煤炭矿井水利用风险评价指标体系构建

郭欣伟，白 乐，张 楠，刘政平

（1.黄河水利科学研究院，河南 郑州450003；2.水利部 发展研究中心，北京100038）

煤炭长期占据我国能源消费结构的主体地位，煤炭开采为我国能源安全提供了重要保障［1］。煤层深埋地下，开采过程中必然会扰动地下水含水层，为保证采煤生产安全，必须将渗漏进入矿井巷道的地下水排出工作面，形成外排的矿井水［2］。我国主要亿吨级大型煤炭基地大部分位于水资源匮乏、生态环境脆弱的干旱缺水地区，大规模的矿井水外排会导致一系列生态环境和水资源浪费问题［3］。黄河流域煤炭资源富集但水资源短缺，作为我国煤炭生产潜力最大的区域，其煤炭年产量约占全国年产量的70%，每年产生的矿井水量为12亿m3以上。在黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略实施背景下，综合利用外排矿井水，缓解区域水资源供需矛盾，避免生态环境污染，是落实黄河流域水资源节约集约利用要求的重要途径。国家发展与改革委员会与水利部联合印发的《国家节水行动方案》明确要求“在缺水地区要加强非常规水利用，强制推动非常规水纳入水资源统一配置，逐年提高非常规水利用比例”［4］。2021年1月，国家发展改革委员会等十部门联合发布《关于推进污水资源化利用的指导意见》，提出要积极推动工业废水资源化利用，实施区域再生水循环利用工程。然而，矿井水利用是一个系统性工程，矿井水从井下排出地面到综合利用过程涉及收集、储存、输送、处理、再利用等环节，各个环节之间相互影响、相互制约，一旦某个环节出现问题将对矿井水安全利用构成重大影响。如何安全高效利用矿井水，有效规避影响利用的潜在风险是亟须研究的课题。目前国内外对矿井水利用相关研究主要侧重于矿井水处理［5-6］、矿井水污染［7］、矿井水资源优化配置［8］、矿井水综合利用途径及方式［9-14］等方面，而对于煤炭矿井水利用过程风险及相关评价研究较少。本研究在全面梳理矿井水利用过程风险因素基础上，构建矿井水利用风险评价指标体系，以期通过风险评价发现矿井水利用过程可能面临的风险，防范和规避不利影响。

1 煤炭矿井水利用风险概念

目前国内外对于矿井水利用还没有统一规范的术语和定义，欧盟（EU）、美国环保局（EPA）、国际标准化组织（ISO）等国际组织或国家机构常采用water reuse、water recycling、water reclamation等术语表达矿井水等非常规水资源利用［15］。我国水利部、生态环境部、中国煤炭工业协会等部门及《水资源术语》（GB/T 30943—2014）、《煤矿矿井水分类》（GB/T 19223—2015）相关术语标准常采用矿井（矿坑、疏干）水（综合）利用等方式描述［16-18］。通常，上述定义和术语均强调对矿井水进行综合利用的结果，而本研究着眼于矿井水安全利用全过程和各环节可能面临的风险，因此将煤炭矿井水利用定义为:在煤炭资源开采过程中伴生的多余矿井水，经过统一收集、储存、输送、处理等环节后进行矿井水资源综合利用的过程。进一步将矿井水利用风险定义为:在矿井水收集、储存、输送、处理、利用过程中受工程、生态、技术、政策、经济、社会条件等多因素共同作用下，矿井水供给侧和需求侧受到不利影响的可能性。

根据矿井水利用过程中受到不利影响的因素分析，其风险计算式为

R=αA+βB

式中:A、B分别为矿井水利用供给侧和需求侧存在的风险性；α、β分别为供给侧和需求侧对应风险因子的综合权重。

2 矿井水利用评价指标体系构建

2.1 矿井水利用风险影响因素及特点分析

矿井水利用包括收集、储存、输送、处理、利用等环节，受工程、生态、技术、政策、经济、社会等多重因素的影响和约束，不同利用条件下系统复杂多变，利用链条普遍较长，每一环节的不确定因素都会被放大成为整个利用过程的风险。同时，各个因素发生的时间及其影响范围和程度等都具有随机性，矿井涌水量、水质污染类型、降水量、处理工艺技术稳定性、资金成本等均具有一定的不确定性，这些不确定性难以用某个数学公式或某个简单的定量指标准确表述，需要通过建立科学的评价指标体系来对风险因素进行评估，多种不确定性的风险因素主要体现在供给侧和需求侧。

