（水文学及水资源专业论文）彬长矿区矿井水资源化及坑口电站净水厂优化选址研究.pdf

摘要 水资源是与人类生存、社会发展息息相关的自然资源，是生态环境系统中最 活跃和影响最广泛的因素。随着经济发展、人口增长和人们的物质文化生活水平 的提高，世界各地对水的需求日益增长，水资源已成为当今世界各国社会经济发 展的制约因素，引起普遍关注。我国北方地区主要建火力发电厂，建坑口电站更 为经济节约，但建坑口电厂必须要解决水源问题。长期以来，由于技术所限和认 识不足，矿井水被当作水害加以预防和治理，矿井水被白白排掉而未加以综合利 用和保护。毫无节制的排水不仅大大浪费水资源、增加了吨煤成本，而且还导致 地面塌陷、地下水资源流失、水质恶化等环境问题。因此，合理开发利用矿井水， 使矿井水资源化，是解决矿区和坑口电站水源问题和矿井水污染环境问题的最佳 选择。 本文在分析彬长矿区地质及水文地质条件的基础上，分别用“大井法”和水 文地质比拟法计算了亭南井田、大佛寺井田、胡家河井田和小庄井田四矿的矿井 涌水量，分析四矿矿井向大唐彬长坑口电站的供水能力，并对矿井水的水质进行 了评价，研究了矿井水作为电站供水水源的可行性。在选择电站净水厂位置时， 使用了近年新兴的蚁群算法，通过对基本蚁群算法进行改进，设计了用于平面选 址问题的具有变异特征的蚁群算法，将其成功地应用于净水厂选址的最优化决策 中。通过计算机仿真，分析讨论了蚁群算法中主要参数的选取，得到了用于解决 本文问题的蚁群算法的合理参数。计算机仿真结果表明，该算法是有效的，并有 广泛的应用前景。最后一章通过对矿井水资源化的效益分析说明矿井资源化具 有很好的社会效益、经济效益和环境效益。 本文不仅可以为我国北方地区的矿井水资源化提供一些参考经验，同时蚁群 算法的成功运用也为工程建设的规划工作提供了一种可供使用的决策工具，有助 于提高规划工作的科学性和效率，具有一定的理论和实际意义。 【关键词】矿井水资源化蚁群算法变异彬长矿区 a b s t r a c t t h ew a t c ir e s o u r c ei so n ck i i l do fn a i u r a lr e s o u r c e sw h i c hi sc l o s e l vl i n k e dw n h c h ep e o p i c sl i v i l 】ga n di h ed e v e 【0 p m e n co ft h cs o c i e c yi t i so n eo fi h em o s ta c f i v ea n d f a r r e a c h i i l g f a c c o r si nl b ce c o l o g i ce n v i r o n m e n ts y s l e m w i c ht h ed e v c l o p m e n to f e c o n o m ya n df h ef o ho ft h cp o p u l a f i o n 印dl h er i s i i l go fp e o p i e si i v i gs t a n d a r d ， f h ew a l e rr e q u i r e m e n ti si 1 1 c t e a s i n gi ne v e r yp l a c eo fl h ew o r l d t h ew a f c rr e s o u r c c h sb c e nar e s 打a 由e df a c t o ro fs o c i e t ya n de c o n o m yt oa l l l h cc o u m r i c si nt h ew o r l d ， a r o u s i l l gm u c ha t t e n f o n i i ln o r t h ( 孙i 1 1 a ，f h e r 1 0 e i e c l r i cp o w e rs t a c i o ni so f i e n s e l e c l e dc ob u i l d a n dt b ep j f h e a dp o w e rp l a n ci sm o r ee c o n o m j c a 【，b u tt h ew a t e r s o u r c cm i i s tb es o l v e d 斑s c l y f o ral o n gt i i n c ，b e c a u s eo fl i m n a t i o no fc e c h i c a la n d s b o r t a g co fr e a z a t i o n ，m j n ew a c e rh a sb e e np r c v c n t e da n dd i s p o s e do fa sw a t e r i t o u b i e a sa r e s u h ，a 【a r g e a m o u n fo f 曲ew a c e ri s d i s c h a r g e d w i f h o u t c o m 