趙曉玲，王　博

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽合肥230000）

基于Visual MODFLOW的煤礦開(kāi)采對(duì)地下水影響的數(shù)值模擬研究

趙曉玲*，王博

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽合肥230000）

為了研究該煤礦開(kāi)采對(duì)研究區(qū)內(nèi)地下水的影響，通過(guò)對(duì)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件的分析，構(gòu)建了水文地質(zhì)概念模型，并采用Visual MODFLOW軟件就開(kāi)采3煤層對(duì)地下水的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：3煤層開(kāi)采后，潛水含水層的地下水位變化幅度較小，最大水位降深為6m；基巖裂隙含水層的地下水位降幅較大，最大水位降深為25m。

煤礦開(kāi)采；含水層；地下水位；數(shù)值模擬

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，對(duì)能源的需求也日益增長(zhǎng)，而在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭資源占比超過(guò)7成，煤炭資源的開(kāi)發(fā)為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展提供了能源和動(dòng)力。但是在煤炭資源開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，也產(chǎn)生了采空區(qū)塌陷，地下水漏斗、水質(zhì)污染和生態(tài)環(huán)境惡化等不良影響和危害。某煤礦所處地區(qū)降雨量小、蒸發(fā)量大，地下水資源匱乏，區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水、人民生活用水和生態(tài)用水大部分來(lái)源于地下水。煤礦開(kāi)采與工農(nóng)業(yè)、生活以及生態(tài)用水之間存在一定矛盾，亟待解決。因此，為了研究該煤礦開(kāi)采對(duì)地下水的影響［1-2］，首先對(duì)該區(qū)的水文地質(zhì)條件進(jìn)行了分析，并構(gòu)建了該區(qū)的水文地質(zhì)概念模型，然后采用Visual MODFLOW軟件就該煤礦開(kāi)采3煤層對(duì)其上覆含水層地下水系統(tǒng)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)煤礦的合理開(kāi)采和所處地區(qū)地下水資源保護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。

1　水文地質(zhì)概況

圖1　研究區(qū)位置示意圖

本次研究的煤礦位于安徽省淮北市城東北的杜集區(qū)石臺(tái)鎮(zhèn)境內(nèi)（圖1），地處淮北平原北部，地形平坦，地表高程在35～37.6m之間；地貌類型沖洪積平原地貌單元；研究區(qū)屬北方型大陸氣候與濕潤(rùn)性氣候之間的季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，日照充足，春秋季明顯短于冬夏季，春夏季節(jié)盛行東南風(fēng)，炎熱潮濕多雨，秋冬季盛行東北風(fēng)，寒冷干燥少雨。

研究區(qū)的地下水為類型主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。松散巖類孔隙水由細(xì)砂、粉砂層組成、存在砂質(zhì)粘土夾層，總厚33～38m，平均為35m，較穩(wěn)定。地表以下4～5m為潛水。砂層含水組鉆孔單位涌水量為q=0.24mL/（s·m），滲透系數(shù)k=1～2m/d，水質(zhì)類型為HCO3--CI--Ca2+-Mg2+型?；鶐r裂隙水主要為下石盒子組中、細(xì)砂巖孔隙裂隙含水層，厚度15～45m，一般在25m左右，該含水組砂巖裂隙不發(fā)育，富水性較弱。鉆孔單位涌水量q=0.000085～0.0624mL/（s·m），滲透系數(shù)k=0.00047～0.202m/d，水質(zhì)類型屬于CI-—Na+或CO23--C1--Na+型。

2　地下水模型的建立

2.1水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)研究區(qū)水文氣象、水文地質(zhì)特征、主要含水層的流場(chǎng)特征以地層結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，并依照主要含水層的滲透性能、地下水的遷移特征及水力聯(lián)系等，對(duì)實(shí)際的水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化［3-5］，建立水文地質(zhì)概念模型（圖2）。模擬區(qū)地下水流方向自北東向南西，因此將東部與北部設(shè)置為補(bǔ)給邊界，將南部和西部設(shè)置為排泄邊界，主要含水層的邊界劃為二類邊界。潛水的自由面作為上部邊界，底部邊界則為二疊系下二疊統(tǒng)山西組泥巖。

