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中国北部煤炭沉积盆地中排水、给水和环境保护的最佳组合
摘要：由于不合理的开发中国北部煤炭沉积盆地中的水资源，排水、给水和环境保护的冲突已经愈演愈烈。而解决冲突的有效方法是让盆地地表水保持一个长期的开采和补充的动态平衡，并且尝试提高矿井水的资源化。所有的解决方案必须保证生态环境的质量。本文提出了一个最佳的排水、给水和生态环境保护的想法来解决由于整个组合系统中多变的排水导致的不稳定的矿井水供给问题。液压管理技术和经济、社会、生态、环境、工业结构调整和可持续发展的制约因素都已考虑在内。自从这些传统而独立的排水、给水和环保部门被分开，这些部门共同努力避免了重复地质调查和具体评价计算，这样做可以节约大量的国家投资，还可以得到整个系统的精确计算。以焦作煤矿的排水、给水和环保冲突作为典型，案列研究提出了最大经济目标受到多重因素限制的最佳解决方案。方案为寻找可持续发展战略提出了重要的科学依据。
关键词：排水组合系统、给水和环境保护、最优组合、矿井水的资源化
组合必要性的分析
盆地面临三个相互关联的问题。在中国北部，煤炭沉积盆地的主要矿井水文地质呈现一个立体注水结构，这一特征很普遍的。由于多层含水层的内部或外部边界被水力连接在一起，所以出现这种特征。因煤矿盆地的更多更强的注水来源和能力造成的矿井水灾害严重的制约了我国煤炭工业的健康发展。（Ⅰ）盆地中的煤炭储量都因此受到威胁。在峰峰、邢台、焦作、淄博、淮北和淮南的煤矿地区。据估计，受水害的煤炭储备分别占总量的52%，71%、 40%、 60%、 48%和 90%。这表明矿井水灾的危害普遍存在。（Ⅱ）矿井突水事故往往严重妨碍了安全生产的进行。有数据表明1927年到1985年之间，有17起流量超过1立方米每秒的矿井突水事故。（Ⅲ）收到矿井水灾害的影响，排水工作的成本不断上升成为矿井经营的负担。高额的成本代价不仅拉高了煤炭的价格也挤压了煤炭企业的利润。而另一方面，位于盆地的煤矿区却面临着越来越难的水供应问题。这一现象不仅仅是干旱或者半干旱地区的气候造成的，还与过分采掘挖矿造成的地下水大量流失和不合理的水资源开发有关。
生态环境的恶化是我们面临的另一个问题。地表的风沙化这一现象随处可见。许多存在于喀斯特地貌中的水源，往往是喀斯特地貌中地下水系统中的关键所在。然而这些水源正在不断停止流动，流出量也在不断减少。中国的西部地区沙漠地带的地表植物的大量死亡正是因为地下水的流出量的大量减少。
这三个问题之间存在着复杂的相关性。为了保证采矿作业的安全进行，保障水资源的供应并减慢生态环境的恶化，研究盆地地区的排水，给水和环境保护的最佳组合的必要性是不言而喻的。
现有研究的回顾及问题所在
某些国家和地区很早之前就开始研究给排水组合，但是这些研究的理论层面和组合层面都存在着概念过于简单等很多的缺陷和不足。
中国对于给排水的研究历史大概可分为3个阶段。第一阶段主要是对矿井水的利用研究。1个世纪之前，人们开始将矿井水用于矿井工作的用水供给。但是那时候可利用的规模和利用效率十分受限。第二阶段人们一边利用矿井水，同时也对矿井水灾害进行治理，是一种综合利用的模式。这个阶段不仅给排水理论上有了很大的进步，给排水工程的实际实施上也有了很大的提高。给排水组合不仅意味着可以利用矿井水资源还意味着有效地治理矿井水灾害。然而很不幸的是这个阶段的给排水工程并没有考虑到生态环境的保护。第三阶段就是将给排水和生态环境的保护相结合的阶段。这个阶段的主要特征就是拓宽传统的研究理论，建立一个利用生态水动力的模型。在这个模型中，可以同时满足安全，环保，稳定这三种状态。
三位一体系统
这种三位一体系统中同时存在排水,水供应和生态保护。这种集水的结构主要由以下的集中抽水形式组成。这些抽水形式主要是地表抽水，在地下水补给区的浅表层抽水以及紧急救援时的矿井抽水。（详见图1）系统的整合和协调都是根据的组合不同进行区别。
图1 整个联合系统中水收集方式的结构
整个系统的整合意味着利用从矿井中抽出来的水和在地表的水作为不同用途的水供给资源的同时不会破坏生态系统。煤矿不仅仅是一个需要引流的地方，更能成为水供给的资源。在地表的一些钻井的产生是为了降低对生态产生的特殊影响。这些影响是因为不可预计的矿井事故的发生而停止排水所造成的。
