基于GMS應用的開采區(qū)地下水模擬的研究進展

王 帥，何少林，苑宏英，紀冬麗，齊志斌

(1.北京中陸咨詢有限公司，北京 100089；2.國家油頁巖生態(tài)環(huán)境分中心，北京 100089；3.天津城建大學環(huán)境與市政工程學院，天津 300384；4天津市水質科學與技術重點實驗室，天津 300384)

地下水是水資源的重要組成部分，在我國很多地區(qū)，地下水是最為重要的供水水源，占到了全國總供水量的1/5[1]。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人類對于地下資源的需求量不斷攀升，其開采量日益擴大，開采活動對開采區(qū)內的地下水造成了巨大的影響。包括開采的資源泄露到地下水中造成地下水水質污染，開采過程中由于地下結構等改變造成地下水水流場的變化，礦區(qū)用水耗費的巨量水資源以及開采過程中地下水涌水都會造成地下水水量減少，使地下水環(huán)境進一步惡化。

由于地下水自我恢復能力較弱，一旦受到影響，將難以更新和恢復，會對生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響，直接對人類本身及生產(chǎn)活動造成危害。因此要解決由于開采活動引起的地下水問題，探清地下水富水性、建立地下水模型等是解決這一系列問題的先決條件。

1 GMS地下水模擬軟件及其建模方法

近年來隨著科學技術的發(fā)展，數(shù)值法越來越成為解決地下水問題的重要方法，數(shù)值模擬技術以其方便、靈活和高效的特點受到廣大水文地質工作者的歡迎。國內外科技工作者開發(fā)了一批數(shù)值模擬軟件，并不斷推廣，帶來了數(shù)值模擬軟件的大范圍應用[2]。

地下水模擬系統(tǒng)(Groundwater Modeling System，簡稱GMS)，是美國地調局開發(fā)出的一套專門用于模擬孔隙介質中地下水流動的三維有限差分軟件。其綜合了MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、

SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有的地下水模型的基礎上開發(fā)的一個綜合性的、用于地下水模擬的圖形界面軟件[3]。GMS將這些分析代碼集成在一個圖形用戶界面下，使得不同的數(shù)值模型之間可以共享信息。所以GMS是面向對象編程技術、GIS空間分析、圖形處理技術與地下水數(shù)值模擬專業(yè)模型相結合的產(chǎn)物[4]。

一般而言，采用GMS軟件建立確定性模型有三種方法：網(wǎng)格法、概念模型法和Soilds方法[5]。

1.1 網(wǎng)格法建模

網(wǎng)格法是一種最簡單、最基本的建模方法，對于水文地質條件比較簡單、研究區(qū)面積比較小的模型，網(wǎng)格法也是一種有效的方法。但因為需要數(shù)據(jù)極多且操作繁瑣等諸多不便，網(wǎng)格法一般結合在別的方法(如概念模型)中聯(lián)合建模。

1.2 概念法建模

GMS與其它地下水數(shù)值模擬軟件相比，最顯著的特點是基于概念模型方法建模。GMS包含一個Map模塊，這個模塊提供了簡單的GIS工具，用于創(chuàng)建模擬區(qū)的概念模型—coverage圖層。用戶可以在此上進行所需要的后續(xù)操作。此方法應用較廣，對開采區(qū)地下水可以很好地模擬。

1.3 Soilds法建模

當水文地質條件相當復雜時時，GMS提供了一個Soilds模塊用于組建地層的三維結構，一旦建立了地層的Soilds模型，就定義了地層的空間結構，即數(shù)值模型中含水層的頂?shù)装鍢烁?，也就可以任意切割并三維顯示地層剖面。

此三種方法中，網(wǎng)格法適用于面積小、水文地質條件簡單的地下水流問題，概念法適用于大范圍的地下水流建模，Soild法適用于鉆孔資料豐富、面積小的地區(qū)建模。

2 基于GMS應用的地下水環(huán)境影響模擬的研究

2.1 地下含水層及水場模型建立

在進行地下水環(huán)境模擬時，首要的任務就是在分析當?shù)厮牡刭|條件的基礎上，根據(jù)不同的建模方法選擇不同的模塊進行模型的建立，之后再根據(jù)不同的開采方案等對地下水各項如開采量，污染運移等進行預測，從而為地下水資源合理開發(fā)利用提供科學依據(jù)。

