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        利用GMS對(duì)巷道涌水量預(yù)測

        2015-04-02 23:35:30梁厚景李賽
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年10期

        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)。

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