模糊綜合評(píng)價(jià)法在煤礦礦井水現(xiàn)狀評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

羅道華

（福建省華廈能源設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001）

煤礦在井下開采過程中不可避免地疏放頂?shù)装宓牡叵滤畯亩a(chǎn)生礦井水。研究表明2019 年全國(guó)煤礦礦井水產(chǎn)量達(dá)到71 億m3，華東地區(qū)煤礦礦井水的產(chǎn)生量達(dá)到1.59 m3/t［1］。礦井水抽排一方面會(huì)引起地下水資源流失，另一方面礦井水直排誘發(fā)地表水和淺層地下水污染，影響淺地表生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也給礦區(qū)周邊居民的生產(chǎn)及生活用水帶來不利影響。

礦井水通過凈化再利用，可以解決礦井水污染礦區(qū)水源和環(huán)境的問題，也可以作為水資源不足礦區(qū)的有效補(bǔ)充和替代，緩解礦區(qū)缺水問題，實(shí)現(xiàn)變廢為寶，化害為利。對(duì)煤礦礦井水資源進(jìn)行合理的現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，了解礦井水水質(zhì)情況，是礦井水凈化利用的重要前提［2-5］。

煤礦礦井水是多元復(fù)雜體系，影響水質(zhì)的因素眾多，規(guī)律各不相同，給水質(zhì)評(píng)價(jià)帶來了模糊性和不確定性［6］。常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要有單因子分析法［7］、污染指數(shù)法［7-9］、灰色評(píng)價(jià)法［6，10］、模糊數(shù)學(xué)法［2-5］和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［11］等。這些方法各具特色，但也有各自的適用范圍和局限性。模糊綜合評(píng)價(jià)法兼顧了污染程度、分類標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)等級(jí)等模糊概念，符合水環(huán)境系統(tǒng)中各因素的不確定性、隨機(jī)性和模糊性，在工程實(shí)際中有較多成功應(yīng)用，如卞惠瑛等［2］利用模糊綜合法評(píng)價(jià)榆神府礦區(qū)礦井水現(xiàn)狀，劉玥等［4］對(duì)鉛鋅礦周邊地表水進(jìn)行現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，潘妍妍等［5］對(duì)山西潞安礦區(qū)礦井水現(xiàn)狀評(píng)價(jià)。

福建省作為生態(tài)文明建設(shè)示范區(qū)，全面關(guān)停產(chǎn)能≤9 萬(wàn)t/a的小煤礦，并大力推行煤礦安全綠色開采，對(duì)礦井水資源化利用愈發(fā)重視。龍巖市和三明市是福建省的兩大主要產(chǎn)煤區(qū)，煤礦數(shù)量較多，因此本文選取福建閩西地區(qū)7 家煤礦礦井水（龍巖市3 家和三明市4 家）作為研究對(duì)象，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)不同煤礦礦井水水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，為煤礦礦井水的污染治理和綜合利用提供一定的參考價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

福建省井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，走向及傾向上的斷裂、褶曲構(gòu)造均十分發(fā)育，煤層穩(wěn)定性較差，多為極薄、薄煤層，因地質(zhì)條件限制采用機(jī)械化開采的水平較低，均采用地下開采，采煤工藝為炮采［13］。本文以三明市4 家煤礦礦井水和龍巖市3 家煤礦礦井水為研究對(duì)象，煤礦地理位置見圖1，7 家煤礦的礦區(qū)范圍、年開采規(guī)模、已開采時(shí)間及正常涌水量等基本情況見表1。

圖1 福建省閩西7 家煤礦地理位置圖

表1 福建省閩西7 家煤礦基本信息表

2 水樣采集與分析

本研究于2020 年7 月27 日—28 日對(duì)7 家煤礦礦井水進(jìn)行統(tǒng)一采樣，每個(gè)礦山在礦井水沉淀池出口設(shè)置1 個(gè)采樣點(diǎn)，采樣時(shí)間為1 d，采樣頻次為采集3 個(gè)瞬時(shí)水樣，混合成1 個(gè)水樣。測(cè)試項(xiàng)目包括總硬度、氟化物、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、鋅、砷、汞、鐵、錳、鉛、鎘、六價(jià)鉻、礦化度等14 項(xiàng)指標(biāo)。由于礦井水評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017），因此礦井水樣品的采集、保存、測(cè)試方法均參照《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 164—2004）。

