MT T 761-1997 煤矿地下水管理模型技术要求

中华人民共和国煤炭行业标准MT/T7 6 11 9 9 7煤矿地下水管理模型技术要求T e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s f o r g r o u n d w a t e r m a n a g e m e n t m o d e l o f c o a l m i n e1 9 9 7 - 1 2 - 3 0批准1 9 9 8 - 0 6 - 0 1实施中华人民共和国煤炭工业部批 准目 次1 范围12 引用标准13 总则14 资料收集15 地下水管理模型的建立26 监测工作57 成果报告的编制7煤矿地下水管理模型技术要求1 范围本规范规定了煤矿地下水管理模型技术中资料收集、 地下水管理模型的建立、 监测工作和成果报告编制的基本要求。本规范适用于煤矿地下水管理模型技术工作。2 引用标准下列标准所包含的条文, 通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时, 所示版本均为有效。所有标准都会被修订, 使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。G B/T 1 4 4 9 79 3 地下水资源管理模型工作要求3 总则3 . 1 制定本规范的目的为了更好地管理煤矿地下水, 做到技术先进, 经济合理, 确保煤矿地下水的合理开发利用, 以取得良好的经济效益和环境效益, 制定本规范。3 . 2 煤矿地下水管理模型技术工作主要任务3 . 2 . 1 在充分收集和利用已有水文地质资料的基础上, 补充必要的水文地质工作, 查明含水层系统的结构、 边界条件以及地下水的补给、 迳流和排泄等水文地质条件。3 . 2 . 2 综合调查和分析煤矿地下水开发利用现状、 与地下水开发有关的环境生态现状以及煤矿的建设、 生产和发展规划等问题。针对所存在的主要问题, 建立地下水系统模拟模型, 并在此基础上, 选择地下水管理目标和约束条件, 建立地下水管理模型。3 . 2 . 3 运用地下水管理模型采用系统工程方法寻求地下水开发利用的优化方案, 并对所提出的方案进行综合评价, 作出最佳决策。3 . 2 . 4 通过监测工作及时了解新出现的情况, 不断校正和完善地下水管理模型。4 资料收集4 . 1 基本原则4 . 1 . 1 资料收集是煤矿地下水管理模型技术中的一项基础性工作, 应做到边收集, 边整理, 边综合研究, 并且应建立专项数据库。4 . 1 . 2 资料收集应以查明煤矿水文地质条件, 满足建模过程对资料的需求为宗旨。必要时可补充适当勘查工作以及开展专门性的调查研究。4 . 1 . 3 资料收集应满足不同目的地下水管理工作对精度的要求。一般地下水管理模型要求具有详查以上勘查精度。4 . 2 地下水管理中需要查明的水文地质条件4 . 2 . 1 区域水文地质条件4 . 2 . 1 . 1 地层、 岩性、 构造、 第四纪地质及地貌特征。4 . 2 . 1 . 2 地下水的补给、 迳流、 储存和排泄条件。4 . 2 . 1 . 3 地下水富水性变化规律及水化学类型。4 . 2 . 2 煤矿水文地质条件1MT/T7 6 11 9 9 74 . 2 . 2 . 1 含水层系统的边界条件。4 . 2 . 2 . 2 含水层系统的埋藏分布条件。4 . 2 . 2 . 3 含水层系统的主要水文地质参数及其非均质性分区。4 . 2 . 2 . 