我国北方地区干旱少雨，水资源短缺，黄河水成为北方地区最重要的水资源来源之一，已呈过度开发之态。据统计资料，黄河流域水资源开发率已高达80%,远超40%的生态警戒线[1]。黄河流域范围内，尤其是矿产资源开发区，水资源短缺与用水需求大的矛盾日益突出[2],加强再生水、雨水、矿井水等非常规水多元、梯级、安全利用势在必行。

水资源重复利用应将地表雨水、矿井水等先行收集，再经处理复用，常规处置方式为调蓄水池+污水处理站的处理模式。水处理技术路径是水资源重复利用的总体框架，路径不同，调蓄水池库容大小、后期清淤工程量、项目投资也会随之不同。需综合考虑确定一条符合实际、运行效率高、投资省的工艺路径。

调蓄水池的设计库容是确定项目规模、建设方案、工程投资的重要基础数据，如何计算并取得可靠的库容对本项目至关重要。对于小型蒸发池库容的确定，已有较多研究和案例，如宋武生等[3]对新旧排水设计规范下蒸发池容积的计算规定进行探讨，得出新要求下按不同时段内的最大平均降雨量计算的容积更能满足实际排水的需要。陈力等[4]以雷州半岛某公路项目上蒸发池作为设计示例，计算3 d最大平均降雨量下蒸发池的容积，并以实际效果验证了其容积计算的可靠性。对于水库等大型水利设施，其容积计算需结合水库运行机理、功能定位进行，计算方法更为复杂同时也更为广泛。如王丽川、林大亮等[5-6]均是在分析来水量及用水量的基础上，采用蒙特卡罗随机模拟方法和水量平衡方程等数学模拟方法，以97%的保证率，逐段(年、月、旬)对水量进行调算，最终得各特征数。干家欣等[7]利用Arcgis和南方Cass, 辛振科[8]利用Civil 3D建模法和等高线法，基于水库地形计算水库库容以及淤积情况。

以东露天矿麻地沟环境整治及雨水回用工程为例，探讨雨水回用技术路径，对雨水回用路径上的关键问题，即调蓄水池的库容确定进行计算探讨，研究结果可为矿区雨水回用提供技术参考。本工程的顺利实施可提高东露天矿再生水利用率，减少引黄水使用量；此外，对麻地沟蓄水坑进行整治、景观改造，有利于整治工业场地环境污染问题，提升工业场地整体面貌。既是水生态环境保护的需要，也是建设绿色矿山的需要，对促进当地社会经济、资源环境的协调发展具有重要意义。

1、工程概况及基础资料

1.1 东露天矿及麻地沟概况

中煤平朔集团东露天煤矿是平朔矿区三大露天煤矿之一，位于朔州市平鲁区榆岭乡。矿区面积48.41 km2,截止2021年底，剩余可采储量15.53亿t, 境界内平均剥采比5.58 m3/t。东露天矿现生产能力为2 500万t/a, 服务年限57.6 a。目前东露天矿生产用水主要来自工业场地以东约500 m处的引黄水调蓄水池，引黄水批复总取水量为319.4万m3/a, 麻地沟原为天然沟壑，原麻地沟由南向北从工业场地东侧流经，随着东露天矿、神头电厂以及经济园区的建设，原麻地沟被分段回填、阻断，以致形成数个自然蓄水坑。以本项目所指蓄水坑，即东露天矿工业场地东侧100 m附近的蓄水坑为最大，以下称“麻地沟蓄水坑”。

麻地沟蓄水坑常年积水，积水主要来自工业场地及周边坡面汇流和矿坑排水，蓄水坑形成数十年，底部淤积不详，仅知该处原麻地沟沟底高程约为+1 320 m, 现坑顶地面高程约为+1 364 m。该蓄水坑目前未进行任何防渗防护处理，坑底有渗漏，部分池壁边坡在外部雨水冲刷和积水浸泡作用下已发生滑塌，亟需规范化治理。

1.2 降雨量

平鲁区气象局提供的平鲁区近10 a(2012—2021年)降水量数据见表1。

表1 近10 a逐月降水量统计

一般来说月降水量100 mm以上称为多雨，50～100 mm为湿润，小于50 mm为干燥或少雨[9]。由表中数据可知，6～9月份月均降雨量在50 mm以上，7～8月份月均降雨量在100 mm以上，以上4个月为湿润或多雨月份。其余8个月降雨大多在35 mm以下，为干燥或少雨月份。

近10 a中2013年年降雨量最大，为612.6 mm; 2017年次之，为530.2 mm。近10 a年均降雨为464.5 mm。

1.3 矿坑排水量

矿坑排水现场未统计台账，根据相关已批复文件计算资料，矿坑排水量仅考虑矿坑涌水与地表降雨汇流，确定2%的暴雨排水强度15 d暴雨15 d排出，正常降雨及暴雨排水量分别为322.86 m3/h、961.86 m3/h。