采樣前，先用采樣水蕩洗采樣器和水樣容器2 次～3 次，每個(gè)水樣采集2 L，使用聚乙烯塑料瓶?jī)?chǔ)存。采樣過程，記錄各水樣采集日期和時(shí)間、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、地點(diǎn)、采樣人等信息。鉛、鋅、鐵、錳、鎘元素的測(cè)定采用原子吸收分光光度法；砷、汞的測(cè)定采用原子熒光分光光度法；六價(jià)鉻、硫酸鹽、硝酸鹽的測(cè)定采用可見分光光度法；總硬度、氯化物的測(cè)定采用滴定法；氟化物的測(cè)定采用離子選擇性電極法。

3 模糊綜合評(píng)價(jià)原理

模糊綜合評(píng)級(jí)法以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，從多個(gè)因素對(duì)被評(píng)價(jià)事物隸屬等級(jí)狀況進(jìn)行全面綜合評(píng)價(jià)的一種方法。該評(píng)價(jià)方法用于礦井水水質(zhì)評(píng)價(jià)的步驟如下［3］。

3.1 確定因素論域和評(píng)級(jí)論域

設(shè)礦井水水質(zhì)因素集為U={u1，u2，u3，…，un}，式中ui為參與評(píng)價(jià)的第i 個(gè)水質(zhì)因子的監(jiān)測(cè)結(jié)果；本文礦井水評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017），設(shè)礦井水質(zhì)量評(píng)語(yǔ)集為：V={v1，v2，v3，…，vm}，式中vj為與ui相應(yīng)的第j 個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的集合。

3.2 建立隸屬函數(shù)

因素論域（各水質(zhì)因素）和評(píng)級(jí)論域（評(píng)價(jià)等級(jí)）之間的模糊關(guān)系可以用模糊關(guān)系矩陣R 來表達(dá)，將其稱為單因素評(píng)判矩陣，如公式（1）。

式中：rij表示第i 種污染物的水質(zhì)因子數(shù)據(jù)值，可以被評(píng)為第j級(jí)評(píng)級(jí)等級(jí)的隸屬度。本文采用降半梯法確定隸屬度，具體見公式（2）～（4）。

對(duì)于第1 級(jí)：

對(duì)于第i 級(jí)：

對(duì)于第m 級(jí)：

其中Si={S1，S2，…，Sm}表示地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)集合。

3.3 權(quán)重因子的確定

由于各評(píng)價(jià)因子在水質(zhì)評(píng)價(jià)中作用的大小不同，因此應(yīng)按其貢獻(xiàn)分別賦予不同的權(quán)重。本文采用污染物超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法，并將權(quán)值進(jìn)行歸一化處理，組成模糊矩陣A，即為因子權(quán)重集。具體見公式（5）～（7）。

式中：xi表示被評(píng)價(jià)指標(biāo)中第i 種污染物的實(shí)測(cè)濃度；ei表示第i 個(gè)被評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，ai表示第i 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的歸一化權(quán)重。

3.4 模糊綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型

綜合考慮各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，得到綜合評(píng)判矩陣B。

式中：B=（b1，b2，…，bm）表示評(píng)價(jià)結(jié)果集，bi表示評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。

按照最大隸屬原則，確定礦井水最終所屬的評(píng)價(jià)等級(jí)。

4 煤炭礦井水模糊綜合評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)因子和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的選擇

選取礦井水中14 項(xiàng)監(jiān)測(cè)因子構(gòu)成評(píng)價(jià)因素的集合：U={總硬度，氟化物，氯化物，硫酸鹽，硝酸鹽，鋅，砷，汞，鐵，錳，鉛，鎘，六價(jià)鉻，礦化度}，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2 所示。

表2 福建省閩西7 家煤礦礦井水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 單位：mg／L

地下水水質(zhì)等級(jí)分為5 級(jí)，參照其標(biāo)準(zhǔn)，礦井水質(zhì)量評(píng)語(yǔ)集為：V={Ⅰ級(jí)，Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)，Ⅳ級(jí)，Ⅴ級(jí)}，礦井水評(píng)價(jià)等級(jí)及水質(zhì)用途見表3。本文選用的14 項(xiàng)監(jiān)測(cè)因子對(duì)應(yīng)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)限值vj詳見表4。

表3 礦井水評(píng)價(jià)等級(jí)及水質(zhì)用途

表4 礦井水水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)限值 單位：mg／L

4.2 建立模糊矩陣R

根據(jù)公示（2）～（4）分別建立各評(píng)價(jià)因子的隸屬函數(shù)，上述7 家煤礦礦井水的監(jiān)測(cè)值對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)因子ui進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)確定其隸屬度ri，每個(gè)礦山的各評(píng)價(jià)因子的隸屬度的集合構(gòu)成一個(gè)模糊矩陣R。以XIT 煤礦為例，計(jì)算出隸屬度后，形成XIT煤礦礦井水的模糊矩陣RXIT 見公式（9）。

