李紅偉，趙 鵬

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410011）

數(shù)值模擬采用三維可視化標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)軟件GMS（Groundwater Modeling System）。GMS是交互視窗式地下水?dāng)?shù)值模擬專門軟件，可以方便地輸入模型參數(shù)、分析計(jì)算結(jié)果，以觀測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果擬合差為標(biāo)準(zhǔn)，不斷校正模型，最后達(dá)到利用數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)方法研究地下水運(yùn)動(dòng)機(jī)理的目的。本次用GMS對(duì)承壓含水層進(jìn)行的群孔抽水試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，求得了試驗(yàn)區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)和分析了地下水的主徑流方向。

1 工程概況

礦山水文地質(zhì)條件復(fù)雜，前期水文勘探滿足不了開(kāi)采設(shè)計(jì)要求，為了核查礦區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)，為礦坑涌水量預(yù)測(cè)提供依據(jù)，選擇了3口疏干井，11個(gè)觀測(cè)孔進(jìn)行群孔抽水試驗(yàn)。

礦區(qū)位于背斜北傾伏端，西翼緩東翼陡，軸面傾向北西。地貌為構(gòu)造剝蝕低中山，地勢(shì)南高北低、東西兩側(cè)高中央低的“V”型谷地。巖根河由南向北從礦區(qū)中部流過(guò)，天然狀態(tài)下和抽水試驗(yàn)過(guò)程中，礦區(qū)段河流并未發(fā)現(xiàn)滲漏。3口疏干井分別位于河邊、一級(jí)階地和半山腰。抽水試驗(yàn)對(duì)象為燈影組（Z2dn)巖溶裂隙含水層，厚度264.21m～325.50m，其頂?shù)装寰鶠楦羲畬印５V區(qū)孔隙率為2.10%～6.23%，未發(fā)現(xiàn)地下暗河。

整個(gè)抽水試驗(yàn)歷時(shí)53天，分三次降深抽水45天，水位恢復(fù)8天，總抽水量約38萬(wàn)立方。

2 數(shù)值模擬

礦區(qū)為水文地質(zhì)單元的溢流排泄區(qū)和滯留承壓區(qū)。天然條件下，含水層的補(bǔ)給項(xiàng)有降雨入滲補(bǔ)給、含水層上游側(cè)向徑流補(bǔ)給和河流的滲漏補(bǔ)給。由于外圍礦山長(zhǎng)期疏排地下水，礦區(qū)地下水位持續(xù)下降，改變了地下水流場(chǎng)。

根據(jù)抽水試驗(yàn)等降深曲線，推測(cè)其降深漏斗曲線平面范圍面積約為3Km2。試驗(yàn)區(qū)東部為隔水?dāng)鄬咏M；南部為鄰近礦山，最低巷道標(biāo)高880m～920m，可認(rèn)為南部邊界為零流量邊界，且邊界上有抽水井；西北部為含水層傾伏區(qū)，結(jié)合抽水試驗(yàn)降深漏斗推測(cè)其邊界，認(rèn)為邊界處流量為零。燈影組頂面，標(biāo)高約為0m～1200m，呈現(xiàn)東高西低、南高北低的趨勢(shì)，部分裸露，接受降雨入滲補(bǔ)給，部分為隔水層覆蓋。頂面裸露區(qū)為垂直交換量界面，接受降雨入滲補(bǔ)給和河流滲漏補(bǔ)給。底面為隔水底板，零流量界面。

2.1 模型概化

2.1.1 結(jié)構(gòu)概化

從宏觀上該含水層概化為非均質(zhì)各向異性的承壓-無(wú)壓含水層。含水層的輸入輸出隨時(shí)間、空間變化，地下水為非穩(wěn)定流；忽略地下水的垂向運(yùn)動(dòng)，將地下水運(yùn)動(dòng)按二維非穩(wěn)定流問(wèn)題處理。

2.1.2 源匯項(xiàng)

模擬區(qū)源匯項(xiàng)包括補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)。補(bǔ)給項(xiàng)主要為降雨入滲、河流滲漏，排泄項(xiàng)主要為礦坑排水。礦區(qū)燈影組裸露區(qū)和埋藏區(qū)，大氣降水入滲系數(shù)為0.201，裸露區(qū)的面積約為1.04Km2。在抽水實(shí)驗(yàn)期間，模擬區(qū)段的巖根河滲漏量較小。據(jù)調(diào)查，南部礦山兩礦井排水量約為4408m3/d和5486m3/d。

2.1.3 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果，研究區(qū)滲透系數(shù)在平面上、垂向上分布不均，大致南部大于北部，東部大于西部。滲透系數(shù)值范圍0.069m/d～0.96m/d，因此有必要先進(jìn)行參數(shù)分區(qū)。滲透系數(shù)分區(qū)綜合考慮了以下因素：含水層的富水性規(guī)律和補(bǔ)徑排條件、斷裂構(gòu)造的特點(diǎn)以及觀測(cè)孔的數(shù)量和分布。

2.2 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

2.2.1 模型尺寸

將水平東西方向定為X軸，水平南北方向?yàn)閅軸。根據(jù)模擬范圍，選用有限差分法的網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行剖分離散。模型沿x方向節(jié)點(diǎn)數(shù)目為200，y方向節(jié)點(diǎn)數(shù)目為200，共計(jì)30320個(gè)單元。垂向上為單層含水層。

2.2.2 模型初始條件

設(shè)置降雨入滲率0.00063m/d,礦井排水量約8800 m3/d。9個(gè)滲透系數(shù)分區(qū)初值參照抽水試驗(yàn)求得的滲透系數(shù)值，最小值和最大值分別設(shè)為1e-4m/d和1m/d。模擬采用抽水試驗(yàn)前后的水位作為模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將抽水試驗(yàn)前的水位作為初始水位。