现露天矿坑集水坑至麻地沟蓄水坑之间布置有两趟外排管路，两趟管路同时启用排水能力为400 m3/h, 满足正常降雨排水需求。另备用3台能力为200 m3/h水泵，暴雨期间排水能力为1 000 m3/h, 可将强降雨抽排至矿坑南侧排水沟。故矿坑向麻地沟蓄水坑排水量仅需要考虑正常降雨时的排水量。矿坑排水量按2台水泵最大输送能力计算，为400 m3/h, 水泵按每天工作20 h计。

2、水处理技术路径

本次水处理技术路径比选，综合考虑东露天矿用水现状及要求、麻地沟现状、工业场地排水及周边排水设施现状、麻地沟后期清淤便利性等，按从重点到全面的次序，初步拟定了3个方案。各方案分述如下。

2.1 方案一：矿坑排水、工业场地周边地表雨水按既有方式进入调蓄水池

现状北麻地沟蓄水坑外形不规则、边坡塌陷、渗漏严重，按本方案对北麻地沟蓄水坑进行规划整治，增设防渗防护设计，再配套建设一座污水处理站，建设成一座具有防洪、蓄水、水处理并兼顾员工休闲锻炼的生态调节蓄水水池。矿坑排水、地表雨水均按既有方式汇入北麻地沟调蓄水池；污水处理站根据历年麻地沟所能提供的水量确定规模，为260 m3/h。方案流程如图1所示。

2.2 方案二：矿坑排水、工业场地周边地表雨水经预处理后进入调蓄水池

考虑到矿坑排水悬浮物含量高(1 336 mg/L),故在进入北麻地沟调蓄水池之前，增设矿坑排水预沉池处理沉淀污泥；同时结合工业场地排水系统规划进行技术改造，在工业场地排水系统出口外修建场外排水管渠，排水系统转折或交汇处，均需设置雨水沉淀池，所有地表汇流雨水均需经分级雨水沉淀池的多级沉淀后，再接入北麻地沟调蓄水池蓄存待用。以此减轻北麻地沟调蓄水池的清淤工作量及清淤成本。其他技术原则与方案一相同。方案流程如图2所示。

图1 方案一流程

图2 方案二流程

2.3 方案三：矿坑排水直接入污水处理站

考虑到调蓄水池后期清淤不便，故将悬浮物含量较高的矿坑排水直接进入污水处理站进行处理，处理达标后即输送至配水站。地表雨水经过预沉淀后进入调蓄水池蓄存，在矿坑排水水量不足时，可以抽取调蓄水池蓄水进行处理供生产使用。污水处理站规模根据历年矿坑排水和地表雨水所能提供的水量，即历年麻地沟所能提供的水源确定规模。考虑到矿坑排水水量有限，旱季不排，仅雨季多雨时节排放，一部分经处理后，溢流至调蓄水池的水量较少，故调蓄水池库容主要根据工业场地周边地表径流量确定。方案流程如图3所示。

图3 方案三流程

2.4 方案比选分析

因北麻地沟调蓄水池库容大，深度深，清淤不方便，故建议所有地表汇水在进入调蓄水池之前，都应该进行初级沉淀，尽量减少调蓄水池后期清淤工作及运行成本。

方案一矿坑排水和地表雨水未经初级沉淀，直接进入调蓄水池，增加了调蓄水池的清淤工作量及运行成本；方案二虽然考虑了矿坑排水和地表雨水的预沉淀，但矿坑排水和地表雨水初期均进入调蓄水池蓄存，调蓄水池需要有较大的库容，且也增加了调蓄水池后期的淤泥累积量。且以上两种方案均将矿坑排水和地表雨水汇入麻地沟调蓄水池，污水和雨水不能实现分开存储、分开处理。方案三矿坑排水不进入调蓄水池，直接进入污水处理站处理，可减少调蓄水池库容及其淤泥来源，也可实现雨污分流，其前期投资和后期清淤成本显著降低，收集、储存、使用全过程满足环保要求，故更推荐方案三。

3、调蓄水池库容确定

麻地沟蓄水池工程类别上属供水工程中的调蓄水库，根据相关规范确定本调蓄水库工程等别为Ⅴ类，调蓄水库按30年一遇洪水进行设计[10]。

根据平朔东露天矿生产现状平面图，勾勒露天采坑汇水面积约8.67 km2,区内径流汇集至坑底。工业场地汇水面积约5.36 km2,区内径流汇集至麻地沟。根据汇水面积内不同种类地面所占的面积和该种类地面的径流系数进行加权平均[11],可得综合径流系数为0.4。

3.1 根据近10 a降雨数据推算调蓄库容

参考平鲁区近10 a降雨数据，逐年逐月分析来水量与出水量的差值，得到每个月的剩余蓄水量，再逐月累加，得到逐月累计蓄水量。来水量主要考虑地面降雨径流和矿坑排水量，出水量主要考虑污水处理站每个月处理水量和蒸发量。多雨时节矿坑排水量为400 m3/h, 其中污水处理站处理水量为260 m3/h, 向调蓄水池溢流140 m3/h, 水泵每天工作时长20 h。湿润季节矿坑排水量较少，不向调蓄水池溢流，污水处理站处理能力按130 m3/h运行计算。干燥少雨季节矿坑水不外排，污水处理站处理能力按130 m3/h运行计算。每月蒸发量按《山西省水文计算手册》中统计的朔州水文站1980—2008年水面蒸发月均值进行计算[12]。2013年麻地沟累计蓄水库容推算过程见表2,其他年份类同。得到2012年至2021年累计最大蓄水量连续系列数据，依次为39.6万m3、78.8万m3、17.5万m3、19.8万m3、41.1万m3、50.2万m3、40.4万m3、20.7万m3、46.7万m3、18.8万m3。去掉最大值和最小值后计算该连续系列数据均值为37.5万m3、变差系数为0.31。因本阶段缺乏当地连续降雨资料，暂根据以上连续系列均值作为10年一遇降雨均值进行估算，查《山西省水文计算手册》附表Ⅰ-2皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数[13],计算30年一遇调蓄库容为63万m3。

