以煤矿塌陷土地利用为核心的水和能源集成体系研究

钟希翠，任一鑫

（山东科技大学 经济管理学院，山东 青岛 266590）

以煤矿塌陷土地利用为核心的水和能源集成体系研究

钟希翠，任一鑫

（山东科技大学 经济管理学院，山东 青岛 266590）

针对煤炭资源开采造成的煤炭矿区土地塌陷、水资源及能源浪费严重、生态环境恶化等问题，本文以集成、优化配置理论为指导，结合矿区实际情况，对矿区塌陷土地、水资源及能源构成成分及特征分析基础上，提出以塌陷土地为核心，水和能源一体化集成利用模式，并依据错时、互补、联合、替代等利用方式，设计出煤炭矿区土地、水和能源一体化集成利用体系，为矿区节能减排寻求新道路，同时为矿区资源优化配置提供参考依据。

煤炭矿区；塌陷区土地─水─能源；集成利用；优化配置

一、引言

随着煤矿行业生产运营，煤炭产量的增多，被破坏的土地不断增加，矿井水、生活污水和工业废水排放量与日俱增，大量的煤泥、煤矸石、余热等能源被浪费。上述资源长期处于闲置荒废状态，不仅造成严重的资源浪费，更有甚者因处理不当引发生态破坏、环境污染。矿区土地塌陷、工业废水和生活污水乱排乱放已严重影响当地农业生产、经济发展和人民生活质量，威胁着广大人民群众的生命财产与安全，同时也制约煤矿行业的可持续发展。因而，实现矿区土地、水和能源的一体化集成利用，构建以塌陷区土地利用为核心的水、能源集成利用体系十分必要。

二、矿区塌陷土地、水和能源构成种类和特征分析

1、塌陷区土地

煤炭资源开采后，采空区上覆岩层的原始应力平衡状态受到破坏，依次发生冒落、弯曲、断裂等移动变形，并于地表地貌相互作用，最终塌陷形成近似椭圆形的下沉盆地，称之为采煤塌陷地。依据塌陷地性质将塌陷土地分为无积水塌陷干旱地、沼泽塌陷区、季节性积水塌陷区、常年积水塌陷区。各类塌陷区特征如表1-1所示：

表1 -1 矿区塌陷区种类特征表

2、水资源

煤炭矿区水资源种类繁多，根据其产生的方式及特征将其分为地下水、地表水、矿井水、工业废水及生活污水五类水源。矿区各类水源特征如表1-2所示。

表1 -2矿区水资源种类特征表

3、矿区能源

矿区能源具有种类繁多、关联性强、用途广泛、特性各异，按照能源特征将矿区能源分为：常规能源、新能源和闲置能源。常规能源主要包括矿区生产生活用的煤、电、汽油、柴油等，具有存储方便、供给稳定，不受限制等特征；新能源主要包括风能、太阳能、地热能、生物质能等，具有存储不便、供给不稳定、受自然条件限制等特征；闲置能源主要包括煤矸石、煤泥、余热等，具有存储方便、供给稳定、受产量限制等特征。

三、矿区塌陷区土地为核心的水和能源集成体系研究

1、矿区塌陷土地、水和能源集成利用体系

对矿区塌陷土地、水资源及能源种类及特征分析基础上，本着生态治理、环境保护、可持续性发展原则，构建煤炭矿区土地、水和能源一体化集成利用体系。该体系包括陆生生产、水生生产、农产品加工、生态湿地四部分。

(1)水生生产。水生生产指煤炭矿区低洼塌陷区，引入矿区水资源和能源，发展水生生产业。一方面在其引入水资源后可发展水生养殖、水生种植，另一方面在引入能源后可进行水生温室、水生大棚等生产活动。用水以经过深加工处理的矿井水和生活污水替代由地下水和地表水供给；矿井水余热、电厂余热、乏风余热等均可替代常规的电力、煤炭使用。在低洼塌陷区进行水生产品生产不仅改善当地的生态环境、提高人们生活质量而且还能带来一定的经济效益。具体种植养殖品种依据矿区实际状况确定，做到因时因地种植养殖。矿区土地类型中常年积水塌陷地最适合发展水生生产，其次为季节性积水塌陷地。

(2)陆生生产。陆生生产指将煤炭矿区无积水塌陷干旱地在进行垫平覆土后，建设一系列农业设施设备发展陆生农业生产，开展“农一禽一畜”生态农业模式。用水以江河湖泊、及由经过处理后矿井水替代地表水和地下水满足，热能供给是以矿井水和电厂余热通过水源热泵技术转换成热能提供，乏风余热、沼气也可以满足，在热能不足时可以通过技术手段将煤矸石、煤泥等闲置能源转换成热能供其组合使用。陆生生产主要包括陆生养殖、陆生种植，以牛、羊、猪等牲畜类，鸡、鸭、鹅等禽类的饲养，小麦、玉米、水稻等谷物以及林业的种植为主。

