( 河南省煤炭研究所450002)
任素珍孔凡平郑州
摘要在研究邢台矿区各生产井不同含水层水质特征的基础上, 采用便携式¦ 型水质连测仪进行水质分析, 1 小时内可测定一份水样的7 项指标, 并采用计算机管理系统应用模糊综合评判数学方法完成水源的快速判别。 关键词水质分析水源判别模糊数学计算机系统
中国图书资料分类法分类号P 64113
作者简介李彩惠男33 岁工程师矿井水文地质
1 引言
2 水质快速分析
邢台矿区位于河北省西南部。矿区西部为太行山东麓丘陵地带, 东部为一山前冲积层掩盖平原区，西高、东低, 高程为60～400 m 。整个矿区位于百泉水文地质单元内, 主要含水
层为奥陶系灰岩、大青灰岩、5# 煤底板至7# 煤顶板间砂岩( 含伏青灰岩)、野青灰岩、2# 煤顶底板砂岩和第四系冲积层底部砾石层。
煤层底板突水威胁着矿区煤炭生产的安全。为了在突水发生后最短的时间内正确地判定突水水源, 除了认真分析突水的水文地质条件之外, 水质分析是重要手段。
以往地下水的水质分析和水源判别方法缺点甚多: 第一, 取样和化验时间过长, 一般需8～10 d。第二, 判别准确度低, 以往靠钻孔或巷道揭露某个含水层所取水样进行水质分析的结果作为评判该含水层水质特征的标准, 其中包括了众多的人为因素。地下水的循环是一个复杂过程, 它们之间的内在联系及本质靠人们的肉眼对几组或几十组数据的分析是远远不能够准确认识的。第三, 费用高, 效率低。矿井水的化验一般只作简分析即可, 正常测试每样89～130 元。对突水水样, 要在极短时间内完成, 这样费用就会成倍增加。猪肉精
因此, 利用水样的化学成分快速分析水质和判
我们采用便携式¦
型水质连测仪进行水质化学分析。
该仪器由天津地质矿产局测试中心研制, 已通过了部级鉴定, 并获发明展览会铜牌奖, 其测试结果的精
密度和准确度都达到了国家标准。
211 工作原理
如图1 所示, 标准溶液靠液位差并通过按钮式阀门控制, 对待测溶液进行滴定, 滴定过程中所消耗的标准溶液的体积, 由滴定管计量。
在待测溶液中, 由电极所产生的电信号, 通过电极转换开关的选择控制, 进入A 、D 转换器, 再通过译码器, 进入显示屏, 由显示屏以数字的形式给出测定结果。
用直接电位法测定时, 可以直读。
用电滴定法测定时, 通过显示屏上的读数, 由操作者控制滴定系统, 最后根据滴定过程中所消耗的标准溶液的体积计算出待测离子的含量。
用容量法测定时, 根据在滴定过程中消耗的标准溶液的体积, 通过相应的计算而得出待测离子的含量。
212 测试结果
本文研究过程中共采集水样33 个, 水质连测仪与认证化验室测试结果对比见表1。环模
果对比及与以往测试结果相对比, 认为测试结果合 糊综合评判的数学方法完成水源判别。 它是通过模 格。
糊变换完成的。
312 数学模型
3 水源快速判别数学模型
31211 设评判集合为 U = {a 1、a 2 ,
a i a m }, 其中
311 模糊 (FU ZZY ) 综合判别的可行性和合理性
针对邢台矿务局邢台、东庞、葛泉、章村、显德汪 等 5 个矿自 1979 年以来的水化学分析资料进行了
统计分析, 对矿区水中下列指标 ( 离子) p H 值、C l -
、 Αi 表示第 i 个含水层
。 因 素集合为: V k = {x 1 , x 2 , m ) , 其中 k 为含水层的个数。
, x n } (k = 1, 2,
,
31212 由于各因素 ( 离子) 属于各含水层的程度是
不同的, 为此, 给出各因素对每个含水层的权重值,
SO 2- - + + 2 + 2 4 、H C O 3 、N a 、C a 、M g 和 矿 化 度 进 行 综 合
记为: E = {e k 1 , e k 2 , e k n } (k = 1, 2, 一个模糊子集
, m ) , 它是 V k 上的 研究, 认为可确定水源。 但是在进行矿井水源判别 时, 由于各含水层水质界线
往往不明显, 具有一定的 模糊性, 很难根据单个离子评价结果加以判别。有时 同一层位的不同水点会得出不同的评价结果, 而对 受几个含水层影响的水点, 传统的水化学评价方法 很难定量区分不同水源, 连定性区分也很困难。
模糊数学对描述和处理诸如上述水源判别这
蜂窝煤采暖炉x k i
e k i =
ƒ, n ) ,
, i = 1, 2, a k i k x k i 表示第, a k i
为第 i 个因素第。 对每个 矿区得到标准权重值矩阵e 11
e 21 e 12
e 22
e 1n
e 2n
E =
e m 1
e m 2 e m n
31213 设第 i 个因素 ( 离子) x i 对第 k 个含水层的 评价为 R k = { r k i }, 它是 U 上的一个模糊子集, 其中
r k i 表示 第 i 个 因 素 的 评 价 对 第 k 个 含 水 层 的 隶 属
度:
图 1 ¦ 型水质连测仪工作原理图
表 1 水质连测仪与认证化验室测试结果对比表
取样单位 化验单位 认证号 化验编号 送样日期 检测日期 pH 值 游离 CO 2 矿务局水源井
河北煤田地质局研究所 ( 93) 量认 ( 冀) 字 (G0101) 号
9430033 1994—10—31
1994—11—02
712 11144
矿务局水源井
河北省地矿局邢台水工实验室 ( 93) 量认 ( 冀) 字 (F 0127) 号
简 940132
1994—10—31
1994—11—02
810
矿务局水源井 水质连测仪
