郭 艷，曹志穎

（宿州學院資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000）

GMS是目前功能最完善的地下水模擬軟件。GMS為地下水模擬的每一個階段都提供了有力的工具，包括模型概化、建立、校正、后處理及可視化。王曉明于2004年研究了可視化的地下水模擬，以GMS 4.0介紹了圖形用戶環(huán)境下地下水數(shù)值模擬的特點。黃婧于2013年利用GMS對寧夏清水河上游平原地下水數(shù)值模擬研究，并對建立的數(shù)值方程進行求解。但基于GMS軟件對于礦區(qū)地下水的數(shù)值模擬很少。在掌握水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，利用GMS軟件可以更好地了解地下水徑流的動態(tài)，補給與排泄方式等，本文以龍王廟北礦地下水為研究對象，簡單闡述GMS的應(yīng)用。

1 龍王廟北礦水文地質(zhì)特征

龍王廟北礦位于淮北煤田東南部，在光武固鎮(zhèn)斷裂、南坪斷裂、固鎮(zhèn)長豐斷裂所圈定的范圍內(nèi)，主體構(gòu)造為宿南向斜。同時又處于徐宿弧形構(gòu)造南段的前緣，由于西寺坡斷層的切割，而使宿南向斜失去完整性。這些大的斷裂均具有一定的隔水能力，井田內(nèi)次一級構(gòu)造展布形跡主要受控于四周邊界斷層。大的構(gòu)造單元控制著礦坑總涌水量大小，各部位的富水性又受次一級構(gòu)造和各種因素的制約，井田內(nèi)地層中有多個含水層，但也有多個相應(yīng)的隔水層阻隔。由于井田內(nèi)斷層的導水性差，煤層頂?shù)装甯羲畬雍穸容^大時，具有抑制頂、底板突水的作用。

通過對龍王廟北礦的鉆孔、含水層以及地質(zhì)邊界資料處理分析可知地表厚度為166～292 m的新生界松散層，之后地層為二疊系，基底為奧陶系石灰?guī)r，具體水文地質(zhì)條件見圖1。

圖1 水文地質(zhì)及滲透系數(shù)分區(qū)剖面圖

1）松散層

該區(qū)新生界松散層的沉積厚度受古地形控制，厚度變化大，除少數(shù)基巖裸露區(qū)外，厚40～500 m，其變化規(guī)律是自北向南、自東向西逐漸增厚，從地層剖面上可劃分為4個含水層（組）和3個隔水層。除第四含水層直接覆蓋在煤系之上外，新生界第一、二、三含水層（組）之下分別對應(yīng)有第一、二、三隔水層（組）分布。

第一含水層總厚7.65～21.90 m，巖性以棕色粉砂為主，降水入滲是其含水層的主要補給源，其次為徑流補給。主要排泄方式是垂直蒸發(fā)和人工抽取，第一含水層上部水和地表水體互補。

第一隔水層厚8.5～18.9 m，巖性是褐色、棕色粘土為主。棕色粘土結(jié)構(gòu)致密，延展性較好。結(jié)構(gòu)致密，其隔水性較強，但局部較薄，少量水可通過該層。

第二含水層厚5.55～25.7 m，巖性以粉砂為主，砂巖空隙大結(jié)構(gòu)不致密，分布較亂，厚度不穩(wěn)定且薄，較第一含水層不易污染可作為生活用水。其間含水層多以徑流方式的存在聯(lián)系方式，第二含水層接受第一含水層的越流補給而第二含水層也越流補給給第三含水層。

第二隔水層厚度7.10～27.50 m。巖性是棕色、褐色、少量灰色粘土為主。隔水層結(jié)構(gòu)致密，延展性較好，巖性變化不大，空隙較小，因而隔水性好。隔水層有薄有厚，薄的地方第二和第三含水層會有一定的水力聯(lián)系。

第三含水層巖性以細砂、粉砂、粘土質(zhì)砂為主。砂層結(jié)構(gòu)不致密、發(fā)育較差，泥質(zhì)含量高。第三含水層下部多為泥質(zhì)沉淀，則上部可飲用，下部不可飲用。

第三隔水層厚約2.60～67.10 m，平均40.71 m。巖性以灰綠色、棕黃色砂質(zhì)粘土，夾砂層或粘土質(zhì)砂多層。該層粘土類可塑性好，膨脹性強，厚度大，分布穩(wěn)定，隔水性良好，是區(qū)域及井田內(nèi)重要的隔水層。由于它的存在使其以上各含水層地下水及地表水、大氣降水與其下的四含水、煤系水失去水力聯(lián)系。

第四含水層厚度0～19.25 m，平均7.69 m。四含沉積厚度受古地形控制，井田內(nèi)古地形低洼處四含沉積厚度較大。四含巖性復雜，主要由礫石、砂礫、粘土礫石、粗砂及粘土質(zhì)砂等組成，其間夾有多層薄層狀粘土夾礫石、粘土、砂質(zhì)粘土、鈣質(zhì)粘土等。地下水依靠區(qū)域?qū)娱g徑流，水平徑流條件差，區(qū)域補給微弱，處于滯緩狀態(tài)，與煤系砂巖裂隙含水層通過風化裂隙帶構(gòu)成直接水力聯(lián)系。而與上覆一、二、三含水層無直接水力聯(lián)系。