賈瑞亮[6]通過GMS軟件中的Soild、2D Scatter Point、TINS模塊等對地層賦值，建立含水層結構模型。通過模擬得出的三維含水層結構模型具有空間可視化、剖面切割隨意化以及真實、準確等特點，為地下水數(shù)值模擬工作確定參數(shù)分區(qū)及參數(shù)初值奠定了基礎；Fereshteh Valivand[7]利用GMS中MODFLOW建立烏拉圭平原地下水3D定量模型并與實際相比較，其模型精度較高，該模型對后續(xù)研究硝酸鹽對該地區(qū)地下水環(huán)境的影響奠定了基礎。

在開采區(qū)方面：Zhang, Longqiang[8]提出了GMS礦區(qū)三維可視化地質模型，并分析研究了礦區(qū)水文地質結構的三維空間組合特征，通過模擬結果與現(xiàn)實觀測數(shù)據(jù)對比驗證了其模型對礦區(qū)今后開采具有一定理論研究意義。杜斌[9]等采用GMS中Soild、TIN、boreholes模塊，利用地質剖面圖補充虛擬鉆孔方法在湖北某礦區(qū)建立某礦區(qū)含水層結構模型。通過對比鉆孔數(shù)據(jù)進行建模，虛擬鉆孔建模過程中其鉆孔數(shù)據(jù)更貼切軟件，避免造成孔位插值錯誤并更貼合實際。馮運魚[10]以Soild、TIN、borehole模塊依靠豐富的鉆孔數(shù)據(jù)建立了模擬區(qū)的三維地質圖，向讀者展示了建模詳細過程，并通過工程后期實際開挖進行了地層對比，來驗證了其模型的精準度。陳松[11]以宿南礦區(qū)地質條件和鉆孔資料為基礎，建立了三維地質結構模型以描述含、隔水層狀態(tài)及時空分布，為后續(xù)地下水徑流場地時空變化，水源識別模型等鋪墊了基礎。呂禹[12]以Soild建立三維地質模型并用MOFFLOW進行含水層概化建立地下水數(shù)值模型，并通過對觀測孔反饋數(shù)據(jù)進行模型驗證達到合理模型精度。Andrés González-Quirós[13]以某退役礦井為例，以地下水回彈現(xiàn)象為基礎對地下山系統(tǒng)及水流模型進行建立，為評估流動狀態(tài)、評估物理定律在礦山某些區(qū)域適用性提供了參考，其模型也為擴展更復雜的瞬態(tài)、水回彈和溶質運移奠定了基礎。

因此，在獲得研究區(qū)資料的基礎上，利用GMS建立地下水含水層以及地下水流場比起傳統(tǒng)數(shù)學建模方法更加精準、具有更強大的可視性、且操作更靈活，為開采區(qū)后續(xù)工作如地下水開發(fā)管理、生態(tài)環(huán)境問題評價、油氣田開發(fā)工程等一系列奠定堅實的基礎，也為實現(xiàn)經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境的雙贏提供了有力的依據(jù)。

2.2 地下水資源模擬

開采區(qū)資源開采對地下水的影響是一個動態(tài)且持續(xù)變化的過程。其開采容易引起采動破壞、礦井排水和含水層疏干等現(xiàn)象，使地下水原有的補徑排平衡狀態(tài)被破壞，地下水循環(huán)關系發(fā)生變化，因此使得地下水系統(tǒng)變得愈發(fā)復雜。因此地下水動態(tài)變化的研究刻不容緩，這將有利于礦井安全生產(chǎn)和地下水資源的合理利用。

張福然[14]利用GMS中的MODFLOW模塊，建立了地下水含水層水文地質概念模型及數(shù)學數(shù)學模型，并模擬了地下水開采強度與地下水水位的變化關系，對后續(xù)開采活動提供了數(shù)據(jù)支持；Fariba Alaviani[15]建立非承壓水層的地下水模型并利用粒子群優(yōu)化算法與模型聯(lián)動建立的仿真優(yōu)化模型并對其精度及應用型進行了評價。Ebtehal Sayed 、Taheri Tizro與Mahtab?Zamanirad[16-18]等均通過GMS建立伊朗局部地區(qū)的氣候與地下水模型并進行地下水資源的補給與排泄，通過模擬結果進行人為干涉以減少水資源的浪費、海水入侵與土地沙漠化等不良影響。

