模糊综合评价法在煤矿矿井水现状评价中的应用

罗道华

（福建省华厦能源设计研究院有限公司 福建福州 350001）

煤矿在井下开采过程中不可避免地疏放顶底板的地下水从而产生矿井水。研究表明2019 年全国煤矿矿井水产量达到71 亿m3，华东地区煤矿矿井水的产生量达到1.59 m3/t［1］。矿井水抽排一方面会引起地下水资源流失，另一方面矿井水直排诱发地表水和浅层地下水污染，影响浅地表生态环境，同时也给矿区周边居民的生产及生活用水带来不利影响。

矿井水通过净化再利用，可以解决矿井水污染矿区水源和环境的问题，也可以作为水资源不足矿区的有效补充和替代，缓解矿区缺水问题，实现变废为宝，化害为利。对煤矿矿井水资源进行合理的现状评价，了解矿井水水质情况，是矿井水净化利用的重要前提［2-5］。

煤矿矿井水是多元复杂体系，影响水质的因素众多，规律各不相同，给水质评价带来了模糊性和不确定性［6］。常用的水质评价方法主要有单因子分析法［7］、污染指数法［7-9］、灰色评价法［6，10］、模糊数学法［2-5］和人工神经网络法［11］等。这些方法各具特色，但也有各自的适用范围和局限性。模糊综合评价法兼顾了污染程度、分类标准、评价等级等模糊概念，符合水环境系统中各因素的不确定性、随机性和模糊性，在工程实际中有较多成功应用，如卞惠瑛等［2］利用模糊综合法评价榆神府矿区矿井水现状，刘玥等［4］对铅锌矿周边地表水进行现状评价，潘妍妍等［5］对山西潞安矿区矿井水现状评价。

福建省作为生态文明建设示范区，全面关停产能≤9 万t/a的小煤矿，并大力推行煤矿安全绿色开采，对矿井水资源化利用愈发重视。龙岩市和三明市是福建省的两大主要产煤区，煤矿数量较多，因此本文选取福建闽西地区7 家煤矿矿井水（龙岩市3 家和三明市4 家）作为研究对象，运用模糊综合评价法对不同煤矿矿井水水质现状进行评价，为煤矿矿井水的污染治理和综合利用提供一定的参考价值。

1 研究区概况

福建省井田地质构造复杂，走向及倾向上的断裂、褶曲构造均十分发育，煤层稳定性较差，多为极薄、薄煤层，因地质条件限制采用机械化开采的水平较低，均采用地下开采，采煤工艺为炮采［13］。本文以三明市4 家煤矿矿井水和龙岩市3 家煤矿矿井水为研究对象，煤矿地理位置见图1，7 家煤矿的矿区范围、年开采规模、已开采时间及正常涌水量等基本情况见表1。

图1 福建省闽西7 家煤矿地理位置图

表1 福建省闽西7 家煤矿基本信息表

2 水样采集与分析

本研究于2020 年7 月27 日—28 日对7 家煤矿矿井水进行统一采样，每个矿山在矿井水沉淀池出口设置1 个采样点，采样时间为1 d，采样频次为采集3 个瞬时水样，混合成1 个水样。测试项目包括总硬度、氟化物、氯化物、硫酸盐、硝酸盐、锌、砷、汞、铁、锰、铅、镉、六价铬、矿化度等14 项指标。由于矿井水评价标准参照《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017），因此矿井水样品的采集、保存、测试方法均参照《地下水环境监测技术规范》（HJ/T 164—2004）。

采样前，先用采样水荡洗采样器和水样容器2 次～3 次，每个水样采集2 L，使用聚乙烯塑料瓶储存。采样过程，记录各水样采集日期和时间、监测项目、地点、采样人等信息。铅、锌、铁、锰、镉元素的测定采用原子吸收分光光度法；砷、汞的测定采用原子荧光分光光度法；六价铬、硫酸盐、硝酸盐的测定采用可见分光光度法；总硬度、氯化物的测定采用滴定法；氟化物的测定采用离子选择性电极法。

3 模糊综合评价原理

模糊综合评级法以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清、不易定量的因素定量化，从多个因素对被评价事物隶属等级状况进行全面综合评价的一种方法。该评价方法用于矿井水水质评价的步骤如下［3］。

3.1 确定因素论域和评级论域

设矿井水水质因素集为U={u1，u2，u3，…，un}，式中ui为参与评价的第i 个水质因子的监测结果；本文矿井水评价标准参照《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017），设矿井水质量评语集为：V={v1，v2，v3，…，vm}，式中vj为与ui相应的第j 个评价标准的集合。

3.2 建立隶属函数

因素论域（各水质因素）和评级论域（评价等级）之间的模糊关系可以用模糊关系矩阵R 来表达，将其称为单因素评判矩阵，如公式（1）。

式中：rij表示第i 种污染物的水质因子数据值，可以被评为第j级评级等级的隶属度。本文采用降半梯法确定隶属度，具体见公式（2）～（4）。

对于第1 级：

对于第i 级：

对于第m 级：

其中Si={S1，S2，…，Sm}表示地下水环境质量标准集合。

3.3 权重因子的确定

由于各评价因子在水质评价中作用的大小不同，因此应按其贡献分别赋予不同的权重。本文采用污染物超标倍数赋权法，并将权值进行归一化处理，组成模糊矩阵A，即为因子权重集。具体见公式（5）～（7）。

