董玉興，折書群，王國棟

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊050021)

XX礦區(qū)位于干旱—半干旱的蒙古高原，由于水資源比較匱乏，礦區(qū)的正常生活生產(chǎn)活動已受到一定的影響，為徹底解決礦山的供水問題，擬在礦區(qū)北部20km范圍內(nèi)尋找滿足礦山正常生產(chǎn)用水的供水水源地，本文在對水源地的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件進行綜合分析，并圈定具有供水前景的富水地段的基礎(chǔ)上，采用地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)對供水水源地的地下水資源進行了評價，計算出水源地的補給資源量，為礦區(qū)未來的供水方向提供了依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

XX礦區(qū)位于蒙古國蘇赫巴托爾省額爾敦查干縣境內(nèi)，為典型的大陸性草原氣候，季節(jié)變化明顯，春季較冷、干燥，有強風(fēng)和塵暴;夏季溫暖有弱風(fēng)，為降雨集中期;秋季溫差變化大;冬季嚴寒且漫長。歷年平均降水量241.8 mm，降水年際分布不均勻，最大年降水量457.3 mm(1998年)，最小年降水量140.4 mm(2006年)，區(qū)內(nèi)水系不發(fā)育，無常年性河流，南北向主溝谷為季節(jié)性河流，地表水與地下水垂向交替頻繁。

區(qū)內(nèi)地層自老到新有奧陶系、志留-泥盆系，石炭系，侏羅系，白堊系，第三系和第四系，主要含水層為白堊系砂巖、粉砂巖裂隙-孔隙含水層組，在研究區(qū)東南部與火成巖風(fēng)化裂隙含水層組相接，在中間溝谷及兩側(cè)被第三系、第四系地層覆蓋，在外圍基巖直接裸露地表。第三系地層以粘性土為主，作為弱透水層。第四系松散地層由于地形坡度較大，大氣降水補給有限，僅在溝谷中富含地下水，溝谷兩側(cè)地層基本不含重力水。

基巖含水層以側(cè)向補給和裸露區(qū)接受大氣降水補給，向中間溝谷低洼處匯集，以越流的形式頂托補給第四系含水層，部分向北徑流，在北部邊界側(cè)向排泄。第四系含水層主要接受大氣降水和基巖含水層的越流補給，沿溝谷方向由南向北徑流，以蒸發(fā)排泄為主，其次是在北部地形低洼處溢出地表及在北部邊界向外徑流排泄。

2 地下水流數(shù)值模擬模型

2.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)對該區(qū)水文地質(zhì)條件的分析，將含水層概化為兩層越流含水系統(tǒng)，第四系含水層為潛水二維非穩(wěn)定流，基巖為承壓-無壓含水層，二者以越流的形式發(fā)生水力聯(lián)系。

地下水系統(tǒng)的邊界基本以地形高點所圈定的，模型基巖含水層面積為271.35 km2，第四系含水層模擬面積為47.53 km2。模型邊界作流量邊界處理，在地形高點側(cè)向流量較小，甚至作為零流量邊界，在地形高點之間低洼處側(cè)向流量相對較大。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)以上概化的水文地質(zhì)概念摸型，可寫出相應(yīng)的數(shù)學(xué)摸型［1］:

第四系地下水:

基巖地下水:

式中:H1、H2為第四系、基巖地下水位(m);k1為第四系含水層滲透系數(shù)(m/d);D1為第四系含水層底板標(biāo)高(m);E0為水面蒸發(fā)強度(m);Ha為地表標(biāo)高(m);Smax為最大蒸發(fā)深度(m);k'為弱透水層的滲透系數(shù)(m/d);M'為弱透水層的厚度(m);ω為降雨入滲補給強度(m/d);T2為導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)，承壓含水層T2=K2M，K2基巖含水層滲透系數(shù)，M基巖含水層厚度，潛水或無壓含水層T2=K2(H2-D2)，D2基巖含水層底板標(biāo)高;Qi為地下水開采量(m3/d);H0為初始水位L;Ω為計算區(qū)域;μ為潛水或無壓含水層給水度，承壓含水層貯水系數(shù);qe(x，y，t)為二類邊界單寬補給量(m2/d)。

2.3 數(shù)值模型

2.3.1 空間離散

采用三角網(wǎng)格剖分滲流區(qū)域［2］，剖分時按重點研究區(qū)適當(dāng)加密，其它區(qū)域適當(dāng)疏一點的原則，并將各觀測孔盡可能與結(jié)點重合。剖分后對結(jié)點和三角形單元進行編號，共剖分結(jié)點587個，單元11 017個，剖分結(jié)果(見圖1)，選用超松弛(SOR)迭代方法求解數(shù)值模型［3］。

