数值法预测矿区涌水量时模拟软件的应用评述

赵 珍，李贵仁

(华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄050021)

正确预测矿坑涌水量及其周围地下水位的动态是矿区水文地质工作的核心问题，它是设计部门制定疏干措施的主要依据［1］。数值法已成为矿区目前实际生产中应用最广泛的涌水量计算方法。随着计算机的发展，国内外出现了众多地下水模拟软件，但由于地下水系统的复杂性，不同软件之间功能及适用条件的差异性，还没有任何一种软件能解决一切地下水问题［2］，因此，在利用数值法预测矿坑涌水量之前，就应该掌握各种软件的优势及缺陷，以便根据不同的矿区条件选择最优的模拟软件。

1 数值解法的选择

在矿坑涌水量预测中常用的数值法有两种，即有限差分法(FDM)和有限单元法(FEM)［3］。

有限差分法用渗流区内有限个离散点的集合代替连续的渗流区，在这些离散点上用差商近似的代替微商，将微分方程及其定解条件化为以未知函数在离散点上的近似值为未知量的代数方程，然后求解得到微分方程的解在离散点上的近似值［4］。该方法具有概念清晰、直观，计算简单等特点。常用的基于有限差分法的软件有:MODFLOW、VISUAL MODFLOW、GMS等。

有限元法在地下水流动问题的应用始于1968年，通过剖分和插值的方法将描述地下水流动的定解问题转化为代数方程组进行求解，已逐渐成为解决实际复杂水文地质问题的有效方法［4］。FEFLOW和FEMWATER是基于有限元原理开发的模拟软件。

在研究各种矿坑涌水问题时，在计算精度方面，二者哪个更优，没有公论。但一般认为:有限元法在处理复杂边界方面更灵活一些，但内存和计算量巨大，并且不如有限差分法直观。有限差分法虽然是一种近似的计算方法，但只要网格划分和边界条件处理准确合理，则具有可靠的精度［5］，它同时可以直接从达西定律和水均衡原理出发建立方程，物理意义明确，数学原理简明，更适合水文地质人员的思路，而且计算速度一般也比有限元法快得多［6］，随着计算机速度的迅速提高，计算机受网格数量的限制越来越小，差分法的优势越来越大［7］，根据统计，目前国内外大部分矿坑涌水量预测方面的数值模拟研究都是基于有限差分原理的。

2 常用模拟软件的优势比较及应用

目前地下水模拟及其相关软件已达数百个，但就目前来说，比较成熟的，同时也是矿区涌水量预测方面应用比较广泛的数值模拟软件主要包括以下几种:MODFLOW、FEFLOW、VISUAL MODFLOW、GMS等。

2.1 MODFLOW

MODFLOW是美国地质调查局于20世纪80年代开发的一套基于DOS操作系统的三维有限差分地下水数值模拟的软件［8］。它最显著特点是采用了模块化的结构，即由一个主程序和一系列具有高度独立性的子程序——模块所组成的计算机程序结构［9］。

自问世以来，不断有新的子程序包被开发出来，如于2008年4月14日发行的子程序包CFP(conduit flow process package)，该子程序包专门用于地下水管道流模拟，它具有模拟岩溶含水层的地下水流进程等一系列功能，为解决复杂岩溶含水层地下水模拟中遇到的问题提供了更多的思路。Rani Fouad Mohamed［10］利用该程序包建立了福建马坑矿区岩溶含水层的地下水模型，取得了较好的效果。

该软件曾经是一款最为普及的地下水数值模拟软件，解决了许多矿区实际问题，但是随着Windows在操作系统中统治地位的确立，传统的地下水模拟软件纷纷在windows的基础上进行修改、扩充与功能增强，带有可视化功能的地下水模拟软件发展迅速，已经占据国际地下水模拟软件市场的主流地位［11］。因此，目前在矿区建模及涌水量预测方面，已经很少有单独的运用该软件进行数值模拟方面的研究。

2.2 FEFLOW

FEFLOW是有限元地下水数值模型的杰出代表，是由德国WASY公司于1979年开发的，是迄今为止功能最为齐全的地下水水量及水质计算机模拟软件系统［12］。该软件具备良好的GIS接口，优化的剖分网络技术，良好的可视化效果等许多优点。

灵活的对各种地质边界概化处理是FEFLOW的一大优势［13］，比如对于非承压含水层采用了变动上边界的办法，以适应变化的潜水水位，且所有边界条件及其限制条件既可设置为常数，也能定义为随时间变化的函数，这是其它模拟软件所不能完全具备的。

陈书客等［14］以林南仓矿为研究对象，利用 FEFLOW进行了渗流场模拟并预测了涌水量。田丽［15］将新汶矿业集团公司潘西煤矿结合FEFLOW软件系统的特点，对采用FEFLOW软件进行工作面底板突(涌)水量预测的可行性进行了分析。王雨山［16］于2009年以马坑矿区为例，运用 FEFLOW软件进行了复杂岩溶矿区涌水量预测的数值模拟研究，预测了矿区涌水量，并进行了疏干方案的模拟。

