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水资源利用论文

中文摘要1

英文摘要2

安徽省某铁矿水资源利用方案设计

摘要:

矿山开采过程中，为保证矿床开采活动的顺利进行，一方面要外排地下水，另一方面，采选矿又需要大量的水资源，即矿床地下水具有两重性。

为此，本设计以安徽省龙桥铁矿为例，针对矿区的排水和需水问题，以解决矿区涌水量预测和确定需水量为设计重点，用解析法计算了-490m水平下的矿坑涌水量，为7472m3/d；根据用水组成，采用用水定额法确定了矿区的生产和生活用水量，分别为58172.1m3/d和282.9m3/d，其中生产用水回水用量49090.8m3/d，需补充新水用量8798.4m3/d。

为充分利用矿区水资源，生产用水中首先取用矿坑排水，但因涌水量小于生产用水量，因此，考虑周边地表水资源相对较丰富，设计利用泵站抽取西河水来供给生产用水，抽水流量为1326.4m3/d。

从而为矿区水资源的合理利用提供了科学依据。

关键词:

矿坑涌水量；需水量；水资源；充水条件

AnIronDesignOfWaterResourceInAnhuiprovince

Abstract:

Intheprocessofthemineexploitation,groundwatershouldbedischargedtoensurethesafemining.However,miningbeneficiationneedsalotofwater.Thatisminewaterhasadualnature.Inthepaper,taketheLongqiaoIronOreinAnhuiProvinceasasample,miningwaterdischargedandwaterdemandedarecalculated.minewaterdischargedis7472m3/dat-490mlevel,whichisobtainedfromtheanalyticalmethod.Accordingtothewatercomposition,usingthewaterquotamethod,theproductionanddomesticwaterare58172.1m3/dand282.9m3/drespectively.Andthebackwaterdosagewas49090.8m3/d.theamountofnewwaterwas8798m3/d.consideringthewaterresourceofminearea,wefirstsuppliedtheminedrainagetotheproductionwater.Butthewateryieldofminewaslessthantheproductionwater,sosomepumpingstationsaredesignedtosupplywaterforproductionformtheWestRiver.Thepumpingflowis1326.4m3/d.Itprovidesscientificbasisfortherationalutilizationoftheminingarea.

Keyword:

