矿井水合理调配理论与模式研究

第1章绪论 1.1研究背景 1.1.1我国供用水概况 1.我国水资源总量丰富 根据《全国水资源综合规划》成果和1956～2000年45年同步水文系列，全国水资源总量为28412亿m3，其中地表水资源量为27388亿m3，地下水资源量为8218亿m3，二者重复量为7194亿m3。我国水资源时空变化大、分布不均且与生产力布局不相匹配，北方地区区域面积、人口、耕地面积和GDP分别占全国的64%、46%、60%和45%，但其水资源总量仅占全国的19%，其中黄河、淮河、海河水资源总量合计仅占全国的7%。在全国水资源总量中，水资源可利用总量为8140亿m3，其中地表水可利用量为7524亿m3。全国地表水资源扣除地表水可利用量后，剩余水量为河道内生态环境用水及难以控制的洪水。 2.我国人均水资源量少且时空分布不均 我国水资源总量位列世界第6位，但人均水资源量仅有2033m3（按2019年人口计算），约为世界平均水平的36%，北方地区人均水资源量更少，黄河流域为656m3，淮河流域为451m3，海河流域甚至低于以色列，仅为269m3，远低于国际公认的人均500m3的极度缺水标准。空间分布上，南方水多北方水少，水资源与耕地资源、能源矿产等其他经济要素的空间适配性差。 3.全国用水总量得到有效控制，用水效率总体达到世界平均水平 面对日益突出的水资源供需矛盾，国家高度重视工程技术节水工作。进入21世纪以来，国家大力推进节水型社会建设，实行*严格水资源管理制度，并且明确了“节水优先”的方针，用水结构逐渐优化，水资源利用效率显著提升。近年来，我国用水总量基本保持平稳，总体维持在6100亿m3左右（表1-1），北方部分省份用水量实现零增长，南方丰水省份用水量也进入微增长阶段。2019年，我国万元GDP用水量为60.8m3，万元工业增加值用水量为38.4m3，农田灌溉水有效利用系数达到0.559。经比较分析，我国用水效率总体水平与世界平均水平大致相当，主要节水指标排在掌握数据的60个国家中的30名左右。 4.非常规水源利用量稳步提高，但矿井水利用量偏低 2019年全国非常规水源利用量（不含海水直接利用量）为107.7亿m3，其中再生水供水量为87.3亿m3，集雨工程利用量为9.6亿m3，矿井水利用量为6.2亿m3，地下水微咸水供水量为3.3亿m3，海水利用量为1.3亿m3；海水直接利用量为1316.5亿m3。与2015年相比，再生水利用量增加了34.6亿m3，矿井水利用量增加了6.2亿m3（2019年开始统计），海水淡化利用量增加了0.6亿m3，集雨工程利用量减少了1.6亿m3，微咸水利用量减少了0.8亿m3，海水直接利用量增加了501.7亿m3。 5.我国缺水问题依然严峻，对矿井水等非常规水源利用需求增加 由全国水资源综合规划评价可知，全国正常年份缺水超过500亿m3。建设美丽中国及生态文明建设要求退还河湖生态用水、治理地下水超采，对水资源保障提出更高的要求，需要用好非常规水源。中共中央、国务院印发的《关于加快推进生态文明建设的意见》明确积极开发利用再生水、矿井水、空中云水、海水等非常规水源。《国家节水行动方案》要求加强再生水、海水、雨水、矿井水和苦咸水等非常规水多元、梯级和安全利用。2019年《水利部办公厅关于进一步加强和规范非常规水源统计工作的通知》明确把矿坑水纳入统计范围，包括露天矿坑水、矿井水或疏干水利用量。2020年生态环境部、国家发展和改革委员会(简称国家发改委)、国家能源局印发了《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》，对矿井水提出更高的要求：矿井水应优先用于项目建设及生产，并鼓励多途径利用多余矿井水；可以利用的矿井水未得到合理、充分利用的，不得开采及使用其他地表水和地下水水源作为生产水源，并不得擅自外排；矿井水在充分利用后仍有剩余且确需外排的，经处理后拟外排的，除应符合相关法律法规政策外，其相关水质因子值还应满足或优于受纳水体环境功能区划规定的地表水环境质量对应值，含盐量不得超过1000mg/L，且不得影响上下游相关河段水功能需求；安装在线自动监测系统，相关环境数据向社会公开，与相关部门联网，接受监督；依法依规做好关闭矿井的封井处置，防止老空水污染等。 