如前文所述，FEFLOW是基于有限元法开发的软件，使用起来比较复杂，同时，它的各个补排项没有单独的子程序包，而是集中在同一个菜单中，调参过程会比较麻烦，同时它基于有限单元法，也不像有限差分法那么简明、思路明确。因此，该软件在目前国内矿坑涌水量预测方面的应用不像基于有限差分法的集中软件应用那么广泛。

2.3 VISUALMODFLOW

Visual MODFLOW是由加拿大Waterloo水文地质公司在MODFLOW的基础上开发研制的，是目前国际上最为流行的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化软件系统，具有求解方法简单实用、适应范围广泛及可视化功能强大等特点［16］。

Visual MODFLOW很好地体现了可视化技术在地下水数值模拟评价过程中的应用效果。同时，它还具有合理的菜单结构和友好的界面，面向用户的完全可视化菜单设计，符合一般操作习惯。

与我国目前自行开发研制的地下水数值模拟软件相比，Visual MODFLOW在可视化的基础上，还具有系统化的优势，它可以使整个数值模拟过程系统化，从定义计算区域、剖分网格建模开始，到模拟计算运行，直到最后以图形、文字输出最终结果，具有一套完整的软件模块彼此紧密联接［17］。

Visual MODFLOW拥有有丰富的边界类型:如给定水头边界、一般流量边界、隔水墙边界、定水头河流边界、定流量河流边界、排水沟边界、抽注水井源边界、垂直水量交换边界。［18］。

肖攀等［19］(2011)利用Visual MODFLOW 对湖南道县后江桥铁矿矿坑涌水量进行了预测，为矿区防治水提供了依据。侯新春等［20］(2010)运用数值模拟方法对双柳煤矿太原组灰岩含水层的水文地质参数进行了反演，并预测了不同水平的矿坑涌水量。陈建宏、蒋权等［21］(2011)利用 Visual MODFLOW建立了南川铝土矿水文渗漏概念模型，进而计算出区域内一年中各个时期的矿井涌水量。

综合近年来的研究成果，Visual MODFLOW已成为数值法预测矿坑涌水量时应用最广泛的软件，同时，随着其功能的日趋完善，在该方向的应用所占的比重也越来越大，无论是条件简单的矿区还是复杂的岩溶矿区，都有新的成果出现，因此，该软件在涌水量预测方面的应用还有很大的潜力。

2.4 GMS

GMS是由美国杨百翰大学环境模型研究实验室在综合MODFLOW、Modpath、MT3DMS等已有地下水模型基础上开发的一个综合性的的用于地下水模拟的图形界面软件。它也是唯一支持TINs、Solids、钻孔数据、2D与3D地质统计学的地下水流模拟软件［22］。

与其他同类应用软件相比，具有模块齐全、使用范围广泛的特点，特别是概念化方式建立模型，使得建模过程更加直观，操作更加简便［23］。几乎可以模拟与地下水有关的所有水流和溶质运移问题，同时提供了多种组建地下水数值模型的方法，能准确刻画地层的空间结构。

周沛洁［24］通过GMS数值模拟研究，得到影响矿床深部开采中段涌水量的关键因素，同时模拟了矿区深部开采渗流场及涌水量随时间变化特征;陈琳［25］以山西省朔南煤田为研究区，利用地下水数值模拟软件GMS中集成的MODFLOW2000对井田地下水流运动进行了数值模拟，对井田先期开采地段开采后的矿井涌水量进行了预测分析;韩成辉、刘文生［26］通过对GMS各模块的简单介绍，分析了这套软件在矿井防治水研究领域的应用前景。

但是，在GMS中建立水文地质结构模型时，对数据要求较高，对钻孔的数量、分布情况、深度等都有较高的要求，实际工作成果往往达不到要求，另外，GMS本身有一个缺点，即操作的不可逆性。在模拟过程中，需随时保存不同阶段的进程，以便于误操作后，将因不能及时恢复所造成的损失降低到最小，不致影响工作［27］。

目前，这套软件在矿区建模及涌水量预测上已经有了较多的应用，类似于Visual MODFLOW，主要模块均是MODFLOW，并随着版本的进一步更新，其功能得到大大加强。

3 结语

MODFLOW、FEFLOW、Visual MODFLOW、GMS是目前国内外最流行，同时也是矿区水文地质研究中用到较多的的地下水模拟软件，通过比较发现，这几种软件各有优势及不足，FEFLOW在边界处理上有一定优势，但由于是基于有限单元法，学习及模拟过程均比较复杂，不如有限差分法直观;而GMS模块多，功能全，也是矿区水文地质建模的选择之一，但其对资料的要求太高，在该区域的研究尚不成熟，可借鉴的经验较少。VISUAL MODFLOW是目前最流行的进行涌水量预测的模拟软件，综合了多种软件的优点，在矿区涌水量预测研究中有广阔的应用前景。

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