圖2　水文地質(zhì)概念模型示意圖

2.2數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)模型，將實(shí)際地下水流概化為非均質(zhì)各向同性三維非穩(wěn)定地下水系統(tǒng)，可用如下偏微分方程來(lái)描述［6-8］：

式中：Kx、Ky、Kz——x、y、z方向的滲透系數(shù)；

h——含水層水頭；

ε——源匯項(xiàng)；

μ——潛水含水層潛水面上的重力給水度；

h0——含水層的初始水頭；

Γ0——潛水面邊界；

Γ1——滲流區(qū)第二類邊界；

Kn——邊界法向方向的滲透系數(shù)；

Ω——計(jì)算區(qū)范圍；

p——潛水面上的降水入滲和蒸發(fā)；

2.3數(shù)值模型結(jié)構(gòu)及其識(shí)別與檢驗(yàn)

2.3.1數(shù)值模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型，采用Visual MODFLOW 4.6構(gòu)建數(shù)值模型并進(jìn)行求解。研究區(qū)長(zhǎng)約12.5km，寬約12.2km，總面積約152.2km2。計(jì)算前先對(duì)研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格間距為100m，在X、Y方向上分別剖分136×133，總網(wǎng)格共18088個(gè)。并根據(jù)模擬范圍將其范圍外地網(wǎng)格設(shè)定為不活動(dòng)單元格。根據(jù)地下水的長(zhǎng)期觀測(cè)資料，選取2014年3月～2015年2月的水位資料，應(yīng)力期定為1個(gè)月，時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)模型自動(dòng)控制。初始地下水位數(shù)據(jù)采用2014年3月的統(tǒng)一觀測(cè)資料，利用Kriking插值法獲得初始水位等值線。

2.3.2模型的識(shí)別與檢驗(yàn)

采用試估校正法對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別與檢驗(yàn)，將滲透系數(shù)、貯水率、入滲補(bǔ)給系數(shù)和邊界條件等［9-10］輸入軟件中，根據(jù)模擬計(jì)算的水位值與實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)擬合情況不斷修正各參數(shù)，直到結(jié)果符合誤差的要求。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的水位觀測(cè)的位置，本次選取J1113、J1307、J913、觀36等4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，在2014年3月～2015 年2月的地下水位觀測(cè)值與模擬值進(jìn)行對(duì)比，分別計(jì)算各觀測(cè)點(diǎn)的模擬水位與實(shí)測(cè)水位之間的誤差，均滿足要求，擬合結(jié)果比較符合實(shí)際。各觀測(cè)孔的實(shí)測(cè)地下水位與模擬地下水位的擬合曲線如圖3所示。

2.3.3識(shí)別檢驗(yàn)后的水文地質(zhì)參數(shù)

通過(guò)對(duì)研究區(qū)實(shí)測(cè)水位與模擬水位的擬合、對(duì)地下水均衡的分析、對(duì)邊界流量和水文地質(zhì)參數(shù)的調(diào)節(jié)，得出較為符合實(shí)際情況的水文地質(zhì)參數(shù)，如表1所示。

3　煤層開(kāi)采對(duì)地下水的影響

圖3　觀測(cè)孔實(shí)測(cè)與模擬地下水位的擬合曲線

表1　研究區(qū)識(shí)別檢驗(yàn)后的水文地質(zhì)參數(shù)

煤層開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)地下水采取排水疏干措施，會(huì)導(dǎo)致地下水流場(chǎng)發(fā)生明顯的改變，部分區(qū)域地下水甚至?xí)皇韪?，?huì)導(dǎo)致各含水層出現(xiàn)水頭差并進(jìn)一步加大。若各含水層之間無(wú)隔水層，則對(duì)淺層地下水的水位影響顯著，對(duì)煤礦的開(kāi)采也有著巨大的影響；若各含水層之間存在弱透水地層，則兩者之間的滲透系數(shù)決定了越流量的大小，進(jìn)而決定了淺層含水層水位；若各含水層之間存在連續(xù)完整且滲透系數(shù)很小的隔水層，煤層開(kāi)采對(duì)淺層含水層影響很小。

