利用GMS對巷道涌水量預測

梁厚景 李賽

摘 要：基于模擬區(qū)水文地質條件建立概念模型、數學模型，利用GMS軟件模擬地下水滲流場，將巷道概化為排水溝（drain），并對模型進行識別與檢驗，最終確立符合實際水文地質特征的三維模型；在三維模型的基礎上增加巷道，預測未來巷道涌水量的變化情況。

關鍵詞：GMS軟件；三維模型；滲流場；巷道涌水量；排水溝（drain）

人類生活在地球上，并不斷的從地球表層的巖石、水體和大氣中索取各種資源[1]。我國從遠古就開始了采煉礦石工作，隨著采礦業(yè)的發(fā)展，礦井水文地質特征研究已成為采礦中不可缺少的工作之一 [2]。碳酸鹽巖地區(qū)地下水動態(tài)變化復雜，而且為探礦、采礦工作修建了復雜的地下巷道網，地下水滲流場變化復雜，給巷道涌水量預測帶來了很大困難。如今，如何較為準確的預測巷道涌水量、了解地下水動態(tài)變化規(guī)律，成為日益關注的課題之一[3、4]。

1 背景

1.1 地形地貌

巖溶斷塊山是模擬區(qū)的地貌主要特征，其所存在的地表起伏并不是很大，大約都會在500m的差值內；地表巖溶具有較大的發(fā)育潛質，巖溶形態(tài)呈現峰叢～洼地、漏斗組合；高原面上峰巒起伏，沒有太多植被覆蓋率，地表發(fā)育形態(tài)通常為溶丘、溶溝、洼地、漏斗、落水洞等；邊緣斜坡地帶發(fā)育實芽、溶溝以及溶槽。

1.2 氣象水文

模擬區(qū)降雨量年內分配不均、干濕季區(qū)分明顯，4-9月為雨季，降水量最多，占全年降水量的80%以上，其他月份為旱季，降水量不足全年降水量的20%。

1.3 地層、構造

模擬區(qū)地層結構單一但巷道布置復雜，巖層受巖溶發(fā)育特征的影響，地層水文地質特征隨有地表向深部呈漸變趨勢；地質構造復雜，存在多期運動，斷裂構造發(fā)育，由四條主要隔水斷裂構成模擬區(qū)的四個邊界。

1.4 地下水類型

模擬區(qū)范圍內孔隙水、巖溶水和裂隙水均有分布，孔隙水僅賦存于第四系松散沉積物中，分布范圍很??；巖溶水賦存于三疊系碳酸鹽巖地層中，是最主要的地下水；裂隙水賦存于各個時代的火成巖中。

1.5 地下水補給、徑流、排泄特征

降雨補給是模擬區(qū)地下水系統(tǒng)水流運動的補給來源，在地下水流進行傳輸的過程中，會存在大量氣體以及固相物體，這樣一來，三相流得以形成。在巖溶多重介質環(huán)境的影響下，巖溶地下水系統(tǒng)水流運動的形態(tài)以及規(guī)模會呈現距離衰減趨勢。在潛水面以下、隔水層以上的水平流動帶上會出現地下水，其中裂隙和溶隙是蓄水的主要空間。蒸發(fā)、側向排泄以及巷道涌水是地下水的主要排泄方式。

2 概念模型、數學模型

通過分析降雨補給與滲流場、巷道涌水量之間的關系，建立合理的概念模型、數學模型。

（1）邊界條件概化：根據研究區(qū)地質特征及研究目的圈定模型計算區(qū)。根據四條邊界的性質，除北部邊界概化為流量邊界，其他三個邊界概化為零流量邊界。

（2）排泄條件概化：將巷道概化為排水溝（drain）。

（3）補給條件概化：本區(qū)主要水源補給，通常都是在降雨多發(fā)季節(jié)，其中有60%的降雨會滲入地下。本區(qū)面積較小，同時地下水徑流深度較大，因此對于降雨滲入平面上的差異是不需要考慮的，將補給平均的區(qū)域作為研究區(qū)，這樣的話，研究區(qū)降雨入滲量就能夠以有效降雨量為準計算。