wateryieldofmine;waterdemand;waterresource;water-filledconditions

第一章引言

1.1设计内容

本设计为安徽省某铁矿水资源利用方案设计，针对矿区的排水和需水问题，以解决矿区涌水量预测和确定需水量为目的，为矿床安全开采提供保障。

主要任务有：

（1）矿区地质及水文地质条件分析。

包括主要的含水岩组、隔水层，不同含水岩组之间的水力联系。

（2）矿坑涌水量预测。

包括确定充水水源、充水途径，不同含水岩组的水文地质参数取值，解析法计算矿区涌水量的大小。

（3）确定矿区需水量。

根据生活及生产规模，分别确定不同用水组成的需水量；（4）供需水平衡分析。

（5）设计水资源综合利用方案。

1.2设计思路与方案

对于本次的课程设计的重点就是矿坑涌水量与需水量的计算。

在进行矿坑涌水量计算之前首先要进行矿区地理地质的分析。

根据已有的数据资料可以得到矿区的地质属于第四系地质。

紧接着根据矿区的水文地质条件确定矿床的充水条件，然后根据充水条件和所给的数据资料利用解析法计算得到矿床的涌水量。

接下来就要对矿区的需水量进行计算，需水量分为生活需水量和生产需水量，生产需水量是根据生产工序的用水量求解得到的，生活需水量是通过用水定额法求解得出的。

计算得出涌水量和需水量之后，先对生产用水进行供需平衡分析，若矿区的涌水量无法满足生产用水需求，则要根据矿区现状引用其它水源以满足生产用水需求。

对于生活用水而言，由于水质的要求，我们只能开采地下水满足生活用水的需求，这就需要根据生活需水量确定所需要挖掘井的数目。

1.3国内外研究现状

近年来由于我国可利用的水资源短缺，水资源污染严重导致可供水量下降，同时由于经济的快速发展使工业用水量不断增大。

对于这种供需水量之间的不平衡导致的工业﹑农业以及生活用水的难题必须要通过合理的水资源规划来解决，这就使水资源的合理规划和利用已成为如今社会的一大热点话题。

基于这样的现状，大量的科学技术被应用到水资源规划与设计中以便更好更快捷的解决水资源规划所遇到的问题，例如利用计算机技术建立模拟抽水的模型如ModelFlow模型；利用GIS绘图技术对地形图的绘制；以及基于灰色理论和线性回归预测需水量[1]这样的方法。

第二章研究区概况

2.1自然地理概况

研究区铁矿位于安徽省庐江县城东南方25km处的龙桥村。

矿区北距龙桥镇4km、合肥132km，北东距巢湖市78km，东南距铜陵市90km，庐江至砖桥公路经过矿区，交通十分便利。

该矿距合（肥）九（江）铁路柯坦车站约40km，距合（肥）铜（陵）公路（即405国道）22km，距龙桥镇西河码头5km，距直通长江的西河缺口码头只有6公里。

矿区地理坐标为：

东经117°27′30″～117°28′19″，北纬31°06′08″～31°08′00″。

矿区地形为低山丘陵地带，海拔高度一般在50～200m，属亚热带季风气候，年平均气温15.5℃，七月份平均气温27.7℃，极端最高气温41.3℃（1959年8月23日），一月份平均气温2.3℃，极端最低气温-13.7℃；年平均降雨量1216.2mm，年平均蒸发量1497.5mm。

夏秋两季雨量较多，冬春两季雨量较少；风向多为西南风。

矿区所在地理范围内无大的台风、水灾等自然灾害，该地区历史上发生过多次地震，其中三次达6级,本次设计主要建筑物按7度设防。

矿区附近农民多从事农业生产，农产品主要以水稻为主。

距矿区5.5km处有一条长江的支流—西河，西河从庐江县城至无为黄雒河口，全长108km,其中上游在庐江县城内28.7km，河底高程7.0~5.5m，流域面积789.2km2（其中缺口以上面积598km2），底宽20~30m，庐城至缺口段设计流量为420m3/s。

2.2地质条件

2.2.1矿区地质

龙桥矿区位于淮阳山字型构造前弧东翼内侧与新华夏系第二隆起带西缘交接复合部位，郯庐超壳深大断裂的东侧，庐枞火山岩盆地的北缘与基底沉积岩的接合部位。

区内出露的地层主要为盆地基底沉积岩系，火山岩系，以及第四系坡积、洪积物。

第四系坡、洪积物分布在矿区北部平坦地带及山间谷地。

基底沉积岩系分布在矿区北部，主要由下侏罗统磨山组上段及中侏罗统罗岭组的内陆湖泊相正常沉积碎屑岩组成。

铁矿床赋存在中侏罗统罗岭组上段第三层上部的碳酸盐岩（灰岩、泥灰岩）向铁钙质泥质粉沙岩相变带中。

火山岩系分布在矿区南部，主要由上侏罗统龙门院组及砖桥组下段的火山碎屑岩、熔岩组成。

与上述下伏基底沉积岩系地层呈不整合接触。

岩性主要为凝灰岩、凝灰质粉砂岩和角闪粗安岩、粗安岩等。

2.2.2矿区断层

区内共查明断层12条，其中矿床内8条，大多发育在矿床的东部，这些断层具多期活动的特点。

按断层的走向可分为四组。

NE向有F1、F12，NNE向有F2、F3、F6，近南北向有F4、F5、F9，NW向有F7、F8、F10、F11。

其中F6、F8切割较深，其余均为浅层断裂。

F6断层位于婆权岭ZK513孔北西侧，为矿床内规模较大的一条断层，长710m。

破碎带宽地表1～3m，走向15°～20°，倾向SE，倾角65°～82°，该断裂由地表经5线延伸至9线深部，并切割和破坏矿体，致使矿石呈粉末状和角砾状，同时伴有强烈的碳酸盐化和赤铁矿化。