想要协调整个系统同时需要建立一些水供给的资源分别给不同的生物来保证地下水补给区的生态环境。矿井中抽地下水效率会比较高。这样可以提前获取流向矿井中的补给水源，利用这些水资源不仅可以提供给整个生态一个良好的水资源，实现降低矿井中地下水水位的目标，还可以有效的减少排水工程的成本和净水的成本。在传统的大排量排水工程中这两样都是必不可少的。这种协调将传统的预防矿井水灾害的被动模式转化成为了一种主动的控制模式。在这个系统中拥有喀斯特地貌的地区和地表下的地下水补给区都处在非常理想的可截断区。
为了整合这个系统，紧急救援钻井和地表钻井主要进入了喀斯特含水层和矿井之间十分薄的一个夹层中。而使得这个系统协调，浅层地表井主要进入卡斯特的厚含水层。因此，这个系统的水文地质模型包含了多个含水层。这些含水层有多个不同的内边界，通过这些内边界及液压而相互关联。建立立体的水文地质概念模型和相应的数学模型是解决这个系统管理的前提。
管理这个三位一体的系统不仅要考虑到不断下降的地下水水位所带来的影响和排水工作的安全进行，还要注意水资源供给的子系统和生态保护的子系统。他们在系统中的重要性也是不可忽略的。这个而系统控制着地下水的水位来满足安全的采矿作业并确保矿区的水资源供给。但是水位的控制不能超过地下水的最低标准，因为过低可能会影响到周边的生态环境。
经济水利管理模型
在三位一体的系统管理中，被用来评估生态黄金的好坏及采矿作业安全与否的矿区地下水资源往往是一个多方的供水资源。生活用水，工业用水，农业用水都离不开它。
图2 此为三位一体的组合形式
根据三种用水对象的供水价格，抽水成本，运输成本（其中包括管道和购买土地的成本）以及进化地下水成本，这个经济水利管理模型可以自动的分配给每一种用水对象一个具体的供水方案。这个方案建立在对每一种用水对象在系统中对系统做出的经济贡献进行比较的基础上。因此这个三位一体的系统管理研究包括了对地下水的液压技术的管理，经济估值，生态保护以及产业结构项目。除了意识到经济地运营，他们也要确保一个安全的运营。这才是整合这个系统的关键所在。
这个模型的管理可以达到一定的供水目标。同时满足矿井排水，不影响地表的生态系统。而且这样一个模型通过选择适当的控制和实现每种用水对象的经济最大化就可以全部达到多个子系统的最佳管理方案。这个模型可以提升整个系统的安全性和可靠性，供给的水资源和矿井排水可以被预测，生态环境的评估得以实现同时在从地质勘探阶段到管理评估阶段可以避免给水、排水部门和生态环境保护部门的分散或封闭管理。这一点，从经济的角度来说，不仅可以避免很多重复性的地质调查及一些复杂的估值工作来节约一定的成本，而且站在技术层面，可以只利用一个模型就同时考虑到不同地下水的相互影响和渗流场，从而保证预测的精度，管理和有效的作业。这个模型的数学表达式如下：
其中Qs (i, j) 代表国内的政策变量，Qg (i,j)代表工业和农业的给水量(,Qn (i, j)代表国贷价格和工农业每立方米用水费用（元）。sdi , gdi， ndi 代表工农业每立方米给水的污水泵管理费用。sti , gti , nti 代表工农业每立方米给水的运输费用。sgi , ggi , ngi代表工农业每立方米给水的国内质量处理成本。N1 , N2 , N3代表国内工农业取水构筑物数量。s(k, i), s′(k, i) 代表在k点和时间为i时的最大和最小水位降低量。Q′代表一些在整个系统中额外的抽象的水资源。Q代表整个系统中的给水需求量。
案例分析
本文选择了一个比较典型的案例进行分析。这个煤矿设立在河南省焦作市。主要有三个矿井组成：韩湾煤矿,演马庄煤矿和九里山煤矿。整个地表十分平坦，总面积达到30平方公里。一条间隙河流至北向南流过这个矿区。年平均降水量为662.3毫米。降水时间主要发生在每年的6月到9月。
由很厚的中奥陶世石灰岩，石炭二叠纪含煤岩块和第四纪松散沉积物组成的扇形岩层。
这里有四组断层结构。第一组在东北到西南方向上。例如F1和F3。第二组在西北到东南方向。例如方庄断裂。第三组在东西方向，例如凤凰岭断层。最后一组基本在南北方向上。这些断层结构都被认为具有高度倾角。