2.2.3 模型識(shí)別

多次反復(fù)試設(shè)了邊界條件和滲透系數(shù)，來(lái)正演或反演擬合初始水位。確定了擬合得較好的邊界條件后，通過(guò)穩(wěn)定流計(jì)算擬合初始水位，并反演計(jì)算求得滲透系數(shù)。

在上述滲透系數(shù)條件下，得到各觀測(cè)孔處水位計(jì)算值和觀測(cè)值的擬合曲線見(jiàn)圖1。圖中顯示大多數(shù)觀測(cè)孔的計(jì)算值和觀測(cè)值的擬合程度都較高，誤差大多小于5m。其中兩觀測(cè)孔誤差較大，后期在抽水試驗(yàn)過(guò)程中，這兩個(gè)孔也出現(xiàn)了水位異常。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 地下水流場(chǎng)分析

從模型產(chǎn)生的地下水流場(chǎng)圖看，主要表現(xiàn)為3個(gè)方面。

（1）現(xiàn)階段地下水總體徑流方向?yàn)橛杀毕蚰稀？拷鼥|南邊界，由于斷層使含水層抬升，加上南部相鄰礦區(qū)采礦排水，已形成采空區(qū)。

（2）南部邊界接近相鄰礦山降落漏斗中心，地下水等水位線密集。本次抽水試驗(yàn)過(guò)程中，礦坑也一直在排水。

（3）流場(chǎng)中，地下水的主徑流方向?yàn)槲鞅?東南向，即抽水試驗(yàn)的降落漏斗主要擴(kuò)展方向。

2.3.2 地下水水位動(dòng)態(tài)分析

從多年地下水位觀測(cè)資料顯示，礦區(qū)地下水位總體上呈下降趨勢(shì)，主要是由于南部礦山采礦排水，導(dǎo)致含水層側(cè)向補(bǔ)給來(lái)源減少。

本次抽水試驗(yàn)顯示，抽水期間S3抽水井進(jìn)入了潛水區(qū)。S7、S5孔臨近南部礦山，水位降深又小，可認(rèn)為主要受礦山排水影響引起。

2.3.3 地下水均衡分析

利用ZoneBudget功能模塊，可查看水均衡結(jié)果。在抽水初期，靜儲(chǔ)量消耗最大，接近抽水量；等幅下降時(shí)段，消耗的靜儲(chǔ)量大部分來(lái)源于側(cè)向動(dòng)補(bǔ)給量的轉(zhuǎn)換，小部分為水位下降釋放的彈性儲(chǔ)量。最大降深時(shí)計(jì)算的彈性儲(chǔ)量約66m3/d，總儲(chǔ)量為10976 m3/d，側(cè)向動(dòng)補(bǔ)給量約10910 m3/d?？偝樗亢偷V區(qū)南部礦坑排水量合計(jì)約20000 m3/d。

2.3.4 模擬誤差分析

根據(jù)國(guó)標(biāo)《地下水資源管理模型工作要求》GB/T14497-93中相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行了誤差分析。

初始水位擬合相對(duì)誤差分析結(jié)果為2.7%～4.2%，完全滿足“要求水位擬合小于10%的相對(duì)誤差必須占已知水位節(jié)點(diǎn)的70%以上”這一條件，參數(shù)達(dá)到了“最優(yōu)”。

驗(yàn)證階段相對(duì)誤差分析結(jié)果為2.25%，參數(shù)達(dá)到了“最優(yōu)”。

2.3.5 敏感性分析

參數(shù)的敏感性也稱敏感度，是地下水流數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果對(duì)參數(shù)改變響應(yīng)程度的度量指標(biāo)。限于模型概化階段對(duì)區(qū)域水文地條件認(rèn)識(shí)的局限性，以及在模型識(shí)別驗(yàn)證階段調(diào)參的主觀性，使得率定的模型參數(shù)具有很大的不確定性。敏感性分析可將各個(gè)參數(shù)對(duì)地下水位變化的影響程度進(jìn)行排序，從而識(shí)別出對(duì)模型計(jì)算結(jié)果影響較大的參數(shù)。

敏感性分析結(jié)果顯示：地下水位對(duì)含水層滲透系數(shù)的變化最為敏感，其次是釋水系數(shù)，給水度敏感性最小。主徑流方向的滲透系數(shù)最敏感，抽水漏斗中心地帶的釋水系數(shù)最敏感，潛水區(qū)的給水度最敏感。

3 結(jié)論

通過(guò)模型識(shí)別和驗(yàn)證，較好的擬合了地下水流初始流場(chǎng)（抽水試驗(yàn)前）和抽水試驗(yàn)過(guò)程流場(chǎng)。結(jié)果表明，模擬形成的地下水運(yùn)動(dòng)特征與實(shí)際情況近似。說(shuō)明概念模型中含水層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)參數(shù)及邊界條件的概化基本合理，所建立的地下水流數(shù)值模型客觀地反映了礦區(qū)地下水流場(chǎng)變化特征。數(shù)值模擬所獲得的參數(shù)和模型，可作為礦坑涌水量預(yù)測(cè)依據(jù)。當(dāng)邊界條件不變時(shí)，初步預(yù)測(cè)了700m標(biāo)高坑道的涌水量約為39000m3/d，這和抽水量與平均降深之間近似直線關(guān)系推測(cè)的涌水量值接近。由于礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦坑涌水量預(yù)測(cè)時(shí)，還需考慮南部礦山邊界條件和西北邊界的條件變化。

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