此断裂在9线向北至ZK917主要呈构造碎裂岩形式出现，断裂活动强度明显减弱。

该断裂水平视断距10～20m，垂直视断距5～15m。

F8断层位于ZK2504、ZK913一线以北，为矿床内东部边界规模最大的一条断层，其走向315°～330°，倾向NE，倾角75°～85°，走向延伸长1160m，地表见2～5m宽破碎带和硅化带。

据马鞭山铁矿区施工的ZK269孔查明该断层性质为正断层。

北东盘（上盘）下降，垂直断距40m，延伸至-430m，切割矿体。

断层水平距北东盘北移100m。

因此F8断层可作为龙桥与马鞭山铁矿床的自然边界。

矿床内围岩蚀变普遍发育，蚀变类型也较为复杂。

依蚀变的控制因素及主要蚀变矿物组合，自上而下划分为：

①钾化—高岭石化—绿泥石化带；②电气石—钾化带；③矽卡岩化带；④大理岩化带；⑤碱性长石化一角岩化带；⑥角岩化带等六个蚀变带。

其在空间上基本呈面型展布，在垂向上具明显的分带性，且具多期蚀变相互迭加的特征。

矿体赋存于罗岭组上段第三层上部（J2L23b）的灰岩、泥灰岩向含铁、钙质泥质粉砂岩过渡的相变带中，赋矿围岩为含铁、钙质泥质粉砂岩。

底板为罗岭组上段下部（J2L23a）纹层状泥质粉砂岩层位稳定，分布广泛，特征明显，为矿体底板的标志层，作为矿体连接对比重要依据。

矿床有两部分矿体，Ⅰ号矿体为主矿体,其储量占矿床总储量的99.7%,其次为Ⅱ号及小矿体10个，仅占矿床总资源储量的0.3%。

Ⅰ号主矿体特征如下：

Ⅰ号矿体：

矿体形态简单，呈层状、似层状，局部分枝复合。

水平投影形态为不规则的长方形，长轴方向总体呈290°延伸，长2200m，平均宽度为520m。

矿体产状总体走向略呈弧形变化，中部（8-1线）走向东西，倾向南；8线以西，走向320°,倾向南西；1线以东，走向80°,倾向南东；矿体倾角一般为15°～20°。

矿体赋存标高为－268.07m～－507.41m，埋深340.63～584.23m。

矿体厚度一般为20～40m，视厚度2.61m～63.58m，平均视厚度为27.21m。

2.3矿区的水文地质条件

2.3.1矿区水体

矿区地处低山丘陵区,地势南高北低。

海拔标高+50～+200m，相对高差25～175m，最高峰婆权岭为+206.59m,龙桥北端与天河河漫滩相接最低标高为16.9m为矿床排水基准面。

山脊线总体呈北东向延伸,SN向、NW向沟谷较发育。

区内除癫痢山、钟山、绿尖山、由次生石英岩形成陡崖外，一般坡体圆缓，沟谷宽浅呈现中等剥蚀—堆积地貌景观。

矿床地表水体不发育，较大的为矿床中部梅庄水库，依山而筑，库容2万m3，拦蓄上游大气降水用于农灌，汇水面积仅3Km2。

水库坝基标高+51m，水位标高+52～+53m。

库底为透水极弱的粗安岩，且与下部矿体相距400余m，对矿床充水不具威胁。

其它小型池塘零星分布于第四系粘土层之上，流量小、季节性变化大，旱季断流，对矿床无充水意义。

2.3.2含水岩组

按含水介质类型分为以下四个含水岩组：

1.松散岩类孔隙含水岩组

由第四系全新统残坡积、洪积成因的粘土、亚粘土、碎石组成，厚0～20m，分布在区内沟谷中。

含微弱孔隙潜水。

2.火山碎屑岩孔洞裂隙含水岩组

主要由砖桥组下段凝灰岩、凝灰质粉砂岩、次生石英岩组成，厚2.77～115.92m，平均49.82m。

因出露条件差异,表现为潜水一承压水水力性质,水位标高32.28～89.23m,水位埋深2.3～91.44m。

该组含水岩组直立裂隙发育,岩芯破碎,单位涌水量0.08701～0.10267升/秒·米。

平均渗透系数0.02704m/d,中等富水。

该组含水岩组距矿体370～480m,无导水断裂沟通矿体,对矿坑无直接充水作用。