口e h e n s i v eu f i 【泣a c j o n i 姗o d e r a t ed i s c h a 唱eo fm m ew a t e rn o to n l yw a s t e sa g r c a td e a io fp r e c i o u sw a t e rr e s o u r c e s ，b u ca l s oi n c r c a s e sl h ec o s to fp e rt o nc o a ia n d c a u s c ss o m ee n v i r o n m e n i a l p r o b l e m ss u c ha sg r o u n dc o i l a p s i n g ，伊0 u n dw a t c r r e s o u r c ei o s s ，w a t e rq u a i 托yd e e e f i o r a l i o na n ds oo n t h e r e f o r e ，r a l i o n a fu t i 【i z a t i o no f m i n cw a t e ra sr e s o u r c ei st h eb e s tc h o i c eo fs o l v i l l gf h ew a t e rs o u r c ep m b l e mo fm 抽e s i f c 卸dp i t i i e a dp o w c r p l a n fa 【1 dt h ee n v 加衄e n t a ip m b 【c mo f 幽ew a t e rp o l i u t i o n i nl h i sp a pe r ，b a s e do na 】l a l y z i i 】gl h cc o n d i c i o no f f h eg e o i o g ya n dh y d m 簪o l o g y i 1 1b i n c h a n gm j 丑ea r e a ，t w 口m e h o d s ，m a j o rd i a m e t c rs i l a 矗m c f h o da n dh y d r 0 萨0 1 0 9 i c c o m p a r i s o nm e f h o d ，w e r eu s e dt oc a l c u l a t e f h en o w 吨y i c l do ft 缸g n a nc o l l i e r y ， d a f o s jc o u j c i xh u j i a b ec o l l j e f ya 丑dx i a o z h u a 丑gc o l l 衙弘n ew a f e rs u p p l yp o f e n 削 o ft h ef o u r l l i e r i e st ot h ed a t a n gb i l l g c h a n gp j l h c a dp o w e rp l a mw a sa n a l y z e da n d i h ew a c e rq u a l i t yw a sc v a l u a l e d 丁h e d 也ef c a s j b j l j f yo f u s j i 】gm j i 】ew a f c r a st h es u p p l y w a i c rs o u r c eo f f h ep l a n cw a sr e s e a r c h e d w h e ns e l e c n n gc h ea d d r e s so fw a c e r p u r i f i c a t i o np h n t ，t h ea u l h o ru s e dt h ea n tc o l o n ya 培o r i t h mb u 曙e o n i gi nr e c e n cy e a r s b yi m p r 0 v i n gt h eb a s i ca n tc o l o n ya l g o r “岫，c h ea u t h o rd e s 螗n e dai n u t a c e da n c c o l o n ya 【g o 血 1 i nw h i c ha d a p t e dt os 0 l v et h ep l a n a rl o c a l i o np m b l e ma n ds u c c e s s f u i l y a p p h e dnt ot h eo p c i i n i z a t i o np r o b l e mo fs e l e c t i n g1 0 c a t i o no fc h cw a t e rp u r j f i c a t i o n 1 p 【a m t l l r o u g hc o m p u t e rs i i l l u i a i i o n ，m a i l lp a r a m c c e ro fa i l cc o l