以煤礦塌陷土地利用為核心的水和能源集成體系研究

鐘希翠，任一鑫

（山東科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山東 青島 266590）

以煤礦塌陷土地利用為核心的水和能源集成體系研究

鐘希翠，任一鑫

（山東科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山東 青島 266590）

針對(duì)煤炭資源開采造成的煤炭礦區(qū)土地塌陷、水資源及能源浪費(fèi)嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，本文以集成、優(yōu)化配置理論為指導(dǎo)，結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況，對(duì)礦區(qū)塌陷土地、水資源及能源構(gòu)成成分及特征分析基礎(chǔ)上，提出以塌陷土地為核心，水和能源一體化集成利用模式，并依據(jù)錯(cuò)時(shí)、互補(bǔ)、聯(lián)合、替代等利用方式，設(shè)計(jì)出煤炭礦區(qū)土地、水和能源一體化集成利用體系，為礦區(qū)節(jié)能減排尋求新道路，同時(shí)為礦區(qū)資源優(yōu)化配置提供參考依據(jù)。

煤炭礦區(qū)；塌陷區(qū)土地─水─能源；集成利用；優(yōu)化配置

一、引言

隨著煤礦行業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營，煤炭產(chǎn)量的增多，被破壞的土地不斷增加，礦井水、生活污水和工業(yè)廢水排放量與日俱增，大量的煤泥、煤矸石、余熱等能源被浪費(fèi)。上述資源長期處于閑置荒廢狀態(tài)，不僅造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，更有甚者因處理不當(dāng)引發(fā)生態(tài)破壞、環(huán)境污染。礦區(qū)土地塌陷、工業(yè)廢水和生活污水亂排亂放已嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活質(zhì)量，威脅著廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)與安全，同時(shí)也制約煤礦行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因而，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)土地、水和能源的一體化集成利用，構(gòu)建以塌陷區(qū)土地利用為核心的水、能源集成利用體系十分必要。

二、礦區(qū)塌陷土地、水和能源構(gòu)成種類和特征分析

1、塌陷區(qū)土地

煤炭資源開采后，采空區(qū)上覆巖層的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，依次發(fā)生冒落、彎曲、斷裂等移動(dòng)變形，并于地表地貌相互作用，最終塌陷形成近似橢圓形的下沉盆地，稱之為采煤塌陷地。依據(jù)塌陷地性質(zhì)將塌陷土地分為無積水塌陷干旱地、沼澤塌陷區(qū)、季節(jié)性積水塌陷區(qū)、常年積水塌陷區(qū)。各類塌陷區(qū)特征如表1-1所示：

表1 -1 礦區(qū)塌陷區(qū)種類特征表

2、水資源

煤炭礦區(qū)水資源種類繁多，根據(jù)其產(chǎn)生的方式及特征將其分為地下水、地表水、礦井水、工業(yè)廢水及生活污水五類水源。礦區(qū)各類水源特征如表1-2所示。

表1 -2礦區(qū)水資源種類特征表

3、礦區(qū)能源

礦區(qū)能源具有種類繁多、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、用途廣泛、特性各異，按照能源特征將礦區(qū)能源分為：常規(guī)能源、新能源和閑置能源。常規(guī)能源主要包括礦區(qū)生產(chǎn)生活用的煤、電、汽油、柴油等，具有存儲(chǔ)方便、供給穩(wěn)定，不受限制等特征；新能源主要包括風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等，具有存儲(chǔ)不便、供給不穩(wěn)定、受自然條件限制等特征；閑置能源主要包括煤矸石、煤泥、余熱等，具有存儲(chǔ)方便、供給穩(wěn)定、受產(chǎn)量限制等特征。

三、礦區(qū)塌陷區(qū)土地為核心的水和能源集成體系研究

1、礦區(qū)塌陷土地、水和能源集成利用體系

對(duì)礦區(qū)塌陷土地、水資源及能源種類及特征分析基礎(chǔ)上，本著生態(tài)治理、環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)性發(fā)展原則，構(gòu)建煤炭礦區(qū)土地、水和能源一體化集成利用體系。該體系包括陸生生產(chǎn)、水生生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工、生態(tài)濕地四部分。