4 含水层系统地下水类型、 水化学类型及其空间分布规律。4 . 2 . 2 . 5 含水层系统地下水的补给、 迳流、 贮存和排泄特征以及渗流运动的形态。4 . 2 . 2 . 6 含水层系统垂向、 侧向水量交换方式及交换条件。4 . 2 . 2 . 7 不同时期( 枯、 平、 丰水期) 、 不同开采条件下( 供水、 矿井疏排水) 含水层系统地下水流场及其动态规律。4 . 2 . 2 . 8 地下水均衡要素及其动态特征。4 . 3 地下水管理中需要调查的内容4 . 3 . 1 地下水开发利用状况的调查4 . 3 . 1 . 1 煤矿生产现状及其发展规划。4 . 3 . 1 . 2 煤矿供水水源类型、 水源地的开采储量、 实际需水量、 未来需水量预测及其供水规划。4 . 3 . 1 . 3 煤矿疏( 排) 水网( 孔) 的运转状况、 疏( 排) 水量及其利用情况、 矿井污水的处理与再利用程度。4 . 3 . 2 与地下水开发有关的环境生态问题调查4 . 3 . 2 . 1 疏( 排) 水所形成的降落漏斗的扩展范围及其发展趋势。4 . 3 . 2 . 2 地下水开发对民井水位、 泉水流量以及地下水水质等方面的影响。4 . 3 . 2 . 3 开采地下水所可能导致的其他环境生态问题的调查。4 . 3 . 3 地下水水质及其污染调查4 . 3 . 3 . 1 地下水中各化学组分的背景值及不良水质的分布范围和成因。4 . 3 . 3 . 2 污染源的分布、 污染质的运移、 扩散途径以及污染的范围和程度。4 . 3 . 3 . 3 污染水对生态环境的不良影响。4 . 3 . 3 . 4 含水层的自净作用及其环境容量。4 . 3 . 3 . 5 目前煤矿防治地下水污染的具体措施及其实施情况和效果。4 . 3 . 4 地下水开采效益的调查4 . 3 . 4 . 1 疏( 排) 水井的单位能耗( 每抽出1 m3地下水所消耗的能量) 和总的能耗量。4 . 3 . 4 . 2 地下水、 地表水及其他再生水源的单位成本和水价。4 . 3 . 4 . 3 矿井污水处理费用。5 地下水管理模型的建立5 . 1 地下水管理模型是解决地下水开发、 利用和保护中最优化管理问题的重要技术手段。5 . 2 地下水管理模型是将地下水系统模拟模型与最优化方法结合而形成的。5 . 3 地下水系统的模型化:5 . 3 . 1 煤矿水文地质条件的概化:5 . 3 . 1 . 1 水文地质条件的概化必须符合实际的水文地质条件。5 . 3 . 1 . 2 含水层系统侧向边界可根据煤矿实际情况选定在河流、 分水岭、 隔水边界、 补给边界或排泄边界等位置, 并把它们概化为第一类边界条件, 第二类边界条件和第三类边界条件。垂向边界条件可概化为有水量交换的边界条件和无水量交换的边界条件。5 . 3 . 1 . 3 含水层系统结构应根据含水层的类型、 岩性、 厚度、 渗透系数等概化为均质、 非均质、 各向同性或各向异性的含水层。并据此进行水文地质参数分区。5 . 3 . 1 . 4 地下水流运动状态应根据实际情况概化为稳定或非稳定流, 一维流、 二维流、 三维流等。5 . 3 . 1 . 5 源汇项应根据煤矿水源开采、 回灌的特点将其概化为点井或面积井; 降雨、 蒸发、 各类地表水的入渗补给以及上下含水层的顶托或下渗补给等应根据分布特征将其概化为单元入渗补给强度或单元2MT/T7 6 11 9 9 7蒸发强度。5 . 3 . 1 . 6 根据地下水流速大小将水中污染质的运移机制概化为分子扩散、 对流弥散。5 . 3 . 1 . 