煤礦(區(qū))地下水管理模型技術(shù)要求

ICS73.020CCSD14中華人民共和國礦山安全行業(yè)標準KA/T10—2023代替MT/T761—1997煤礦(區(qū))地下水管理模型技術(shù)要求Technicalspecificationsforgroundwatermanagementmodelofcoalminearea2023-10-26發(fā)布2024-01-31實施國家礦山安全監(jiān)察局發(fā)布ⅠKA/T10—2023前言 Ⅰ1范圍 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14一般要求 15資料收集和調(diào)查 16地下水數(shù)值模擬模型的建立 27地下水管理模型的建立 38成果報告編制 5附錄A(規(guī)范性)煤礦(區(qū))地下水管理模型成果報告編寫 6ⅡKA/T10—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分:標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件代替MT/T761—1997《煤礦地下水管理模型技術(shù)要求》,與MT/T761—1997相比,除結(jié)構(gòu)調(diào)整和編輯性改動外,主要技術(shù)變化如下:a)將章標題“總則”修改為“一般要求”,并增加了相關(guān)要求內(nèi)容條款(見4,1997年版的3);b)將章標題“資料收集”修改為“資料收集和調(diào)查”,并增加了相關(guān)需要收集的基礎(chǔ)資料內(nèi)容條款(見5.1,1997年版的4);c)增加了章節(jié)標題“地下水數(shù)值模擬模型的建立”,并增加了“水文地質(zhì)概念模型”內(nèi)容(見6.1);d)增加了“數(shù)學模型及模擬方法”(見6.2);e)增加了“多目標規(guī)劃問題的標準形式”(見7.1.3);f)刪除了“資料收集基本原則”(見1997年版的4);g)刪除了“地下水管理中需要查明的水文地質(zhì)條件”(見1997年版的4.2);h)將節(jié)標題“地下水管理優(yōu)化方案的評價”修改為“最優(yōu)方案選擇”,調(diào)整了內(nèi)容(見7.3,1997年版的5.5)i)刪除了“監(jiān)測工作”章節(jié)(見1997年版的6);j)調(diào)整“成果報告的編制”章節(jié),為附錄A(見附錄A,1997年版的7);請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件由中國煤炭工業(yè)協(xié)會提出。本文件由煤炭行業(yè)煤礦安全標準化技術(shù)委員會歸口。本文件起草單位:中煤科工西安研究院(集團)有限公司、中國礦業(yè)大學(北京)、晉能控股煤業(yè)集團有限公司。本文件及其所代替文件的歷次版本發(fā)布情況為:—1997年首次發(fā)布為MT/T761—1997;—本次為第一次修訂。1KA/T10—2023煤礦(區(qū))地下水管理模型技術(shù)要求1范圍本文件規(guī)定了煤礦(區(qū))地下水管理模型技術(shù)中一般要求、資料收集和調(diào)查、地下水數(shù)值模擬模型的建立、地下水管理模型的建立、監(jiān)測工作和成果報告編制的基本要求。本文件適用于煤礦(區(qū))地下水管理模型建立、地下水資源管理等技術(shù)工作。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中,注日期的引用文件,僅該日期對應的版本適用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T14497地下水資源管理模型工作要求GWI-D1地下水流數(shù)值模擬技術(shù)要求DZ/T0201地下水資源數(shù)值法計算技術(shù)要求MT/T633地下水動態(tài)長期觀測技術(shù)規(guī)范3術(shù)語和定義本文件沒有需要界定的術(shù)語和定義。4一般要求4.1應做到邊收集資料,邊整理分析,邊綜合研究,滿足建模過程對資料的需求,必要時可適當補充勘探。