何小亮，王逸民，劉瀟敏

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

榆溪河位于榆陽區(qū)境內(nèi)，全長98 km，流域面積近4 000 km2，發(fā)源于毛烏素沙漠南緣，由北向南，匯入無定河，是榆陽區(qū)的水資源命脈。榆溪河有十數(shù)條支流，流域分布有十余座中小型水庫，根據(jù)地形地貌及支流分水嶺等整個流域被劃分為10個水源地。

榆溪河位于陜北侏羅紀煤田核心位置，煤炭資源豐富。多年的煤炭資源開采帶來一系列礦山環(huán)境地質(zhì)問題，導(dǎo)致區(qū)域地面塌陷、地下水水位下降、地下水污染等，使得原本脆弱的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境加劇退化。因此，合理的開展研究區(qū)地下水系統(tǒng)研究，分析礦區(qū)現(xiàn)有開采條件下地下水的動態(tài)變化情況，對科學、合理、有效的管理地下水資源具有非常重要的意義。同時，也是實現(xiàn)煤炭產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的必要保證[1-5]。

本文依據(jù)流域水文地質(zhì)條件構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型，在此基礎(chǔ)上基于可視化數(shù)值模擬軟件(Processing Modflow)建立流域三維地下水流數(shù)值模型[6]，模型經(jīng)識別與校驗完成后，加載煤礦礦坑涌水工況，模擬煤礦開采對地下水資源的影響，預(yù)測未來30年末的地下水末流場、末埋深場、末降深場、潛水位降深曲線以及地下水補排均衡量，并進行分析評價。研究成果可為榆溪河流域煤礦開采和水資源利用規(guī)劃提供依據(jù)。

1 水文地質(zhì)概念模型及其數(shù)學描述

1.1 水文地質(zhì)模型

研究區(qū)范圍覆蓋榆溪河流域陜西境內(nèi)的牛家梁(紅石峽)、小壕兔、金雞灘、馬合、芹河、頭道河則、水掌灣、色草灣、沙河、趙家灣等十個水源地分布區(qū)，面積約3 600 km2；垂向上包含從地面到開采煤層底板之間的全部地層結(jié)構(gòu)，主要包括第四系含水層(全區(qū)分布)、第三系極弱透水層(不連續(xù)分布)、白堊系含水層(西北局部分布)、侏羅系與煤層弱含水層(全區(qū)分布)。研究區(qū)垂向上剖分為5層，第一層為第四系含水層，第二層為新近系紅土層或白堊系碎屑巖層或侏羅系碎屑巖層，第三層為導(dǎo)水裂隙帶之上侏羅系原巖層，第四層為導(dǎo)水冒裂帶及兩側(cè)原巖層，第五層為主采煤層及采空區(qū)。區(qū)內(nèi)含水層為多層結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)各向異性介質(zhì)，存在時空分配不均的面狀補給源(大氣降水入滲補給、凝結(jié)水入滲補給、農(nóng)灌水回歸補給)和面狀蒸發(fā)排泄，線狀與點狀的地下水溢出(泉集河與海子)，點狀地下水開采(水井)，分層地下水流場與越流關(guān)系等。

1.2 數(shù)學模型

依據(jù)水文地質(zhì)概念模型，地下水流數(shù)學模型可描述為：

式中：H，Hr為地下水位標高(m)，泉集河水位標高(m)；K，Kr為含水層滲透系數(shù)(m/d)，河床淤積層垂向滲透系數(shù)(m/d)；μ，Ss為潛水含水層給水度，承壓含水層彈性釋水率(1/m)；Q，W為水井開采量(m3/d)，礦井涌水量(m3/d)；δ為δ函數(shù)(分別對應(yīng)水井、坑道位置坐標)；h0，h1為初始水位標高(m)，定水頭邊界水位標高(m)；q0，Qr為定流量邊界流量(m3/d·m2)，泉集河流量(m3/d)；A，Mr為泉集河計算面積(m2)，河床淤積層厚度(m)；ε為潛水面垂向交換量(入為正、出為負)(m3/d·m2)；x,y,z，t為坐標變量(m)，時間變量(d)；Γ1，Γ2為一類邊界，二類邊界；n，Ω為二類邊界外法線方向，計算區(qū)范圍。

2 地下水流數(shù)值模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建

模型區(qū)水平方向上，北以公里網(wǎng)4310為界，南至4208，西以342為界，東至412，平面面積7 140 km2，模型區(qū)有效面積3 521.5 km2；垂直方向上，為地面至侏羅系22煤層之間的部分，總厚度100～770 m。

本次計算根據(jù)三維有限差分方法，對計算域采用規(guī)則網(wǎng)格進行剖分，根據(jù)數(shù)學模型建立研究區(qū)的三維有限差分數(shù)值模型并進行數(shù)值模擬。研究區(qū)為大地坐標x=342000～412000，y=4208000～4310000范圍內(nèi)的矩形區(qū)域。平面上采用500×500 m的網(wǎng)格將計算區(qū)在平面上沿南北向剖分為204行，沿東西向剖分為140列；垂向上剖分為5層，第一層為第四系含水層，第二層為新近系紅土層或白堊系碎屑巖層，第三層為導(dǎo)水裂隙帶之上侏羅系原巖層，第四層為導(dǎo)水冒裂帶及兩側(cè)原巖層，第五層為主采煤層及采空區(qū)。這樣將整個模型區(qū)剖分為204行、140列、5層共142 800個單元，其中有70 430個為活動單元。