o n ya l g o r n l l i l lw a s d i s c u s s e da n da n a l y z e da n di b es u n a b l ep a r a m c c e rf o rf h ep r o b l e mi i 】i h i sp a p e rw a s g a 沁d 1 1 1 er e s u l co fc o m p u t e rs i i l l u 【a l i o n i n d i c a l c st h a tt h ca l g o r i i i se 髓c l i v ca n d h a sw i d ea p p l i c a t j o nf o r c g r o u n d n eb e n c f i ta n a l y s i si i lt h el 雒tc h 印t e rs h o 粥t h a l m i cw a t c rr e s o u r c cc a nb r i n g0 b v i o u se c o n o m i cr e f u r i l s ，s o c i a 【e 丘鼍c ta n d e n v i r o 衄e n i a lb e n e 6 t s t h j sp a p e rc a np r o v j d es o m er c f c r e n c e dc x p e r i e n c ef o r i h e m i l l ew a t e r c o n v e r s i i l gt o r e s o u r c ei nl h en o r c hr e g i o ni no u r u n f r y m e a i l w h j l c ，s u c c c s s f u l 印p l i c a c i o no fa mc o 【o n ya 培o r 让h mp r 0 v i d e sad e c i s i o nm e i b o df 0 p l a j l l l i n gw o r ko f e 鸥i n e e 血gc o n s t r u c c i o n 1 m si sv e r yh e l p f i l lf o ra d v a n c 吨t h es c i e n c i f i c a l n e s sa n d e 丘c i e n c yo fp l a n n i l l gw o r k k 盯w o r d s ：m j n ew a t e r ；c o n v e r s i n gt or e s o u r c e ；a mc o l o n ya 培o f j i h r n ；m u i a t c ； b 硫h a d gm m ea r e a 2 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 万佛哗 i 御6 年咩bf ，b 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阕览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 巧彩绛 矽。，年审月坩 秀乞嵩 娜彳年够月膨日 j 如霹 1 绪论 1 1 问题的提出 水资源是与人类生存、社会发展息息相关的自然资源，是生态环境系统中最 活跃和影响最广泛的因素。随着经济发展、人口增长和人们的物质文化生活水平 的提高，世界各地对水的需求日益增长，一些国家和地区在六十年代就发生了水 资源危机 1 1 。水资源己成为当今世界各国社会经济发展的制约因素，引起普遍关 注。我国水资源总量虽然列居世界第6 位，但人均水资源在世界列8 8 位，人均 占水量是世界人均水平的四分之一，是一个贫水的国家【2 1 。特别是在我国西北地 区，日益严重的水资源匮乏和水环境污染已对该区的可持续发展构成了制约的瓶 颈【引。 矿井水主要来源于地下水，是由于采矿活动造成采动区域及其周边区域水文 地质系统与水文地质单元隔水构造的破坏，从而改变了地下水及地表水径流方向 和途径，最终在采空区或采动场所汇集、并在汇集过程中因物化作用与时间效应 遭受污染的、交替性差的水体【“。矿井水是煤炭生产过程中排放量最多的废水。 据1 9 9 3 年统计，我国国有重点煤矿年排矿井水约2 2 亿m 3 ，平均吨煤涌水量约 4 0 m 3 【引。而且随着煤炭工业的发展，矿井水的排放量还将不断增多。长期以来， 由于技术所限和认识不足，矿井水被当作水害加以预防和治理，矿井水被白白排 掉而未加以综合利用和保护。目前矿井水的利用率，平均只有2 2 ，其中北方国 有煤矿每年矿井水排放量达1 4 亿t ，利用率还不足2 0 【6 】。毫无节制的排水不仅 大大浪费水资源、增加了吨煤成本，而且还导致地面塌陷、地下水资源流失、水 质恶化等环境问题。