(1)水生生產(chǎn)。水生生產(chǎn)指煤炭礦區(qū)低洼塌陷區(qū)，引入礦區(qū)水資源和能源，發(fā)展水生生產(chǎn)業(yè)。一方面在其引入水資源后可發(fā)展水生養(yǎng)殖、水生種植，另一方面在引入能源后可進(jìn)行水生溫室、水生大棚等生產(chǎn)活動(dòng)。用水以經(jīng)過深加工處理的礦井水和生活污水替代由地下水和地表水供給；礦井水余熱、電廠余熱、乏風(fēng)余熱等均可替代常規(guī)的電力、煤炭使用。在低洼塌陷區(qū)進(jìn)行水生產(chǎn)品生產(chǎn)不僅改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、提高人們生活質(zhì)量而且還能帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。具體種植養(yǎng)殖品種依據(jù)礦區(qū)實(shí)際狀況確定，做到因時(shí)因地種植養(yǎng)殖。礦區(qū)土地類型中常年積水塌陷地最適合發(fā)展水生生產(chǎn)，其次為季節(jié)性積水塌陷地。

(2)陸生生產(chǎn)。陸生生產(chǎn)指將煤炭礦區(qū)無積水塌陷干旱地在進(jìn)行墊平覆土后，建設(shè)一系列農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備發(fā)展陸生農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，開展“農(nóng)一禽一畜”生態(tài)農(nóng)業(yè)模式。用水以江河湖泊、及由經(jīng)過處理后礦井水替代地表水和地下水滿足，熱能供給是以礦井水和電廠余熱通過水源熱泵技術(shù)轉(zhuǎn)換成熱能提供，乏風(fēng)余熱、沼氣也可以滿足，在熱能不足時(shí)可以通過技術(shù)手段將煤矸石、煤泥等閑置能源轉(zhuǎn)換成熱能供其組合使用。陸生生產(chǎn)主要包括陸生養(yǎng)殖、陸生種植，以牛、羊、豬等牲畜類，雞、鴨、鵝等禽類的飼養(yǎng)，小麥、玉米、水稻等谷物以及林業(yè)的種植為主。

(3)農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)。農(nóng)產(chǎn)品加工用地包括兩部分，一是將礦區(qū)陸生和水生產(chǎn)生蔬菜、谷物、肉類等進(jìn)行烘干、發(fā)酵等深加工區(qū)域，二是將農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品加工成飼料，加工下腳料及其他資源生產(chǎn)有機(jī)肥與能源等農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用區(qū)域。礦區(qū)土地類型中無積水塌陷地墊平后可用于農(nóng)產(chǎn)品加工基地建設(shè)，用水可由深加工后礦井水及江河湖泊等中階水替代地表水供給；用能由礦區(qū)余熱替代電能，也可利用農(nóng)業(yè)廢棄物制成沼氣供能，不足時(shí)可充分利用煤泥、煤矸石等閑置能源組合利用。

(4)生態(tài)濕地。生態(tài)濕地是陸地與水域之間相互作用形成的自然綜合體。礦區(qū)利用塌陷區(qū)構(gòu)建濕地，在較深地帶挖溝造渠、建池蓄水，并栽種荷花翠柳等樹木，建設(shè)人工生態(tài)湖泊，并將以往堆積的廢棄礦渣和垃圾就地利用，在湖邊堆成小山，形成旅游休閑區(qū)、濕地蓄水區(qū)、娛樂服務(wù)區(qū)等區(qū)域。礦區(qū)季節(jié)性積水塌陷區(qū)和沼澤塌陷地是發(fā)展生態(tài)濕地的天然場所。用水需求由經(jīng)過深加工處理的工業(yè)廢水和生活污水供給，不足時(shí)由礦井水組合供給，同時(shí)要充分發(fā)揮生態(tài)濕地的水處理供能；用能主要以常規(guī)的電、油、汽供給。

四、水資源及能源集成配置方法

1、水資源多目標(biāo)規(guī)劃模型

煤炭礦區(qū)水資源有礦井水、生活污水、地表水、地下水和工業(yè)廢水，依據(jù)土地的利用方式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)確定用水單元有工業(yè)生產(chǎn)和生活用水、陸生生產(chǎn)用水、水生生產(chǎn)用水、生態(tài)濕地用水、農(nóng)產(chǎn)品加工用水。在確定礦區(qū)水供給量和各用水單元對(duì)水需求種類和數(shù)量后，在可用水量一定條件下對(duì)水進(jìn)行分配。

（1）模型建立的原則。為實(shí)現(xiàn)礦區(qū)水資源充分利用，保證供水滿足需求基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)成本最小化。模型的建立原則如下:

根據(jù)用戶進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，即滿足工業(yè)生產(chǎn)需求→生活需求→陸生生產(chǎn)用水→水生生產(chǎn)用水→農(nóng)產(chǎn)品加工用水→生態(tài)濕地用水。

