基于GMS的水文地質(zhì)數(shù)值模擬研究

【摘要】" " 礦產(chǎn)資源和環(huán)境受到經(jīng)濟發(fā)展以及人類環(huán)保意識的影響，逐漸從礦產(chǎn)地質(zhì)轉(zhuǎn)化為環(huán)境資源地質(zhì)，這教育資源開發(fā)與環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展開辟了重要道路，結(jié)合我國國情和能源發(fā)展的一系列客觀條件，可以發(fā)現(xiàn)我國長時間內(nèi)最主要的一次性能源就是煤炭資源，在今后的發(fā)展與建設(shè)過程中，煤礦產(chǎn)業(yè)需要注重環(huán)保安全的同時，關(guān)注效益增長，促進煤炭產(chǎn)業(yè)集中度和機械化程度的不斷提升，這些都將對煤炭地質(zhì)工作帶來更嚴格的標準，水文地質(zhì)工程中占有很重要的地位。煤炭資源促進了我國經(jīng)濟社會發(fā)展，但煤炭資源的開采對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了不可忽視的影響，例如：地層沉降下陷、地面出現(xiàn)裂縫、地下水水位下降等一系列不良后果，同時，開采的工作人員如果遇到滲水現(xiàn)象會出現(xiàn)威脅到安全的危險。常年的開采生產(chǎn)過程中破壞了原有的水文地質(zhì)環(huán)境，從而影響到內(nèi)含水層的水位、水量變化。因此，本文借助地下水模擬系統(tǒng)對青海省內(nèi)的煤礦進行預(yù)測模擬，煤炭的開采是否會影響到區(qū)域內(nèi)地下水。

【關(guān)鍵詞】" " 水文地質(zhì)" " 數(shù)值研究" " 地下水模擬系統(tǒng)

引言：

在某一段歷史時期中，會形成一定的地質(zhì)和自然條件，然而隨著環(huán)境和生態(tài)狀況的不斷轉(zhuǎn)換，地質(zhì)也會產(chǎn)生不斷的變化。在某一地區(qū)內(nèi)，由于人類活動的痕跡相對輕微，所以自然因素是對環(huán)境變化產(chǎn)生控制的最重要的因素，人為因素的影響可忽略不計，例如地殼運動、地貌、氣候等，我們可稱為這是自然環(huán)境的原始狀態(tài)，這種原始狀態(tài)與當今人類大規(guī)模的活動而言，相比屬于最初始的狀態(tài)[1]。在原始狀態(tài)下，自然因素中的很多因素作用緩慢而且規(guī)律性強，這種特性有時候是不可抗拒的，因此，尋求自然規(guī)律是很重要的，人類活動在一定程度上改變了自然狀態(tài)，但不可違背其規(guī)律，一旦打破規(guī)律自然環(huán)境的不平衡會導(dǎo)致生態(tài)的破壞，從而影響人類社會。由于我國煤礦開采不受節(jié)制，煤礦地層上的含水層受到嚴重破壞是的是的，隨著我國煤礦的不斷開采，煤礦地層上伏含水層遭到嚴重破壞，對開采周圍的水資源與生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響。因此對煤礦開采區(qū)域建立地下水模型有重要意義。

一、GMS軟件簡介

GMS是地下水模擬系統(tǒng)的簡稱，它的形成是在Modflw和Modpath等現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上利用Brigham young Univcrsity大學環(huán)境建模研究實驗室開發(fā)而成的一種綜合地下水模擬軟件，這種軟件能夠?qū)崿F(xiàn)全方位多層次的圖形系統(tǒng)模報，整個GMS系統(tǒng)的組成，包括程序頁和代碼區(qū)。從整體上來講，肝系統(tǒng)相對寬泛，能夠支持很多類型的模擬，它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)和模型之間的信息共享。

GMS共有12個模塊，每一個程序模塊都對應(yīng)著不同的數(shù)據(jù)類型模塊，件在進行切換時，動態(tài)工具面板與菜單欄也會隨之切換，所以在建模過程中要重點關(guān)注使用的工具和命令，Map模塊、Borehole模塊、Solid模塊等都是GMS支持的模塊。

1.1地質(zhì)模型的建立

地質(zhì)模型的建立和地下水數(shù)值模型的成功之間有著直接關(guān)系，需要在建立模型之前獲取鉆孔的實際數(shù)據(jù)，對地層單元進行劃分，從而給予對應(yīng)的參數(shù)賦值。在確定好研究范圍以后，應(yīng)首先對鉆孔的現(xiàn)在數(shù)據(jù)進行編號整理，然后利用CMS軟件進行鉆孔定位，同時確定好鉆孔的分布圖，再利用Borehole將鉆孔數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾MS中，利用Tins進行三角剖分，使用Soild Module生成三維地質(zhì)圖[3]。