1.1.2煤矿和有色矿基本情况 我国煤炭资源丰富，截至2018年，煤炭资源累计探获量达到20107亿t，其中东部带为2323亿t，占全国累计探获量的11.55%，中部带为15209亿t，占75.64%，西部带为2575亿t，占12.81%；全国煤炭保有资源量达19453亿t，其中东部带为2033亿t，占全国保有资源量的10.45%，中部带为14883亿t，占76.51%，西部带为2537亿t，占13.04%；全国2000m以内煤炭资源总量59000亿t，其中探获煤炭资源储量20200亿t，预测资源量38800亿t（王海宁，2018）。 中国煤炭资源分布极不平衡，北多南少，西多东少。在中国北方的大兴安岭—太行山、贺兰山之间的地区，内蒙古、山西、陕西、宁夏、甘肃、河南6省（区）是中国煤炭资源集中分布的地区，其资源量占全国煤炭资源量的50%左右，占中国北方地区煤炭资源量的55%以上。在中国南方，煤炭资源量主要集中于贵州、云南、四川三省，占中国南方煤炭资源量的91.47%；探明保有资源量占中国南方探明保有资源量的90%以上。根据地质构造、地质分区，有研究者将我国煤炭资源总结为“井字形”分区及“九宫格”分布（田山冈等，2006；彭苏萍等，2015），这种分布的区域性造成我国煤炭工业开发的局部集中，如晋陕蒙宁地区已经成为我国煤炭工业高速发展的“金三角”，新疆北疆东部地区成为新的煤炭资源开发中心。 根据《全国矿产资源规划（2016—2020年）》，我国煤炭资源基地主要分布在中部和北部地区，共有煤炭资源基地14个：神东、晋北、晋中、晋东、蒙东（东北）、云贵、河南、鲁西、两淮、黄陇、冀中、宁东、陕北和新疆；有国家规划煤炭矿区162个。通过限制东部、控制中部和东北、优化西部地区煤炭资源开发，推进神东、陕北等大型煤炭基地绿色开采和改造；鼓励煤炭企业兼并重组和资源整合，淘汰落后产能；提高煤炭洗选比例，加大煤矸石、矿井水等资源综合利用力度，促进煤炭结构调整与转型升级。 我国有色金属矿产资源主要分布在中部和南部地区，共有有色金属矿产基地43个，其中钨锡锑多金属矿产基地7个：江西武宁—修水、赣南、滇东南个旧—马关都龙、广西河池、湖南郴州、湖南安化冷水江、甘肃张掖—酒泉。根据全国矿产资源潜力评价数据（截至2010年年底），我国已发现钨矿床（含矿点、矿化点）1826处，其中江西（520处）、广东（339处）、河南（181处）、湖南（169处）、福建（107处）和云南（57处）6省矿床数占全国钨矿床总数的75%（刘壮壮等，2014）。我国铅锌矿床分布地区广，但大中型规模矿床和主要类型矿床相对集中。目前已有29个省（区、市）发现并勘查了铅锌矿床，主要集中于云南、内蒙古、甘肃、广东、湖南、四川、广西等省（区）。近年来随着地质调查项目的深入开展，西藏、青海、新疆西部3省（区）铅锌矿资源的储量不断攀升，西部已成为我国新的铅锌资源基地（张长青等，2014）。《全国矿产资源规划（2016—2020年）》指出，应通过巩固赣南、湖南郴州等钨矿资源基地，稳定开采规模，合理利用共伴生钨、低品位钨和含钨尾矿资源；稳定锡锑开发格局，重点提升滇东南、广西河池、湖南安化冷水江等资源基地开采和供给能力，加强对藏南、藏北等地区锑矿资源管理和保护等措施，保护性开发钨锡锑等矿产。 1.1.3矿井水排放与利用情况 1.我国煤炭产量较大，矿井水排放量不断增加 我国原煤产量2005年为23.65亿t，2014年达到38.74亿t，之后去产能，2016年降到34.11亿t。