研究區(qū)的潛水含水層與基巖裂隙含水層之間存在相對(duì)隔水層，該隔水層厚度不均勻，有多處該層缺失，因此，潛水含水層與基巖裂隙含水層中的地下水可以互相補(bǔ)給?；鶐r裂隙含水層是研究區(qū)內(nèi)3煤層的直接充水水源，該煤層開(kāi)采時(shí)對(duì)地下水的疏干作用，會(huì)導(dǎo)致基巖裂隙含水層中的地下水位大幅降低，進(jìn)而與上覆潛水含水層之間形成較大水頭差，潛水含水層會(huì)對(duì)基巖裂隙含水層進(jìn)行補(bǔ)給，影響潛水含水層中的地下水位。

本次根據(jù)地下水?dāng)?shù)值模型對(duì)3煤層開(kāi)采后的潛水含水層和基巖裂隙含水層的地下水水位的變化情況進(jìn)行的模擬，并進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)。3開(kāi)采后各含水層的水位等值線和水位降深如圖4所示。

由圖4a和圖4b可以看出：3煤層開(kāi)采后潛水含水層的水位等值線有所降低，但是變化幅度較小，最大水位降深為6m，對(duì)潛水含水層的影響不大；在開(kāi)采疏干作用下，局部地段潛水含水層水位已近徹底疏干，快達(dá)到潛水含水層底板，而多部分地段的地下水位下降幅度很小，造成差別的原因主要在于含水層的滲透性能和給水能力有較大差異，在透水性和給水能力較強(qiáng)的地段，疏干水量大于補(bǔ)給量，地下水位下降，在透水性和給水能力較弱的地段，地下水位下降幅度不明顯。

圖4　3開(kāi)采后各含水層的水位等值線和水位降深圖

由圖4c和圖4d可以看出：3煤層開(kāi)采后基巖裂隙含水層的水位等值線降幅較大，最大水位降深為25m；造成上述差別的原因是潛水含水層與基巖裂隙含水層之間的相對(duì)隔水層有缺失，基巖裂隙含水層是3煤層的直接充水水源，煤層開(kāi)采導(dǎo)致基巖裂隙含水層中的地下水位大幅降低，潛水含水層對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)給，進(jìn)而導(dǎo)致局部地段潛水含水層的地下水位降幅較大。

4　結(jié)論

（1）采用Visual MODFLOW軟件對(duì)研究區(qū)煤層開(kāi)采對(duì)含水層地下水位進(jìn)行數(shù)值模擬分析，其模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果較為接近，基本反映了研究區(qū)的分布情況。

（2）采用試估校正法對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別與檢驗(yàn)，通過(guò)對(duì)研究區(qū)實(shí)測(cè)水位與模擬水位的擬合、對(duì)地下水均衡的分析、對(duì)邊界流量和水文地質(zhì)參數(shù)的調(diào)節(jié)，根據(jù)擬合情況不斷修正各參數(shù)，得出較為符合實(shí)際情況的水文地質(zhì)參數(shù)。對(duì)研究區(qū)內(nèi)的水位觀測(cè)點(diǎn)1個(gè)水文年內(nèi)的地下水位觀測(cè)值與模擬值進(jìn)行對(duì)比，擬合結(jié)果比較符合實(shí)際。

（3）3煤層開(kāi)采后，在開(kāi)采疏干作用下，局部地段潛水含水層水位已近徹底疏干，快達(dá)到潛水含水層底板，潛水含水層的水位等值線有所降低，但是變化幅度較小，最大水位降深為6m，對(duì)潛水含水層的影響不大；而3煤層開(kāi)采后基巖裂隙含水層的水位等值線降幅較大，最大水位降深為25m。

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TD82

A

1004-5716（2016）07-0124-05

2016-04-02

2016-04-06

趙曉玲（1983-），女（漢族），河南禹州人，工程師，現(xiàn)從事水工環(huán)地質(zhì)工作。