这个区域也发现了四个含水层。最高的一个半密闭多孔含水层。（Q4）第二个是一个非常薄的夹层含水层。（L8）第三个也是一个薄的含水层。（L2）最后一个在底部是一个厚的石灰石夹层含水层。（O2）
这个模型的具体功能旨在最大化经济效益。政策制定变量模型在管理的每一个步骤中都被认为是国内，工业和农业的地下水供应率。矿井中的紧急救援井，地表井及地下水浅层地表井都会有这样的变量。在这个模型中要选择135个决策变量。其中27个决定着含水层L8的深井排水，27个决定着含水层L8的矿区地表排水。剩下的71中27个在含水层L2,27个在含水层O2，27个决定含水层O2的浅层地表井。
思考以上问题的同时还应该考虑到以下的事项。
- 安全展开挖矿工作水压应控制在L8。这里总共有3个煤矿。这三个煤矿的海拔都不相同。也就是韩湾煤矿,演马庄煤矿和九里山煤矿。其矿层等级的海拔是不同的，因为韩湾煤矿的第二矿层等级在-88～-150m之间，演马庄煤矿的为-200m，九里山煤矿的第一矿层等级为-225m。根据以往采矿作业的经验，安全矿产的地下水水位高度被认为是100到130米。因此，在含水层L8的管理的过程中地下水水位需要下降到安全的高度确保安全的矿产工作进行。
- 保证地质层面上的生态环境。为了避免上部多孔中已经被污染的地下水泄漏到底部并且继续向下渗流污染埋伏露头的薄层灰岩含水层，底部多孔含水层的地下水高度必须有一个确定的值。例如，将地下水的高度设置在某一个值，该值不会超过最大的容量值。
- 地下水的高度约束着在含水层O2中的浅层地表水。为了避免卡斯特岩溶塌陷以及地下水被污染这种生态灾难的发生，浅层地表水应该渗透到含水层O2。含水层O2的地下水渗透到浅层地表水中，但该地下水的高度下降不能超过临界值。
- 工业用水的供给是含水层O2中的地下水资源的主要约束因素所在。根据这个地区的常见的设计系统，这个地区北部的火电厂所需要的工业用水的值为1.5立方米每秒。为了满足这样的需求水平，含水层O2的工业用水供求率在每一个管理的时间步奏中至少等于1.5立方米每秒。
- 对概念上的可用地下水资源的约束有一个最大的值。为了在该地区的地下水系统中找到一个平衡点并且预防由不断下降的地下水位所带来的可能的危害，在每一步管理的步奏中的所估计的地下水总和都不能超过这个最大的值。
由于需要同时考虑矿井水灾害和水供应这两个问题，这个模型的管理期间设置为从1978年的6月1号到1979年的5月31号。这段期间内，年平均降水量为50%。管理主要分为3大部分。第一部分是第一年的6月到9月。第二部分是10月到次年的1月，最后一部分是次年的2月到5月。
考虑到这个地区的实际经济能力，经济发展的项目和近期会展开的经济转系，浅层地表水收集结构的不同关联形式以及矿井中浅层地表井和人工救援渗流井，本文设计了12种管理方案。这12种方案均体现着三位一体系统的安全运行。
对这12中管理方案进行比较和优化计算之后，本文得出了相应的结论。3-(2)-j的管理方案是最理性并且最能够满足需求的一个而方案。（详见表1）这个方案不仅考虑到了人工紧急救援井的排水优势和浅层地表井对供水的重要性，并且同时注意到了人工紧急救援井在供水方面的低保障率和对地面抽水井的大型投资。此外，含水层O2的浅层地表井在这个管理管理方案中不仅能够发挥足量供水的功能，还在排水的工作中扮演重要的角色。而这一点正是对地下水资源利用的最主要的改变。矿井中排水系统如果能够正常的运行，这个管理方案就能够充分的将人工井的优势发挥出来并且让三位一体系统正常的运行。如果井下排水系统因事故而突然出现中断，这个方案仍然可以利用地表浅层井和地表井，并增加他们的抽水率来保证系统的供水量从而使得经济上的损失降到最小值。
表1 最佳管理的结果情况
事实上，增加浅层地表井和地表井对地下水的抽水率对井下水害的治理十分有帮助，同时也能够帮助井下水害之后的恢复。
总而言之，这个方案同时能够满足给水排水和生态保护这三种需求。它能够解决低保障率和人工井有效排水之间的矛盾。充分利用了矛盾的同时有也解决了矿区浅层地表井的不足。因此，这个方案应该是全面可行的。
在这个方案中，在确定的国内工业供水而没有太多农业供水的情况下韩湾煤矿（节
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