此外，部分矿井水为高悬浮物、高矿化度酸性水，有的甚至 含有放射性元素等有毒有害污染物，据对全国9 0 个重点矿务局2 5 4 个矿井水和 1 5 4 个深井水水样的总a 、总8 天然放射性水平监测结果发现，有近5 0 矿区饮 用水总0 【放射性指标超标，有的甚至超标数十倍之多【7 】o 这些未经处理直接外排 的矿井水既污染环境，影响景观，破坏生态平衡，又危害人类的身体健康。现在 随着科学的发展和人们环境保护意识的提高，对矿井水也已有了新的认识，开始 将矿井水作为一种水资源加以处理利用，即矿井水资源化f 5 】a 我国北方地区主要建火力发电厂，由于水资源贫乏，往往是制约电厂能否兴 建的一个主要因素，特别是在近几年，为了变输煤为输电，建坑口电站更为经济 节约，但建坑口电站必须要解决水源问题，因此矿井水的利用应该引起电力设计 水文工作人员的重视 9 】。 我国发展改革委在关于燃煤电站项目规划和建设有关要求的通知( 发改能源 2 0 0 4 1 8 6 4 号) 中明确要求：“在北方缺水地区，新建、扩建电厂禁止取用地下水， 严格控制使用地表水，鼓励利用城市污净水厂的中水或其它废水”。在2 0 0 5 年国 家环境保护总局和国家质量检验检疫监督局联合发布的中华人民共和国标准一 煤炭工业污染物排放标准( 征求意见稿) 中，明确规定了“在新建煤矿设计中应 首先选择矿井水作为生产水源，用于煤炭洗选、井下生产用水、消防用水和绿化 用水等”；“煤矿建设或联合坑口燃煤电厂，煤矿建设低热值燃料综合利用电厂， 设计中必须选择矿井水作为供水水源比选方案之一。” 彬长矿区位于陕西省西北部的彬县和长武县境内，是国家重要的能源基地 之一，煤炭储量丰富、资源十分可靠，是发展火电的基础。矿区主要的大型煤矿 有亭南、大佛寺、胡家河和小庄煤矿等。国家预投资在该区兴建大唐彬长坑口电 站，电站建成后不但可解决陕西省日益缺电的局面，又可为甘青两省补充枯水季 节的电力不足。要建坑口电站，必须要解决水源问题，因此，我们有必要并且必 须考虑矿井水的利用。而在坑口电站附近，往往有多个煤矿，那么，这些煤矿排 出的矿井水水量有多少? 水质如何? 在矿井水作为供水水源可行的情况下，如何 合理利用这些煤矿的矿井水，合理地设计水处理工艺以及选择最优的净水厂厂 址? 这一系列问题摆在我们的面前。 1 2 研究意义 矿井水资源化具有重要的实际意义：( 1 ) 我国北方地区煤炭资源相当丰富， 占全国总储量的4 5 ，但北方干旱少雨，水资源量只有全国水资源总量的1 5 ，形 成了富煤地区也是贫水地区的格局，矿区能源开发与水资源紧张的矛盾已严重制 约了煤矿工业的发展，也制约了我国国民经济的总体发展。所以矿井水资源化是 解决煤矿供水严重短缺的最佳出路，具有明显的社会效益；( 2 ) 从煤炭资源的开 发战略来看，综合利用矿井水也有着重要意义。我国西部地区煤炭储量占全国煤 炭资源总储量的1 3 ，但是西部地区是我国水资源严重短缺的地区。只有综合利 用矿井水，充分保护有限的水资源，才能解决矿区及周边的生产和生活用水。( 3 ) 从经济效益来说，综合利用矿井水，保护水资源也具有它的生命力。综合利用矿 2 井水不仅本身具有很好的经济效益，还可以缓解因水资源短缺而造成的生产上的 不必要的损失。同时综合利用矿井水还可以极大限度地减少甚至消除矿井水的不 达标排放，可以免缴排污费和水资源损失费；( 4 ) 矿井水资源化还可以缓解因矿 井水污染导致的环境问题。目前，我国地下水资源较紧缺，而矿区又需大量用水， 这使得矿区周围地下水供需失衡，水位大幅度下降。同时由于大量排放有害矿井 水对土地和水系造成直接的污染，不仅使土壤性质变差，而且危及农作物，影响 人畜健康。还造成地面裂隙、地面沉降、海水入侵等环境污染问题。因此，无论 从哪个方面来说，矿井水资源化都是解决煤矿缺水问题和矿井水污染环境问题的 最佳选择，可以达到环境、经济和社会三个效益的统一【5 】o 所以，研究如何合理 利用矿井水，探索其综合利用的模式，为矿区地下水的利用及水害防治开辟新的 途径，是摆在我们面前的个重要问题。因此，开展水资源化研究，为今后矿区 的矿井水处理的工作提供可供借鉴的经验或模式，这具有一定的理论意义。 目前，在矿井水作为供水水源的规划工作中，净水厂的厂址布设及管网布置 方面，很大程度上还主要依靠规划设计人员的经验决定，这使选址的决策具有很 大的主观随意性，缺乏定量根据，往往使设计偏于保守，增加了工程的建设量， 从经济角度讲是不合理的【9 】o 由于管网建设投资巨大，对净水厂选址进行最优化 决策就显得尤为必要。 本文在分析彬长矿区地质及水文地质条件的基础上，计算矿井的涌水水量， 分析其水质，研究矿井水作为电站供水水源的可行性，并试图将近年新兴的蚁群 算法应用于净水厂选址最优化决策中。若研究成功，可以为我国北方地区的矿井 水资源化提供一些参考经验，同时为工程建设的规划工作提供一种可参考的决策 工具，有助于提高规划工作的科学性和效率，具有一定的理论和实际意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 矿井水资源化国内外研究现状 国外发达产煤国家在这方面的实践与研究起步较早，由于他们拥有先进的抽 排水设备，同时因为大部分煤矿均属私人企业，老板追求煤炭开采的整体经济效 益，故他们普遍认为矿山排水是煤炭开采的一种伴生资源而不是负担，矿井水愈 大，盈利愈多，经济效益愈好。