梁厚景 李賽

摘 要：基于模擬區(qū)水文地質(zhì)條件建立概念模型、數(shù)學(xué)模型，利用GMS軟件模擬地下水滲流場，將巷道概化為排水溝（drain），并對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別與檢驗(yàn)，最終確立符合實(shí)際水文地質(zhì)特征的三維模型；在三維模型的基礎(chǔ)上增加巷道，預(yù)測未來巷道涌水量的變化情況。

關(guān)鍵詞：GMS軟件；三維模型；滲流場；巷道涌水量；排水溝（drain）

人類生活在地球上，并不斷的從地球表層的巖石、水體和大氣中索取各種資源[1]。我國從遠(yuǎn)古就開始了采煉礦石工作，隨著采礦業(yè)的發(fā)展，礦井水文地質(zhì)特征研究已成為采礦中不可缺少的工作之一 [2]。碳酸鹽巖地區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化復(fù)雜，而且為探礦、采礦工作修建了復(fù)雜的地下巷道網(wǎng)，地下水滲流場變化復(fù)雜，給巷道涌水量預(yù)測帶來了很大困難。如今，如何較為準(zhǔn)確的預(yù)測巷道涌水量、了解地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，成為日益關(guān)注的課題之一[3、4]。

1 背景

1.1 地形地貌

巖溶斷塊山是模擬區(qū)的地貌主要特征，其所存在的地表起伏并不是很大，大約都會(huì)在500m的差值內(nèi)；地表巖溶具有較大的發(fā)育潛質(zhì)，巖溶形態(tài)呈現(xiàn)峰叢～洼地、漏斗組合；高原面上峰巒起伏，沒有太多植被覆蓋率，地表發(fā)育形態(tài)通常為溶丘、溶溝、洼地、漏斗、落水洞等；邊緣斜坡地帶發(fā)育實(shí)芽、溶溝以及溶槽。

1.2 氣象水文

模擬區(qū)降雨量年內(nèi)分配不均、干濕季區(qū)分明顯，4-9月為雨季，降水量最多，占全年降水量的80%以上，其他月份為旱季，降水量不足全年降水量的20%。

1.3 地層、構(gòu)造

模擬區(qū)地層結(jié)構(gòu)單一但巷道布置復(fù)雜，巖層受巖溶發(fā)育特征的影響，地層水文地質(zhì)特征隨有地表向深部呈漸變趨勢；地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，存在多期運(yùn)動(dòng)，斷裂構(gòu)造發(fā)育，由四條主要隔水?dāng)嗔褬?gòu)成模擬區(qū)的四個(gè)邊界。

1.4 地下水類型

模擬區(qū)范圍內(nèi)孔隙水、巖溶水和裂隙水均有分布，孔隙水僅賦存于第四系松散沉積物中，分布范圍很??；巖溶水賦存于三疊系碳酸鹽巖地層中，是最主要的地下水；裂隙水賦存于各個(gè)時(shí)代的火成巖中。

1.5 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄特征

降雨補(bǔ)給是模擬區(qū)地下水系統(tǒng)水流運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)給來源，在地下水流進(jìn)行傳輸?shù)倪^程中，會(huì)存在大量氣體以及固相物體，這樣一來，三相流得以形成。在巖溶多重介質(zhì)環(huán)境的影響下，巖溶地下水系統(tǒng)水流運(yùn)動(dòng)的形態(tài)以及規(guī)模會(huì)呈現(xiàn)距離衰減趨勢。在潛水面以下、隔水層以上的水平流動(dòng)帶上會(huì)出現(xiàn)地下水，其中裂隙和溶隙是蓄水的主要空間。蒸發(fā)、側(cè)向排泄以及巷道涌水是地下水的主要排泄方式。

2 概念模型、數(shù)學(xué)模型

通過分析降雨補(bǔ)給與滲流場、巷道涌水量之間的關(guān)系，建立合理的概念模型、數(shù)學(xué)模型。

（1）邊界條件概化：根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)特征及研究目的圈定模型計(jì)算區(qū)。根據(jù)四條邊界的性質(zhì)，除北部邊界概化為流量邊界，其他三個(gè)邊界概化為零流量邊界。

（2）排泄條件概化：將巷道概化為排水溝（drain）。

（3）補(bǔ)給條件概化：本區(qū)主要水源補(bǔ)給，通常都是在降雨多發(fā)季節(jié)，其中有60%的降雨會(huì)滲入地下。本區(qū)面積較小，同時(shí)地下水徑流深度較大，因此對(duì)于降雨滲入平面上的差異是不需要考慮的，將補(bǔ)給平均的區(qū)域作為研究區(qū)，這樣的話，研究區(qū)降雨入滲量就能夠以有效降雨量為準(zhǔn)計(jì)算。

（4）含水巖組概化：結(jié)合含水層的類型、巖性、厚度以及滲透系統(tǒng)等條件，將內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分為均質(zhì)、非均質(zhì)、各向同性或者各向異性四個(gè)含水層。

