废弃矿井地下水污染风险评价系统开发

李 庭，冯启言，周来，朱雪强

（中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221116）

我国对煤炭资源的高强度开采已使部分老矿区煤炭资源趋于枯竭，如淄博、徐州、肥城、枣庄、峰峰、焦作、沈阳等矿区，部分井工矿井开采深度已接近开采极限。由于煤炭资源枯竭、深部煤层赋存条件复杂、开采条件恶劣、瓦斯、水害、地热等灾害频发，致使很多煤矿已经关闭或即将关闭。同时，为了保证煤炭资源安全和有序开采，国家陆续出台了相关政策，大力整合煤炭资源，已对数万小煤矿进行了关闭和整合，根据能源局的统计，我国的煤矿数量已从1990年的80 000多处减到目前的13 000余处。在未来几年，废弃矿井还将继续增加，废弃矿井带来的安全与环境问题也将愈发突出，其中，废弃矿井引发的地下水污染将越来越严重，并会带来一系列水环境安全风险，因此，监控和评估废弃矿井的地下水污染风险并制定和采取有效的保护措施对废弃矿井的安全处置和矿区水环境保护具有重要意义。

国外对矿井闭坑后污染地下水的研究始于20世纪80年代，美国、德国、韩国等地的研究者通过长期的监测、大量的实验以及数值模拟等方法进行了相关研究[1-3]。例如Paul L.Younger等，对废弃矿井水的水质变化、水文地球化学、废弃矿井水系统模型概化、地下水回弹淹没矿井的过程等作了深入研究[4-6]。国内方面，煤炭科学研究总院西安研究院的虎维岳、周建军等学者对废弃矿井地下水污染特征、含水介质场特征和地下水回灌等进行了研究[7-10]，另外辽宁工程技术大学、中国矿业大学的部分学者也开展了闭坑对地下水系统的污染及防治的研究[11,12]。目前，我国尚无废弃矿井地下水污染风险评价的相关研究，更缺乏相关的评价系统及软件，矿井闭坑后对地下水的危害无法度量与预测，不利于相关部门的管理与监督。为此，本文研究与构建了废弃矿井污染地下水污染风险评价模型，并基于该模型设计与开发了废弃矿井地下水污染风险评价系统。该系统可以快速地对已关闭或规划关闭的矿井进行地下水污染风险进行评价，对规范废弃矿井的管理和煤矿建设项目后评价具有重要意义。

1废弃矿井地下水污染风险评价方法

1.1废弃矿井地下水污染主要模式

矿井关闭停止疏排水后，水位逐渐回弹，随着回弹水位的不断增高，矿井水有可能反向补给含水层，从而造成地下水污染。根据废弃矿井与目标含水层之间的水力联系类型，可以将废弃矿井污染地下水的主要模式分为以下4种：

(1)顶板导水裂隙串层污染：煤层开采对覆岩造成极大的破坏，形成导水裂隙带，开采时导水裂隙带范围内含水层地下水下泄，形成矿坑涌水，当煤矿关闭停止排水后，水位回弹至初始水位，矿井中的污染物随着地下水的运移而迁移，造成上覆含水层的串层污染，甚至顶托污染第四系松散含水层。

(2)底板采动裂隙串层污染：煤层开采造成底板岩层破坏，裂隙发育，沟通了矿坑与底板含水层的联系，当底板含水层水位低于回弹水位时，矿井水将污染底板含水层。

(3)封闭不良钻孔串层污染：煤田勘探和生产阶段，需要施工大量的钻孔，包括地质孔、水文地质孔、井下放水孔、瓦斯抽放孔等等，这些钻孔部分封闭不良造成不同含水层的水力联系，矿井污染物通过这些钻孔进入含水层，污染地下水。

(4)断层或陷落柱串层污染：采煤过程中，断层或陷落柱是煤矿突水的重要通道，煤矿关闭后水位回弹，矿井水携带污染物反补给充水含水层，从而造成地下水污染。

1.2废弃矿井地下水污染风险分析

通过前面对矿井废弃后污染地下水的模式的分析，整个污染风险可以总结为以下三个部分：

(1)污染源风险：可以将整个废弃矿井视为污染源，风险主要来自于煤炭开采等人为活动对煤系含水层的影响与破坏，以及产生污水的水质及水量。

(2)污染通道风险：污染物迁移主要是受作为通道的煤系含水层的渗透性的影响。此外，废弃矿井回弹水位与目标含水层最低水位的水力梯度差，以及两者之间的位置关系也是重要的风险因素。

(3)污染受体风险：污染受体的风险主要是指目标含水层遭受污染后的损害程度，评价指标主要有水量、水质和功能。

1.3评价指标体系及评价模型

根据废弃矿井地下水污染模式及污染风险分析，本文筛选出包括污染源风险、污染通道风险、污染受体危害性3大影响因素的15个评价指标，见表1。

在评价指标确定后，还需要确定指标的权重，用来反映各个指标对整体风险“贡献”的大小。本项目选用目前最常使用的层次分析法，经过计算后各指标的权重大小见表1。

表1废弃矿井地下水污染风险评价指标体系

最后，基于迭置指数法的原理与方法，采用加权求和法建立废弃矿井地下水污染风险评价综合指数模型，见公式1。

式中，R为废弃矿井地下水污染风险评价综合指数，xi为第i个评价指标的评分值，ωi为第i个评价指标的权重。

2评价系统设计与开发

2.1系统开发环境

本系统采用.Net Framework技术开发，开发工具选择微软的Visual Studio 2010，开发语言选用的C#。在数据存储方面，由于本系统主要侧重于风险评价，而非信息管理系统，数据量不大，对数据库要求不高。因此，在综合考虑更好移植性、兼容性以及用户安装难易程度的基础上，本系统采用Access。