在開采區(qū)方面：于雯琪、朱云國、李慧杰、王浪[19-22]均通過模擬煤礦開采項目中，對礦區(qū)的地下水水流模擬進行模型的建立，并且對于在礦區(qū)服役及退役一定時間內的地下水流場以及地下水資源的影響，并通過實際勘測對后續(xù)生產(chǎn)作出指導意義；苗世超[23]在巍山煤礦系上伏含水層地下水數(shù)值模擬中，發(fā)現(xiàn)其開采活動對于地下水水位影響較大，會危及開采安全，并提出了控制隔水層高度等安全建議；Xin Wang[24]計劃在煤礦空采區(qū)建立地下水庫以補充開采水源，利用GMS建立地下水場模型并分別以軟件預測與蒙特卡洛分析法(一種利用隨機數(shù)進行計算的方法)計算出地下水滲漏和補給情況，表明了該開采區(qū)可以建立地下水庫；葛璐婷[25]在評價高松礦區(qū)地下水經(jīng)濟損失時，利用GMS模擬出礦區(qū)地下水的潛水位空間分布，并間接計算對應區(qū)域的影響率從而得出地下水影響對生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟損失。

可以看出，開采區(qū)對地下水資源影響較大，會造成或多或少的地下水水位下降，在開采區(qū)區(qū)域形成了地下水水位降落漏斗，開采目標層局部含水層由承壓狀態(tài)轉為潛水狀態(tài)。因此需要GMS軟件進行模型的建立并模擬水位標高以監(jiān)測地下水。

2.3 地下水溶質運移模擬

在開采區(qū)開采時，管道、鉆井等液體遷移時的泄露，以及開采過程中遇較大孔隙、溶洞等導致污染因子進入地下水體造成地下水水質的變化，都可通過GMS軟件建立地下水場模型并進行溶質在一定時間內的運移模擬，通過模擬結果來確定其擴散影響范圍以及對生產(chǎn)和生活造成的的危害。

孟勤憲[26]等模擬頁巖氣鉆采過程的潛水含水層水流場和溶質運移情況中得出不同工況下，氯、石油類及COD等污染物在模擬期內的滲透擴散均在可控范圍內，并對接下來工程的地下水環(huán)境防治進行了預測與建議；錢程[27]等模擬某氣田開采過程中石油類污染物擴散途徑及其影響范圍，其污染因子石油類污染物在預測期內擴散范圍不大，不會對周邊造成影響；朱閣[28]在富縣油氣田項目中，利用MODFLOW等模塊建立了地下水流場模型，通過模擬得出了污染擴散范圍及影響，對后續(xù)生態(tài)保護作出指導建議；白杰[29]模擬某礦區(qū)松散層孔隙水污染地下水環(huán)境造成的影響時，測算污染物硫酸鹽在規(guī)定范圍內1 300 d才會運移出水文地質單元，并根據(jù)結果對礦區(qū)的溢散點進行重點監(jiān)測；李小川[30]模擬某銅尾礦庫硫酸鹽、重金屬銅、鉻等在服役期內的擴散情況中發(fā)現(xiàn)會影響周圍居民取水用水安全，針對范圍提出了相應防滲措施；顏萍[31]模擬云南保山某尾礦庫硫酸鹽污染擴散中模擬發(fā)現(xiàn)在規(guī)定時間內其會擴散到相鄰地下水、包括莫家河等在內的地表水，說明擴散并不止限于單一水文單位。王婷婷[32]對于杭錦旗氣田開采對于地下水的污染，提出了水平井、污水處理廠等措施，在其基礎上建立了水質模型并進行模擬，得出該資源的開采不會對取水及鄰近水源造成污染。

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，GMS軟件對于礦區(qū)、開采區(qū)等地的地下水溶質運移模擬具有良好的應用，通過不同的水文地質條件建立當?shù)氐母拍钅Ｐ?，并可以根?jù)污染因子的供給時間、污染時間、污染強度以及模擬擴散范圍、擴散距離和擴散效果圖，以此結果進行下一步對地下水污染預防與治理進行指導性的意見。