二、水文地質(zhì)條件

青海地區(qū)晝夜溫差大，氣候相對寒冷，空氣中的含氧量相對較低，全年平均氣候大概在零下5.1℃，每年的1～2月是最低氣溫的集中月份，最低可達零下36℃左右，7～8月則是青海地區(qū)最高氣溫的時期，最高可達19.5℃。青海地區(qū)每年降水量平均控制在500毫米左右，最大蒸發(fā)量則超過1200毫米，這樣的氣候?qū)е虑嗪５貐^(qū)寒冷，多風，凍土發(fā)育，自然條件相對惡劣，屬于高原高寒地區(qū)，1～4月份是青海地區(qū)的強風季節(jié)，正西或西南風偏多，那風速可達每秒18米[4]。在平面上多年凍土，呈現(xiàn)出連續(xù)分布的態(tài)勢及厚度達40～150米，受到季節(jié)變化的影響，每年4月份動土從表層開始融化，融化深度最多能達到5米左右。地層巖性：

1.元古界（Pt）：分布的主要區(qū)域集中在西部和西北部，呈現(xiàn)出較深變質(zhì)的綠色片巖和片麻巖等。均為遭受不同程度混合巖化的以黑云斜長片麻巖、云母石英片巖和角閃斜長片麻巖、斜長角閃巖為主要巖性的云英質(zhì)、長英質(zhì)、角閃質(zhì)等片巖和片麻巖組成，夾石英巖、變礫巖、大理巖等，基本上是一套含有變質(zhì)侵入巖（正片麻巖）的活動性泥砂質(zhì)和火山質(zhì)的變質(zhì)巖巖石組合。

2.中元古界下部（Pt21）：該部以中祁連帶發(fā)育最好，按巖石組合可分成上、下兩段。下段：灰、灰白、乳白等色石英巖夾千枚巖或板巖，厚164—814米。西部石英巖純度偏低，巖石色調(diào)紫色者較多；東部湟源縣塔灣—洪河日河一帶，近底部時有石英礫巖出現(xiàn)。上段：灰色或雜色千枚巖或板巖、硅質(zhì)或砂質(zhì)千枚巖或板巖、粉砂巖、石英細砂巖的間互層，夾硅質(zhì)巖、千枚狀結(jié)晶灰?guī)r；厚453—3000余米。

3.中元古界上部（Pt22）：該部仍以中祁連帶發(fā)育最好，而且分部也相對較廣，包括阿爾金山在內(nèi)的柴北元代和東昆侖代則是分段集中分布，這一部分組成的主要巖石包括白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r或白云石大理巖及結(jié)晶灰?guī)r等，普遍含硅質(zhì)或硅質(zhì)條帶（局部構(gòu)成硅質(zhì)巖層），一般鎂質(zhì)含量以東昆侖帶和中祁連帶東部的湟源地區(qū)相對富集。

4.新元古界（Pt3）：灰色板巖和粉砂巖是這一部分的主體巖性，前者是以粘板巖為主，其間包括粉，砂質(zhì)、碳質(zhì)、硅質(zhì)等板巖呈夾層，剖面的上部常有白云巖或白云質(zhì)灰?guī)r夾層，下部則夾石英砂巖和長石石英砂巖，底部普遍有厚薄不一（26—200米）的礫巖（石英質(zhì)或白云質(zhì)）或含礫粗砂巖，與下伏中元古界上部碳酸鹽巖地層呈平行不整合關(guān)系。

三、地下水類型

1.松散巖類孔隙水：干旱荒漠盆地、山間盆地的山前平原和河谷平原的第四系砂礫石、卵礫石、含泥質(zhì)砂礫石及砂層中是這類地下水的主要分布區(qū)域，地下水有潛水也有承壓，自流水在省內(nèi)地下水中是資源最豐富，開采最有力的含水層[5]。按地層結(jié)構(gòu)和地形地貌特征，孔隙承壓水含水層大致可分為兩種類型。沖洪積扇前緣細土平原多層結(jié)構(gòu)承壓自流水含水層，在柴達木盆地南部最為典型。含水層巖性為中細砂、含礫石粗砂、粉細砂等。在200米以內(nèi)可見2個～6個含水層，總厚度約105米，水位高出地表20米左右，單位涌水量0.5升/秒～3.0升/秒每米，礦化度小于1克/升；山間盆地多層結(jié)構(gòu)承壓自流水含水層，主要分布在柴達木北部各山間盆地以及青海湖、茶卡、共和等山間盆地。受山間盆地規(guī)?？刂疲袎鹤粤魉畬拥姆植?、厚度、富水性、水動力及水化學條件等變化及差異較大。

2.碎屑巖類孔隙裂隙水：碎屑巖類孔隙裂隙水，第三系、白堊系、侏羅系等中、新生界碎屑巖是這一類型地下水的主要分布地區(qū)。砂礫巖及泥頁巖孔隙裂隙潛水含水層，受大氣降水補給制約，流量極不穩(wěn)定；砂礫巖、砂巖孔隙裂隙承壓自流水含水層，富水性及水質(zhì)差異較大。