2.2系统结构设计

废弃矿井地下水污染风险评价系统的核心功能需求是，实现政府管理者、矿山企业等不同用户能够快速利用该系统，对矿井闭坑后污染地下水的风险等级进行初步识别，并给出相应的防治方案，为相关部门的管理与监督提供参考。根据对功能需求的分析，系统结构设计如图1所示。系统核心功能为风险评价功能与评价项目管理，配置与帮助菜单为辅助功能。

2.3数据库设计

通过对废弃矿井地下水污染风险评价功能需求的分析，设计如下实体：

(1)项目信息表：存储评价项目的相关信息，主要包括项目名称、评价用户、评价时间、矿井名称、地点、评价单位、闭矿时间、评价状态、评价结果、说明等字段。

(2)参数信息表：存储评价项目的具体参数信息，包括工程名称，以及十五个评价指标。

(3)用户信息表：主要包括用户名、密码、申请时间、权限等字段。

(4)配置信息表：存储系统分级参数配置信息，包括各个评价指标的分级信息、权重等。

图1系统结构

2.4主要功能的实现

（1）系统主界面:用户登录后进入系统首页界面（如图2所示），在系统首页界面上集成了“开始评价”、“项目管理”与“系统介绍”这三个主要功能。首次使用系统的用户，可以通过“系统介绍”功能对系统功能、特点以及系统使用进行了解和学习。

图2系统首页界面

（2）风险评价：用户在系统首页界面点击“开始评价”按钮后，进入风险评价模块。风险评价模块的菜单组主要以流程化的工具提供交互界面，实现对废弃矿井地下水污染风险评价。开始评价后，首先会弹出新建项目信息对话框，让用户输入废弃矿井的相关信息。完成新建项目信息输入后，系统会按照顺序，让用户输入十五个评价指标的参数，如图3所示。系统在界面中提供了详细的参数说明信息，同时，并提供了后台参数验证功能，以保证用户输入的正确、有效。

图3评价指标的参数输入界面

用户输入完参数后，单击评价按钮，即可显示该矿区的风险评价总分与分级情况。评价完成后，系统会自动生成标准Word格式的评价报告。

（3）评价项目管理

评价项目管理界面如图4所示，界面左边为历史项目名称，右边为具体的项目信息。该功能模块可以让用户对历史评价项目进行查询、删除、修改评价参数、查看评价结果、重新生成评价报告等管理操作。

3结语

本系统基于对废弃矿井地下水污染风险研究的基础上，通过信息化技术设计与开发了废弃矿井地下水评价系统软件。该系统有良好的人机交互，用户只需要按照系统的指示一步一步的操作即可完成整个评价，实现了让政府管理者、矿山企业等不同层次的用户都能快速对矿井闭坑后污染地下水的风险进行评价的目标，利于推广，可以为相关部门对废弃矿井的管理与监督提供参考。当然该系统在功能上、适应性上也还有许多不足，有待进一步的完善与改进。

[1]Wolkersdorfer C.Water management at abandoned flooded underground mines[M].Springer,2008.

[2]Cravotta III C A.Dissolved metals and associated constituents in abandoned coal-mine discharges,Pennsylvania,USA.Part 1:Constituentquantitiesand correlations [J].Applied Geochemistry,2008,23(2):166-202.

[3]Cheong Y W,Yim G,Ji S W,et al.Water quality changes of a closed underground coal mine in Korea.[J].Environmental monitoring and assessment,2012,184(1):503-513.

[4]Younger P L.Coalfield abandonment:geochemical processes and hydrochemical products[J].Nicholson K.,Energy and the Environment.Geochemistry of Fossil,Nuclear and Renewable Resources.Society for Environmental Geochemistry and Health.McGregor Science,Aberdeenshire,1998:1-29.

[5]Younger P L.Predicting temporal changes in total iron concentrations in groundwaters flowing from abandoned deep mines:a first approximation[J].Journal of Contaminant Hydrology,2000,44(1):47-69.

[6]Adams R,Younger P L.A strategy for modeling ground water rebound in abandoned deep mine systems[J].Ground Water,2001,39(2):249-261.

[7]虎维岳,闫兰英.废弃矿井地下水污染特征及防治技术 [J].煤矿环境保护,2000(04):37-38.

[8]周建军,虎维岳,刘英锋.废弃矿井含水介质场特征和水流运动特征分析[J].煤炭科学技术,2011(01):107-110.

[9]虎维岳,周建军,闫兰英.废弃矿井水位回弹诱致环境与安全灾害分析[J].西安科技大学学报,2010(04):436-440.

[10]周建军,虎维岳,侯大勇.废弃矿井地下水淹没过程的水流与水位数值模拟[J].煤田地质与勘探,2011(04):28-31.

[11]冯美生.废弃煤矿对地下水污染研究[D].辽宁工程技术大学,2007.

[12]刘埔,孙亚军.闭坑矿井地下水污染及其防治技术探讨[J].矿业研究与开发,2011(04):91-95.