1994—10—31 1994—11—01
7198 14130 m g 〃L - 1 10158 55171 12152 78181 17102 7141 222107 246150
mm o l 〃L - 1
0146 2178 1103 4127 0148 0115 3164 4127
X (B ) ƒ% 10177 65111 24112 100100 11124 3151 85125 100100
m g 〃L - 1 11100 55100 15100 81100 18100 12100 220100 250100
mm o l 〃L - 1
0146 2172 1120 4138 0152 0124 3160 4136
X (B ) ƒ% 11100 62100 27100 100100 12100 5100 83100 100100
m g 〃L - 1
6121 62112 8151 76184 12141 4180 221112 238133
mm o l 〃L - 1
0127 3110 0170 4107 0135 0110 3162 4107
X (B ) ƒ% 6163 76117 17120 100100 8160 2146 88194 100100
分析项目 阳 K + N a + C a 2+ M g 2+
合 计
离 子 阴 C l -
SO 2-
离
4
子 H CO - 3 合 计
速判别的计算机管理系统。该系统与“¦ 型水质连测
r m 1
r m 2
r m n
仪”一同完成水样水质快速分析及补给源的快速判
～
～
31214 即:
对上式求得的 E 、R 应用模糊合成运算“o ”, 别。
411 基本数据库结构
e 11
e 21
e 12
e 22
e 1n
e 2n
本判别系统共建立5个基本数据库: 化验录入数据库、仪器录入数据库、矿级参数库、成果库、矿级含E oR = ～
o
水层编码库。 412 系统设计
功能概述:
e m 1
e m 2
e m n
r 11
～ r 12
～ r 1n
～ r 对从现场录入的水质化验数据快速提供水质
r 21 ～
r 22 ～
r 2n
～
= B 。
分析判别结果 (文字ƒ图形)。
r 存贮历年来矿井水质化验所获得的数据。
r 对数据进行计算机管理。 r m 1
r m 2
r m n
～
～
～
其中 B 为一行列矩阵, 归一化得:
r 为用户查询任一取水地点、取水时间、水质类B = {b 1 , b 2 , , b m }。
型及水源图形提供基础数据。
r 输出水质分析结果表格。
～
b k 为该水样属于各含水层的程度。再根据最大
～
m
隶属原则, 若 b i = m a x { b i }, 则该水样水源补给主要 ～ i = 1 ～ 来自第 i 含水层。
根据不同矿井采用M (+ , © ) 或M (⊙, © ) 模式 判别结果。
313 标准参数值的确定
利用上述数学模型, 对邢台、东庞、葛泉、显得汪 等5个矿1979年以来的214个水样水化学分析资料进 行了计算, 首先算出各矿 a k i 、b k i 的标准参数值, 水样 根据上述功能, 本系统共设置了4个主模块, 各模块之间相互独立, 功能分割明确、齐全, 其结构如图2所示。
5 结论
a 1 采用的水质分析仪器与常规分析 仪 器 相
比, 取 样 量 少, 一 份 试 样 可 连 续 测 定 pH 值、CO 2
CO 2- - - + + 2- 3 、H C O 3 、C l 、C a 、M g 、SO 4 8 个 项 目, 测 试
在1 h 内完成, 提高了工作效率。
各因素 (离子) 属不同含水层的模糊区间 A 3
灌肠袋
i 及对应
k b 1 水质连测仪体积小、
重量轻, 配有交直流两A 3
k i 的隶属度 ΛR k (x k i ) 和水样各因素属不同含水层 用电源, 便于携带, 尤其适合于野外现场分析; 操作～
的权重值 (矩阵)。
简便, 测试直观, 误差小, 实用性强。
模糊区间 A 3i 为各因素 (
离子) 实测值的变化范 c 1 模糊数学 理 论 是 解 决 模 糊 现 象 的 有 效 方
k 围, 由于含水层不同区间端点是变化的, 而由统计模 型计算出的隶属度大小, 反映了不同时期对同一层 次开采煤层水样水的主要来源的变化趋势, 分析认 定是符合实际的, 计算方法是正确的。邢台矿权重值 见表2。
314 判别结果
利用各矿标准参数和数学模型对5个矿水样通 过化验室和连测仪测定的数据, 进行了模糊综合判 , 结果是令人满意的。邢台矿的部分结果见表3。
表2 邢台矿权重参数值
SO 2-
- 含水层
C l -
+ + 2 + 2
pH
H CO 3
N a
C a M g 4
01154 01224 01277 01179 01072 01685 01339
a 1 01175 01173 01163 01157
01178 01277 01060 01076 01098
01265 01121 01085 01199 01155
01163 01141 01217 01163 01164
01136 01266 01174 01081 01075
01333 01017 01018 01112 01152
01015 01028
01052
01144
01407
01031
a 2 a 3 a 4 a 5
a 6
地点
时间
砂岩
冲积层
伏青水
大青水
野青水
奥灰水