3.碳酸鹽巖類裂隙溶洞水：侏羅紀以前的灰?guī)r、結(jié)晶灰?guī)r、大理巖、白云巖及其所夾的砂板巖、火山碎屑巖的裂隙溶洞中是這一類地下水分布的主要區(qū)域通常情況下是以下降泉的形式，沿著構(gòu)造裂隙或曾經(jīng)溶洞傾瀉而出，裂隙溶洞水水化學類型比較單一，多屬重碳酸鈣鎂型，礦化度多小于1克/升。

4.基巖裂隙水：前中生代各種沉積變質(zhì)巖、侵入巖的風化裂隙、構(gòu)造裂隙中是這種地下水存在的主要區(qū)域。由于在不同的地貌氣候和構(gòu)造條件下，富水性很不均勻，所以埋藏相差懸殊，水質(zhì)變化也比較復(fù)雜。

5.凍結(jié)層化：祁連山地及青南高原中緯度高海拔多年凍土區(qū)的松散巖類孔隙及基巖裂隙中使這種類型地下水的主要存在區(qū)域，在柴達木盆地東北部1 4200米以上的高山區(qū)，季節(jié)性凍結(jié)層上水較發(fā)育，形成許多高山沼澤，單泉流量小于100噸/日，礦化度小于0.2克/升[6]。

四、地下水動態(tài)

1.湟水山間河谷平原區(qū)：大氣降水和季節(jié)性河水入滲是主要的補給來源，蒸發(fā)是排泄的主要途徑，所以大氣降水和季節(jié)會對其水位水量變化產(chǎn)生直接的控制，結(jié)合過去的動態(tài)觀測資料，能夠發(fā)現(xiàn)每年的6～10月中旬是最高水位出現(xiàn)的主要時期，而10月中旬到翌年的4月中旬，凍結(jié)年變幅將會隨著季節(jié)和降雨強度的變化而產(chǎn)生變化，水位平均下降0.004m，為地下水相對穩(wěn)定區(qū)，其中西寧市地下水位下降面積378.00Km2，降幅0.02m；互助縣地下水位平均升幅0.16m，為地下水位相對穩(wěn)定區(qū)[7]。

2.柴達木盆地南部昆侖山前傾平原區(qū)：諾木洪平原區(qū)地下水位相對穩(wěn)定面積225.00Km2，弱下降面積75.00Km2，平均降幅0.36m，為地下水位相對穩(wěn)定區(qū)；格爾木地區(qū)相對穩(wěn)定面積258.30Km2，平均升幅0.69m為地下水位弱上升區(qū)。

3.柴達木盆地北部德令哈地區(qū)：平均降幅0.52m，其中地下水位相對穩(wěn)定區(qū)面積160.00Km2，降幅0.31m；弱下降區(qū)面積240.00Km2，降幅0.67m。

五、結(jié)束語

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，地下水模擬系統(tǒng)技術(shù)在礦區(qū)的水文地質(zhì)問題的研究分析中得到了廣泛的應(yīng)用，主要用于對地下水動態(tài)及涌水量的分析，對于礦區(qū)的開采來說，還不能對其關(guān)鍵的水文地質(zhì)條件進行認識[8]，因此主要將礦區(qū)的地下水動態(tài)作為研究的主要目標，利用地下水模擬系統(tǒng)，對礦區(qū)存在的水質(zhì)地質(zhì)問題進行有效的預(yù)測，更好地準確進行開采工作，避免開采工作出現(xiàn)危險因素，從而產(chǎn)生不必要的損失。

參考文獻

[1]楊勁枝、丁文萍、張巖、許英威.基于GMS的河北文安包氣帶三維地層模型構(gòu)建[J].地下水，2020，207（6）：13-15.

[2]臺寧寧，黎應(yīng)書，徐世光，等.GMS在地下水溶質(zhì)運移數(shù)值模擬預(yù)測中的應(yīng)用＼r——以云南隴川縣某灌區(qū)水庫建設(shè)為例[J].中國水運（下半月），2019，19（7）：74-76.

[3]魏亞強，陳堅，文一，等.中國地下水污染模擬預(yù)測標準體系研究現(xiàn)狀[J].環(huán)境污染與防治，2019，41（11）：1387-1392.

[4]朱君妍，李翠梅，賀靖雄，等.GMS模型的水文水質(zhì)模擬應(yīng)用研究[J].水文，2019，39（1）：68-75.

[5]張艷，王玉清，李鐸，等.內(nèi)蒙古臨河地區(qū)地下水水位預(yù)測研究[J].河北地質(zhì)大學學報，2020，43（1）：52-56.

[6]Jiang Y，Xi B ，Li R ，et al.Advances in Fe（Ⅲ）bioreduction and its application prospect for groundwater remediation：A review[J].中國環(huán)境科學與工程前沿：英文版，2019，13（6）：11-21.

[7]Huseen M R ，Abed B S .Groundwater Simulation and Wells Distribution at Qazaniyah City in Diyala Governorate[J].University of Baghdad Engineering Journal，2020，26（9）：95-113.

[8]王新，郭小銘.越層水文地質(zhì)現(xiàn)象及對煤礦防治水的影響研究[J].煤炭科學技術(shù)，2020，549（8）：155-161.