基于數(shù)值模擬技術(shù)的地下水流場變化特征分析

譚廷靜，曹振東,3

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊，貴州 貴陽 550008；2.貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550008；3.吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長春 130021)

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基于數(shù)值模擬技術(shù)的地下水流場變化特征分析

譚廷靜1,2，曹振東1,2,3

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊，貴州 貴陽 550008；2.貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550008；3.吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，吉林 長春 130021)

礦山的開采大多需要進行疏干排水，而在疏干排水時持續(xù)的地下抽水勢必導(dǎo)致區(qū)內(nèi)含水層中地下水流場的變化，對周邊地下水的開發(fā)利用造成影響。為了分析礦山開采中地下水流場的變化特征，本文通過對興隆縣某金、鐵礦水文地質(zhì)條件分析建立研究區(qū)地下水系統(tǒng)的數(shù)值模擬模型，并通過對已知地下水動態(tài)水位的擬合與檢驗，確定模型的可靠性，然后利用識別后的模型預(yù)測興隆縣某金、鐵礦運行投產(chǎn)含水層水位的變化特征，探討礦山開采對地下水系統(tǒng)的影響。

數(shù)值模擬技術(shù)；礦山開采；地下水流場

地球上蘊藏著的種類繁多的礦產(chǎn)資源，而礦產(chǎn)資源對人類社會的發(fā)展與進步有無可替代的作用，不斷促進社會經(jīng)濟的發(fā)展，但礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用對地下水環(huán)境有著較大的影響作用。為了預(yù)防在礦山開采中的突水事故，大多數(shù)礦山開采時需要進行疏干排水，疏干排水可能導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境破壞、地下水位持續(xù)下降和水資源枯竭等[1]。隨著礦產(chǎn)資源開采深度、開采強度、開采速度、開采規(guī)模的增大，礦井突水事故頻繁發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)造成重大損失[2]。礦山排水、礦井突水和水資源保護之間的矛盾突出，因而基于礦山排水下的地下水流場模擬預(yù)測較為重要。

國內(nèi)外很多研究者對地下水?dāng)?shù)值模擬方法進行了大量探索，薛禹群等人建立露天礦排水疏干的二維水流模型，對疏干引起的地下水位變化情況進行了分析[3]；張鳳娥等人利用地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)對礦山開采過程中地下水相關(guān)的問題進行研究[4]；周念清等人建立了地下水流三維數(shù)學(xué)模型，對地下水流場分布和礦坑涌水量進行了預(yù)測[5]；楊彪等人在Visual Modflow中建立了地下水?dāng)?shù)值模擬模型，對金嶺南凡口鉛鋅礦鉛鋅礦地下水位動態(tài)特征進行了研究[6]；陳社明等人建立了地下水?dāng)?shù)值模擬模型，分析了河北某擴建煤礦地下水流場變化特征[7]。日趨成熟的地下水模型軟件，如Visual Modflow、GMS等，也為這些模擬計算成果的準(zhǔn)確性提供了強有力的保證，使得地下水?dāng)?shù)值模擬已經(jīng)成為當(dāng)前地下水研究中最常用的手段之一。

本文采用數(shù)值模擬技術(shù)，在分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，利用Visual Modflow軟件建立興隆縣某金、鐵礦的地下水?dāng)?shù)值模擬模型，并基于實測數(shù)據(jù)對模型進行識別、驗證，然后利用識別后的模型預(yù)報未來礦山開采過程中含水層水位的變化特征，探討礦山開采對地下水系統(tǒng)的影響。

1　研究區(qū)概況

興隆縣茅山鎮(zhèn)某金、鐵礦項目位于興隆縣青松嶺鎮(zhèn)螞蟻溝村及掛蘭峪鎮(zhèn)四拔子村一帶，礦區(qū)總面積為5.966 5 km2，中心坐標(biāo)為北緯40°15′2.25″，東經(jīng)117°32′51.79″。擬建工程礦區(qū)邊界西北緊鄰螞蟻溝村、距跑馬場村1 080 m，西側(cè)緊鄰道槽溝、距鐵爐子溝80 m，南側(cè)緊鄰?fù)跗綔衔?、壩尺溝，東側(cè)緊鄰四拔子村、大陰司溝、小陰司溝，距五拔子790 m，北側(cè)緊鄰黃砬棚、黃松峪。該礦山屬于“探轉(zhuǎn)采”新建礦山。