3.碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组

主要为罗岭灰岩，地表出露面积0.1km2，倾向南西，倾角15°～25°，厚1.25～90.92m，平均40.34m。

呈透镜状产出，沿倾向尖灭相变为泥质粉砂岩，磁铁矿体即产于相变带中。

其底板分布标高，+20.62～-411m，平均-274.07m，水位标高29.6～30.45m，水位埋深9.5～16.42m。

该组灰岩杂质成分高，岩溶化程度弱，含水极微弱。

该含水岩组顶部与泥质粉砂岩接触带是相对重要的含水部位，其含水性受裂隙发育程度，埋藏深度，矿化蚀变程度控制，深部弱富水，浅部中等富水。

裂隙发育带是相对含水部位，富水性强，连通性好，但因地表出露面积小，顶底均为含水极弱的泥质粉砂岩包围。

岩组中，主要表现为储存量的消耗，对未来矿山开采不构成重要威胁，但在6～22线间，灰岩与矿体直接接触于矿体底板部位尖灭，开采时需注意底板或侧向顶板突水的可能性。

4.熔岩、次火山岩、粉砂岩、矿体裂隙含水岩体（组）

厚度大于650m，其组成矿体的直接顶底板。

水位埋深0.4～61.96m，水位标高54.29～84.38m。

单位涌水量0.00085升/秒米，渗透系数0.00127m/d，表明此类裂隙带富水性较弱。

2.3.3主要断裂构造及其富水特征

矿床范围内共有8条断裂，经抽水控制表明其中只有NNE向的F6断层为中等富水，其余均为弱含水断层。

F6断层走向15°～20°，倾向SE，倾角65°～82°，宽1～3m，长710m，向下延深至-450～-500m标高，切断矿体，该断层具多期活动特点，早期表现了张扭性，晚期为压-压扭，反扭效应。

其在地表南端消失于龙门院组粗安岩中，北端深切灰岩，对矿坑充水有一定影响。

单位涌水量为0.66656升/秒·米，渗透系数1.29499m/d，属中等富水。

其补给源具消耗静储存量，动储存量补给不足的特点。

同时水中含有锂、锌、锶等多种微量元素，与矿床揭露的其它地下水化学成分差异明显。

2.3.4各含水岩组间水力联系

矿床范围内各含水岩组（体）虽有一定的差异，但其间无明显的隔水层存在，且有一定的水力联系。

各含水岩组的水化学特征具一致性，均为低矿化度的重碳酸型水，同时各岩组分布区的地下水位总体随地形变化呈渐变关系，无明显水位跌落，具有统一的水动力场。

地下水的主要补给来源，为大气降水通过风化裂隙的浅部向深部渗入补给。

此外，断裂构造对不同含水岩组的水力联系起沟通作用，特别是F6断层直接沟通灰岩孔洞裂隙含水岩组与矿体的水力联系，在井巷掘进开拓中，需引起重视。

2.3.5地下水补给、迳流、排泄条件及动态变化规律

矿床内各含水岩组近地表浅部风化带中裂隙发育，且有一定的张开性，是大气降水渗入补给的主要通道，且地下水位随季节变化明显。

水位年变幅为3.07m，自流量年变幅为0.0063升/秒，高水位和自流量增大出现在每年的1～5月份，比本区大气降水高峰周期滞后6个月。

灰岩含水岩组地下水位变幅3.6m，高水位期与降水高峰期基本吻合（5～9月）。

矿床地下水在天然状态下，地下水向沟谷中就近排泄。

第三章涌水量计算

3.1矿床的充水条件

本矿床地形有利于自然排水，地表水体不发育，一些暂时性的沟谷溪流并不构成对矿坑的威胁。

矿体顶底板直接充水的裂隙含水岩层多出露地表，降水入渗补给是矿坑充水的唯一水源。

北部富水性中等的碳酸盐岩岩溶裂隙含水层局部地段与矿体接触，形成矿坑侧向充水来源，矿床内部F3、F6断层规模较大，富水性中等，其中F6在9线切穿矿体，开采揭露此断层时，可造成突水，但补给条件差，随开采时间而衰减，甚至被疏干。