2.1.1 供给侧的不确定性

供给侧影响矿井水利用的风险因素包括工程条件约束、生态环境约束和技术水平约束。矿井工程条件方面，如矿区水文地质条件、涌水量的稳定性、地下水水质、与需求侧之间的高差和距离等，都会直接影响矿井水是否能够被安全利用。矿井周边生态环境条件方面，如当地水资源条件、水域纳污能力等生态环境约束也会对矿井水利用产生影响，水资源越短缺的地区企业利用矿井水的积极性越高，而丰水地区获取常规水源代价更小，因此利用矿井水的积极性相对较低。矿井水处理技术水平方面，由于不同的水文地质条件、不同矿井水水源的补给来源会导致矿井水水质千差万别，各种矿井水水质（悬浮物、高矿化度、含重金属、高氟、酸性、碱性、含放射性污染物）需要采用不同的处理工艺和处理方法，因此处理工艺技术能否满足水质要求较高的用水户需要是利用矿井水时必须考虑的因素。

2.1.2 需求侧的不确定性

需求侧影响矿井水利用的约束条件包括经济条件、政策法规和社会认可。矿井水利用经济性方面，由于矿井水源稳定性和可靠性往往难以和地表水、地下水等常规水源相比，矿井水供水价格、矿井水处理成本、节约排污费、节约水资源税等都将决定矿井水能否被安全利用，因此矿井水利用是否经济是需求侧在选择水源时的重要考量因素。政策法规方面，矿井水利用的制度是否健全、当地是否有配套的税收优惠和财政补贴激励措施等因素会直接影响矿井水能否被安全利用，区域取水总量控制、取水许可要求、污水资源利用等相关政策法规完善与否也会一定程度上促进或阻碍矿井水利用。社会认可方面，全社会对水资源节约和环境保护的认同是一个重要影响因素，政府和公众若能形成良好的节水、环保意识，将大大推动矿井水的利用；此外，社会公众对矿井水用于灌溉、生活饮用等的接受程度也是需要考虑的因素之一。

矿井水利用主要约束因素及风险点见图1。

图1 矿井水利用主要约束因素及风险点

2.2 矿井水利用风险评价指标体系构建方法及原则

2.2.1 指标体系构建方法

目前，国内外对于风险评价指标体系构建及风险评价方法已非常成熟，广泛使用的方法包括层次分析法（AHP）、模糊综合评判法、灰色关联度法、TOPSIS法、主成分分析法等。矿井水利用风险既有定性因素，又有定量因素，且相当多的因素在结构上具有递进层次的形式，同时矿井水利用系统具有过程复杂、链条长的特点，需要考虑各个风险因素间的相互关系，并充分顾及矿井水利用系统全局所处的环境风险。考虑上述要求，选择层次分析法构建矿井水利用风险评价指标体系。层次分析法作为一种综合评价方法在风险评价中得到广泛应用，该方法通过将复杂问题分解为若干层次和若干因素，对两两指标之间的重要程度进行比较判断，建立判断矩阵，通过计算判断矩阵的最大特征值以及对应特征向量，得出不同方案重要性程度的权重。

2.2.2 构建原则

风险评价指标体系构建是否科学、合理，将直接影响矿井水利用的安全评价和相应的管控措施。根据矿井水利用供需两侧风险影响因素，考虑矿井水利用特点，按照以下原则构建风险评价指标体系。

（1）系统原则。考虑矿井水利用受多种因素影响，风险因子具有多样性和复杂性，本次所选取的指标力求涵盖矿井水利用主要影响因素，体现层次分明、脉络清晰、系统完善的原则。

（2）定性和定量相结合的原则。一些矿井水利用影响因素难以直接定量描述，因此指标体系的构建应在尽可能体现定量化的同时兼顾定性指标。

（3）独立易评价原则。各影响因素间有的具有一定的关联关系，应努力避免指标间的重叠及显见的包含关系，从而有效保证指标间的独立性。指标的概念应明确、清晰，量化及数据收集应易于操作，方便进行快速评价。