水源 数据来源 1986212214 1986210203 1988204219 1991205205 1990206205 1994208222 1994209214 1994209201 1994208202 1994208202
1994208202
0114 0125 0133 0126 01098 01157 01245 01077 01167 01137 01249
0111 0117 0125 0100 01368 0100 0100 0100 0100 0100 0100
0122 0107 0119 01364 01200 0100 0100 0100 0100 0100 0100
0131 0135 0110 01134 01275 01328 01227 01378 01231 01424 01146
0107 0107 0114 01241 01059 01188 0114 01122 01143 01143 01473
0116 0109 0100 0100 0100 01326 01389 01423 01459 01297 01131
7602上边眼 西翼3# 水文孔 22302溜子道 - 450 m 大巷 7807采面 广场水源井 东翼三轨道坡头 D F 5 井底水源井 工业广场水源井 二石门 副暗斜井
大青水
大青水 砂岩水 伏青水 冲积层水 大青水 奥灰水 奥灰水 奥灰水 大青水 野青水
化验室 化验室 化验室 化验室 化验室 仪 仪 仪 仪 仪 仪
器 器 器 器 器 器
图2 系统结构图
pcti法。在对邢台矿区5个矿各个含水层的水质分析资料 进行模糊统计的基础上, 利用模糊统计理论计算出 了在数学模型中起关键作用的各因子 (离子) 的隶属 度, 并确定了各矿的标准参数值, 从而建立了水源快 速判别的数学模型。利用此模型对各矿历史资料判 别结果有效率达95% 以上。
碱式氧化锰d 1 判别系统与分析系统紧密结合, 将测试过 程中获得的标准溶液消耗量录入到判别系统中, 即 可得出离子毫克数、离子毫摩尔和离子毫摩尔百分 比3种离子表示法的水质分析结果。进而进行水源判 别, 再一次体现了快速的特点。
r 系统环境动态设置, 各模块自成一体, 既可单 独运行, 也可以置于系统环境运行, 维护方便。
r 系统操作简单方便, 全部操作过程所见即所得。随机帮助丰富, 容错功能较强。
r 人机对话, 用户界面友好。
r 系统对数据的录入、查询、修改等各功能融为一体, 实现对数据的模拟、显示、输出、过程监视和图形的生成。
r 系统融数据管理、图形管理、模糊判别、水质类型、水源判别和查询、修改等多功能为一体。
f 1 水质连测仪整体投资少, 经济效益显著, 实用性极强, 具有广阔的推广应用前景。
e 1 系统软件设计具有以下特点:
A SY STE M FO R FA S T W A TER QUAL I TY A NAL Y S IS A ND
FA S T W A TER SO URCE D ISC R I M INA T I O N
(X i n g t a i M i n i n g B u r eau )
L i C a i h u i N i u X i an g fen g (H en a n Co a l R e s ea r ch In s t i tu t e )
R en Su z h e n Ko n g F a np i n g A b stra c t A cco rd i n g to th e study o f w a t e r qua l ity ch a r ac t e r i st i c s o f va r i o u s aqu ife r s f r om d i ffe r en t p ro d uc i n g m in e s in
X in g t a i M in in g D ist r ic t , th e p o r tab le ¦
2typ e co n t i n uo u s m e te r in g in st r u m en t o f w a t e r qua lity is u sed to ana l y s is th e w a t e r qua lity , by w h ich , e igh t in dex e s can be m ea su red w ith o n e w a te r sam p le w ith in o n e ho u r . T h e com p u te r 2m an aged sy s te m f o r fa s t w a t e r so u rce d i sc r i m in a t i o n is e s tab lish e d u sin g th e m a t h e m a t i ca l m e t ho d o f fuzzy com p reh e n sive judg m en t .
Keywords w a t e r qua lity an a l y s is ; w a t e r so u rce ; d i sc r i m in a t i o n ; fuzzy m a t h e m a t i c s ; com p u te r sy s tem s
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