4.3 確定權(quán)重系數(shù)

根據(jù)公式（5）～（7）確定7 家煤礦監(jiān)測(cè)點(diǎn)的每個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)，評(píng)價(jià)因子監(jiān)測(cè)結(jié)果低于檢出限，以檢出限的半數(shù)參與計(jì)算。以XIT 煤礦為例，經(jīng)計(jì)算XIT 煤礦各評(píng)價(jià)因子的因子權(quán)重集AXIT為{0.173（總硬度），0.072（氟化物），0.005（氯化物），0.007（硫酸鹽），0.002（硝酸鹽），0.002（鋅），0.001（砷），0.003（汞），0.002（鐵），0.594（錳），0.000 05（鉛），0.000 005（鎘），0.006（六價(jià)鉻），0.134（礦化度）}。同理計(jì)算其余6 家煤礦各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)ai，詳見表5。

表5 福建省閩西7 家煤礦礦井水評(píng)價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)

4.4 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)公式（8），采用歸一化加權(quán)平均模型，計(jì)算得XIT 煤礦模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為BXIT=AXIT·RXIT={0.067，0.052，0.162，0.162，0.556}，根據(jù)最大隸屬度原則，0.556 數(shù)值最大，故XIT 煤礦礦井水水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ級(jí)。同理，對(duì)其余6 家煤礦礦井水的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。

表6 福建省閩西7 家煤礦礦井水模糊綜合評(píng)價(jià)成果

根據(jù)表6 的評(píng)價(jià)結(jié)論，除了三明市SJK、CPL 兩家煤礦礦井水水質(zhì)為Ⅳ級(jí)，其余五家煤礦礦井水水質(zhì)為Ⅴ級(jí)。

5 討論與結(jié)果

（1）本研究選取14 項(xiàng)監(jiān)測(cè)因子進(jìn)行礦井水水質(zhì)評(píng)價(jià)，根據(jù)權(quán)重系數(shù)的分析結(jié)果，XIT 煤礦礦井水的主要影響因子：錳（0.594）；SUQ 煤礦礦井水的主要影響因子：氟化物（0.416）；SJK 煤礦礦井水的主要影響因子：氟化物（0.446）；CPL 煤礦礦井水的主要影響因子：錳（0.271）、總硬度（0.246）；LOT 煤礦礦井水的主要影響因子：錳（0.486）、總硬度（0.285）；CPS 煤礦礦井水的主要影響因子：總硬度（0.351），錳（0.333），礦化度（0.240）；BES 煤礦礦井水的主要影響因子：錳（0.649）。綜上，福建省閩西地區(qū)不同煤礦礦井水的主要影響因子略有不同，主要集中4 個(gè)因子分別為錳、總硬度、氟化物和礦化度。

（2）模糊綜合評(píng)價(jià)法兼顧了不同水質(zhì)因子的影響，對(duì)煤礦礦井水進(jìn)行全面綜合評(píng)價(jià)，本研究結(jié)論：三明市SJK、CPL 兩家煤礦礦井水水質(zhì)為Ⅳ級(jí)，其余5 家煤礦（XIT、SUQ、LOT、CPS、BES）礦井水水質(zhì)為Ⅴ級(jí)。三明市SJK、CPL 兩家煤礦礦井水水質(zhì)優(yōu)于其余5 家煤礦（XIT、SUQ、LOT、CPS、BES）礦井水水質(zhì)。

（3）三明市SJK、CPL 煤礦礦井水可直接供工農(nóng)業(yè)用水使用（包括用于選煤、井下消防、綠化和道路除塵用水）；其余5家煤礦（XIT、SUQ、LOT、CPS、BES）礦井水可直接用于井下消防、綠化和道路除塵用水等；XIT、SUQ、BES 煤礦礦井水可直接用作農(nóng)田灌水（礦化度≤1 000 mg/L），LOT、CPS 礦井水需要選擇電滲析法、反滲透法等進(jìn)行除鹽后可用于用作農(nóng)田灌水；三明市4 家煤礦（XIT、SUQ、SJK、CPL）礦井水可用作選煤用水（總硬度≤500 mg/L），龍巖市3 家煤礦（LOT、CPS、BES）礦井水需要選擇電滲析法、反滲透法等進(jìn)行除鹽后可用作選煤用水。