2.3 指标体系结构及其权重

综合考虑矿井水利用过程中的各种风险因素，按照评价指标体系构建原则，从供需两侧构建矿井水利用风险评价指标体系，采用层次分析法计算各项指标权重。对于定性指标，采用模糊数学方法量化，将定性指标划分为高风险、中风险和低风险3个等级，评估时采用最大隶属度原则确定指标等级。体系结构及指标权重见表1。

3 矿井水利用风险评价模型及等级划分

表1 矿井水利用风险评价指标体系

按照矿井水利用风险概念，结合叠置指数评价方法，采用加权求和的形式，建立矿井水利用风险评价综合模型:

式中:R为矿井水利用风险评价综合指数；Ai、a i分别为工程条件约束第i项指标得分和权重；B j、b j分别为生态环境约束第j项指标得分和权重；C k、c k分别为技术水平约束第k项指标得分和权重；D l、d l分别为政策法规约束第l项指标得分和权重；E m、e m分别为经济条件约束第m项指标得分和权重；F n、f n分别为社会认可约束第n项指标得分和权重。

采用矿井水利用风险评价综合模型进行评价时，对每个评价指标的评分方法为:对照矿井水利用风险评价指标体系，分高、中、低3个等级对指标赋分，风险越低则得分越高。通过计算得知，矿井水利用风险评价综合指数（R）随机分布在40～100之间。采用等间距法，将矿井水利用风险评价等级划分为高风险、中风险、低风险3个等级，见表2。

表2 矿井水利用风险评估等级划分

4 实例应用

4.1 研究区概况

以榆林市榆阳区西红墩煤矿为例，对其进行矿井水利用风险评价。井田南北长18.0～21.5 km，东西宽12.5 km，面积约235.86 km2。设计开采规模为1 000万t/a，配套建设选煤厂规模为1 000万t/a，项目生产用水全部取用矿井水，生活用水大部分取用地下水（洗澡、洗衣服用水取用矿井水），剩余矿井水由输水泵输送至配套的煤化工项目场地作为生产用水。由于矿井水矿化度较高，常规工艺处理后无法满足回用要求，因此深度处理设计采用超滤+反渗透工艺。

4.2 评价结果

使用构建的矿井水利用风险评价模型对该煤矿矿井水利用进行风险评价，主要评价指标见表3，评价结果显示煤矿矿井水利用风险评价综合指数（R）为76.6，属于中风险等级，接近低风险等级。主要的风险指标在于矿井水矿化度较高，常规工艺处理后，溶解性物质无法去除，水质仍较差，溶解性总固体、总硬度、硫酸根等指标不满足用水要求，甚至不符合杂用水水质标准。因此，在利用矿井水时需要采用反渗透处理设施进行处理，并加强矿井水水质、水量动态监测，以降低矿井水利用风险。

表3 矿井水利用评价指标

5 结 语

（1）随着黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略实施，国家对缺水地区非常规水资源利用的支持力度将前所未有，各部门也将不断推动非常规水资源纳入水资源统一配置，包括矿井水在内的非常规水资源的巨大潜力将进一步得到释放，矿井水开发利用将迎来新的发展机遇，但目前国内外矿井水利用风险评价相关研究甚少，矿井水利用的风险管控应引起足够重视。

（2）本文初步构建了煤炭矿井水利用风险评价指标体系，并对典型矿区进行了风险评价，通过设计科学合理的风险评价指标体系能够有效了解矿井水利用中的风险状态，并能够识别影响矿井水利用风险的主要因素，从而有针对性地实施降低矿井水利用风险的防范措施。

（3）矿井水利用包括收集、储存、输送、处理、再利用等环节，链条长、影响因素复杂，其风险管控是十分复杂的系统问题，在今后的研究中应对矿井水利用进行全面系统调研分析，加强对矿井水利用各环节的基础数据统计与观测试验，提高相关风险因子和风险状态的识别准确度，进一步提高风险评价指标的科学性和准确性。