7 根据含水层内部结构特征、 水动力弥散实验结果以及污染途径调查等判定水头和浓度在三维方向上的变化情况, 将地下水中污染质运移状态概化为一维流、 二维流或三维流。5 . 3 . 1 . 8 根据地下水中污染质的现状及其危害程度, 选择合适的污染指标作为水质运移模型的模拟因子。5 . 3 . 2 地下水系统模拟模型应在煤矿水文地质条件概化的基础上建立。它可分为数学模型和物理模型两类, 前者又可进一步分为分布参数模型和集中参数模型。5 . 3 . 3 模型的识别、 检验和使用:5 . 3 . 3 . 1 模型必须经过识别和检验后才可用于地下水资源的预报。5 . 3 . 3 . 2 模型的识别应该通过对所建立的数学模型或边界条件的逐步修正, 使模型输出的数据与实际观测数据达到最好的拟合。5 . 3 . 3 . 3 模型的检验应该通过对已识别模型的运转, 比较模型输出数据与实际观测数据的拟合效果,看模型是否正确地描述了地下水系统的本质特征。5 . 3 . 3 . 4 对于降深小的地区, 要求水位拟合绝对误差小于0 . 5 m的结点必须占已知水位结点的7 0%以上; 对于降深较大的地区( 大于5 m) 要求水位拟合相对误差小于1 0%的结点必须占已知水位结点的7 0%以上。5 . 3 . 3 . 5 水质浓度的拟合精度应视进入模型的模拟因子的现代分析误差精度而定。一般情况下, 拟合的绝对误差值应控制在分析误差精度以内。满足水质浓度误差精度要求的结点应占已知水质浓度结点的5 0%以上。5 . 3 . 3 . 6 对于水文地质条件复杂的煤矿, 地下水水位和水质浓度的拟合精度均可适当降低。5 . 3 . 3 . 7 在使用模型进行地下水位或溶质浓度的预报时, 必须满足模型的使用条件, 同时, 在预报过程中还应注意各预报时段需输入数据的对应性。5 . 3 . 4 建模工作精度要求:5 . 3 . 4 . 1 已知地下水位、 水质控制点一般不宜少于模型节点总数的5%1 0%。其分布应满足对煤矿不同水文地质条件地段的控制要求。5 . 3 . 4 . 2 观测时间系列的长度, 对于分布参数模型一般要求有一个水文年以上的地下水动态观测系列资料; 对于集中参数模型, 一般要求不得少于一个小气象周期的观测资料。此外, 根据建模的具体情况,也可对资料的观测提出专门的要求。5 . 3 . 4 . 3 煤矿地下水集中开采量、 排泄量和回灌量的观测, 应尽可能与地下水水位、 水质的观测同步进行。5 . 3 . 4 . 4 地下水含水层系统的侧向或垂向边界存在较强的水量交换时, 应尽可能开展水均衡论证或试验工作, 求得水量的交换参数。5 . 3 . 4 . 5 渗透系数、 水动力弥散系数等参数可根据野外或室内代表性试验测定, 也可以采用数值法反求参数得到。5 . 3 . 4 . 6 数值模型在进行网格剖分时, 应根据不同地段地下水水力梯度、 水质浓度梯度以及精度要求等确定其网格剖分密度。5 . 4 地下水管理的优化:5 . 4 . 1 优化方法:5 . 4 . 1 . 1 解决地下水管理优化问题的方法有线性规划、 非线性规划以及动态规划等。线性规划是目前常用的方法。该法要求目标函数为一线性函数, 约束条件可用一组线性等式或线性不等式来表达。5 . 4 . 1 . 2 线性规划问题的标准形式见式(1) :目标函数M a xZ=nj=1cjxj(1)3MT/T7 6 11 9 9 7满足于nj=1ai jxj=bi(i=1,2, ,m)xj0(j=1,2, ,m) 式中:Z 目标函数值;cj 价值系数(j=1,2, ,n) ;xj 决策变量(j=1,2, ,n) ;ai j 约束方程式系数(i=1,2, ,m;j=1,2, ,n) ;bi 约束方程式右端项,bi0(i=1,2, ,m) 。