2.4 礦坑涌水量模擬

礦坑涌水量是指礦山開拓與開采過程中，單位時間內涌入礦坑(包括井、巷和開采系統(tǒng))的水量。它是確定礦床水文地質條件復雜程度的重要指標之一，關系到礦山的生產(chǎn)安全與成本，對礦床的經(jīng)濟技術評價有很大的影響；并且也是設計與開采部門選擇開采方案、開采方法，制訂防止疏干措施，設計水倉、排水系統(tǒng)與設備的主要依據(jù)。因此，在生產(chǎn)建設中，動態(tài)預測評價礦坑涌水量在不同空間和時間上的變化趨勢則顯得尤其重要。

薛瑞[33]在某金礦礦區(qū)進行動態(tài)模擬時，正常生產(chǎn)中的涌水量對第四系含水層水位及地下水流場的影響明顯，在礦區(qū)內形成了降落漏斗，并建議分區(qū)開采等安全生產(chǎn)的建議；趙研[34]以撫順西露天礦為研究區(qū)，對礦區(qū)的涌水量作出預測，并以模擬結果結合實際工況設定了相應數(shù)量的水平井及豎直井疏水，使礦坑不會有水溢出，得以安全規(guī)范的進行生產(chǎn)活動；馮翔、姚曹節(jié)[35-36]分別以不同礦區(qū)為例，對比了軟件建模預測涌水量與“大井法”計算涌水量，發(fā)現(xiàn)誤差在合理范圍之內，證明了軟件建模的精度可靠性并且二者可相互驗證；Longqing Shi[37]針對焦家金礦進行服役期內的礦井涌水預測并得出不同開采水平以及開采年限增加，礦井涌水量逐漸增加。復合了礦井涌水及地下水流場和斷層發(fā)育情況對于礦區(qū)突水危險性進行了綜合的評價。韓忠[38]模擬焦家控礦構造帶礦坑涌水量，對比不同礦區(qū)深度的涌水量，并且發(fā)現(xiàn)總體用水量在一固定值上下波動，根據(jù)該值可以進行疏干排水方案的建立。值得一提的是，作者采用了MODFLOW模塊中的barrier 障礙邊界，其在處理控礦構造阻水帶對地下水水平流的阻礙作用方面模擬效果良好。通過礦坑涌水量擬合校正，提高模型預測的準確性。袁涵[39]對疆北某礦區(qū)進行涌水量模擬，分別利用GMS中Soild、modflow模塊構建模型，對于不同情況的采掘次序及進程和大井法等方案進行預測與實際比較，通過比較得出其模型在不同方案的精準度較好。李有光[40]通過GMS中Modflow以及河流子程序包來模擬野豬江礦沖溝，通過挖空單元體來模擬窿道的分布和開采后的空間變化，其計算結果用來預測開采時期的涌水量，并且通過預測發(fā)現(xiàn)其開挖方式可自然排泄無需人工排水。

運用GMS軟件對研究區(qū)進行模型建立，直觀的反映了地層富水情況，并根據(jù)不同研究區(qū)情況進行礦坑涌水量的模擬，其結果無論與實際值或其他計算方法相差無幾，說明該軟件可以完美的勝任這一工作，為礦井的安全生產(chǎn)提供合理的依據(jù)，也為后續(xù)疏干排水方案提供了數(shù)據(jù)支持。

3 結語

通過以上人員的研究結果，可以直觀看到GMS軟件對于開采區(qū)的地下水問題如對地下水流場、水量、水質的影響等方面有非常多的應用，也為開采區(qū)后續(xù)實際工作提供了數(shù)據(jù)支持。隨著科技的發(fā)展以及軟件的更新，GMS所能應用的地下水問題將會愈發(fā)廣泛，對我國地下水面臨的問題給予強力的支持。但是基于GMS目前所開發(fā)的程度，其還具有以下幾點不足需要使用者注意：

(1)GMS的操作無法做到失誤操作之后還原，所以在模擬過程中需要及時保存進度。

(2)GMS需要海量的水文地質數(shù)據(jù)，包括但不限于在建立水文地質結構模型中，對數(shù)據(jù)要求較高，對鉆孔的數(shù)量、分布情況、深度都有較高的要求，實際中往往難以達到，在該區(qū)域研究尚未成熟時，其模型精度往往不足。

(3)GMS以及一系列以MODFLOW模塊為基礎建模的過程都存在著對混合井流量模擬精度不足，在實際應用中需要注意。