刍议地下水取水影响模拟研究

2015-12-26费国松许广东李丹闫江苏省水文水资源勘测局常州分局常州3000江苏省水文水资源勘测局宿迁分局宿迁3800

治淮 2015年8期

关键词：含水层水文地质流场

费国松许广东李丹闫浩（.江苏省水文水资源勘测局常州分局常州 3000 .江苏省水文水资源勘测局宿迁分局宿迁 3800）

刍议地下水取水影响模拟研究

费国松1许广东2李丹1闫浩1
（1.江苏省水文水资源勘测局常州分局常州 213000 2.江苏省水文水资源勘测局宿迁分局宿迁 223800）

本文以取用东鹏煤矿矿坑水为例，采用数值模型分析地下水取水影响，根据数值模型的建立、求解、识别、验证，全方位阐述采用模型分析地下水取水影响的可靠性，为地下水取水影响探索新的分析模式。

地下水数学模型边界概化识别验证

1 项目取水基本情况

东鹏煤矿位于淮河流域，开采深度-350～-800m，矿井面积16.1km2。研究区内孔隙地下水补给资源量为3.1 万m3/d，可开采量为1.65万m3/d，现状条件下已开采资源量为1.22万m3/d，仍有0.43万m3/d的剩余可开采量。新建项目设计日取水量为0.2万m3/d。

根据收集到的淮河流域东鹏煤矿区已有的水文地质资料以及野外勘探等成果，通过概化出研究区水文地质概念模型，结合地下水流在介质中运移的数学描述建立研究区地下水数学模型。

2 水文地质概念模型

2.1 研究区边界的概化

长巨断层：落差2500m，东升西降，使区内奥灰与区外前震旦纪变质岩接触，形成阻水边界。

马翔断层：落差400～200m，西升东降，区内奥灰与区外寒武系和前震旦纪变质岩在深部接触，大部地段为阻水边界，但在北部地段为透水边界。

东沟断层：落差500m，南升北降，区内奥灰与区外二叠系接触，为阻水边界。

鹏山断层：落差2000m，北升南降，在刘凫断层以东寒武系及震旦系地层出露，在刘凫断层以西，区内奥灰与区外上二叠统或侏罗系接触，形成阻水边界。

东鹏煤矿区的垂向边界可以概化为：煤矿区的上边界为地表，煤层下部为奥陶系灰岩，因此下边界（岩溶底板）可以定义为隔水边界。

2.2 地下水的补、径、排条件

地下水主要以3种形式得到补给：一是降水补给，鹏山北缘的灰岩裸露区直接接受大气降水的补给；二是侧向补给，该水文单元东南的鹏山，有约300km2的寒武系灰岩露头区，地表溶沟、溶槽及节理较发育，较易得到补给，其所含地下水向北径流侧渗补给奥灰；三是上覆第四系水的下渗。

地下水的径流方向基本与地表水径流方向一致，由东北向西南，南部鹏山的寒武系灰岩、奥灰裸露区接受的补给水，顺岩层的倾斜方向向北运动，与向南运动的水在露头附近汇合，形成强径流带。

地下水的排泄主要以泉的形式泄出地表，但随着奥灰水开采量及矿井排水量的增加，区域范围内原有的地下水流场已发生较大的改变，人工排泄成为地下水的主要方式。

综上所述，可将东鹏煤矿区概化为一个统一的非均质、各向同性、三维非稳定地下水流系统。

3 地下水数值模型的建立与求解

3.1 地下水数学模型的建立

地下水数学模型是用来描述地下水水头、水温及水质等现象及其变化过程的数学表达公式，它是用数学方法表述经过简化和概化的地下水系统。其数学公式及定解条件如下：

式中：D—渗流区域；H—地下水水头（m）；Kx，Ky，Kz—x，y，z方向上的渗透系数（m/d）；S—自由水面之下的含水层单位储水系数（1/m）；W—承压含水层源汇项（1/d）；p—潜水面的蒸发量和降水的补给量等（1/d）；μd—潜水含水层重力给水度；H0（x，y，z）—初始流场水头分布值（m）；H1（x，y，z，t）—第一类边界水头分布值（m）；q（x，y，z，t）—第二类边界单位面积流量（m3/m2·d）；Kn—边界面外线方向的渗透系数（m/d）；Г1、Г2—渗流区第一、二类边界。

3.2 地下水数学模型的求解软件

为了求解上述数学模型，需要把模型中的二阶非线性偏微分方程转化为线性方程之后再求解，目前人们常采用数值法来求解，本文即是运用基于有限差分法的Visual MODFLOW4.2软件来求解上述地下水数学模型。

3.3 网格剖分

在整个模型中初始网格将具有均匀的网格单元大小，大网格剖分为50行50列5层。

根据淮河流域东鹏煤矿内地层结构特征、水力特征、流场特征、模拟精度及边界条件等要求，将整个东鹏煤矿区剖分为5050的单元格，垂向为5层，其中第二层与第四层为隔水层。

3.4 模拟时间与初始水头

根据前期收集到的东鹏煤矿区地下水水位动态观测资料，选取2011年1月1日的地下水位作为识别阶段的地下水初始流场，潜水含水层初始水头见图1。

3.5 水文地质参数确定

此次模型模拟所选用的参数有渗透系数、给水度、蒸发强度系数以及降雨入渗系数等。上述这些参数是根据研究区内多次抽水试验、多次勘探及观测资料所确定。

通过水文地质物探及钻探或抽水试验得到的参数数据进行汇总，就可以得到该区域含水层的水文地质参数。根据东鹏煤矿区各初始参数的分布规律及渗流场的特征，将该研究区划分为7个参数区域。

