构建模基于生态修复的多水源、多用户的水资源优化配置模型，以经济效益、社会效益和环境效益综合最大为目标。同时由于该地区属于半干旱缺水地区，若是基于生态需水量的计算方法会使得生态需水量与实际需求存在较大偏差，因而为了保证区域的发展，减少水资源的浪费和不合理的配置，需要结合降雨的长期预报实现生态需水量的分级计算。并结合供需平衡分析，对区域进行水资源优化配置，以实现水资源综合效益的最大化。
经指标计算，可知该地区供水生态效益大于工业效益，灌溉效益最小。矿井水优先供水，其次是常规水源和再生水。采用大系统分解协调的方法，首先在生态、工业、灌溉之间进行配水，再在各个行业的用水户之间进行配水，将配水结果反馈给行业层级，进而不断协调，实现综合配水的效益最大。分析可知生态用水均能够保证用水，且均采用矿井水和再生水进行供给；工业用水也均能保证用水；灌溉用水由于效益较低，则在配置过程中不能完全保证，使得灌溉用水缺口较大，为了保证该地区2025、2035年的灌溉用水，可采取节约用水和增加供水量减少损失。
所构建的模型是为了实现效益的最大，而该模型缺乏对供水水源与不同受水区供水费用的分析，可进一步收集数据细化模型，实现供水水源与用水户的对应，以进一步提高模型的实用性。
由于矿井水是一种特殊的水源，能够实现环境、经济、社会效益的进一步提升，需要构建评价模型对区域在运用矿井水之前和运用矿井水后、以及将多水源优化配置后的效益进行综合评判，定量和定性相结合对矿井水对生态修复的作用进行分析。基于降水预报的水资源优化配置，能够将多余的生态需水量配置给农业灌溉，从而提高水资源的利用效率，为提高农业灌溉的产量提供重要的支撑。
陕西榆林市榆阳区矿区所在地的矿井水配置可如下表8所示：
表8
将矿井水用于生态脆弱地区的水资源配置，能够有效提高水资源的利用效率，为恢复生态环境提供水源支持。长期预报技术能够基于降水量的丰枯动态调整生态需水量，减少水资源的浪费。优化配置能够使得水资源在工业、农业、生态中获得全局最优的效益。
基于区域降水的长期预报，能够判定区域全年的丰枯，基于降水的丰枯对生态流量进行分级处理，能够基于区域来水的多少合理计算生态需水量，为缺水地区水资源的合理利用提供技术支持。为了对预报模型进行改进，可进一步寻找相关性较优的因子，建模预报生态需水量。
结合矿井水的区域水资源优化配置，能够在定量分析水资源的费用和效益的基础上，对区域水资源配置提供最优解，优于现有的单个指标的配置模型。
可在多个地区进行水资源的优化配置以建立更复杂的模型，以提高区域水资源的综合利用效益。在实际配水过程中，可基于全年来水量和需水量动态调整供水量，以获得综合最优的供水效益，同时能够有效节约水资源。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种矿区所在地矿井水配置方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、确定所述矿井水的供水量和所述矿区所在地的常规水源的供水量；
S2、根据所述矿井水的供水量、所述常规水源的供水量和所述矿区所在地用水类别确定矿井水配置模型；
S3、基于所述矿井水配置模型对矿区所在地进行所述矿井水的配置。
2.如权利要求1所述的矿区所在地矿井水配置方法，其特征在于，所述用水类别具体包括工业用水、城市用水和农业用水，所述矿井水配置模型包括目标函数和约束条件。
3.如权利要求2所述的矿区所在地矿井水配置方法，其特征在于，所述矿井水配置模型中的目标函数具体如下公式所示：
f(X)＝opt{maxf1(x),minf2(X)，minf3(x)}；
其中，
式中，f(X)为目标函数，opt为计算均能满足上述目标的最优配置结果，maxf1(x)为最大经济效益函数，minf2(X)为所述矿区所在地总缺水量最小，minf3(x)为所述矿区所在地的污水排放中化学需氧量最少，k表示有k个子类，j表示有j个用户，
是第k个子类第i个水源给第j个用户的供水量，
是第k个子类中第i个水源的供水次序系数，
是第k个子类中第i个水源供水的用户公平系数，
为第k个子类中第i个水源的供水费用系数，
子类i水源给j用户的供水效益系数，
为第k个子类中第j个用户的单位废污水排放量中化学需氧量，
为第k个子类中第j个用户的需水量，
为第k个子类中第j个用户的污水排放系数。
4.如权利要求2所述的矿区所在地矿井水配置方法，其特征在于，所述矿井水配置模型中的约束条件具体为供水量约束、输水能力约束、需水能力约束、水质约束、区域发展协调约束和非负约束。
5.如权利要求2所述的矿区所在地矿井水配置方法，其特征在于，所述矿井水配置模型中还包括狼群算法，所述矿井水配置模型确定出矿井水配置方案时，会通过狼群算法进行寻优确定出最优配置方案，通过所述最优配置方案对矿区所在地进行所述矿井水的配置。
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