（4）含水巖組概化：結合含水層的類型、巖性、厚度以及滲透系統(tǒng)等條件，將內部結構劃分為均質、非均質、各向同性或者各向異性四個含水層。

（5）數學模型：通過由薛禹群著作的地下水數值模擬中得出，在裂隙、喀斯特發(fā)育相對保持平均時，水流是完全依據Darcy定律，可以選擇與孔隙水流相同等效介質模型作為研究對象[5]。模擬區(qū)地層裂隙、喀斯特發(fā)育較為均勻，所以，數學模型等效的建立為多孔介質模型。

根據模擬區(qū)實際水文地質特征、概念模型確定模擬區(qū)數學模型為：

（6）時空離散：利用GMS的3D GRID模塊實現網格剖分，含水巖組劃分為四層，每層剖分為矩形網格單元4520個，每個單元面積26.7×15.3m2。

根據蒸發(fā)、降雨、巷道等源匯項在不同的季節(jié)其補給與排泄強度不同，在時間上將2007年劃分為四個應力期。

3 模擬識別、檢驗

模型通過預測-校正法進行識別校正，使地下水系統(tǒng)的結構、參數、源匯項得到調整，保持計算和實際地下水狀態(tài)一致性；與實測的場相對比，所計算得出的地下水狀態(tài)的空間分布可以實現相互一致；模擬期計算所得的地下水動態(tài)和實測動態(tài)變化可以保持一致；與實際水文地質條件相比較，識別后的水文地質參數、含水層結構以及邊界條件基本與其相互符合。

因為不確定性是識別過程中較為突出的一個特性，而在解決這個問題的方法中，模型檢驗發(fā)揮著極其重要的作用。通常情況下，模型檢驗是將一組參數以及模型通過識別之后，用其對另一段時間的野外觀測資料進行模擬，抽、注水量和抽、注水時間、方式以及邊值、入滲補給量等都屬于外部有可能產生的一系列影響因素，這些因素也需要結合實際情況給出具體數值，對模擬值和野外實測值進行模擬，最終得出的結果應該在預先設定的容許誤差范圍內相同。如果不同，那么就需要再一次修正上一組所得到的參數，重新識別、檢驗，直到一組新的參數在識別和檢驗階段所顯示的模擬值和野外實測值，能夠在預先設定的容許誤差范圍內保持相互統(tǒng)一。

此次地下水系統(tǒng)數值模擬，是在對個舊礦區(qū)高峰山礦段水文地質條件進行深入研究，以及全面掌握地下水系統(tǒng)變化規(guī)律的前提下開展的。將模擬時間分為四個模擬應力期，選取兩個應力期作為模型識別期，另兩個應力期為模型檢驗期。在運行模型的基礎上，地下水系統(tǒng)的結構、參數以及源匯項等都能夠得到有效調整，識別校正模型，同時在識別的基礎上，檢驗識別后的模型。通過反復調整，誤差可以縮短在要求范圍內。

4 結束語

（1）文章主要依托于GMS軟件，初步確定GMS軟件可用于巖溶發(fā)育較為均一的巖溶地區(qū)地下水滲流場數值模擬及涌水量預測。（2）本區(qū)地下水變化主要受大氣降水影響，通過模型，建立了大氣降水與地下水滲流場、巷道涌水量之間的關系。（3）文章將巷道等效于排水溝（drain），基于兩者間的相似特征，成功模擬了地下水滲流場及預測巷道涌水量。

參考文獻

[1]王大純，張人權，史毅虹，等.水文地質學基礎[M].北京：地質出版社，1995.

[2]房佩賢.專門水文地質學[M].北京：地質出版社，1996.

[3]采礦手冊VoI6[M].冶金工業(yè)出版社，1991.

[4]魏軍.礦井涌水量的數值模擬研究[D].遼寧：遼寧工程技術大學，2006.

[5]薛禹群，謝春紅.地下水數值模擬[M].科學出版社，2007.

作者簡介：梁厚景（1977，10-），男，云南文山人，本科學歷，工程師，研究方向：水文地質及工程地質。