基于Visual MODFLOW的煤礦開采對地下水影響的數(shù)值模擬研究

趙曉玲，王　博

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽合肥230000）

基于Visual MODFLOW的煤礦開采對地下水影響的數(shù)值模擬研究

趙曉玲*，王博

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽合肥230000）

為了研究該煤礦開采對研究區(qū)內(nèi)地下水的影響，通過對研究區(qū)的水文地質(zhì)條件的分析，構(gòu)建了水文地質(zhì)概念模型，并采用Visual MODFLOW軟件就開采3煤層對地下水的影響進行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：3煤層開采后，潛水含水層的地下水位變化幅度較小，最大水位降深為6m；基巖裂隙含水層的地下水位降幅較大，最大水位降深為25m。

煤礦開采；含水層；地下水位；數(shù)值模擬

隨著我國經(jīng)濟和社會的高速發(fā)展，對能源的需求也日益增長，而在我國的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭資源占比超過7成，煤炭資源的開發(fā)為經(jīng)濟和社會的發(fā)展提供了能源和動力。但是在煤炭資源開發(fā)的過程中，也產(chǎn)生了采空區(qū)塌陷，地下水漏斗、水質(zhì)污染和生態(tài)環(huán)境惡化等不良影響和危害。某煤礦所處地區(qū)降雨量小、蒸發(fā)量大，地下水資源匱乏，區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水、人民生活用水和生態(tài)用水大部分來源于地下水。煤礦開采與工農(nóng)業(yè)、生活以及生態(tài)用水之間存在一定矛盾，亟待解決。因此，為了研究該煤礦開采對地下水的影響［1-2］，首先對該區(qū)的水文地質(zhì)條件進行了分析，并構(gòu)建了該區(qū)的水文地質(zhì)概念模型，然后采用Visual MODFLOW軟件就該煤礦開采3煤層對其上覆含水層地下水系統(tǒng)的影響進行了數(shù)值模擬研究，對煤礦的合理開采和所處地區(qū)地下水資源保護具有一定的指導意義。

1　水文地質(zhì)概況

圖1　研究區(qū)位置示意圖

本次研究的煤礦位于安徽省淮北市城東北的杜集區(qū)石臺鎮(zhèn)境內(nèi)（圖1），地處淮北平原北部，地形平坦，地表高程在35～37.6m之間；地貌類型沖洪積平原地貌單元；研究區(qū)屬北方型大陸氣候與濕潤性氣候之間的季風氣候區(qū)，氣候溫和，日照充足，春秋季明顯短于冬夏季，春夏季節(jié)盛行東南風，炎熱潮濕多雨，秋冬季盛行東北風，寒冷干燥少雨。

研究區(qū)的地下水為類型主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。松散巖類孔隙水由細砂、粉砂層組成、存在砂質(zhì)粘土夾層，總厚33～38m，平均為35m，較穩(wěn)定。地表以下4～5m為潛水。砂層含水組鉆孔單位涌水量為q=0.24mL/（s·m），滲透系數(shù)k=1～2m/d，水質(zhì)類型為HCO3--CI--Ca2+-Mg2+型?；鶐r裂隙水主要為下石盒子組中、細砂巖孔隙裂隙含水層，厚度15～45m，一般在25m左右，該含水組砂巖裂隙不發(fā)育，富水性較弱。鉆孔單位涌水量q=0.000085～0.0624mL/（s·m），滲透系數(shù)k=0.00047～0.202m/d，水質(zhì)類型屬于CI-—Na+或CO23--C1--Na+型。

2　地下水模型的建立

2.1水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)研究區(qū)水文氣象、水文地質(zhì)特征、主要含水層的流場特征以地層結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，并依照主要含水層的滲透性能、地下水的遷移特征及水力聯(lián)系等，對實際的水文地質(zhì)條件進行概化［3-5］，建立水文地質(zhì)概念模型（圖2）。模擬區(qū)地下水流方向自北東向南西，因此將東部與北部設(shè)置為補給邊界，將南部和西部設(shè)置為排泄邊界，主要含水層的邊界劃為二類邊界。潛水的自由面作為上部邊界，底部邊界則為二疊系下二疊統(tǒng)山西組泥巖。

圖2　水文地質(zhì)概念模型示意圖

2.2數(shù)學模型

根據(jù)水文地質(zhì)模型，將實際地下水流概化為非均質(zhì)各向同性三維非穩(wěn)定地下水系統(tǒng)，可用如下偏微分方程來描述［6-8］：

式中：Kx、Ky、Kz——x、y、z方向的滲透系數(shù)；

h——含水層水頭；

ε——源匯項；

μ——潛水含水層潛水面上的重力給水度；

h0——含水層的初始水頭；

Γ0——潛水面邊界；

Γ1——滲流區(qū)第二類邊界；

Kn——邊界法向方向的滲透系數(shù)；

Ω——計算區(qū)范圍；

p——潛水面上的降水入滲和蒸發(fā)；

2.3數(shù)值模型結(jié)構(gòu)及其識別與檢驗

2.3.1數(shù)值模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學模型，采用Visual MODFLOW 4.6構(gòu)建數(shù)值模型并進行求解。研究區(qū)長約12.5km，寬約12.2km，總面積約152.2km2。計算前先對研究區(qū)進行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格間距為100m，在X、Y方向上分別剖分136×133，總網(wǎng)格共18088個。并根據(jù)模擬范圍將其范圍外地網(wǎng)格設(shè)定為不活動單元格。根據(jù)地下水的長期觀測資料，選取2014年3月～2015年2月的水位資料，應(yīng)力期定為1個月，時間步長根據(jù)模型自動控制。初始地下水位數(shù)據(jù)采用2014年3月的統(tǒng)一觀測資料，利用Kriking插值法獲得初始水位等值線。

