基于有限元原理的富灣銀礦地下水?dāng)?shù)值模擬研究

張銳銳

[摘要]在系統(tǒng)分析富灣銀礦地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立研究區(qū)地下水三維數(shù)值模型，利用基于有限元原理的FEFLOW軟件對(duì)建立的模型進(jìn)行求解，運(yùn)用識(shí)別后的模型對(duì)礦山開(kāi)采時(shí)未來(lái)10年地下水流場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)報(bào)。

[關(guān)鍵詞]有限元 礦山 地下水流場(chǎng)

[中圖分類號(hào)] P345 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-3-135-1

1研究區(qū)概況

富灣銀礦區(qū)屬剝蝕丘陵殘丘臺(tái)地地貌，地形總體為西南及中部高，丘陵臺(tái)地從西南部沿北東方向從中部延伸至西江河邊，是區(qū)內(nèi)主要分水嶺。研究區(qū)多年的年平均降雨量1681mm，最大2435mm。

區(qū)內(nèi)地表水系主要為西江，在礦區(qū)東部從北西向南東流過(guò)，水量充沛，流量大；其次為流經(jīng)礦區(qū)中部非常年性的長(zhǎng)坑溪流，其水位、流量受降雨及西江水位控制，最高水位3.72m。

2水文地質(zhì)概況

研究區(qū)地下水類型分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水和基巖裂隙水四大類。其中碳酸鹽巖類又分為裸露和覆蓋兩個(gè)亞類；基巖裂隙水又分為層狀裂隙孔隙水、構(gòu)造裂隙水二個(gè)亞類，各類型富水性特征見(jiàn)表2-1。

3地下水?dāng)?shù)值模擬

3.1水文地質(zhì)概念模型

3.1.1含水層概化

結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件，將區(qū)內(nèi)地下水縱向概化為三層，第一層為第四系孔隙水含水層；第二層包括白堊系三水組裂隙水含水層（K2s）和白堊系百足山組隔水層（K1bz），為弱含水層；第三層包括Fx1斷裂帶裂隙空洞水含水層和下石炭統(tǒng)梓門橋組上段溶洞水含水層（C1z2）。水平方向各層概化為非均質(zhì)各向同性含水介質(zhì)。

3.1.2邊界條件處理

3.1.2.1側(cè)向邊界

（1）第四系含水層邊界。模擬區(qū)東側(cè)、北側(cè)及東南側(cè)均為河流以，與第四系潛水之間有一定的水力聯(lián)系，所以將東側(cè)（西江）、北側(cè)（雙金河）及東南側(cè)（西安河）概化為水頭邊界（第一類邊界，圖3-1），水位根據(jù)實(shí)測(cè)河流水位確定。其他邊界為分水嶺，故概化為零流量邊界（隔水邊界）。

（2）其他含水層邊界。其他含水層邊界為人為邊界，概化為流量邊界。

3.1.2.2垂向邊界

模擬區(qū)上邊界為潛水面，在該面上存在大氣降水入滲、河流入滲補(bǔ)給、潛水蒸發(fā)排泄、河流排泄等垂向水量交換。

模擬區(qū)底板邊界為下石炭統(tǒng)梓門橋組下段隔水層（C1z1），所以底部邊界概化為隔水邊界。

3.1.3源匯項(xiàng)的概化

區(qū)內(nèi)第四系潛水補(bǔ)給項(xiàng)為降水入滲補(bǔ)給、地表水體的入滲補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給，排泄項(xiàng)為側(cè)向徑流排泄、河流排泄、蒸發(fā)排泄等。

3.2地下水?dāng)?shù)值模型

3.2.1數(shù)學(xué)模型

將模擬區(qū)地下水流概化成平面非均質(zhì)各向同性、空間單層結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，可用下列微分方程的定解問(wèn)題來(lái)描述：

式中：h—為地下水水位標(biāo)高（m）；

K—為地下水水平滲透系數(shù)（m/d）；

Kz—為地下水垂向滲透系數(shù)（m/d）；

P—為源匯項(xiàng)強(qiáng)度（m/d），包括降水入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)、井的抽水量；

h0—為潛水含水層的初始水位標(biāo)高（m）；

μ—為給水度；

q—為側(cè)向單寬補(bǔ)排量（m2/d），流入為正，流出為負(fù)，隔水邊界為0；

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3.2.2模擬流場(chǎng)及初始條件

模擬流場(chǎng)為2011年11月統(tǒng)測(cè)流場(chǎng)。各個(gè)邊界流量主要根據(jù)水文資料、地下水流場(chǎng)等計(jì)算確定。

源匯項(xiàng)主要包括大氣降水入滲補(bǔ)給、地表水入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄、地表水排泄等。

3.3模型的識(shí)別與檢驗(yàn)

根據(jù)2011年11月的地下水流場(chǎng)對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別，重點(diǎn)通過(guò)各含水層參數(shù)的調(diào)整來(lái)達(dá)到流場(chǎng)的擬合，由于第二層、第三層鉆孔資料僅分布于礦區(qū)，所以本次擬合以第四系潛水為主。擬合效果見(jiàn)圖3-2，從圖可見(jiàn)潛水實(shí)測(cè)及模擬流場(chǎng)的形狀和絕對(duì)水位都相差很小，擬合效果較為理想，基本反映了地下水系統(tǒng)的水力特征，達(dá)到了模型精度要求。

3.4地下水均衡分析

模擬區(qū)主要的補(bǔ)給來(lái)源是降雨入滲、河流滲漏、地表水體滲漏補(bǔ)給。補(bǔ)給資源總量為26896m3/d， 其中大氣降水入滲量為25804m3/d，河流入滲補(bǔ)給資源量為487m3/d，其他地表水體入滲補(bǔ)給資源量為600m3/d；總排泄量為26906m3/d，其中蒸發(fā)排泄量為23339m3/d，河流排泄量為3429m3/d，側(cè)向流出量為38m3/d。

3.5預(yù)測(cè)結(jié)果

采用模型擬合后的流場(chǎng)作為預(yù)測(cè)的初始流場(chǎng)，水文地質(zhì)參數(shù)采用擬合參數(shù)，邊界條件、源匯項(xiàng)條件不變。預(yù)測(cè)時(shí)增加采礦時(shí)的礦坑排水量，排水量根據(jù)礦坑涌水量計(jì)算結(jié)果（正常礦坑涌水量為4550m3/d，最大涌水量為14227m3/d）及開(kāi)采深度（-350m標(biāo)高），經(jīng)模型調(diào)試后確定為12000m3/d。模擬時(shí)概化為12個(gè)排水孔進(jìn)行抽水，每個(gè)抽水孔的抽水量為1000m3/d。

模擬結(jié)果顯示，礦坑疏干排水對(duì)第四系潛水和巖溶水均有一定范圍的影響。第10年末第四系潛水降深大于2m的范圍為4.59km2，巖溶水的最大影響范圍為20.52km2。

4結(jié)論

運(yùn)用數(shù)值模擬手段，分析研究區(qū)水文地質(zhì)情況、地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，概化其水文地質(zhì)條件，基于有限元原理建立出能體現(xiàn)其真實(shí)面貌的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)礦井在不同開(kāi)采階段地下水流場(chǎng)分布，為礦山地下水有效防治和安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]李功勝，李研琛.均質(zhì)含水層彌散度與平均流速的數(shù)值反演【J】。山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，19（6）：1-3.

[2]孫訥正.地下水污染--數(shù)學(xué)模型與數(shù)值模擬[M]。北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1989.