因此，这些国家的矿井水利用率较高，如美国煤 矿井排水在8 0 年代初的利用率就己达到8 1 ，原苏联顿巴斯矿区1 9 8 5 年矿井水 的利用率己高达9 0 。但总体而言，国外煤矿山的排供结合思路较为简单，在结 合的理论与方式方法研究方面存在不足【1 0 】一。 目前，国外矿井水的用途如下：( 1 ) 选煤、水力运输、水采及水力充填用，俄 罗斯利用的矿井水有5 0 用于选煤：( 2 ) 锅炉、冷却、灭尘用；( 3 ) 生活饮用，这 主要是利用从排水钻孔中抽出的水；( 4 ) 利用矿井水作热泵来调节建筑物室内温 度。为此国外很多煤田重视矿井排出水和矿区各含水层的地下水水层以及处理方 法和工艺的研究。如波兰上西里西亚煤田通过水质研究，根据用途不同把矿井水 分为四类：生活用、工业用、生产用和不能利用。并且提出不同的水质应用不同 的管路从井下排出【5j 。 纵观我国利用矿井水的发展历史，可大致划分为三个阶段：第一阶段为矿井 水自身利用阶段。利用矿井本身排水作为矿山的供水水源，在我国已有近百年的 历史。但由于当时客观条件束缚，其矿井水利用规模和利用率相当有限，主要以 自排自供为其特征，矿井既是排水点又是供水源。第二阶段为水害防治与矿井水 综合利用阶段。在排供结合的理论与实践运用方面，均得到了长足的发展与深化， 特别对排供结合的理论内涵进行了更深层次的探讨，认为排供结合不仅仅简单指 矿井水的综合利用，使矿井水为矿区所用，而且结合本身也是一项解除矿井水患 威胁的防治水技术。排供结合的实质就是指在解除水害前提下，将矿井排水经过 一定处理程序后用于矿区供水，但该阶段缺乏生态环境保护意识【1 “。第三阶段 为矿山排水供水一生态环境保护三位一体结合的优化管理阶段。自1 9 8 9 年武 强【1 6 】在全面系统分析华北型煤田矿井水患和矿区水资源合理开发利用以及生态 环境问题等方面的基础上，首次提出了煤矿山三位一体优化结合的新思路，从理 论上探讨了综合解决煤矿区目前和今后愈来愈严重的排供矛盾和生态环境问题 的可能性，使得这些长期以来未能统筹解决的矛盾和问题能够在一个统一的模型 中同时得以综合解决，大大降低了不同行业部门由于分别处理和解决这些本来相 互关联的矛盾和问题而带来的计算误差，拓宽了传统的排供结合、变害为利的研 究思路，从经济、社会、水力技术、生态环境、安全生产和产业结构调整等多方 面进行了可持续性发展的约束评价，使我国煤矿山排供结合研究的整体水平提高 到了一个新的阶段。目前，我们国家的许多大型煤矿都采用了先进的矿井水净化 及资源化技术，取得了很好的效果。 1 3 2 蚁群算法国内外研究现状 很早人们就知道模仿生物的一些特性，来更好地为人类服务【1 7 j 。 在2 0 世纪9 0 年代，意大利学者m d o r i g o ，v m a n i c z z o ，a c 0 1 0 r n j 等人从 生物进化的机理中受到启发，通过模拟自然界蚂蚁寻径的行为，提出了一种全新 的模拟进化算法蚁群算法( a n tc d l o n y 舢g o r i t h m ) ，并用该方法求解t s p ( t r a v e l l i l l gs a l e s m a np r o b l e m ) 问题、分配问题、j o b s h o p 调度问题( 一类典型 的生产调度问题) ，取得了一系列较好的实验结果【1 8 】 2 2 】。1 9 9 6 年，g a m b a r d e i l a 和d o r i g o 又提出一种修正的蚁群算法，他们称之为蚁群系统( a m tc o l 0 y s v s t e m ) 【2 1 】f 2 3 l ；德国学者t h o m a s t u z i e 和h o l e r h 0 0 s 提出了一种改进的算法一最 大最小蚂蚁系统( m a x m i i la n ts y s t e m ，m m a s ) ，是比较好的一个算法，优于 一般的蚁群算法【2 4 】；一些学者还把蚁群算法与其他的算法相结合，意大利学者 f a b i o ，a b b a t t i s t a 等人受遗传算法的启发提出蚁群算法和遗传法相结合的思路 【2 5 1 。目前蚁群算法的研究学者主要集中在比利时、意大利、德国等国家，美国 和日本在近几年也开始了对蚁群算法的研究【1 7 l 。 国内的研究始于1 9 9 8 年末，仅在上海、北京、东北少数几个学校和研究所 开展了此项工作n 刀，主要围绕t s p 及相关问题的实验仿真，少数涉及通信网络 的路由选择【矧、负载平衡、电力系统的故障检测【2 7 】以及蚁群算法在连续系统中 的应用，如函数逼近等方面应用的尝试【2 8 】书”。吴斌、史忠植【3 2 】【3 3 】首先在蚁群算 法的基础上，提出了基于m a x m i i l 算法( m m a s ) 的相遇算法m m m a s ( m e e t i l l g m a x m i l l a 皿fs y s t e m ) ，然后将相遇算法与采用并行策略的分段算法相结合，提出 一种基于蚁群算法的t s p 问题分段求解算法，实验结果表明该算法有较好的有 效性；张纪会等人提出了自适应的蚁群算法b 们，采用确定性选择和随机选择相 结合的策略，在搜索的过程中动态地调整选择的概率，实现了选择概率的自适应， 提高了算法的速度和性能：魏平【3 5 】等人通过对目标函数的自动适应来调整蚂蚁 的路径搜索行为，提出了一种求解函数优化的蚁群算法。