若目标函数为求最小值问题, 即M i nZ=nj=1cjxj可令Z =-Z, 将其化为如下标准形式:M a xZ =-nj=1cjxj(2)对于约束条件为不等式的情况, 可在其左端加上或减去一个非负的松弛变量, 把它变为等式约束条件的标准形式。5 . 4 . 1 . 3 地下水管理中的线性规划问题可采用单纯形法求解。5 . 4 . 2 地下水管理模型:5 . 4 . 2 . 1 地下水管理模型应该由目标函数和约束条件两部分组成。目标函数用来表示地下水管理的目标, 它可以是单目标, 也可以是多目标; 约束条件用来表示在实现管理目标的过程中, 所受到的社会、经济、 环境和技术条件的限制。5 . 4 . 2 . 2 地下水管理模型主要包括地下水水量管理模型和地下水水质管理模型。5 . 4 . 2 . 3 地下水水量管理模型所要达到的目标一般有最佳水位降、 最优开采量等, 应根据煤矿的具体管理目标而定。a) 当管理目标为满足煤矿供水要求的前提下, 控制地下水位进一步下降时, 目标函数可以是求各结点水位总降深的最小值。此时, 式(2) 中的Z 表示结点水位的总降深值(L) ,xj为某时段第j结点水位降深值(L) 。b) 当管理目标为满足煤矿地下水位达到最佳状态的前提下, 控制地下水开采量时, 模型的目标函数可以是求煤矿总开采量的最大值。此时, 式(1) 中的Z表示煤矿的总开采量,xj为某时段第j个单元( 结点) 的开采量。c) 当管理目标为满足煤矿用水要求的前提下, 采用地下水人工回灌措施控制和改善地下水位的持续下降时, 模型的目标函数可以是求地下水位回升的最大值。此时式(1) 中的Z表示总水位回升值,xj表示由于地下水人工回灌在结点j处引起的水位回升值。5 . 4 . 2 . 4 上述各目标函数要求的约束条件可以归纳为:a) 均衡约束: 以地下水流状态方程作为水均衡约束的等式约束条件;b) 资源量约束: 煤矿需水量之和不得大于当地可能的供水指标或煤矿各结点的回灌水量之和不得大于可用于回灌的总水量等;c) 需求约束: 地下水开采量要满足煤矿生产和生活用水的要求;d) 环境约束, 为防治某些环境生态问题, 地下水位埋深必须控制在某一临界深度;e) 非负值约束。5 . 4 . 2 . 5 对于地下水水质管理模型, 当管理的主要目标是求得地下水污染质排放的控制量时, 其目标函数应是寻求地下水系统所能容纳的污染质的最大值。此时, 式(1) 中的Z为地下水系统所能容纳的污4MT/T7 6 11 9 9 7染质的最大值(M/T) ;xj为污水入渗量(L3/T) 与某污染质的最佳排放浓度(M/L3) 之积。5 . 4 . 2 . 6 地下水水质管理模型约束条件为地下水流状态方程、 地下水溶质运移的对流 弥散方程, 不导致地下水污染的各污染质排放浓度限制以及非负值约束等。5 . 4 . 2 . 7 根据煤矿地下水管理的具体情况, 也可以建立其他类型的地下水管理模型。5 . 4 . 2 . 8 地下水流状态方程和地下水溶质运移的对流 弥散方程具有微分方程的形式, 只有通过有限差分法或有限单元法将它们变成线性代数方程组, 才允许纳入地下水管理线性规划模型的约束条件中去。5 . 4 . 2 . 9 建成地下水管理模型, 并求得最优解之后, 还必须要进行模型灵敏度分析, 确定在保持模型最优基不变的条件下, 模型中各参数的最大允许变化范围。5 . 4 . 2 . 