2.3.2模型的識別與檢驗

采用試估校正法對模型進行識別與檢驗，將滲透系數(shù)、貯水率、入滲補給系數(shù)和邊界條件等［9-10］輸入軟件中，根據(jù)模擬計算的水位值與實際觀測值進行對比，根據(jù)擬合情況不斷修正各參數(shù)，直到結(jié)果符合誤差的要求。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的水位觀測的位置，本次選取J1113、J1307、J913、觀36等4個觀測點，在2014年3月～2015 年2月的地下水位觀測值與模擬值進行對比，分別計算各觀測點的模擬水位與實測水位之間的誤差，均滿足要求，擬合結(jié)果比較符合實際。各觀測孔的實測地下水位與模擬地下水位的擬合曲線如圖3所示。

2.3.3識別檢驗后的水文地質(zhì)參數(shù)

通過對研究區(qū)實測水位與模擬水位的擬合、對地下水均衡的分析、對邊界流量和水文地質(zhì)參數(shù)的調(diào)節(jié)，得出較為符合實際情況的水文地質(zhì)參數(shù)，如表1所示。

3　煤層開采對地下水的影響

圖3　觀測孔實測與模擬地下水位的擬合曲線

表1　研究區(qū)識別檢驗后的水文地質(zhì)參數(shù)

煤層開采過程中，對地下水采取排水疏干措施，會導致地下水流場發(fā)生明顯的改變，部分區(qū)域地下水甚至會被疏干，會導致各含水層出現(xiàn)水頭差并進一步加大。若各含水層之間無隔水層，則對淺層地下水的水位影響顯著，對煤礦的開采也有著巨大的影響；若各含水層之間存在弱透水地層，則兩者之間的滲透系數(shù)決定了越流量的大小，進而決定了淺層含水層水位；若各含水層之間存在連續(xù)完整且滲透系數(shù)很小的隔水層，煤層開采對淺層含水層影響很小。

研究區(qū)的潛水含水層與基巖裂隙含水層之間存在相對隔水層，該隔水層厚度不均勻，有多處該層缺失，因此，潛水含水層與基巖裂隙含水層中的地下水可以互相補給?；鶐r裂隙含水層是研究區(qū)內(nèi)3煤層的直接充水水源，該煤層開采時對地下水的疏干作用，會導致基巖裂隙含水層中的地下水位大幅降低，進而與上覆潛水含水層之間形成較大水頭差，潛水含水層會對基巖裂隙含水層進行補給，影響潛水含水層中的地下水位。

本次根據(jù)地下水數(shù)值模型對3煤層開采后的潛水含水層和基巖裂隙含水層的地下水水位的變化情況進行的模擬，并進行了分析預(yù)測。3開采后各含水層的水位等值線和水位降深如圖4所示。

由圖4a和圖4b可以看出：3煤層開采后潛水含水層的水位等值線有所降低，但是變化幅度較小，最大水位降深為6m，對潛水含水層的影響不大；在開采疏干作用下，局部地段潛水含水層水位已近徹底疏干，快達到潛水含水層底板，而多部分地段的地下水位下降幅度很小，造成差別的原因主要在于含水層的滲透性能和給水能力有較大差異，在透水性和給水能力較強的地段，疏干水量大于補給量，地下水位下降，在透水性和給水能力較弱的地段，地下水位下降幅度不明顯。

圖4　3開采后各含水層的水位等值線和水位降深圖

由圖4c和圖4d可以看出：3煤層開采后基巖裂隙含水層的水位等值線降幅較大，最大水位降深為25m；造成上述差別的原因是潛水含水層與基巖裂隙含水層之間的相對隔水層有缺失，基巖裂隙含水層是3煤層的直接充水水源，煤層開采導致基巖裂隙含水層中的地下水位大幅降低，潛水含水層對其進行補給，進而導致局部地段潛水含水層的地下水位降幅較大。

4　結(jié)論

（1）采用Visual MODFLOW軟件對研究區(qū)煤層開采對含水層地下水位進行數(shù)值模擬分析，其模擬結(jié)果與實際觀測結(jié)果較為接近，基本反映了研究區(qū)的分布情況。

（2）采用試估校正法對模型進行識別與檢驗，通過對研究區(qū)實測水位與模擬水位的擬合、對地下水均衡的分析、對邊界流量和水文地質(zhì)參數(shù)的調(diào)節(jié)，根據(jù)擬合情況不斷修正各參數(shù)，得出較為符合實際情況的水文地質(zhì)參數(shù)。對研究區(qū)內(nèi)的水位觀測點1個水文年內(nèi)的地下水位觀測值與模擬值進行對比，擬合結(jié)果比較符合實際。

（3）3煤層開采后，在開采疏干作用下，局部地段潛水含水層水位已近徹底疏干，快達到潛水含水層底板，潛水含水層的水位等值線有所降低，但是變化幅度較小，最大水位降深為6m，對潛水含水層的影響不大；而3煤層開采后基巖裂隙含水層的水位等值線降幅較大，最大水位降深為25m。

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TD82

A

1004-5716（2016）07-0124-05

2016-04-02

2016-04-06

趙曉玲（1983-），女（漢族），河南禹州人，工程師，現(xiàn)從事水工環(huán)地質(zhì)工作。