（5）數(shù)學(xué)模型：通過由薛禹群著作的地下水?dāng)?shù)值模擬中得出，在裂隙、喀斯特發(fā)育相對(duì)保持平均時(shí)，水流是完全依據(jù)Darcy定律，可以選擇與孔隙水流相同等效介質(zhì)模型作為研究對(duì)象[5]。模擬區(qū)地層裂隙、喀斯特發(fā)育較為均勻，所以，數(shù)學(xué)模型等效的建立為多孔介質(zhì)模型。

根據(jù)模擬區(qū)實(shí)際水文地質(zhì)特征、概念模型確定模擬區(qū)數(shù)學(xué)模型為：

（6）時(shí)空離散：利用GMS的3D GRID模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格剖分，含水巖組劃分為四層，每層剖分為矩形網(wǎng)格單元4520個(gè)，每個(gè)單元面積26.7×15.3m2。

根據(jù)蒸發(fā)、降雨、巷道等源匯項(xiàng)在不同的季節(jié)其補(bǔ)給與排泄強(qiáng)度不同，在時(shí)間上將2007年劃分為四個(gè)應(yīng)力期。

3 模擬識(shí)別、檢驗(yàn)

模型通過預(yù)測-校正法進(jìn)行識(shí)別校正，使地下水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、源匯項(xiàng)得到調(diào)整，保持計(jì)算和實(shí)際地下水狀態(tài)一致性；與實(shí)測的場相對(duì)比，所計(jì)算得出的地下水狀態(tài)的空間分布可以實(shí)現(xiàn)相互一致；模擬期計(jì)算所得的地下水動(dòng)態(tài)和實(shí)測動(dòng)態(tài)變化可以保持一致；與實(shí)際水文地質(zhì)條件相比較，識(shí)別后的水文地質(zhì)參數(shù)、含水層結(jié)構(gòu)以及邊界條件基本與其相互符合。

因?yàn)椴淮_定性是識(shí)別過程中較為突出的一個(gè)特性，而在解決這個(gè)問題的方法中，模型檢驗(yàn)發(fā)揮著極其重要的作用。通常情況下，模型檢驗(yàn)是將一組參數(shù)以及模型通過識(shí)別之后，用其對(duì)另一段時(shí)間的野外觀測資料進(jìn)行模擬，抽、注水量和抽、注水時(shí)間、方式以及邊值、入滲補(bǔ)給量等都屬于外部有可能產(chǎn)生的一系列影響因素，這些因素也需要結(jié)合實(shí)際情況給出具體數(shù)值，對(duì)模擬值和野外實(shí)測值進(jìn)行模擬，最終得出的結(jié)果應(yīng)該在預(yù)先設(shè)定的容許誤差范圍內(nèi)相同。如果不同，那么就需要再一次修正上一組所得到的參數(shù)，重新識(shí)別、檢驗(yàn)，直到一組新的參數(shù)在識(shí)別和檢驗(yàn)階段所顯示的模擬值和野外實(shí)測值，能夠在預(yù)先設(shè)定的容許誤差范圍內(nèi)保持相互統(tǒng)一。

此次地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬，是在對(duì)個(gè)舊礦區(qū)高峰山礦段水文地質(zhì)條件進(jìn)行深入研究，以及全面掌握地下水系統(tǒng)變化規(guī)律的前提下開展的。將模擬時(shí)間分為四個(gè)模擬應(yīng)力期，選取兩個(gè)應(yīng)力期作為模型識(shí)別期，另兩個(gè)應(yīng)力期為模型檢驗(yàn)期。在運(yùn)行模型的基礎(chǔ)上，地下水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及源匯項(xiàng)等都能夠得到有效調(diào)整，識(shí)別校正模型，同時(shí)在識(shí)別的基礎(chǔ)上，檢驗(yàn)識(shí)別后的模型。通過反復(fù)調(diào)整，誤差可以縮短在要求范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

（1）文章主要依托于GMS軟件，初步確定GMS軟件可用于巖溶發(fā)育較為均一的巖溶地區(qū)地下水滲流場數(shù)值模擬及涌水量預(yù)測。（2）本區(qū)地下水變化主要受大氣降水影響，通過模型，建立了大氣降水與地下水滲流場、巷道涌水量之間的關(guān)系。（3）文章將巷道等效于排水溝（drain），基于兩者間的相似特征，成功模擬了地下水滲流場及預(yù)測巷道涌水量。

參考文獻(xiàn)

[1]王大純，張人權(quán)，史毅虹，等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：地質(zhì)出版社，1995.

[2]房佩賢.專門水文地質(zhì)學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，1996.

[3]采礦手冊VoI6[M].冶金工業(yè)出版社，1991.

[4]魏軍.礦井涌水量的數(shù)值模擬研究[D].遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2006.

[5]薛禹群，謝春紅.地下水?dāng)?shù)值模擬[M].科學(xué)出版社，2007.

作者簡介：梁厚景（1977，10-），男，云南文山人，本科學(xué)歷，工程師，研究方向：水文地質(zhì)及工程地質(zhì)。