郝晋等人针对基本蚁群 算法，设计出一种新颖的随机扰动蚁群算法b6 1 ，并将其应用于求解复杂t s p 问 题，数值模拟表明：该算法可以有效地克服基本蚁群算法的计算时间较长和容易 出现停滞现象的缺陷，具有良好的全局搜索能力。陈烨提出带杂交算子的蚁群算 法昭7 1 ，通过引入遗传算法中用到的杂交算子来改善蚁群，使其对应的问题的解 更加优良。孙熹等人介绍了一种可用于函数优化的简单蚁群算法n 踟。2 0 0 0 年， 邱模杰、马良等人首先将蚁群算法应用于约束平面选址问题，得到了很好的效果 【3 9 】。 虽然蚁群算法研究时间不长，但是初步研究已显示出，蚁群算法在求解复杂 优化问题( 特别是离散优化问题) 方面具有一定的优势，表明它是一种很有发展 前景的方法【1 8 】。 1 4 研究内容及技术路线 彬长矿区是陕西省第二大煤田基地，矿区勘探含煤面积为9 1 3 k m 2 ，地质储 量6 9 2 9 亿t ，煤炭储量丰富、资源十分可靠，是国家重要的能源基地之一，矿 区主要的大型煤矿有亭南、大佛寺、胡家河和小庄煤矿等。彬长煤田煤质好，储 量大，是发展火电的基础。电站建成后不但可解决陕西省日益缺电的局面，又可 为甘青两省补充枯水季节的电力不足。 本文以彬长矿区为研究对象，把亭南井田、大佛寺井田、胡家河井田、小庄 井田四矿矿井排水作为水资源进行评价，除满足矿区生产和生活部分用水外，为 “大唐彬长发电厂建设项目”采用矿井排水作为电厂的部分供水水源进行论证， 使矿井水全部得到综合利用，同时对净水厂的位置进行优化设计。 本文主要采用的技术路线： ( 1 ) 采用大井法和水文地质比拟法分别计算了四矿矿井涌水的水量，通过 计算，合理的预测四矿向彬长坑口电站供水的能力； ( 2 ) 通过采集水样分析了四矿涌水的水质，根据其水质特征，经济情况提 出合理的水处理工艺： ( 3 ) 用当前新兴的优化算法一蚁群算法对矿井净水厂的位置进行优化，提 出最佳的净水厂厂址，在此基础上，进一步对管道铺设进行优化； ( 4 ) 分析矿井水作为电站供水水源的经济效益、社会效益和环境效益。 2 研究区自然地理概况h o 】 2 1 电站位置及四井田概况 四井田位于陕西省咸阳市境内，彬县长武两县城之间，属彬县、长武县管 辖。3 1 2 国道西安一兰州段横穿四井田中部，交通方便。见图2 1 彬长坑口电站 及四井田位置图。 注：图中的水帘开采区包括现在的水帘煤矿、火石咀煤矿和下沟煤矿，均己投产 图2 1 彬长坑口电站及四井田位置图 在彬长矿区内，侏罗系中下统延安组为主要含煤地层，前人对黄陇侏罗系煤 田所揭露的煤层进行了统一的编号，胡家河井田、亭南井田、大佛寺井田、小庄 井田涉及到其中的3 、4 、5 、7 、8 层煤；胡家河井田可采煤层为3 、4 层煤，3 层煤厚o 3 9 0 m ，平均2 3 9 m ，4 煤层厚0 2 6 2 0 m ，平均厚1 4 4 9 m ，4 煤层是 该井田的主要可采煤层。大佛寺井田可见3 1 煤、3 2 煤、4 煤及其分叉煤层4 上、4 上一l 和4 上一2 ，4 煤为该井田最主要开采煤层，厚o 1 9 7 3 m ，平均1 1 6 5 m 。 亭南井田内可见5 、7 、8 煤，8 煤为主要可开采煤层，其厚度变化幅度大，厚1 0 0 2 1 0 5 m ( 另据大佛寺井田勘探( 精查) 地质报告中的观点，5 一l 、5 2 、5 3 煤与8 煤同属于4 煤) 。小庄井田中共含煤1 7 层，有对比意义的煤层5 层，其 中主要可采煤层l 层( 4 煤) ，局部可采煤层4 层( 1 、2 、3 、4 。1 煤) 。4 煤小庄 井田全井田厚度o 3 5 2 2 m ，平均1 5 2 3 m 胡家河井田位于彬长矿区中北部的泾河东侧，行政区划隶属彬县北极镇、义 门镇及西坡乡管辖。西北距长武县城2 0 k m ，东南至彬县县城2 0 k m 。地理坐标为 东经1 0 7 。5 5 4 5 ”1 0 8 。0 47 0 0 ”；北纬3 5 。0 87 4 5 ”3 5 。1 2 4 5 ”。东西长8 1 k m ，南 北宽6 5 k m ，面积5 5 6 2 k m 2 。首采区面积4 7 6 7k m 2 ，开采4 煤，煤厚0 2 6 2 0 m ， 平均厚1 4 4 9 m ，设计年产量3 0 0 万吨。目前精查阶段己完成，仍是天然状态， 尚未开始矿井建设。 亭南井田位于四井田中部，北与胡家河井田隔黑河、泾河相望，南与大佛寺 井田相连。西距长武县城2 0 k m ，东至彬县县城2 0 k m 。地理坐标为东经1 0 7 。5 2 7 3 0 ”一1 0 7 。5 7 4 5 ”；北纬3 5 。0 4 4 5 ”。3 5 。0 6 0 0 ”。东西长约5k m ，南北宽约3k m ， 井田面积约1 5 0 4k m 2 ，首采区面积约5k m 2 。