式中：xi表示被评价指标中第i 种污染物的实测浓度；ei表示第i 个被评价指标的权重，ai表示第i 个评价指标的归一化权重。

3.4 模糊综合评价数学模型

综合考虑各评价指标权重系数，得到综合评判矩阵B。

式中：B=（b1，b2，…，bm）表示评价结果集，bi表示评价对象对第j个评价等级的隶属度。

按照最大隶属原则，确定矿井水最终所属的评价等级。

4 煤炭矿井水模糊综合评价

4.1 评价因子和评价标准的选择

选取矿井水中14 项监测因子构成评价因素的集合：U={总硬度，氟化物，氯化物，硫酸盐，硝酸盐，锌，砷，汞，铁，锰，铅，镉，六价铬，矿化度}，各监测点水质监测数据见表2 所示。

表2 福建省闽西7 家煤矿矿井水监测数据 单位：mg／L

地下水水质等级分为5 级，参照其标准，矿井水质量评语集为：V={Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级，Ⅳ级，Ⅴ级}，矿井水评价等级及水质用途见表3。本文选用的14 项监测因子对应各个评价等级的标准限值vj详见表4。

表3 矿井水评价等级及水质用途

表4 矿井水水质评价标准限值 单位：mg／L

4.2 建立模糊矩阵R

根据公示（2）～（4）分别建立各评价因子的隶属函数，上述7 家煤矿矿井水的监测值对每个评价因子ui进行单因素评价确定其隶属度ri，每个矿山的各评价因子的隶属度的集合构成一个模糊矩阵R。以XIT 煤矿为例，计算出隶属度后，形成XIT煤矿矿井水的模糊矩阵RXIT 见公式（9）。

4.3 确定权重系数

根据公式（5）～（7）确定7 家煤矿监测点的每个评价因子的权重系数，评价因子监测结果低于检出限，以检出限的半数参与计算。以XIT 煤矿为例，经计算XIT 煤矿各评价因子的因子权重集AXIT为{0.173（总硬度），0.072（氟化物），0.005（氯化物），0.007（硫酸盐），0.002（硝酸盐），0.002（锌），0.001（砷），0.003（汞），0.002（铁），0.594（锰），0.000 05（铅），0.000 005（镉），0.006（六价铬），0.134（矿化度）}。同理计算其余6 家煤矿各评价因子的权重系数ai，详见表5。

表5 福建省闽西7 家煤矿矿井水评价因子的权重系数

4.4 模糊综合评价结果

根据公式（8），采用归一化加权平均模型，计算得XIT 煤矿模糊综合评价结果为BXIT=AXIT·RXIT={0.067，0.052，0.162，0.162，0.556}，根据最大隶属度原则，0.556 数值最大，故XIT 煤矿矿井水水质评价等级为Ⅴ级。同理，对其余6 家煤矿矿井水的模糊综合评价结果见表6。

表6 福建省闽西7 家煤矿矿井水模糊综合评价成果

根据表6 的评价结论，除了三明市SJK、CPL 两家煤矿矿井水水质为Ⅳ级，其余五家煤矿矿井水水质为Ⅴ级。

5 讨论与结果

（1）本研究选取14 项监测因子进行矿井水水质评价，根据权重系数的分析结果，XIT 煤矿矿井水的主要影响因子：锰（0.594）；SUQ 煤矿矿井水的主要影响因子：氟化物（0.416）；SJK 煤矿矿井水的主要影响因子：氟化物（0.446）；CPL 煤矿矿井水的主要影响因子：锰（0.271）、总硬度（0.246）；LOT 煤矿矿井水的主要影响因子：锰（0.486）、总硬度（0.285）；CPS 煤矿矿井水的主要影响因子：总硬度（0.351），锰（0.333），矿化度（0.240）；BES 煤矿矿井水的主要影响因子：锰（0.649）。综上，福建省闽西地区不同煤矿矿井水的主要影响因子略有不同，主要集中4 个因子分别为锰、总硬度、氟化物和矿化度。

（2）模糊综合评价法兼顾了不同水质因子的影响，对煤矿矿井水进行全面综合评价，本研究结论：三明市SJK、CPL 两家煤矿矿井水水质为Ⅳ级，其余5 家煤矿（XIT、SUQ、LOT、CPS、BES）矿井水水质为Ⅴ级。三明市SJK、CPL 两家煤矿矿井水水质优于其余5 家煤矿（XIT、SUQ、LOT、CPS、BES）矿井水水质。

（3）三明市SJK、CPL 煤矿矿井水可直接供工农业用水使用（包括用于选煤、井下消防、绿化和道路除尘用水）；其余5家煤矿（XIT、SUQ、LOT、CPS、BES）矿井水可直接用于井下消防、绿化和道路除尘用水等；XIT、SUQ、BES 煤矿矿井水可直接用作农田灌水（矿化度≤1 000 mg/L），LOT、CPS 矿井水需要选择电渗析法、反渗透法等进行除盐后可用于用作农田灌水；三明市4 家煤矿（XIT、SUQ、SJK、CPL）矿井水可用作选煤用水（总硬度≤500 mg/L），龙岩市3 家煤矿（LOT、CPS、BES）矿井水需要选择电渗析法、反渗透法等进行除盐后可用作选煤用水。