興隆縣茅山鎮(zhèn)螞蟻溝礦區(qū)位于六里坪山(1 442.8 m)南麓泃河與淋河之間的分水嶺上，處于北部花市花崗巖巖體(主峰1 007.2 m)與南部分布的長城系分布區(qū)(高峰985.3 m)中間的片麻巖系中。礦區(qū)為中低山區(qū)，沿次級羽毛斷裂形成的次級溝谷很發(fā)育。礦區(qū)出露巖層有上太古界跑馬場組變質(zhì)巖系和第四系全新統(tǒng)松散堆積層。第四系坡洪積孔隙水巖組(Q4dl+pl)：主要分布在螞蟻溝內(nèi)的谷地及東部淋河的支溝中,其巖性為主溝中心為塊碎石夾砂，呈現(xiàn)棱角狀或半棱角狀，無分選性。第四系沖洪積孔隙含水層(Q4al+pl)：主要分布于泃河和淋河的主河道中,其巖性為礫卵石、漂石夾中粗砂,因?qū)偕絽^(qū)河谷,分選性不好,也無分帶性,厚一般7～10 m,局部可達(dá)13 m。透水不含水層：在山麓斜坡的緩坡處、山洼、山脊鞍部、溝谷上源都有坡殘積形成的亞粘土夾碎石，厚度1～3 m，最厚達(dá)5.0 m,其僅透水而不含水。

圖1　邊界條件概化

2　地下水?dāng)?shù)值模擬模型的建立

2.1水文地質(zhì)概念模型

含水層結(jié)構(gòu)：根據(jù)水文地質(zhì)資料，本次模擬主要考慮淺層的裂隙水和孔隙水。對于裂隙水采用等效介質(zhì)原理，按孔隙水進行模擬。模型在垂向上按一層處理，含水層類型按照巖性進行參數(shù)分區(qū)。

邊界條件：潛水含水層自由水面為系統(tǒng)上邊界，通過該邊界，潛水與系統(tǒng)外發(fā)生垂向水量交換(入滲補給、蒸發(fā)等)。模擬區(qū)的下部為基巖區(qū)，概化為隔水邊界。側(cè)向邊界的概化：根據(jù)模擬區(qū)地形條件，模擬區(qū)的西南側(cè)和東北側(cè)均為分水嶺，因此概化為隔水邊界；西北和東南側(cè)分布有泃河與淋河的河床，是區(qū)域內(nèi)地下水的流出通道，因此概化為流量邊界。

水力特征概化：評價區(qū)地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律；含水層分布廣，在常溫常壓下地下水運動符合達(dá)西定律。參數(shù)隨空間變化，體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性，但沒有明顯的方向性，所以參數(shù)概化成各向同性。由于地下水系統(tǒng)滲流運動要素隨時空變化，故地下水含水系統(tǒng)概化為非穩(wěn)定流。

2.2數(shù)學(xué)模型

對于非均質(zhì)、各向同性、空間三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，可用如下微分方程的定解問題來描述[8]：

式中：h(x，y，z，t)為含水層水頭(m)；h0(x，y，z)為含水層初始水頭(m)；K為含水層滲透系數(shù)(m/d)；μ為潛水含水層在潛水面上的重力給水度；S為自由面以下含水層的貯水率；W為源匯項(m/d)；P為潛水面上的降水入滲和蒸發(fā)等(m/d)；f1(x，y，z，t)為第二類邊界上的水分通量(m/d)；Ω為計算區(qū)范圍；Γ1為流量邊界；Kn為邊界法線方向的滲透系數(shù)；n為邊界上的外法線。

圖2　網(wǎng)格平面和垂向剖分圖

2.3模型的離散及參數(shù)分區(qū)

2.3.1網(wǎng)格剖分

模擬面積為79.26 km2。根據(jù)Visual-MODFLOW的要求，在水平方向上對潛水含水層用相互垂直的平行線進行網(wǎng)格剖分。將模擬區(qū)剖分成約500×500 m的單元格。模擬區(qū)單層總單元格為16 800個，其中有效單元格8 077個，剖分結(jié)果見圖2。剖分結(jié)果見圖2。

滲透系數(shù)及給水度通過收集以往的資料和本次水文地質(zhì)試驗的成果獲取。考慮模擬區(qū)內(nèi)不同含水介質(zhì)類型的，將模擬區(qū)淺層含水層根據(jù)滲透性分為4個區(qū)。其中：1和3分區(qū)為松散巖類孔隙水；2分區(qū)為構(gòu)造和風(fēng)化裂隙水；4分區(qū)為透水而不含水區(qū)域。滲透系數(shù)及給水度分區(qū)及編號見圖3。

2.4模型的識別和驗證

根據(jù)模擬區(qū)地下水統(tǒng)測資料，以2013年1月1日到2013年6月30日作為模型識別期，共計181 d。根據(jù)前期調(diào)查資料，識別期的補給量和排泄量根據(jù)實測值計算，以2013年1月1日水位為模型識別過程的初始水位。本次共選取5口觀測井作為識別和檢驗的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)點，觀察孔主要位于礦區(qū)附近，5口井的分布位置如圖4所示。