采用竖井开拓，开采8 煤，煤厚 1 o o 2 1 0 5 m ，设计年产煤量4 5 万吨，目前正处于建矿阶段，主、副立井已基 本建成，正在施工采区巷道。 大佛寺井田位于彬长矿区南部，东距彬县县城约l o 公里，地理坐标为东经 1 0 7 。4 9 4 0 ”。1 0 8 。o lo o ”；北纬3 5 。0 0o o ”3 5 。o o 7 o o ”。东与彬县下沟井田及水帘 矿、虎申沟矿毗邻。西至陕甘省界。北以泾河为界，与小庄井田、亭南井田和杨 家坪远景区相邻。南与蒋家河井田相邻。东西长1 6k m ，南北平均宽5k m 。井田 面积8 0 k m 2 ，首采区面积2 8 6k m 2 。设计斜井开拓，开采4 煤，煤厚o 3 6 1 8 8 6 m ， 设计一期年产煤量3 0 0 万吨，为在建井田。目前也正处于建矿阶段，主、副立井 已基本建成，正在施工采区巷道。 小庄井田位于彬长矿区中东部，行政区划隶属彬县义门乡、北极乡、西坡乡、 永乐乡和小章乡管辖。地理坐标为东经1 0 7 。5 5 4 2 ”1 0 8 。0 9 2 5 ”，北纬3 5 。0 4 ，3 8 ”3 5 。1 3 4 0 ”，东西长2 0 2 5 i ( i i l ，南北宽1 5 7 5 l ( i n ，面积1 6 8 5 l ( i 2 。 先期开采面积2 4 8 2 l ( 1 1 1 2 ，设计采用主斜井副立井开拓，主要开采4 煤，未来规 划中设计生产能力为6 m t a ( 一期3 m t a ，二期3 m t a ) ，精查阶段己完成，目前 仍是天然状态，没有开始矿井建设。 大唐彬长电厂项目可研阶段经多厂址比较后，推荐马屋厂址和相公塬厂址， 最终确定、批准为马屋厂址。 。 马屋厂址位于长武县城东南1 5 k m 、长武县与彬县交界处，属于长武县冉店 镇管辖，厂址北端地理坐标东经1 0 7 。5 5 7 7 9 ，北纬3 5 。0 8 6 2 1 ，南端地理坐标 东经1 0 7 。5 5 5 7 2 ，北纬3 5 。0 7 0 2 4 ，坐落在泾河西岸滩地上，南北长约3 k m ， 东西宽约0 6 k m ，可利用场地面积8 0 公顷，厂址北距胡家河井田中心约7 2 k m ，其 南距亭南井田中心约4 7 k m ，南距大佛寺井田中心约9 0 k m ，东距小庄井田约 1 0 k 明。 2 2 气候 电站所在区域属于中纬度高原区，属温暖带半干旱大陆性季风气候区，四季 分明。多年平均气温1 1 c ，多年平均降水量为5 5 0 衄，多年平均相对湿度6 7 ，多年平均风速1 4 j n s ，最大风速1 7 m s ，多年平均蒸发量8 9 3 5 m m 。根据长 武县气象站实测气象要素统计计算，各种常规气象数据见表2 1 。 表2 1长武县气象数据表 名称单位数量备注 多年平均气压h p a 8 8 1 2 多年平均气温 9 1 极端最高气温3 6 91 9 6 6 6 1 9 极端最低气温 2 5 21 9 9 1 1 2 2 8 平均水气压 h p a 9 3 平均相对湿度 6 9 多年平均降水量 5 8 6 7 一日最大降水量 1 0 2 21 9 9 2 多年平均蒸发量 衄1 8 9 3 5 最大积雪深度2 01 9 9 3 最大冻土深度 6 81 9 6 8 、1 9 8 0 最大风速 妇1 7 31 9 8 3 3 5 多年平均风速 i r l s2 2 主导风向及频率 1 6 ( s e ) 最多大风日数 d 2 2 最多雨凇曰数 d1 1 最多雷暴日数 d3 8 2 3 水文 建设项目所在地属于泾河水系。泾河在矿区流长3 9 k m ，出境断面多年平均 流量5 2 4 m 3 s ，枯水期最小流量1 m 3 s ，洪水期最大流量9 3 8 0 m 3 s ( 1 9 9 3 年) 。泾 河支流呈羽状分布，矿区附近的主要支流有黑河、四郎河、磨子沟、水帘沟等。 黑河为陕西省内泾河右岸的最大支流，发源于甘肃省华亭县上关，由长武县 刘家河村进入陕西境内，于亭口镇汇入泾河。黑河流域地跨甘、陕两省三地( 市) 八个县，包括甘肃平凉地区的华亭、崇信、灵台、泾川和陕西省宝鸡市的麟游、 千阳、陇县及咸阳市的长武县。其中，只有灵台县县城及全境均在黑河流域内， 其余各县只有部分面积位于黑河流域内且县城均不在黑河流域。黑河流域上游多 为稍林和残林区，约占全流域的3 0 以上，流域覆被较好。黑河流域面积 4 2 5 5 k m 2 ，全长1 6 8 k m ，河道比降2 9 。在河口以上1 4 2 k m 处汇入其最大支 流达溪河( 也称南河) ，该河发源于陕西省陇县河北乡北庙庄和甘肃省崇信县崇信 乡宰相庄，自长武县巨家乡入境，其流域面积为2 5 3 7 k m 2 ，占黑河流域的6 0 ， 河长1 2 6 8 k m ，河道比降2 7 4 。 此外，厂址附近还有四郎河、磨子沟、水帘沟等较小河流均常年流水，流量 不大，一般在0 2 3 n 1 3 s 之间。 1 0 3 地质及水文地质条件h 1 7 j 3 1 矿区地质条件概述 矿区位于鄂尔多斯盆地南部的渭北挠褶带北缘庙彬凹陷。地表大面积黄土覆 盖。白垩系地层倾角平缓，地层总体走向5 0 0 n 。