本文是一篇系统工程论文，本文针对矿区水资源短缺且疏干水资源利用率低的问题，从系统工程视角分析矿区疏干水综合利用问题，基于系统工程V模型搭建研究区水资源系统，构建了水资源多目标优化配置模型，利用NSGA-Ⅱ算法进行求解，根据配置结果进行系统内工程的识别、规划与优化验证，最终得到可行方案。
1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
水是人类生存必不可少的物质基础，目前水资源短缺形势严重制约了生态保护和经济社会的高质量发展。近年来煤炭开采为我国社会经济发展做出了巨大贡献，但同时也对采煤区地下水文地质条件及地下水环境产生了影响，引发地下水位变化、水资源污染及浪费，对区域生态平衡构成威胁。长期以来，企业、居民等用水户对疏干水认知有限，加上行业内的技术限制导致疏干水被视为水害加以防治，大量疏干水未经处理直接外排，既污染了地表水、破坏了生态环境，更造成了水资源的极大浪费。但大部分疏干水水质较好，进行絮凝、沉淀及针对性净化处理后可作为生活、生产、生态环境的供水水源，既能节约水资源，又能提升所在区域水资源保障水平。因此，矿区疏干水的合理利用对降低矿区生产成本、缓解区域水资源供需矛盾具有重要的现实意义。
2012年《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》（国发20123号）指出，要加快对疏干水等非常规水源的开发利用；2013年《矿井水利用发展规划》（发改环资〔2013〕118号）中，明确提出疏干水利用是我国中长期水资源节约和替代规划的重要组成部分；2019年《国家节水行动方案》（发改环资规〔2019〕695号）中，指出要在缺水地区加快疏干水等非常规水源的利用；2024年《关于加强矿井水保护和利用的指导意见》（发改环资〔2024〕226号）指出，到2030年疏干水管理制度体系、市场调节机制和技术支撑能力不断增强，疏干水利用效率和效益进一步提高。由此可见，疏干水作为宝贵的非常规水资源，具有较高的利用价值，受到政府的高度重视。
1.2 国内外研究进展
1.2.1 系统工程研究进展
（1）国外研究进展
20世纪90年代前，国外对系统工程理论的研究侧重于寻找数学问题最优解，属于运筹学方法论，核心是问题数学模型化。20世纪40年代，美国贝尔公司将设计电话通信网络时应用的科学方法命名为系统工程[1]。20世纪60年代，美国军方将MIL-STD-499A颁布为军用标准，1969年霍尔提出时间、逻辑、知识的三维结构，提供了一种系统工程方法论[2]。20世纪70~80年代出现了其他的方法论，包含定性系统动力学、管理控制论、社会技术系统设计等[3]，系统工程的研究与应用进入白热化阶段。
20世纪90年代至今，电子计算机的出现把客观需要变成了可能，使系统工程既有了理论又有工具，系统工程思想开始被广泛用于各行业。比如Sawilla[4]将系统工程用于人工智能领域，Kirshner[5]将其应用于对载人火星任务的研究，Helgerson[6]将其应用于对海军舰艇的研究。目前国外对系统工程的应用主要集中于航空航天、电气电子系统、核工业、汽车工程、轨道交通等领域。
（2）国内研究进展
2000年以前，我国对系统工程的研究着重于航空航天、国防等领域。我国古代思想家老子与军事家孙武都在书中阐述过朴素的系统思想，但正式对系统工程的研究开始于20世纪60年代的导弹研制过程。20世纪80年代，钱学森教授结合西方系统工程思想提出了一套具有中国特色的系统工程理论[7]，并于1978年提出要扩大系统工程的应用范围[8]。2000年之后，我国研究者将系统工程的理论和方法应用于人口、区域发展、能源战略、教育人才、军事后勤及社会经济等领域并取得了很好的效果[9]，如人口问题的定量研究与应用、全国和地区能源规划、全国人才和教育规划、区域发展战略等。
2 相关概念及理论基础
2.1 疏干水相关概述
2.1.1 疏干水概念界定
我国疏干水相关概念定义涉及到4个部门的7项相关标准，包括1项强制性国家标准，5项推荐性国家标准，1项强制性行业标准[73]，如表2-1所示。
根据上述标准中的术语将本文所研究的矿井涌水定义为疏干水，是指煤矿在采煤过程中，由于地层构造从煤层或井下涌出的污水，本质上是被砂粒、粉尘、溶解盐、酸和碱、煤粒、油脂等污染的地表渗透水和地下水。
2.2 系统工程理论概述
2.2.1 系统工程概念及内涵
（1）系统工程的产生及发展
系统工程学科形成于20世纪50年代，但系统思想的产生及实践可以追溯到古代，人类文明的不断发展推动了系统工程的产生和发展[77]。