表2 2013年麻地沟累计蓄水量推算

3.2 根据《山西省水文计算手册》推算调蓄库容

参照《山西省水文计算手册》设计暴雨的计算方法推求不同历时设计点雨量及面雨量[14],进而求得设计标准下一次降雨库容的增量。本工程汇水面积为5.36 km2,根据规定，“定点”个数取1个点，故本计算中设计“点雨量”与设计“面雨量”计算结果相近。设计点雨量计算见表3。设计面雨量计算见表4。

由以上计算可得30年一遇10 min降雨量为19 mm, 1 h降雨量为39 mm, 1 d降雨量约为 88 mm, 3 d降雨量为119 mm。此外，根据朔州地区1961—2004年降雨统计数据，该区一日最大降雨量为87 mm(1973年),1 h最大降水量40.7 mm, 10 min 最大降水量14.9 mm(1990年),年最长连续降水日数达11 d, 总降水量149 mm。说明计算结果和统计雨量数据较为可靠，故根据统计数据中年最长连续降水11 d, 总降水量149 mm计算30年一遇一次降雨库容的增量为32.9万m3。

表3 设计“点”雨量计算

表4 设计“面”雨量计算

表中，H均对应历时的暴雨均值，mm;Cv为对应历时暴雨均值变差系数；K1/30为对应30 a一遇皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数；η为设计暴雨定点——定面折减系数，η=1/(1+CAN);C,N为经验参数；A为汇水面积，km2。

以常水位库容作为基数库容，基数库容加上30年一遇连续降雨库容的增量即为设计最大库容。常水位库容取设计最大库容的0.4倍，计算得设计最大库容为55万m3。

3.3 根据实测地形图估算库容

现状地形池顶高程约在+1 364.0 m, 水面高程+1 348.0 m, 根据现场水位调查，近年最高水位至麻地沟蓄水坑北侧平台(+1 354.0 m)。采用3DMine软件对地形建模分析，得现状水面以上库容约为48万m3,现状水面至近年最高水位对应库容为23万m3。现状蓄水坑模型如图4所示。

因不清楚现状水深，无法测算实际库容，故对水面以下库容进行大致估算。受池体构造的影响，水池达到一定深度后，其库容的增量不会随深度的增大而显著增大，水面以下水深为5 m时，库容约为6.8万m3;水面以下水深为10 m时，库容约为10.4万m3。则总库容参考值为55万m3～59万m3。

图4 调蓄水池场地现状地形效果

4、结论

将麻地沟蓄水坑环境整治和矿区雨水回用结合考虑，整治后的麻地沟蓄水坑既可提升工业场地整体面貌，又可兼作调蓄水池，符合矿区生态修复、资源充分利用、可持续发展的理念。重点论述水处理技术路径的选取及麻地沟调蓄水池库容的确定，其研究结果可为类似项目提供设计思路和计算参考。主要结论有

(1)为满足东露天矿矿坑排水和工业场地周边地表雨水等非传统水源收集、处理再回用于生产的功能需求，提出悬浮物含量较高的矿坑排水直接入污水处理站进行处理，水量较大时溢流至调蓄水池，水量不足时从调蓄水池抽取，工业场地周边地表雨水经多级沉淀后注入污水调蓄水池，可最大限度实现雨污分流，核减麻地沟调蓄水池设计库容，减小麻地沟调蓄水池后期清淤压力，是一种投资较少、后期运营较为便利的方案。

(2)各地水文手册编制年代较早，未对近年变化的气象条件作更新，导致其计算结果偏低，且对于常水位库容和增量库容的比值为经验值，对计算结果均有一定影响，其计算库容值可作为参考。根据现状蓄水坑地形建模分析，可获得现状蓄水坑蓄水库容，鉴于东露天矿投入运营至今未发生水池溢流事件，可将计算结果作为库容校核，但观测年限较少，难以与30年一遇防洪标准相匹配。

(3)基于当地近10 a降雨数据，采用月系列对来水量和用水量进行动态平衡分析，较好的反应了蓄水池蓄、用的过程，以此得到近10 a库容均值，并推求30年一遇调蓄库容，其计算结果较为可靠。故推荐东露天矿麻地沟调蓄水池30年一遇调蓄库容为63万m3。

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文章来源:刘施.东露天矿麻地沟环境整治及雨水回用工程设计探讨[J].陕西煤炭,2024,43(11):179-183+188.