(3)农产品加工业。农产品加工用地包括两部分，一是将矿区陆生和水生产生蔬菜、谷物、肉类等进行烘干、发酵等深加工区域，二是将农业副产品加工成饲料，加工下脚料及其他资源生产有机肥与能源等农业废弃物资源化利用区域。矿区土地类型中无积水塌陷地垫平后可用于农产品加工基地建设，用水可由深加工后矿井水及江河湖泊等中阶水替代地表水供给；用能由矿区余热替代电能，也可利用农业废弃物制成沼气供能，不足时可充分利用煤泥、煤矸石等闲置能源组合利用。

(4)生态湿地。生态湿地是陆地与水域之间相互作用形成的自然综合体。矿区利用塌陷区构建湿地，在较深地带挖沟造渠、建池蓄水，并栽种荷花翠柳等树木，建设人工生态湖泊，并将以往堆积的废弃矿渣和垃圾就地利用，在湖边堆成小山，形成旅游休闲区、湿地蓄水区、娱乐服务区等区域。矿区季节性积水塌陷区和沼泽塌陷地是发展生态湿地的天然场所。用水需求由经过深加工处理的工业废水和生活污水供给，不足时由矿井水组合供给，同时要充分发挥生态湿地的水处理供能；用能主要以常规的电、油、汽供给。

四、水资源及能源集成配置方法

1、水资源多目标规划模型

煤炭矿区水资源有矿井水、生活污水、地表水、地下水和工业废水，依据土地的利用方式和产业结构确定用水单元有工业生产和生活用水、陆生生产用水、水生生产用水、生态湿地用水、农产品加工用水。在确定矿区水供给量和各用水单元对水需求种类和数量后，在可用水量一定条件下对水进行分配。

（1）模型建立的原则。为实现矿区水资源充分利用，保证供水满足需求基础上，实现成本最小化。模型的建立原则如下:

根据用户进行优先级排序，即满足工业生产需求→生活需求→陆生生产用水→水生生产用水→农产品加工用水→生态湿地用水。

根据各水源水质的不同，各水源利用的优先级：地表水和地下水→矿井水→生活污水→工业废水。

（2）决策变量的选择。根据模型的目标（即综合考虑水源的分布、水量、水质及其主要用水地域特点、需水量等基本信息，保证水资源供给率最高前提下，供水成本最低)，把即第i个水源向第j个用户的供水量做为决策变量。

把用户分为7种类型，即井下生产、地面生产、生活、陆生生产、水生生产、农产品加工、生态湿地，对应的用户类型编号（j）为：1,2,3,4,5,6,7

根据水源的水质，把水源划分为四种类型：工业废水、生活污水、矿井水、地表水和地下水，对应的水源类型编号（i）为：1,2,3,4

（3）目标函数的建立。目标函数以决策变量的线性或非线性函数表示，目标不同，目标函数表达式也不同。矿区水资源多目标规划模型主要实现水资源供给率最高前提下，供水成本最低，因此该模型有两个目标函数：

目标1：矿区供水量最大限度满足各用户需水要求

式中： i—水源编号，i=1,2,3,4；j—用户类型编号，j=1,2,3,4,5,6,7；xij—表示第i个水源向第j个用户的供水量

目标2：矿区供水量总费用最小

式中：aj一第j种水源供单位水量的成本系数；

（4）约束条件确定。约束条件是模型在求解过程中依据的定律、法则和规定，只有在一定的约束条件下，模型运算结果才有效。本模型有以下两类约束:

a水量供给量约束：水量供给约束是在满足各用户各水源需求的基础上，最大的供给量不能大于矿区水源总量。

b决策变量非负约束：

（5）模型求解

煤炭矿区不同，其矿井水、生活污水、工业废水和地表水、地下水等供给量不同，各个用水单元对水需求量不同，各类水源对各个用水单元供给费用也不同，因而模型应用需要依据各个矿区实际情况具体操作。

2、能源集成优化配置模型

在确定矿区能源供给量后需将其分配到相应用能领域，即陆生生产用能、水生生产用能、农产品加工用能、生态湿地用能。不同用能单元所使用能源种类和数量不同，同种能源投入不同使用领域，所产生的综合效益亦不同。因此，需要研究集成利用中能源最优分布问题，需要建立能源集成优化配置模型。

其中Qij表示矿区能源Qio在各用能领域之间的分配量，在模型中不考虑当地能源的配置问题，但其大小会影响各用能领域能源消费的边际效益，从而影响矿区能源的配置。Pi表示接受输入能源量为Ei对第i区域造成的污染总量。

问题可转化为：

构造拉格朗日乘数函数：

即当各用能领域能源消费边际效益与污染排放水平之差均衡时，矿区总社会效益最大。

六、结论

本文在集成、优化配置理论指导下，对矿区塌陷土地、水资源和能源种类及特征分析基础上，确定塌陷区土地利用的四种方式，即陆生生产、水生生产、农产品加工和生态湿地，并将水资源和能源与四种土地进行匹配，构建了以矿区塌陷土地、水和能源一体化集成利用体系。且建立了水土资源多目标规划模型和能源最佳配置模型确定矿区陆生生产、水生生产、农产品加工、生态湿地对水和能源量的分配，为具体目标的实施提供了依据，解决了矿区资源孤立开发利用的问题。

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（责任编辑：刘 康）