2）二疊系煤系含、隔水層

二疊系巖性以泥巖、粉砂巖為主，其中泥巖結(jié)構(gòu)致密可作為隔水層，砂巖結(jié)構(gòu)松散作為含水層。隔水層可以截斷2個含水層的水力聯(lián)系。含水層的運移和儲量取決于裂隙的大小、發(fā)育程度和裂隙的連通性，如果發(fā)育程度好、裂隙大和連通性較好則水量充足反之則少。

3）奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層

奧陶系厚度500多m巖性主要為淺灰色致密塊狀隱晶質(zhì)厚層狀灰?guī)r。根據(jù)有關(guān)水文地質(zhì)資料：奧陶系石灰?guī)r淺部巖溶裂隙發(fā)育較好，越深發(fā)育越差，發(fā)育好的運移和儲水能力越好，發(fā)育差的則運移和儲水能力越差。

補給水源不充足，地下水徑流緩慢，礦井排水影響礦區(qū)，所以主采含水層地下水位呈下降趨勢[1]。

2 礦區(qū)地下水流場模擬

利用GMS軟件，根據(jù)地質(zhì)條件邊界、底圖和含水層厚度等，模擬地下含水層三維模型和穩(wěn)定流場。

2.1 水文地質(zhì)模型的建立

1 ）網(wǎng)格剖分

根據(jù)水文地質(zhì)資料，構(gòu)建礦區(qū)地下水流動模型。計算單元平面上97行73列，網(wǎng)格大小50 m× 50 m。垂向上依據(jù)水文地質(zhì)剖面圖設(shè)置為15層[2-3]。

2 ）邊界條件概化

模型的邊界條件復雜，模型四周概化為零通量邊界，模型中部分范圍根據(jù)等水位線設(shè)置為定水頭邊界，定水頭邊界數(shù)值依據(jù)鉆孔水位資料設(shè)置。模型的主要補給邊界為降水補給，根據(jù)已知水文地質(zhì)資料，模擬區(qū)域內(nèi)的降雨量為800 mm，蒸發(fā)量為800 mm，蒸發(fā)極限深度使用經(jīng)驗值3 m[4-6]。

3 ）參數(shù)設(shè)置

根據(jù)含水層數(shù)量和性質(zhì)，本次模擬有4個分區(qū)，如圖1所示，其中一含到四含為一區(qū)，一隔到三隔為二區(qū)，煤巖系和奧陶系隔水層為三區(qū)、含水層為四區(qū)，滲透系數(shù)如表1所示。具體參數(shù)值參照已有的水文地質(zhì)資料以及經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行設(shè)置[7-8]。

表1 滲透系數(shù)設(shè)置表m/d

4 )模型擬合

模型擬合結(jié)果（圖2）說明了模型對實測野外條件的模擬的符合程度。在理想的情況下，所有井的資料都應(yīng)準確地位于45°角的直線上。本次模擬觀測孔的水位在圖上顯示基本上位于較高的置信區(qū)間，具有很高的可信度。

圖2 模型擬合結(jié)果圖（圖中實線表示較高的置信區(qū)間）

2.2 水流計算結(jié)果分析

模型采用穩(wěn)定流概化研究區(qū)的流場，根據(jù)上述的鉆孔水位對比情況可以看出模型計算水位和實際水位的吻合度較高，依次計算出區(qū)域的地下水流場，其等水位線如圖3所示。

圖3 區(qū)域地下水流場等水位線圖

從模擬結(jié)果可以看出：區(qū)域內(nèi)地下水水位北高南低，東南部地下水水位最低。地下水主要由礦區(qū)北部向東南部徑流。地下水流場剖面圖顯示（虛線表示剖面位置），在北部的淺層接受大氣降水的補給，滲透至深層，且淺層的垂向流速比深度的垂向流速大。北部深層的地下水通過徑流作用向南部排泄，進而在蒸發(fā)作用下發(fā)生排泄[9-11]。

圖4 區(qū)域地下水流場流向示意圖

圖5 區(qū)域地下水流場剖面等水位云圖

區(qū)域水文地質(zhì)系統(tǒng)復雜，地下水流場呈現(xiàn)錯綜復雜的深層徑流，最終在淺層蒸發(fā)排泄。模擬結(jié)果與實際地下水徑流特點基本一致，則此次模擬參數(shù)設(shè)置合理，模擬結(jié)果較為可靠。

3 結(jié)論

（1）龍王廟北礦新生界松散層厚度166～292 m，包括4個含水層3個隔水層。之后地層為二疊系，基底為奧陶系石灰?guī)r。

（2）通過水文地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用GMS建立地下水流場模型，模擬結(jié)果為：地下水水位北高南低，東南部水位最低。地下水主要由北流向東南部。在降雨作用下礦區(qū)北部淺層向深層滲流，淺層的垂向流速比深層的垂向流速大。北部深層地下水向南部的淺層徑流，進而蒸發(fā)排泄。

（3）模擬結(jié)果與實際地下水徑流特點基本一致，則此次模擬參數(shù)設(shè)置合理，模擬結(jié)果較為可靠。

本文進一步完善了礦區(qū)地下水文地質(zhì)及地下水流場的研究，對該礦區(qū)地下水開采和水源識別具有一定的參考意義。

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