圖3　模擬區(qū)滲透系數(shù)及給水度分區(qū)圖

圖4　觀察點分布位置

圖5　識別期含水層地下水位擬合曲線

以觀測孔NO.1、NO.5的水位擬合情況為例(圖5、圖6)。觀測點在各個時段的模擬水位與觀測水位擬合程度較好，水位擬合差小于2 m。由于模擬區(qū)位于山區(qū)，地下水隨地形坡度變化幅度較大，因此該模擬精度能夠滿足生產(chǎn)需求，模型反應(yīng)了實際情況下水位隨時間的變化特征。

表1　含水層滲透系數(shù)識別結(jié)果

以2012年7月1日地下水位作為模型驗證期初始水位，對模型進行驗證。圖5-7反映了觀測孔NO.1和NO.5淺層和深層含水層的水位擬合情況。通過模擬水位與觀察水位的對比看出，模擬效果也比較好，觀測井中最大誤差在允許范圍內(nèi)。擬合結(jié)果較好，能夠滿足預(yù)測要求。

圖6　驗證期含水層地下水位擬合曲線

圖7　礦區(qū)開采2 a、5 a、10 a后含水層地下水水位等值線

3　礦區(qū)開采對地下水流場的影響分析

以識別和校正后的模型為基礎(chǔ)，源匯項的處理方法同識別期一致。其中降水量以多年平均降水量進行計算。預(yù)測模型的初始水位取2014年1月1日統(tǒng)測水位。預(yù)測時段根據(jù)礦區(qū)服務(wù)年限進行預(yù)報。依據(jù)某金、鐵礦項目設(shè)計，鐵礦的服務(wù)年限為8.39 a，金礦的服務(wù)年限為2.11年。本次模擬時段以鐵礦服務(wù)年限為準(zhǔn)，并考慮建設(shè)期等因素適當(dāng)延長至10 a，即2014年到2024年。由于礦區(qū)13條鐵礦體零散賦存于堅硬的片麻巖中，與其同步生成，礦體頂?shù)装逋暾⒎€(wěn)固，頂?shù)装辶严恫话l(fā)育，因此開采過程中與淺層地下水受其影響有限。因此，在預(yù)報期僅對部分礦體的開采增加新的地下水開采。

通過2 a(2016年)、5 a(2019年)和10 a(2024年)后含水層地下水流場圖可以看出，2年 a(2016年)，按礦山建成后的開采條件下，研究區(qū)淺層地下水流場與初始流場相比，在高海拔山區(qū)地下水位有所下降，在溝谷地區(qū)水位變化幅度不大，整個流場相比于初始流場更趨于平滑。在礦區(qū)所在位置，由于處于中間地下水分水嶺位置，一部分區(qū)域透水但不含水，其他區(qū)域則受礦井開采影響地下水位出現(xiàn)一定幅度的下降，最大水位下降幅度在6～10 m左右。通過5年后(2019年)的流場圖可以看出，模擬區(qū)地下水流場與初始流場相比仍然未發(fā)生明顯變化。在礦區(qū)所在位置，最大水位下降幅度在13～18 m左右。通過10 a后(2024年)的流場圖可以看出，地下水等值線雖然與初始流場分布一致，但山區(qū)水位持續(xù)下降，水利坡度減小。但在溝谷地區(qū)，地下水位相比于初始流場仍未見明顯變化。在礦區(qū)所在位置，最大水位下降幅度在25～32 m左右。

4　結(jié)語

(1) 在充分了解模擬區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬技術(shù)分析礦山開采過程中地下水流場的變化特征，具有精度高，效果好，簡單可靠的特點。識別驗證后的地下水?dāng)?shù)值模型能再現(xiàn)地下水的水位動態(tài)、運移規(guī)律，較好地反映了開采條件下含水層地下水流場的狀況。

(2) 模擬區(qū)內(nèi)金礦、鐵礦開采后，由于礦山排水，礦山附近地下水位出現(xiàn)下降，但地下水等值線雖然與初始流場分布一致。其中，山區(qū)水位持續(xù)下降，水利坡度減??；在溝谷地區(qū)，地下水位相比于初始流場仍未見明顯變化；在礦區(qū)所在位置，最大水位下降幅度在25～32 m左右。

(3) 建議在礦山期間中，注重礦山排水的再利用。由于裂隙含水層內(nèi)水質(zhì)較好，考慮將礦山排水達(dá)標(biāo)處理后，作為周邊工業(yè)和農(nóng)業(yè)的供水水源，從而減少地下水的開采。

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2016-08-14

譚廷靜(1987-)，女，貴州開陽人，助理工程師，主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作。

曹振東(1984-)，男，甘肅會寧人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、地?zé)岬刭|(zhì)和淺層地溫能研究工作。

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1004-1184(2016)04-0214-03