3.6 源汇项确定

东鹏煤矿区地下水系统的源汇项主要包括补给项与排泄项。研究区的地下水补给项包括降雨入渗补给、河流渗漏补给等；排泄项包括潜水蒸发排泄、人工开采排泄等。

3.6.1 补给项

a.降水入渗补给

降水入渗补给是东鹏煤矿区地下水的主要补给源。研究区降水入渗补给量的计算公式如下：

Q=α·F·P

式中：Q—大气降水入渗量（m3/a）；α—降水入渗系数；F—降水入渗面积（m2）；P—年降水量（mm/a）。

东鹏煤矿区年内降雨差异也较大，其中汛期6～9月份降雨量占全年的70%～76%，形成春秋两旱夹一涝的自然规律。矿区多年平均降雨711.9mm，降水较为丰富但年际变化大且时空分布不均。

b.河流渗漏补给

地表河流的渗漏是研究区内潜水的重要补给源。由于河床较高，地表水不能排入，河流与含水层的交换量可以用以下公式计算求得：

式中：QR—河流渗漏量（m3/a）；B—河床宽度（m）；L—河流长度（m）；KR—河底渗透系数；hR—河流水位（m）；H—地下水位（m）；S—河底积层厚度（m）；t—河流行水时间（d）。

c.侧向径流补给（Q侧补）

图1 东鹏煤矿区潜水含水层初始水头等值线图

图2 潜水含水层观测孔水位拟合曲线

图3 第二含水层观测孔水位拟合曲线

由孔隙地下水等水位线图可知，研究区南部处于淮河流域城区降落漏斗范围内，仅于北部可接受侧向径流补给。经长期监测资料，该地段枯水期的水力坡度稍大于丰水期，受地下水降落漏斗影响，水力坡度较大，多年平均为I=1.5‰；地下水径流断面宽度为B=1230m；前面已确定导水系数T=880m2/d。因此，多年平均状态下侧向径流补给量：

Q侧补=T·B·I=1620 m3/d

d.灌溉回渗补给（Q灌）

根据调查统计，研究区灌溉面积7km2，采用面积比拟法估算研究区的灌溉回渗量为：Q灌=707m3/d。

3.6.2 排泄项

a.潜水蒸发排泄

研究区潜水含水层水位埋深较浅，所以潜水蒸发是该区排泄项之一。东鹏煤矿区多年平均蒸发量为1651.2mm。

b.人工开采排泄

研究区内地下水开采主要包括农业灌溉开采和居民生活用水开采两部分。

经调查统计，研究区内耕地面积7km2，根据灌溉回渗补给量的计算结果，研究区农业灌溉用水量为3533m3/d。区内农业灌溉用水约50%取自地下水，则农业灌溉开采地下水量为1766m3/d。

据统计研究区内人口约3.9万人，人均日用水量按85L考虑，则研究区内生活用水年开采量为3315m3/d。

c.侧向流出量（Q侧）

受水厂地下水集中开采影响，研究区西南部地下水侧向流出至矿区。该流出边界的径流宽度B=3500m；平均水力梯度取I=2.0‰；导水系数T=880m2/d。由此计算侧向流出量：Q侧=6160m3/d。

d.越流排泄量

依据水均衡原理，Q补=Q排，即地下水的排泄量应等于其补给量，由此计算得出，研究区的越流排泄量为10559m3/d。

4 模型的识别与验证

模型的识别与验证过程在整个研究区地下水模拟中具有极其重要的作用。一般来说，只有对源汇项和参数进行多次的调整和修改，才能使整个模型得到比较理想的效果。此次数学模型的识别采用的是试估—校正法。

根据已有的东鹏煤矿区地下水动态观测资料，选取2011年1月1日～6月30日为此次模型研究的识别阶段，两个月为一个时间段；选取2012年6月30日～2013年1 月1日为该模型的验证阶段。但是为了能够真实完整地反映东鹏煤矿区地下水的变化情况，在模拟和验证阶段，应满足：模型输出的地下水位计算值需要与实测水位拟合小于0.5m的绝对误差值应占已知观测井点的70%以上；模型输出的模拟地下水位等值线应该与实际的等水位线在一定的误差范围内吻合。如果模型计算的水位值与实际观测水位值相差较大，则需要重新进行调参，直到两者之间有较好的拟合效果，最后得到的参数就是该模型校正后的最终参数。

煤矿区选择了具有代表性的基岩观测孔在群孔抽水试验过程当中的地下水动态曲线进行拟合。经反复调整水文地质参数等各种不确定因素，直到使各动态曲线拟合程度满足要求为止。主要含水层观测孔地下水动态拟合曲线，见图2～3。

根据东鹏煤矿区地下水数值模拟的识别与验证阶段的结果分析可知：该模型观测井计算的水位值与实际观测到的地下水位值的差值基本符合精度要求；该模型模拟的地下水流场与煤矿区内实际地下水流场基本吻合。即此次的模型研究能够真实反映东鹏煤矿区研究区地下水流规律和特征。

综上所述可知，东鹏煤矿区这个非均质、各向同性、三维非稳定地下水数值模型符合煤矿区的实际水文地质条件，因此可以利用该模型对东鹏煤矿区地下水流场变化趋势进行预测。