4.2應綜合分析煤礦(區(qū))社會經(jīng)濟及發(fā)展規(guī)劃、地下水開發(fā)利用及供需狀況、生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及問題等,在地下水數(shù)值模擬模型建立的基礎(chǔ)上,選擇地下水資源管理目標和約束條件來建立地下水管理模型。4.3建立地下水數(shù)值模擬模型時,水文地質(zhì)條件的概化應符合實際的水文地質(zhì)條件。4.4模擬區(qū)宜以完整的水文地質(zhì)單元作為計算區(qū),宜以水流系統(tǒng)邊界(單元邊界作為)為計算邊界。如計算區(qū)僅為水文地質(zhì)單元一部分,應注意處理好水文地質(zhì)單元內(nèi)水資源的分配以及計算區(qū)邊界上的水量和溶質(zhì)交換問題。4.5應采用系統(tǒng)工程方法尋求地下水開發(fā)利用的優(yōu)化方案,綜合評價后給出最優(yōu)推薦方案。4.6應通過監(jiān)測工作及時掌握新情況(水文動態(tài)變化情況),不斷更新和完善煤礦(區(qū))地下水管理模型。5資料收集和調(diào)查5.1收集下列基礎(chǔ)資料:a)礦井勘探、建井及生產(chǎn)地質(zhì)報告;2KA/T10—2023b)礦井水文地質(zhì)勘探報告;c)區(qū)域、礦井地形地質(zhì)圖和綜合水文地質(zhì)圖;d)礦井水文地質(zhì)剖面圖;e)礦井水文地質(zhì)綜合柱狀圖;f)礦井充水性圖;g)礦井涌水量與各種相關(guān)因素動態(tài)曲線圖;h)礦井含水層等水位(壓)線圖和富水性分區(qū)圖;i)煤層厚度、含隔水層頂?shù)装宓雀呔€圖;j)礦井采掘工程平面圖;k)防治水基礎(chǔ)臺賬;l)礦井采掘接續(xù)規(guī)劃資料;m)氣象與降雨量資料、大氣降水入滲資料。5.2水資源開發(fā)利用狀況調(diào)查:a)煤礦(區(qū))人口數(shù)量、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀及其發(fā)展規(guī)劃;b)水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及規(guī)劃,包括供水水源類型、總量、現(xiàn)用水量,未來需水量及其供水規(guī)劃;c)水資源管理現(xiàn)狀及存在問題;d)煤礦(區(qū))疏、排水網(wǎng)(孔)的運轉(zhuǎn)狀況,礦井疏、排水量及其動態(tài)變化和利用情況。5.3煤礦開采對水資源與生態(tài)環(huán)境影響調(diào)查:a)疏、排水所形成的地下水降落漏斗的擴展范圍及其發(fā)展趨勢;b)疏、排水對水井水位、泉水流量、地表河流以及地表水體等方面的影響;c)煤礦開采引發(fā)的地面沉降、地面塌陷(或地裂縫)等情況;d)煤礦開采可能導致的地表生態(tài)水位變化及其他生態(tài)環(huán)境問題調(diào)查。5.4地下水水質(zhì)及其污染調(diào)查:a)礦井污水的處理、利用與排放情況;b)地下水中主要含水層水化學類型及各化學組分的背景值;c)地下水污染源的組成、污染途徑、排放方式以及可能的污染范圍和程度;d)地下水污染防治的具體措施、實施情況和效果。5.5地下水開采經(jīng)濟指標的調(diào)查:a)疏、排水量的單位能耗(1m3地下水所消耗的能量)和總的能耗量;b)地下水、地表水及其他再生水源的單位成本和水價;c)礦井污水處理費用。6地下水數(shù)值模擬模型的建立6.1水文地質(zhì)概念模型6.1.1模擬區(qū)邊界可根據(jù)煤礦(區(qū))實際情況選定在河流、分水嶺、斷層、隔水邊界、補給邊界或排泄邊界等位置,按實際條件概化為第一類、第二類或第三類邊界條件。垂向邊界條件可概化為有水量交換的邊界條件和無水量交換的邊界條件。6.1.2含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應根據(jù)含水層的類型、巖性、厚度、滲透系數(shù)(導水系數(shù))、給水度(彈性給水度)等概化為均質(zhì)、非均質(zhì)、各向同性或各向異性的含水層,并進行水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)。