人类在不断与自然界沟通联系的过程中，自发地产生了朴素的系统思想。古希腊哲学家德谟克利特、赫拉克利特以及亚里士多德都曾提出过“系统”的概念。中国古代也产生了系统思想，春秋末期思想家老子的《道德经》中对客观世界的系统性和整体性已经有了一定程度的认识[9]，孙武编著的《孙子兵法》讲究打仗要把道义、天时、地利、将才、法治五个要素结合起来考虑；西周时期出现了世界构成的金木水火土“五行说”；东汉时期张衡提出了“浑天说”；秦汉之际成书的医学典籍《黄帝内经》中包含着丰富的系统思想；《易经》也被认为是朴素系统思想的结晶。在古代的工程实践中，公元前256年由蜀郡太守李冰及其儿子组织建造的都江堰最具系统工程代表性，至今仍在防洪灌溉方面发挥着重要作用。另外，秦朝时期万里长城的修建、宋真宗年间皇宫的修复工程以及古代铜的冶炼，也都应用了系统工程。
古代朴素的系统思想是用自发的系统概念看待自然现象，其理论是想象的、突然迸发的，没有建立在对客观事物具体分析的基础上，对系统的认识是模糊且不完全的，早期朴素的系统思想比较抽象。15世纪下半叶以后，物理科学与生命科学的自然科学形成，亚里士多德提出形而上学的思想，此时的系统思想比较具体。19世纪自然科学中细胞学说、能量守恒定律及自然选择学说三大发现使人类对自然界客观事物的相互联系有了全新认识，为辩证唯物主义科学系统观的产生奠定了理论基础，此时的系统思想具有普遍联系和整体性的特点，也被称为科学的系统思想。钱学森系统工程思想在钱学森赴美求学时出现雏形，在我国航空航天、导弹研制等国防建设领域的实践过程中不断发展成熟。1978年钱学森和许国志、王寿云合著发表了《组织管理的技术——系统工程》，1992年钱学森系统工程思想被成功应用于解决实际的复杂系统问题。钱学森系统工程思想以航天事业中的成功实践为例，充分利用系统工程思想，解决社会发展中各行业存在的实际问题，为我国全面建设社会主义现代化国家服务[78]。
3 基于系统工程的矿区水资源系统解构 ...................... 21
3.1 研究区概况 ................................... 21
3.1.1 地理位置 ............................... 21
3.1.2 气候条件 ............... 21
4 基于NSGA-Ⅱ算法的矿区水资源优化配置 ................... 37
4.1 水资源系统概化及优化思路 ............................... 37
4.1.1 系统概化方法 ................................. 37
4.1.2 水资源系统概化 ............................... 37
5 基于V模型的矿区疏干水综合利用规划 .................... 57
5.1 基于V模型的工程规划分析 ............................. 57
5.1.1 V模型优化路径 ........................................ 57
5.1.2 工程规划的思路 ............................... 58
5 基于V模型的矿区疏干水综合利用规划
5.1 基于V模型的工程规划分析
5.1.1 V模型优化路径
系统工程V模型右支是包括设计综合与零件、子系统、系统及产品的验证过程，根据本文研究内容调整为工程验证、系统验证、方案输出这三个过程，如图5-1所示。
首先是对水资源系统进行设计综合，根据配置结果中疏干水的余水量规划深度水处理站，根据用户需水量与现状供水设施供水能力之间的差值规划蓄水池，根据灌溉制度及规范文件规划输水管线管径、流量等，将工程规模反馈到配置模型中，修正模型约束条件重新进行水资源配置；其次是进行工程验证，对第二次配置结果进行分析，验证工程规模是否满足要求；第三步是进行系统及子系统验证，具体步骤是对比第一次及第二次配置结果，分析两次结果中用户配水量的变化，对比社会、经济及环境效益，验证系统是否优化；最后是方案输出步骤，通过前两步对工程和系统的验证，输出能够指导矿区合理利用疏干水资源的可行方案。
6 结论与展望
6.1 结论
本文针对矿区水资源短缺且疏干水资源利用率低的问题，从系统工程视角分析矿区疏干水综合利用问题，基于系统工程V模型搭建研究区水资源系统，构建了水资源多目标优化配置模型，利用NSGA-Ⅱ算法进行求解，根据配置结果进行系统内工程的识别、规划与优化验证，最终得到可行方案。本文研究成果与结论主要体现在以下方面：
（1）提出了应用系统工程解决疏干水综合利用问题的方法。选择系统工程V模型依据霍尔三维结构搭建矿区水资源系统框架，分析系统的结构、功能与运行规则，识别系统要素包括水源、用户与输配水工程要素，将系统进行不同维度的划分，从水的维度划分为供水、用水、水处理及输配水工程四个子系统，从综合利用的角度划分为水资源配置系统和工程规划系统，分析子系统需求与功能。
（2）提出了将疏干水纳入常规水源进行水资源优化配置的