7 0o e ，区内以褶皱为主，断层少 见。自南而北有；彬县背斜、大佛寺向斜区、路家小灵台背斜、孟村向斜区、 七里铺西坡背斜，见图2 2 四井田区构造示意图。褶曲两翼倾角一般2o 4o ， 无岩浆活动，构造简单，四井田区断层罕见，地表仅在盂村马蹄沟口白垩系地层 中见一小断层，对水文地质条件影响不大。 本区含煤地层为侏罗系中下统延安组。印支期构造为含煤地层基底构造，对 区内煤系、煤层沉积和赋存控制明显。主要表现为背斜轴部煤系、煤层较薄，从 背斜轴部向两翼及向斜区煤层逐渐加厚。 三叠系地层为含煤岩系的基底，其上地层从老至新依次为侏罗系富县组、延 安组、宜罗组、安定组、白垩系宜君组、洛河组、华池环河组、第三系和第四系。 图2 2 四井田区构造示意图 表2 1 四井田地层特征统计表 地层系统 代号厚度岩性描述备注 界系统组 全 为冲积、洪积、坡积形成的沙层、砂砾石层、亚 分布在沟谷、河 新q 厚o 一2 0 m 。 床及两岸一级 第 统 粘土、砂土及冲积黄土状土 阶地上 四 包括上更新统马兰黄土、中更新统离石黄土、下 新 系 更 更新统午城黄土；垂直节理发育夹钙质结核层：与下伏小章沟 新q h厚约1 0 0 2 6 6 m 。 生统 离石黄土夹1 5 一1 8 层古土壤层，午城黄土夹5 7组不整合接触 界 层古土壤层，与下伏地层星不整合接触 由 该组地层在厚度上部为浅棕红色粘土、砂质粘土，含钙核及锰质分布于塬区黄 第新 小章变化较大，受古地薄膜富含哺乳动物化石：下部以棕褐色砂岩、土地层之下，不 = 统n 1 3 一 沟组 形控制一般厚含砾砂岩为主夹粘土层的河湖相沉积。与下伏地整合于中生界 系 上 部 0 1 6 8 层不整合接触。多组地层之上 亭南井田内最大 仅出露于亭南 华池 厚度1 4 0 5 m ；胡家岩性为紫红色、紫灰色及灰绿色泥岩、砂质泥岩 井田北部边缘 环河k i h r h河井田、大佛寺井夹粉细砂岩及砂砾岩，地层厚度变化为东南薄、 泾河及黑河西 组田最大厚度可达西北厚 岸 白 卞 2 5 0 m 垩 在河谷两侧均 系 洛河棕红色、紫红色中、细粒砂岩夹薄层泥岩及砂砾 统 组 k l l厚2 2 0p4 1 7 m 。 有出露，下与宣 岩。 君组连续沉积 宜君 浅紫色、紫灰色、棕红色块状砾岩，砾石成份为 下与安定组假 组 k 厚3 0 3 0 1 m 。花岗岩、石英岩、燧石、灰岩，砂泥质充填，钙、 整合接触 铁质胶结。 安定 岩性为紫红色、灰紫色、灰褐色泥岩、砂质泥岩与直罗组整合 组 厶厚5 1 2 3 m 。夹浅紫色、兰灰色中粗粒砂岩、砂砾岩底部为接触，东南厚， 中 巨厚层状浅灰紫色含砾租砂岩、砂砾岩西北变薄。 中 直罗 岩性为浅灰一浅灰绿色中粗粒长石石英砂岩夹 下与延安组地 生 组 h厚2 0 5 3 m 。 灰绿色泥岩、砂质泥岩。 层为假整合接 界侏 触 罗统 为含煤地层岩性为灰色粉细砂岩、灰黑灰色 无出露，与下伏 系 延安富县组或胡家 组 j 2 ， 厚o 1 6 0 m 。泥岩与灰白色中粗粒砂岩互层，中央炭质泥岩及 村组地层假整 煤层，下部为一特厚煤层( 8 煤) 合接触 分布在古凹陷， 下富县 厚度0 8 2 ，一般 部分地段缺失， 统组 j l f 岩性为紫红色铝、铁质泥岩、砂岩及角砾岩。 3 0 4 0 。 与下伏地层假 整合接触 上 出露于亭甫井 胡家 k厚0 5 4 7 m 。 岩性为灰一深灰色泥岩、粉砂岩夹灰绿色中厚层田东部外围百 一 村组 状细中粒长石砂岩，底部为一油页岩层。 子沟，最大厚度 二 统 6 5 m 叠 系 顶部岩性为灰黑色泥岩，夹2 3 层油页层：上部 铜川 为灰绿色中厚层状细中粒长石砂岩，夹泥岩互 组 h厚度“7 1 0 1 0 m 。 层：下部为灰绿色、紫红色块状中粒长石砂岩夹 深灰色泥岩、暗紫红色砂质泥岩、粉砂岩及煤线。 3 2 矿区水文地质条件 3 2 1 含( 隔) 水层水文地质特征 根据上述胡家河井田、亭南井田、大佛寺井田、小庄井田的水文地质条件叙 1 2 述与分析，四井田区的水文地质条件综述如下： 一、第四系全新统冲洪积层孔隙潜水含水层( q 4 ) 主要分布于泾河及支流川道区，钻孔单位涌水量o 0 5l s m 。地下水埋深 一般为0 5 1 0 m 。 二、第四系更新统黄土孔隙一裂隙含水层( q 。) 主要分布于南北黄土塬区，是黄土塬区主要的潜水含水层。含水段位于深度 2 0 1 0 0 m 之间，机井单位涌水量为0 o o l 4 o 2l s m 。 三、第三系中新统上部小章沟组上部粘土隔水层( n 。3 ) 小章沟组上部以棕褐色粘土、砂质粘土为主，厚约3 0 m ，为良好的隔水层； 四、第三系中新统上部小章沟组下部孔隙含水层( n 。3 ) 各沟谷中均有出露，为固结程度不同的含水层，厚度变化大。下部以浅棕褐 色一浅灰褐色未固结一半固结的中、粗粒碎屑堆积物为主，形成弱的含水层，厚 度约2 0 m 。以大气降水补给为主，当底部有隔水层时，在沟谷中以泉的形式排泄 于地表，泉流量0 0 2 o 1 8l s 。水质类型为h c o 。一m g 型，矿化度一般o 3 l ，属淡水。 五、白垩系下统志丹群环河一华池组相对隔水层( k 。) 主要由透水性差的泥岩