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干旱、半干旱复杂矿区水资源系统优化配置及综合利用

董书宁  
【摘要】:我国水资源匮乏,尤其是北方干旱、半干旱地区。神府东胜矿区(以下简称神东矿区)地处陕北黄土高原和毛乌素沙漠东南边缘接壤地带,是我国特大型煤炭生产基地,开采条件优良。随着煤炭资源开发规模逐渐增大,矿井排水、生产、生活、工业用水量逐年增加,煤炭工业发展与区域水资源供需、采煤活动与生态环境保护等矛盾日渐突出,严重制约本地区经济-社会-环境协调发展。为此,本研究以整理分析现有资料为基础,运用现场水文地质信息调查、室内外试验以及补充勘探等技术手段,通过理论分析、模拟预测等方法研究矿区水资源分布(包括地表水、地下水、矿井水状况和矿区生活用水)农业用水、生产用水、工业用水的现状及其变化趋势,从系统论的角度评价矿区水资源及其开发利用现状、演化趋势开采利用潜力等,并结合矿区开发中长期目标,规划神东矿区未来不同水平年的水资源优化配置方案;提出矿区未来水资源开发利用规划模式和水资源综合利用技术方案,为本区水资源的优化配置、合理开发、综合利用和科学管理提供技术支持。 首次提出水文地质试验参数初选、水位拟合调整参数、随机阶层式结构评估沉积物空间变异性确定水文地质参数一套全新参数反演方法,并成功应用于大区域复杂矿井地下水系统数值模拟中。该参数反演方法的核心:首先根据多组抽水试验所取得的各井孔含水层的水文地质参数,作为各井孔所在参数分区含水层的代表性水文地质参数,并在此基础上使用在模拟期末实测的地下水位资料进行水文地质参数调整;、最后通过水文地质参数空间变异性研究,利用阶层式结构来评估沉积物空间相关性结构对渗透性的影响,运用随机统计方法以及最优化理论最终确定水文地质参数。 采用等维灰数递补动态GM(1,1)方法预测区域需水量,应用包气带水分运移数值模型确定降雨入渗系数,提高了矿区水资源供需平衡分析和水资源量评价的工作精度。 构建了矿区水资源多目标规划模型实现了复杂水资源系统优化配置。按照神东矿区规划目标,制定了模型建立准则,构建了多目标、多水源、多用户、不同水质规划模型目标函数、决策变量、目标约束以及约束条件;利用MATLAB优化工具箱(Optimization Toolbox)中多目标优化函数fgoalattain建立了本模型的优化算法;以不同规划水平年为基准进行了水资源优化调配,提出了不同水源不同用户之间水资源综合利用调配的最优技术方案,达到了水资源供给保证率最大、用水费用最低的目的。 最后,形成以神东矿区为典型代表的大区域复杂水资源系统优化配置以及综合利用的系统理论与方法,即:区域供需水量评价→地下水模拟与管理→采矿影响评价→大区域水资源评价及优化配置→水资源综合开发利用,是一套完整系统分析评价、模拟管理、优化配置、综合利用的理论技术方法。


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