利用GMS对巷道涌水量预测

梁厚景 李赛

摘 要：基于模拟区水文地质条件建立概念模型、数学模型，利用GMS软件模拟地下水渗流场，将巷道概化为排水沟（drain），并对模型进行识别与检验，最终确立符合实际水文地质特征的三维模型；在三维模型的基础上增加巷道，预测未来巷道涌水量的变化情况。

关键词：GMS软件；三维模型；渗流场；巷道涌水量；排水沟（drain）

人类生活在地球上，并不断的从地球表层的岩石、水体和大气中索取各种资源[1]。我国从远古就开始了采炼矿石工作，随着采矿业的发展，矿井水文地质特征研究已成为采矿中不可缺少的工作之一 [2]。碳酸盐岩地区地下水动态变化复杂，而且为探矿、采矿工作修建了复杂的地下巷道网，地下水渗流场变化复杂，给巷道涌水量预测带来了很大困难。如今，如何较为准确的预测巷道涌水量、了解地下水动态变化规律，成为日益关注的课题之一[3、4]。

1 背景

1.1 地形地貌

岩溶断块山是模拟区的地貌主要特征，其所存在的地表起伏并不是很大，大约都会在500m的差值内；地表岩溶具有较大的发育潜质，岩溶形态呈现峰丛～洼地、漏斗组合；高原面上峰峦起伏，没有太多植被覆盖率，地表发育形态通常为溶丘、溶沟、洼地、漏斗、落水洞等；边缘斜坡地带发育实芽、溶沟以及溶槽。

1.2 气象水文

模拟区降雨量年内分配不均、干湿季区分明显，4-9月为雨季，降水量最多，占全年降水量的80%以上，其他月份为旱季，降水量不足全年降水量的20%。

1.3 地层、构造

模拟区地层结构单一但巷道布置复杂，岩层受岩溶发育特征的影响，地层水文地质特征随有地表向深部呈渐变趋势；地质构造复杂，存在多期运动，断裂构造发育，由四条主要隔水断裂构成模拟区的四个边界。

1.4 地下水类型

模拟区范围内孔隙水、岩溶水和裂隙水均有分布，孔隙水仅赋存于第四系松散沉积物中，分布范围很小；岩溶水赋存于三叠系碳酸盐岩地层中，是最主要的地下水；裂隙水赋存于各个时代的火成岩中。

1.5 地下水补给、径流、排泄特征

降雨补给是模拟区地下水系统水流运动的补给来源，在地下水流进行传输的过程中，会存在大量气体以及固相物体，这样一来，三相流得以形成。在岩溶多重介质环境的影响下，岩溶地下水系统水流运动的形态以及规模会呈现距离衰减趋势。在潜水面以下、隔水层以上的水平流动带上会出现地下水，其中裂隙和溶隙是蓄水的主要空间。蒸发、侧向排泄以及巷道涌水是地下水的主要排泄方式。

2 概念模型、数学模型

通过分析降雨补给与渗流场、巷道涌水量之间的关系，建立合理的概念模型、数学模型。

（1）边界条件概化：根据研究区地质特征及研究目的圈定模型計算区。根据四条边界的性质，除北部边界概化为流量边界，其他三个边界概化为零流量边界。

（2）排泄条件概化：将巷道概化为排水沟（drain）。

（3）补给条件概化：本区主要水源补给，通常都是在降雨多发季节，其中有60%的降雨会渗入地下。本区面积较小，同时地下水径流深度较大，因此对于降雨渗入平面上的差异是不需要考虑的，将补给平均的区域作为研究区，这样的话，研究区降雨入渗量就能够以有效降雨量为准计算。

（4）含水岩组概化：结合含水层的类型、岩性、厚度以及渗透系统等条件，将内部结构划分为均质、非均质、各向同性或者各向异性四个含水层。

（5）数学模型：通过由薛禹群著作的地下水数值模拟中得出，在裂隙、喀斯特发育相对保持平均时，水流是完全依据Darcy定律，可以选择与孔隙水流相同等效介质模型作为研究对象[5]。模拟区地层裂隙、喀斯特发育较为均匀，所以，数学模型等效的建立为多孔介质模型。

根据模拟区实际水文地质特征、概念模型确定模拟区数学模型为：

（6）时空离散：利用GMS的3D GRID模块实现网格剖分，含水岩组划分为四层，每层剖分为矩形网格单元4520个，每个单元面积26.7×15.3m2。

根据蒸发、降雨、巷道等源汇项在不同的季节其补给与排泄强度不同，在时间上将2007年划分为四个应力期。

3 模拟识别、检验

模型通过预测-校正法进行识别校正，使地下水系统的结构、参数、源汇项得到调整，保持计算和实际地下水状态一致性；与实测的场相对比，所计算得出的地下水状态的空间分布可以实现相互一致；模拟期计算所得的地下水动态和实测动态变化可以保持一致；与实际水文地质条件相比较，识别后的水文地质参数、含水层结构以及边界条件基本与其相互符合。

因为不确定性是识别过程中较为突出的一个特性，而在解决这个问题的方法中，模型检验发挥着极其重要的作用。通常情况下，模型检验是将一组参数以及模型通过识别之后，用其对另一段时间的野外观测资料进行模拟，抽、注水量和抽、注水时间、方式以及边值、入渗补给量等都属于外部有可能产生的一系列影响因素，这些因素也需要结合实际情况给出具体数值，对模拟值和野外实测值进行模拟，最终得出的结果应该在预先设定的容许误差范围内相同。如果不同，那么就需要再一次修正上一组所得到的参数，重新识别、检验，直到一组新的参数在识别和检验阶段所显示的模拟值和野外实测值，能够在预先设定的容许误差范围内保持相互统一。

此次地下水系统数值模拟，是在对个旧矿区高峰山矿段水文地质条件进行深入研究，以及全面掌握地下水系统变化规律的前提下开展的。将模拟时间分为四个模拟应力期，选取两个应力期作为模型识别期，另两个应力期为模型检验期。在运行模型的基础上，地下水系统的结构、参数以及源汇项等都能够得到有效调整，识别校正模型，同时在识别的基础上，检验识别后的模型。通过反复调整，误差可以缩短在要求范围内。

4 结束语

（1）文章主要依托于GMS软件，初步确定GMS软件可用于岩溶发育较为均一的岩溶地区地下水渗流场数值模拟及涌水量预测。（2）本区地下水变化主要受大气降水影响，通过模型，建立了大气降水与地下水渗流场、巷道涌水量之间的关系。（3）文章将巷道等效于排水沟（drain），基于两者间的相似特征，成功模拟了地下水渗流场及预测巷道涌水量。

参考文献

[1]王大纯，张人权，史毅虹，等.水文地质学基础[M].北京：地质出版社，1995.

[2]房佩贤.专门水文地质学[M].北京：地质出版社，1996.

[3]采矿手册VoI6[M].冶金工业出版社，1991.

[4]魏军.矿井涌水量的数值模拟研究[D].辽宁：辽宁工程技术大学，2006.

[5]薛禹群，谢春红.地下水数值模拟[M].科学出版社，2007.

作者简介：梁厚景（1977，10-），男，云南文山人，本科学历，工程师，研究方向：水文地质及工程地质。