3.2涌水量计算

矿井的涌水量计算一般可用大井法，数值法，和集水廊道法等进行计算。

其中数值法是通过建立数学概念模型将地下水的内部结构﹑边界条件﹑地下水运动状态及输入和输出条件概化。

数值法适用于特大涌水矿山。

大井法的基本原理认为在矿床疏干过程中，随着矿坑涌水量包括其周围的水位降呈现相对稳定状态时，即可认为以矿坑为中心形成地下水相对稳定的辐射流场，此时符合裘布依公式的假定条件，即可利用裘布依公式计算矿坑涌水量。

廊道法是采用垂直集水建筑物公式进行计算，流场的长宽比值大于10可视为平行流，可将其概化为集水廊道进行计算，故称廊道法。

因为大井法计算成熟，方法简单所以在本设计中采用大井法公式对矿坑涌水量进行计算。

1）根据矿床水文地质条件，和边界条件概化，形成了东部为供水边界和北部为隔水边界的正交半平面问题的模型。

从而建立了以相互正交的供、隔水边界的潜水完整井流数学模型为矿坑涌水量预测模型[3]。

Q---涌水量（m3/d）;K---渗透系数（K1=0.02754,K2=0.00724m/d）;H---含水层厚度（m）;

S---水位降低值（静止水位+63.34m）;b1---井中心至供水边界距离（1042m）;b2---井中心至隔水边界距离（1310m）;r---井影响半径（461.38m）;C---分区角度（Ⅰ区26.4%,Ⅱ区为73.6%）;

通过计算求得：

-420m、-475m、-490m矿坑涌水量分别为5275m3/d、6544m3/d、6914m3/d。

图3-1矿坑涌水量预算平面图

2）正常雨季和暴雨时通过塌陷区的渗入水量的计算

参照地质报告资料，根据有关规程规范要求，设计选取日暴雨量（Hp）为35.2mm,正常雨季一日降雨量（H）为8.81mm，地下渗入系数：

正常雨季选取0.03，暴雨时选取0.04，塌陷区范围据设计圈定为211万m2。

计算结果:

正常雨季通过塌陷区渗入的水量为558m3/d;暴雨时通过塌陷区渗入的水量为2971m3/d。

综上预测计算的井下矿坑总涌水量见表3-1。

表3-1井下矿坑总涌水量单位:

m3/d

开采水平

正常涌水量m3/d

最大涌水量m3/d

-420m

5833

8246

-475m

7102

9515

-490m

7472

9885

第四章需水量计算

4.1需水量计算方法

需水量的计算方法有时间序列分析法，灰色预测法，趋势分析法，分类分析权重法以及用水定额法等。

因为用水定额法的计算比较简单方便且在一般城市用水量计算中采用用水定额法所以在本设计中采取的是用水定额法。

用水定额法是通过对用水系统的综合分析，求出用水定额，在根据具体的情况确定用水量。

因为每个单元用水定额之间存在着差别，所以一般将用水部门分单元进行计算，一般而言分为三类：

工业用水，生活用水，农业用水。

然后利用“用水定额法”计算出每个单元的用水量。

然后把各个单元的用水量综合起来就可以得到总的用水量[12]。

用水定额法可以根据地区发展的实际需要及各部门的用水特点按照决策者的具体意图制定用水定额，最后得到用水量的实际预测值[12]。

这样得出的结果比较科学，也比较符合实际用水的变化需求，是目前应用比较广泛的一种需水量预测方法，特别是在城市用水方面应用的比较多。

但是由于用水定额法的适用范围﹑侧重点﹑适用的人口对象不同，各规范及标准中给出的居民生活用水定额﹑综合生活用水定额存在一定差别，并且给出的用水定额是一个取值范围，且变幅较大[13]，所以对相同城市根据不同的标准用用水定额法进行需水量计算时得出的结果也不同，这对于确定一个城市的用水量会造成不便。