1 0 地下水管理模型必须随着煤矿有关的社会、 经济、 自然条件以及人为作用因素的不断变化进行定期的修正, 以保证模型的精确性和可靠性。5 . 5 地下水管理优化方案的评价:5 . 5 . 1 通过地下水管理模型的运转, 可得出在若干个不同管理期内, 不同开采、 回灌工程布局条件下的地下水开发利用优化方案。5 . 5 . 2 对各优化方案必须从技术上的可行性、 经济上的合理性、 生态环境平衡, 近期开发利用和远期规划相结合等方面进行综合分析和评价, 并排出执行方案时的优先序。5 . 5 . 3 应提出不同管理期内合理开发利用地下水的结论性意见。6 监测工作6 . 1 监测工作是煤矿地下水管理模型技术工作的一项重要内容, 在地下水管理方案中必须包括有监测工作的设计内容, 在管理方案实施时, 必须逐步地建立和完善监测网。6 . 2 监测工作的目的和任务:a) 监测煤矿在建设或生产过程中的地下水开采动态及与之有关的地表水动态;b) 监测与地下水开发有关的环境生态问题发生和发展的状况;c) 监测防治地下水开采动态恶化和某些环境生态问题发生与发展的工程技术措施效果;d) 根据所获得的监测资料, 建立或修正地下水管理模型, 对地下水开采动态和某些环境生态问题做出预报并提出防治措施。6 . 3 监测项目:6 . 3 . 1 地下水水位和水量的监测项目。一般应包括各种取水和疏( 排) 水工程中的地下水水位、 取水量或疏( 排) 水量, 煤矿范围内长观孔、 民井水位及泉流量等。6 . 3 . 2 地下水水质监测项目。一般应包括水质简分析项目, 三氮、 汞、 铬、 酚、 氰、 砷、 镉、 耗氧量、 细菌和大肠杆菌等, 在掌握水质变化规律后, 可适当减少部分项目的监测。6 . 3 . 3 地下水人工回灌的监测项目。一般应包括回灌时间、 回灌量、 回灌压力以及回灌后的地下水水位、 水质等。6 . 3 . 4 地表水监测项目。一般应包括与地下水密切相关的地表河流、 池塘及湖泊等的水位、 水质、 渗漏量和流量( 或积水量) 等。6 . 3 . 5 环境生态问题的监测项目。一般应包括与地下水开发有关的环境生态变化中的诸动态指标。6 . 4 监测网的布置:6 . 4 . 1 监测网山监测点和监测线组成, 其范围一般应能覆盖煤矿整个地下水系统。6 . 4 . 2 监测点或监测线应尽可能具有多种监测功能。6 . 4 . 3 含水层系统存在多个含水层时, 必须布置分层的地下水监测网。6 . 4 . 4 地下水位监测网的布置要求:6 . 4 . 4 . 1 水位监测网应以能监控煤矿范围内及边界上的水头分布特征和某些特殊地段的地下水位变5MT/T7 6 11 9 9 7化规律为主要布置原则。6 . 4 . 4 . 2 当地下水流场形态基本保持天然状态时, 水位监测线的方向应与地下水主要流向一致, 并应穿过主要开采区和补给、 排泄区。6 . 4 . 4 . 3 对于因供水或疏( 排) 水已形成地下水位降落漏斗的地区, 监测线应沿着漏斗发展的不同方向布置, 一般至少应该有两条互相垂直的监测线。6 . 4 . 4 . 4 水位监测线应垂直于对地下水有补给作用的河流或人工补给工程。6 . 4 . 4 . 5 水位监测点的密度应随地下水水力坡度的加大而加密。6 . 4 . 4 . 6 不同的水文地质参数分区中均应该布置水位监测点。6 . 4 . 5 地下水质监测网的布置要求:6 . 4 . 5 . 1 水质监测网应以能监控煤矿范围内的地下水化学类型, 污染程度、 污染质扩散途径、 主要污染指标浓度变化规律及边界上的水质分布特征为主要布置原则。6 . 4 . 