圖1 滲流區(qū)域剖分圖

2.3.2 水文地質(zhì)參數(shù)的選取

水文地質(zhì)參數(shù)的分區(qū)［4］是根據(jù)地層巖性和單孔抽水試驗的成果初步進行分區(qū)，待模擬時根據(jù)情況調(diào)整。參數(shù)識別結(jié)果分別見圖2、表1。

圖2 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖

表1 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)表

2.3.3 源匯項的處理［5-6］

根據(jù)前面用均衡法計算地下水資源量時求的邊界流入量作為邊界總補給量的初值，按各邊界段的地質(zhì)地貌特征及邊界外的匯水面積進行邊界補給量的分配。待模型識別時再作調(diào)整。

潛水蒸發(fā)主要受潛水面埋深(或飽氣帶厚度)、氣象因素、土質(zhì)和植被的影響。目前國內(nèi)外大多采用柯夫達—阿維里揚諾夫的公式，計算潛水蒸發(fā)強度，該公式是建立在潛水蒸發(fā)強度ε、水面蒸發(fā)強度E0與潛水埋藏深度的關(guān)系上。其公式為:

2.3.4 模型識別

在前面初值的基礎(chǔ)上，對模型加載群孔抽水量，讓模型運行記錄各觀測孔的水位動態(tài)，與實際測量的水位動態(tài)對比分析［7］。經(jīng)反復(fù)調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)、垂向補排強度等各種不確定因素，一直使各動態(tài)曲線擬合程度滿足要求為止。然后再利用各種參數(shù)對地下水天然流場進行模擬。經(jīng)過各種水循環(huán)量得反復(fù)調(diào)整，使模型在沒有人工排水的情況下運行幾十年，仍能基本保持目前天然地下水流場。抽水試驗地下水動態(tài)曲線擬合結(jié)果見圖3。

圖3 部分觀測孔水位擬合曲線

模型識別結(jié)果表明:水文地質(zhì)條件的概化是合理的，數(shù)學(xué)模型是正確的，水文地質(zhì)參數(shù)、降雨入滲系數(shù)、潛水蒸發(fā)指數(shù)、邊界流入流出量等通過調(diào)整，認為是比較符合實際的。

3 地下水補給資源量的計算

3.1 水均衡分析

根據(jù)模型識別結(jié)果，可獲得如下地下水資源均衡量表。

表2 地下水資源均衡表

從地下水資源量均衡表5-3可看出，區(qū)內(nèi)地下水補給資源量為 18 091.59 m3/d(660.34 ×104m3/a)，其中，基巖地下水補給資源量 10 081.096 m3/d(367.96×104m3/a)，第四系地下水補給資源量16 547.397 m3/d(603.98×104m3/a)，越流量資源為 8 536.959 m3/d(311.599 ×104m3/a)，為重復(fù)計算量。

3.2 地下水資源計算質(zhì)量評述

本次數(shù)值法計算，水文地質(zhì)概念模型正確，計算面積為271.35 km2，剖分單元11 017個，結(jié)點587個。群孔抽水試驗抽水量大、降深大、影響范圍廣，給地下水系統(tǒng)以強烈震動，充分暴露了地下水系統(tǒng)各種內(nèi)在矛盾，利用數(shù)值法對群孔抽水試驗資料反復(fù)擬合，進行模型識別，模擬時間包括抽水前天然狀態(tài)、抽水階段、抽水后恢復(fù)水位階段，揭示地下水系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，建立的水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型符合客觀實際，利用2010年11月5日—2011年11月11日一個水文年地下水動態(tài)資料進行模型驗證。因此，描述地下水系統(tǒng)狀態(tài)的連續(xù)函數(shù)在時間、空間上離散的足夠小，能夠滿足精度要求，水文地質(zhì)條件的概化合理，數(shù)學(xué)模型正確，水文地質(zhì)參數(shù)、降雨入滲系數(shù)、邊界流入流出量等符合實際。

通過計算結(jié)果可以看出，勘探區(qū)地下水補給量為18 091.59 m3/d。

4 結(jié)語

(1)在對已有資料進行充分分析論證的基礎(chǔ)上，對研究區(qū)的邊界條件，含水層及地下水流動狀態(tài)進行了概化，建立水文地質(zhì)概念模型，并以此為基礎(chǔ)建立了數(shù)學(xué)模型，在選取合適的水文地質(zhì)參數(shù)及源匯項之后，利用抽水試驗資料進行了模型的識別，從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，模型構(gòu)建基本合理，符合該地區(qū)地下水的實際情況。

(2)通過利用所建數(shù)值模型進行水均衡計算，通過計算結(jié)果可以看出，勘探區(qū)地下水補給量為18 091.59 m3/d，其中，基巖地下水補給資源量10 081.096 m3/d(367.96×104m3/a)，第四系地下水補給資源量16 547.397 m3/d(603.98×104m3/a)。

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