4.2用水组成

用水一般有生活用水﹑生产用水﹑生态用水以及农田用水等组成[2]，而对于铁矿区的用水而言，需水量主要是由生活用水与生产用水构成，农田由于矿区大部分受污染，已经无法耕作，故不用计算。

同理，生态用水也已经不用考虑。

因此，在本设计中只需考虑矿区人员的生活用水和矿区的生产用水及可能的消防用水量。

生产用水有选矿采矿用水，充填用水，通风除尘用水，车间地面冲洗用水，选矿渣浆泵水封水，尾矿渣浆泵水封水，以及其他的用水。

由于一部分生产用水可以循环利用，以节约生产成本，故求解生产用水的需水量时，只需要求解新的用水量。

生活用水主要是对矿区的生活工作人员的需水量求解的。

通过查阅资料可知矿区的综合生活用水标准时300L/人•d，而矿区的总的生活人员有943个人.故只需利用简单的计算即可得到生活用水的需水量。

最后求得的数据需要进行验证，以满足条件规定。

4.3生活用水量的计算

生活用水的求解一般是根据总的人数与单位个人的生活用水量而求解得到的。

生活用水多少对于人类的生活是具有重要影响的。

只有满足必要的生活用水需求，才能保证居民的生活质量，所以我们求解生活用水量是为了下一步生活用水的供需分析而准备的，通过生活用水供需平衡分析，得到生活需水量的多少，我们就可以采取措施满足生活用水的需求。

综合生活用水量标准：

300L/人•d。

参考收集到的资料，可知矿区的总人数为943人，每天的生活用水总量为：

300×943=282900L／d=282.9m3/d

消防用水量按同一时间内发生火灾次数为一次,火灾持续时间2小时,消防用水量按15L/s计算。

4.4生产用水量的计算

生产用水是人们用来作为工业生产的水，它对水质的要求没有生活用水那么严苛，故可用矿区涌水当做生产用水，这样一方面可以减少水的输送路程而另一方面可以利用矿区涌水节约成本。

求解生产用水时要根据工业生产的不同工序用水量来求解，求解过程如下：

生产用水量计算如表4-1所示：

表4-1矿区的生产用水组成

用

水

组

成

采

矿

选

矿

充

填

通

风

除

尘

车间地面冲洗

选矿渣浆泵水封水

尾矿渣浆泵水封水

未预见用水

总

用

水

量

用水量

（m3/d）

2067

46812.2

400

500

900

1300

610

5300

57889.2

其中：

新水用量：

8798.4m3/d

回水用量：

49090.8m3/d

总的用水量：

282.9+57889.2=58172.1m3／d

消防用水量：

58172.1×5%=2908.605m3／d

总用水量：

58172.1+2908.605=61080.705m3／d

4.5需水量计算

需水量是在考虑各种可行的节水措施的基础上，为满足一定阶段经济、社会发展的需要，各行业所需要的水量。

需水量的求解对于水资源规划而言是必须的，它是为了下一步的供需平衡分析而作的准备，是进行水资源规划设计中所必不可少的。

一般而言需水量的就算是通过用水量的计算进一步得到的。

对于水资源规划中由于生产和生活用水的水质要求不同，故不能将生产用水和生活用水的需水量统一计算，而是对生产用水和生活用水的需水量分别计算得到不同的计算结果，最后对生产和生活用水分别进行供需平衡分析。

生产用水和生活用水的需水量计算如表4-2所示：

表4-2需水量计算表

用水种类

生产用水

生活用水

用水量（m3／d）

8798.4

282.9

可提供水量（m3／d）

7472

0

需水量（m3／d）=用水量—提供水量

1326.4

282.9

第五章水资源综合利用方案设计

5.1生产和生活用水