5 . 2 对于可能造成地下水污染的各种污染源分布地段均应布置监测点或辅助监测线。6 . 4 . 5 . 3 水质监测点的密度应随地下水污染浓度梯度的加大而加密。6 . 4 . 5 . 4 不同类荆的水化学分区、 污染程度分区中均应该布置水质监测点。6 . 4 . 6 地下水水量监测网应以能监控煤矿范围内的主要地下水开采量、 疏( 排) 水量、 回灌水量、 泉流量以及边界上的水量等为主要布置原则。6 . 4 . 7 地表水监测网布置要求:6 . 4 . 7 . 1 地表水监测网应以能监控煤矿范围内与地下水存在水力联系的河流( 渠) 、 池塘及湖泊等为主要布置原则。6 . 4 . 7 . 2 河流监测点一般应布置在区内河流( 水渠) 的流入或流出段; 支流进入主流处; 河( 渠) 的大量渗漏或渗出段等处。6 . 4 . 8 与地下水开发有关的环境地质问题监测网的布置要求:6 . 4 . 8 . 1 主要的地面沉降线应沿着沉降漏斗的长轴方向和横穿可能的沉降地带布置, 在垂直方向上可布置少量辅助监测线。6 . 4 . 8 . 2 地面塌陷( 或地裂缝) 位移监测点, 在可能的情况下, 应分别布置在主要塌陷漏斗的中心和边缘以及地裂缝的两侧和起止点; 位移监测线应尽可能与诱发塌陷( 或地裂缝) 的各种地质界线垂直。6 . 5 临测的频率、 次数和时间:6 . 5 . 1 地下水水位监测要求:6 . 5 . 1 . 1 一般情况下应每隔1 0日观测一次地下水水位。6 . 5 . 1 . 2 每年的丰水期和枯水期应进行两次煤矿范围内的地下水位统测。6 . 5 . 1 . 3 地下水位的监测应尽可能与地下水量及地表水的监测同步进行。6 . 5 . 2 地下水水量监测要求:6 . 5 . 2 . 1 地下水的开采量、 疏( 排) 水量应每月进行一次统计。6 . 5 . 2 . 2 当矿坑发生突水或水量急剧变化时, 应增加水量的监测次数, 并做好地下水位的同步监测工作。6 . 5 . 3 地下水水质监测要求:6 . 5 . 3 . 1 一般要求在每年的丰水期和枯水期各取一次水质分析水样。严重污染区适当增加取样次数。6 . 5 . 3 . 2 用于进行地下水人工回灌的水源, 应每1 01 5日采取一次水质分析水样; 回灌区的地下水要求每月或每季度采取一次水质分析水样。6 . 5 . 4 地下水人工回灌的监测要求:6 . 5 . 4 . 1 各种人工回灌入渗工程的注入水量、 水头压力应每日进行记录。对于地面入渗工程, 尚需观测当地的有关气象资料。6 . 5 . 4 . 2 常年人工回灌区的地下水位应每1 0日观测一次; 间歇性回灌地区的地下水位在进行人工回6MT/T7 6 11 9 9 7灌期间应每12日观测一次。6 . 5 . 5 地表水的观测要求, 一般应按国家水文观测部门或煤炭工业部制定的相关规范进行, 但必须有与地下水位、 水质同步监测的数据。6 . 5 . 6 与地下水开发有关的环境生态问题的监测要求:6 . 5 . 6 . 1 地面正在沉降的地区, 应在每年地下水的高、 中、 低水位期分别对沉降观测标进行一次水准测量, 可能沉降的地区只需在每年低水位期进行一次测量。6 . 5 . 6 . 2 对于突发性的地面塌陷与开裂现象, 应及时进行测量; 对于逐渐发展的塌陷与地裂现象可在每年易发时期进行一次测量。6 . 5 . 6 . 3 生态条件的监测要求可按照国家环保部门制定的有关规范执行。7 成果报告的编制7 . 1 工作成果包括最终成果报告、 阶段性成果报告、 专题研究报告和简要报告等。7 . 2