2017年之后原煤产量逐步恢复性增长，2020年达到39亿t（图1-1）。据《2020年煤炭行业发展年度报告》等预测，到2025年，我国煤炭产量控制在41亿t以内；到2030年左右，我国煤炭产量将达峰，产量约为42亿t。 2005年煤矿矿井水实际排放量为42亿m3；2010年煤矿矿井水实际排放量增加到61亿m3，比2005年的增加19亿m3；2015年的预测排放量71亿m3，比2010年实际排放量增加10亿m3。《煤炭工业发展“十三五”规划》预测，在煤炭产量比2015年增加1.5亿t的情况下，2020年煤矿矿井水排放量约为60亿m3，比2015年减少11亿m3。煤矿矿井水排放量与煤炭产量有一定的关联性。如果按2010年吨煤排水量匡算，2020年煤矿矿井水排放量约为69亿m3，2030年约为75亿m3(表1-2)。此外，非煤矿井水排放量每年约为11亿m3。 2.我国高度重视矿井水利用 我国在“十一五”期间编制了《矿井水利用专项规划》，“十二五”期间印发了《矿井水利用发展规划》，“十三五”期间将矿井水利用纳入《煤炭工业发展“十三五”规划》，对矿井水利用规模、利用率、利用方式等提出明确的要求。 3.矿井水利用量持续增加 2005年煤矿矿井水实际利用量为11亿m3，实际利用率26%；2010年矿井水规划利用量增加到36亿m3，实际利用率提高到59%；2015年规划利用量为53亿m3，比2010年增加17亿m3，规划利用率为75%，实际利用率提高到68%；2020年规划利用量为48亿m3，规划利用率为80%，实际利用率为78.7%（表1-3），如果2020年矿井水排水量为69亿m3则实际利用量为54亿m3，略高于2015年规划利用量，造成利用率未达到规划目标的主要原因可能是排放量增加。 4.矿井水利用面临的突出问题 一是大部分矿井水未纳入水资源统一管理与调度。据水利部门统计，2019年纳入水资源统一管理与调度的矿井水仅为6.2亿m3。二是矿井水利用率依然较低。2020年还有21.3%的矿井水未得到利用，水量约15亿m3。三是区域不平衡。华北地区煤矿矿井水利用率达到90%以上，中南、西南地区利用率约为65%，西北地区利用率约为75%；非煤矿山矿井水利用率平均在30%～40%，与国内外先进水平差距很大。四是管理薄弱，激励约束机制不健全。矿井水利用是一个跨部门、跨行业的系统工程，至今没有统一的管理办法，没有规范的统计制度和办法，基础数据缺失，缺少科学合理的规章制度和技术标准，无法实施有效的宏观管理和调控，导致矿井水利用重经济效益，轻生态效益。 1.2研究内容 本书从非常规水纳入区域水资源统一配置的角度，总结区域矿井水(含选矿废水)和有色矿选矿废水纳入水资源配置的技术方法，通过4个典型示范方案解析优化配置技术方法在具体实践中的应用。主要研究内容包含：①我国矿井水利用状况；②矿井水水优化配置技术；③基于生态修复的矿井水优化配置模式；④基于湖泊水生态保护的矿井水综合利用模式；⑤基于煤矿小循环和园区大循环的矿井水综合利用模式；⑥基于场内循环与场外减排的区域选矿废水循环利用模式。 本书矿井水综合利用示范案例以典型矿区及其所在区域为研究对象，通过分析区域水资源供需状况、计算区域矿井水涌水量及可利用量，结合矿井水的量质特点和潜在用水户分析，将其纳入区域水资源统一配置，构建含矿井水的区域多水源多用户多目标优化配置模型，综合考虑各水源量质特征、用水户用水需求及配置优先顺序等约束条件求解模型，得到*优配置方案，并提出相应的重点输配水工程等，*终形成区域矿井水优化配置技术示范方案和有色矿选矿废水循环回用与减污增效技术示范方案。案例涉及的4个研究区域包括：中煤陕西榆林能源化工有限公司所属大海则煤矿所在的陕西省榆林市榆横矿区北区，纳林河2号矿、营盘壕、巴彦高勒、母杜柴登、门克庆和葫芦素6座煤矿所在的内蒙古鄂尔多斯市乌