6.1.3地下水流運動狀態(tài)應根據(jù)實際情況概化為穩(wěn)定流或非穩(wěn)定流,一維流、二維平面流或剖面流、三維流等。3KA/T10—20236.1.4源匯項應根據(jù)煤礦(區(qū))水源井開采的特點,將其概化為單井或群井;降雨、蒸發(fā)、各類地表水的入滲補給以及上下含水層的頂托或下滲補給等應根據(jù)分布特征,將其概化為單元入滲補給強度或單元蒸發(fā)強度。6.1.5根據(jù)地下水流速大小將水中污染質(zhì)的運移機制概化為分子擴散、對流彌散。6.1.6根據(jù)含水層內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征、水動力彌散實驗結(jié)果以及污染質(zhì)運移途徑調(diào)查等,判定水頭和濃度在含水層內(nèi)部三維方向上的變化情況,將地下水中污染質(zhì)運移狀態(tài)概化為一維流、二維流或三維流。6.1.7根據(jù)地下水中污染質(zhì)的現(xiàn)狀及其危害程度,選擇合適的污染指標作為水質(zhì)運移模型的特征因子。6.1.8采用相應軟件構(gòu)建水文地質(zhì)模型。6.2數(shù)學模型及模擬方法6.2.1數(shù)學模型應包括描述地下水運動條件的偏微分方程和定解條件(邊界條件與初始條件)。6.2.2數(shù)值模擬方法可根據(jù)實際條件選用有限單元法、有限差分法、邊界元法等;數(shù)值模擬計算應優(yōu)先考慮使用地下水數(shù)值模擬專業(yè)軟件等。6.3模型的識別與檢驗6.3.1模型必須經(jīng)過識別和檢驗后才可用于地下水管理模型的建立。6.3.2通過模型識別逐步修正水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)和邊界條件,使模型識別期計算數(shù)據(jù)與實際觀測數(shù)據(jù)達到最好的擬合,識別時須有水位和流量數(shù)據(jù),避免模型參數(shù)多解。6.3.3模型檢驗應通過對已識別模型的運轉(zhuǎn),比較模型計算數(shù)據(jù)與實際觀測數(shù)據(jù)的擬合效果,看模型是否正確地描述了地下水系統(tǒng)的動態(tài)特征。6.3.4對于降深小的地區(qū),要求水位擬合絕對誤差小于0.5m的節(jié)點必須占已知水位節(jié)點的70%以上;對于降深大的地區(qū)(大于5m)要求水位擬合相對誤差小于10%的節(jié)點必須占已知水位節(jié)點的70%以上。6.3.5水質(zhì)濃度的擬合精度應視進入模型的模擬因子的誤差分析精度而定。一般情況下,擬合的絕對誤差值應控制在分析誤差精度以內(nèi),滿足水質(zhì)濃度誤差精度要求的節(jié)點應占已知水質(zhì)濃度節(jié)點的50%以上。6.3.6數(shù)值法地下水均衡的計算結(jié)果,應與常規(guī)水均衡方法的計算結(jié)果進行對比、相互驗證。6.4建模要求6.4.1已知地下水位、水質(zhì)控制點的分布應滿足對各參數(shù)分區(qū)、主要邊界、面狀入滲區(qū)以及污染區(qū)等煤礦(區(qū))不同水文地質(zhì)條件地段的控制要求。6.4.2一般要求應有一個水文年以上的地下水動態(tài)觀測系列資料用于模型的識別和驗證,此外,根據(jù)建模的具體情況,也可對資料的觀測提出專門要求。6.4.3煤礦(區(qū))地下水集中開采量和疏排量的觀測,宜與地下水水位、水質(zhì)的觀測同步進行。6.4.4地下水含水層系統(tǒng)的側(cè)向或垂向邊界存在較強的水量交換時,應盡可能開展水均衡論證或試驗工作,求得水量的交換參數(shù)。6.4.5滲透系數(shù)、水動力彌散系數(shù)等參數(shù)可根據(jù)野外或室內(nèi)試驗實際測定,并選取代表性參數(shù)賦值。6.4.6數(shù)值模型在進行網(wǎng)格剖分時,應根據(jù)不同地段地下水水力梯度、水質(zhì)濃度梯度以及精度要求等確定其網(wǎng)格剖分密度,特別是對于地下水溶質(zhì)運移模型,網(wǎng)格剖分不宜過于稀疏。4KA/T10—20237地下水管理模型的建立7.1優(yōu)化方法7.1.1地下水管理模型是將地下水數(shù)值模擬模型與最優(yōu)化方法結(jié)合而形成的。