根據(jù)各水源水質(zhì)的不同，各水源利用的優(yōu)先級(jí)：地表水和地下水→礦井水→生活污水→工業(yè)廢水。

（2）決策變量的選擇。根據(jù)模型的目標(biāo)（即綜合考慮水源的分布、水量、水質(zhì)及其主要用水地域特點(diǎn)、需水量等基本信息，保證水資源供給率最高前提下，供水成本最低)，把即第i個(gè)水源向第j個(gè)用戶的供水量做為決策變量。

把用戶分為7種類型，即井下生產(chǎn)、地面生產(chǎn)、生活、陸生生產(chǎn)、水生生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工、生態(tài)濕地，對(duì)應(yīng)的用戶類型編號(hào)（j）為：1,2,3,4,5,6,7

根據(jù)水源的水質(zhì)，把水源劃分為四種類型：工業(yè)廢水、生活污水、礦井水、地表水和地下水，對(duì)應(yīng)的水源類型編號(hào)（i）為：1,2,3,4

（3）目標(biāo)函數(shù)的建立。目標(biāo)函數(shù)以決策變量的線性或非線性函數(shù)表示，目標(biāo)不同，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式也不同。礦區(qū)水資源多目標(biāo)規(guī)劃模型主要實(shí)現(xiàn)水資源供給率最高前提下，供水成本最低，因此該模型有兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)：

目標(biāo)1：礦區(qū)供水量最大限度滿足各用戶需水要求

式中： i—水源編號(hào)，i=1,2,3,4；j—用戶類型編號(hào)，j=1,2,3,4,5,6,7；xij—表示第i個(gè)水源向第j個(gè)用戶的供水量

目標(biāo)2：礦區(qū)供水量總費(fèi)用最小

式中：aj一第j種水源供單位水量的成本系數(shù)；

（4）約束條件確定。約束條件是模型在求解過程中依據(jù)的定律、法則和規(guī)定，只有在一定的約束條件下，模型運(yùn)算結(jié)果才有效。本模型有以下兩類約束:

a水量供給量約束：水量供給約束是在滿足各用戶各水源需求的基礎(chǔ)上，最大的供給量不能大于礦區(qū)水源總量。

b決策變量非負(fù)約束：

（5）模型求解

煤炭礦區(qū)不同，其礦井水、生活污水、工業(yè)廢水和地表水、地下水等供給量不同，各個(gè)用水單元對(duì)水需求量不同，各類水源對(duì)各個(gè)用水單元供給費(fèi)用也不同，因而模型應(yīng)用需要依據(jù)各個(gè)礦區(qū)實(shí)際情況具體操作。

2、能源集成優(yōu)化配置模型

在確定礦區(qū)能源供給量后需將其分配到相應(yīng)用能領(lǐng)域，即陸生生產(chǎn)用能、水生生產(chǎn)用能、農(nóng)產(chǎn)品加工用能、生態(tài)濕地用能。不同用能單元所使用能源種類和數(shù)量不同，同種能源投入不同使用領(lǐng)域，所產(chǎn)生的綜合效益亦不同。因此，需要研究集成利用中能源最優(yōu)分布問題，需要建立能源集成優(yōu)化配置模型。

其中Qij表示礦區(qū)能源Qio在各用能領(lǐng)域之間的分配量，在模型中不考慮當(dāng)?shù)啬茉吹呐渲脝栴}，但其大小會(huì)影響各用能領(lǐng)域能源消費(fèi)的邊際效益，從而影響礦區(qū)能源的配置。Pi表示接受輸入能源量為Ei對(duì)第i區(qū)域造成的污染總量。

問題可轉(zhuǎn)化為：

構(gòu)造拉格朗日乘數(shù)函數(shù)：

即當(dāng)各用能領(lǐng)域能源消費(fèi)邊際效益與污染排放水平之差均衡時(shí)，礦區(qū)總社會(huì)效益最大。

六、結(jié)論

本文在集成、優(yōu)化配置理論指導(dǎo)下，對(duì)礦區(qū)塌陷土地、水資源和能源種類及特征分析基礎(chǔ)上，確定塌陷區(qū)土地利用的四種方式，即陸生生產(chǎn)、水生生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工和生態(tài)濕地，并將水資源和能源與四種土地進(jìn)行匹配，構(gòu)建了以礦區(qū)塌陷土地、水和能源一體化集成利用體系。且建立了水土資源多目標(biāo)規(guī)劃模型和能源最佳配置模型確定礦區(qū)陸生生產(chǎn)、水生生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品加工、生態(tài)濕地對(duì)水和能源量的分配，為具體目標(biāo)的實(shí)施提供了依據(jù)，解決了礦區(qū)資源孤立開發(fā)利用的問題。

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（責(zé)任編輯：劉 康）