區(qū)內(nèi)地形等高線依據(jù)1:10萬地形圖繪制，各層頂?shù)酌娓叱痰戎稻€依據(jù)前人工作資料繪制。

圖1 研究區(qū)2013年實測水位與計算水位擬合圖

圖2 研究區(qū)2013年煤礦涌水量實測值與計算值擬合圖

2.2 模型識別與校驗

選用2005年10月～2006年10月研究區(qū)內(nèi)地下水動態(tài)觀測資料和各種源匯資料為依據(jù)進行模型的校正。選用2006～2013年研究區(qū)內(nèi)地下水動態(tài)觀測資料和各種源匯資料為依據(jù)進行擬合。研究區(qū)2013年實測水位與計算水位擬合見圖1，煤礦2013年涌水量擬合見圖2。

計算區(qū)2013年實測水位與計算水位的相關(guān)系數(shù)R2=0.999，煤礦實測涌水量和計算涌水量的相關(guān)系數(shù)R2=0.903，都呈高度相關(guān)，表明數(shù)值模型擬合效果較好。

3 煤礦開采對地下水資源的影響分析

3.1 計算過程及結(jié)果

研究區(qū)現(xiàn)狀生產(chǎn)煤礦27座，利用建立的三維地下水流數(shù)值模型，將大氣降水入滲補給量、農(nóng)灌水回歸補給量、地下水現(xiàn)狀開采量、煤礦采空區(qū)范圍等加入模型，以地下水流模型識別得到的擬穩(wěn)定流場作為預(yù)測的初始流場(圖3)，設(shè)置10個潛水位觀測點(圖4)。預(yù)測未來30 a末的地下水末流場、末埋深場、末降深場、潛水位降深曲線以及地下水補排均衡量，成果詳見圖5～圖9。限于篇幅，計算數(shù)據(jù)不再詳列。

圖5 煤礦開采30年末地下水流場圖 圖6 煤礦開采30年末地下水埋深

圖7 煤礦開采30年末地下水降深圖 圖8 煤礦開采30年末地下水凈降深圖

圖9 煤礦開采30年間水源地潛水位觀測點水位變化曲線圖

3.2 計算結(jié)果分析

由三維計算結(jié)果可知，在地下水現(xiàn)狀開采量26.240×104m3/d，煤礦涌水量10.482×104m3/d的工況設(shè)置方案下，未來30 a末水源地地下水總補給量148.760×104m3/d，總排泄量158.029×104m3/d，均衡差-9.269×104m3/d，地下水處于負均衡狀態(tài)。負均衡主要為消耗深層侏羅系地下水資源儲存量，消耗量占侏羅系彈性釋水量4%，比例較小，對深層地下水影響有限。27座煤礦的礦井涌水量10.482×104m3/d，主要來自增加的基巖儲存量的釋放，其次為潛水蒸發(fā)量的減少，其中動用的儲存量占81.5%，潛水蒸發(fā)減少量占14.6%，潛水溢出減少量占3.7%，河流入滲增補量僅占0.1%。

從圖5～圖8可以看出，煤礦開采涌水主要對礦井及其周圍的潛水位產(chǎn)生一定的影響，現(xiàn)狀煤礦分布主要集中在頭道河則與金雞灘水源地，該區(qū)域由于煤礦礦坑疏干地下水會形成一個較大的降落漏斗區(qū)域，區(qū)域中心位于金雞灘鎮(zhèn)附近(金雞灘與頭道河則水源地交界的下游地帶)，潛水位最大凈降深約3m，影響半徑約15 km。預(yù)測未來30 a末潛水位下降速率為0～11 mm/a。

從圖9可以看出，通過模型在全流域設(shè)置的10個地下水位監(jiān)測點，對未來30 a地下水位的模擬計算可知，位于煤礦采空區(qū)較為集中的頭道河則與金雞灘水源地的G4與G9兩點，地下水位呈緩慢平順的發(fā)展態(tài)勢，沒有出現(xiàn)地下水位急劇變化的情況，未來30 a最大地下水位下降約3 m。其余點模擬監(jiān)測地下水位下降一般0.5～2.3 m。

4 結(jié)語

本文通過建立榆溪河流域水源地三維地下水流數(shù)值模型，模擬流域煤礦開采對地下資源的影響，結(jié)論包括：

(1)在地下水及煤礦現(xiàn)狀開采條件下，未來30 a末水源地地下水處于負均衡狀態(tài)，負均衡主要為消耗深層侏羅系地下水資源儲存量。

(2)煤礦開采涌水主要對礦井及其周圍的潛水位產(chǎn)生一定的影響，金雞灘鎮(zhèn)附近由于煤礦礦坑疏干地下水會形成一個較大的降落漏斗區(qū)域，潛水位最大凈降深約3 m，影響半徑約15 km。

(3)流域地下水位呈緩慢平順的發(fā)展態(tài)勢，沒有出現(xiàn)地下水位急劇變化的情況，未來30年地下水位下降一般0.5～2.3 m，煤礦附近最大地下水位下降約3 m。

[1]榆林市水政水資源辦公室.榆林市21世紀初期(2000年～2010年)水資源可持續(xù)利用規(guī)劃.2001.

[2]陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院.榆林市水資源綜合規(guī)劃.2009.

[3]江河水利水電咨詢中心.陜北能源化工基地供水規(guī)劃報告.2010.

[4]李濤,李文平,常金源，等.陜北淺埋煤層開采隔水土層滲透性變化特征[J].采礦與安全工程學報.2011.28(1):127-131.

[5]姚光華,陳正華,向喜瓊.采煤條件下地表水入滲特征研究[J].采礦與安全工程學報.2012.39(3):12-15.

[6]付延玲,郭正法.Processing Modflow在地下水滲流與地面沉降研究中的應(yīng)用[J].勘察科學技術(shù).2006(4):19-23.