最優(yōu)化方法包括有線方法。7.1.2線性規(guī)劃問題的標準形式,線性規(guī)劃法要求目標函數(shù)為線性函數(shù),約束條件可用一組線性等式或線性不等式來表達,見公式(1)。目標函數(shù)Maxcjxj……(1)式中:Z—目標函數(shù)值;aij—約束方程式系數(shù)(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n);aij—約束方程式系數(shù)(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n);i目,b,i0(i=1,2,…,m)。MinZ=cjxj………可令Z'=—Z,將其化為如下標準形式,見公式(4):MaxZ'=-cjxj……對于約束條件為不等式的情況,可在其左端加上或減去一個非負的松弛變量,把它變?yōu)榈仁郊s束條件的標準形式。7.1.3多目標規(guī)劃問題的標準形式,見公式(5)和公式(6)。目標函數(shù)opt[f1(x)、f2(x),…,fn(x)]………………(5)滿足于0……式中:f1(x)、f2(x),…,fn(x)—目標,可以求最大,也可以求最小;G(x)—約束函數(shù);x—決策變量;X—決策變量集。7.1.4地下水管理中的線性規(guī)劃問題可采用單純形法求解,多目標規(guī)劃問題可采用將多目標化為單目標法、分層求解法、混合優(yōu)選法和目標規(guī)劃法等求解。7.2管理模型7.2.1地下水管理模型由目標函數(shù)和約束條件兩部分組成。目標函數(shù)用來表示地下水管理的目標,可以是單目標,也可以是多目標;約束條件用來表示在實現(xiàn)管理目標的過程中,所受到社會、經(jīng)濟、環(huán)境和5KA/T10—2023技術(shù)條件的限制。7.2.2地下管理模型主要包括地下水水量管理模型和地下水水質(zhì)管理模型。7.2.3地下水水量管理模型所要達到的目標一般有最佳水位降,最優(yōu)開采量、最優(yōu)疏排水量等,應根據(jù)煤礦(區(qū))的具體管理目標而定:a)當管理目標為滿足煤礦(區(qū))供水要求的前提下,控制地下水位進一步下降時,目標函數(shù)可以求各節(jié)點水位總降深的最小值。此時,公式(4)中的Z'表示節(jié)點水位的總降深值(L),xj為某時段第j節(jié)點水位降深值(L)。b)當管理目標為滿足煤礦(區(qū))地下水位達到最佳狀態(tài)的前提下,控制地下水開采量或礦井疏排水量時,模型的目標函數(shù)可以求煤礦(區(qū))總開采量或疏排水量的最大值。此時,公式(1)中的Z表示煤礦的總開采量或疏排水量,xj為某時段第j節(jié)點的開采量。7.2.4上述各目標函數(shù)要求的約束條件可以歸納為:a)均衡約束:以地下水流狀態(tài)方程作為水均衡約束的等式約束條件。b)資源量約束:煤礦(區(qū))需水量之和不得大于當?shù)乜赡艿墓┧笜说?。c)需求約束:地下水開采量要滿足煤礦(區(qū))生產(chǎn)和生活用水的要求。d)環(huán)境約束:為防治某些生態(tài)環(huán)境問題,地下水位埋深必須控制在某一臨界深度,即礦井的疏排水量必須控制在一定范圍內(nèi)。e)非負值約束。7.2.5對地下水水質(zhì)管理模型,當管理的主要目標是為了求得地下水污染質(zhì)排放的控制量時,其目標函數(shù)應是尋求地下水系統(tǒng)所能容納的污染質(zhì)的最大值。此時,公式(1)中的Z為地下水系統(tǒng)所能容納的污染質(zhì)的最大值,xj為污水入滲量與某污染質(zhì)的最佳排放濃度之積。7.2.6地下水水質(zhì)管理模型約束條件為地下水流狀態(tài)方程、地下水溶質(zhì)運移的對流—彌散方程、不導致地下水污染的各污染質(zhì)排放濃度限制以及非負值約束等。7.2.7地下水流狀態(tài)方程和地下水溶質(zhì)運移的對流—彌散方程具有微分方程的形式,只有通過有限差分法或有限單元法將它們變成線性代數(shù)方程組,才能納入地下水管理模型的約束條件中去。7.2.8地下水管理模型求得最優(yōu)解后,還應進行模型靈敏度分析,在保持模型最優(yōu)解不變的條件下,確定模型中各參數(shù)的最大允許變化范圍,避免模型發(fā)散,無最優(yōu)