科卡矿区地下水资源开采方案优化研究

闫鑫宇，吴先勇，权振龙，林国庆，庞红璐，李文娟

（1.上海外经集团控股有限公司，上海市 200032；2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100）

科卡矿区地下水资源开采方案优化研究

闫鑫宇2，吴先勇1，权振龙1，林国庆2，庞红璐2，李文娟2

（1.上海外经集团控股有限公司，上海市 200032；2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100）

科卡矿区属于典型的少雨高温干旱贫水地区。矿山供水改变了当地地下水水文条件，使原本紧张的水资源供需矛盾愈加尖锐。在概化科卡矿区水源地水文地质条件的基础上，利用Visual MODFLOW建立准三维地下水流数值模型。以抽水量为限制条件，调控抽水井数量和井间距，设计了12种开采方案。通过分析水源地井场最大水位降深和影响范围，确定了最优开采方案：布设3眼抽水井，单井抽水量为1 000 m3/d，井间距为500 m。首期采矿计划第八年枯水系列最大水位降深为3.15 m，边缘降深为1.86 m。第二运营期内水位继续下降幅度很小，稳定在0.4 m左右。模拟结果可为高温干旱地区矿山的供水开采提供科学依据。

地下水数值模拟；MODFLOW；高温干旱地区

0 引言

地下水是淡水水资源的重要组成部分，在供水方面扮演着重要的角色。由于地下水赋存于地下含水介质中，不合理的开采会导致诸多环境地质问题产生，如地下水位下降[1]和地面沉降[2]等。在气温较高且降水分布极度不均的高温干旱地区，地表水资源十分缺乏，地下水充当了主要的供水来源，不合理的开采导致的环境生态问题更为严重[3]，所以制定合理的开采方案对高温干旱地区水资源保护有着重要的意义。

数值模拟技术在解决地下水可持续利用方面有着广泛的应用[4]，目前较流行的数值模拟软件主要有MODFLOW、GMS等。其中以MODFLOW的应用最为普遍，它不仅可以解决地下水流场的数值模拟问题[5]，在开采方案的优化方面也有着较为广泛的应用[6]。

在分析研究区水文地质条件的基础上建立概念模型，通过Visual MODFLOW建立研究区准三维地下水数值模型。改变井眼数量与井间距等因素设计了12种开采方案，对不同河流来水情况下地下水位降深和影响范围进行预测分析，以实现区域地下水可持续开发的目的。

1 研究区概况

厄立特里亚北部地区的Koka金矿是一座年产60多万吨矿产的露天金矿。可研初步设计的年需水量约为99.0×104m3，首期采矿计划年限为8年。项目运行前三年，平均需水量在31 L/s；在第4～8年，平均需水量在34 L/s。研究区地表水资源极度缺乏，距离矿区几千米处的Zara河流域为矿区的优选地下水源地。研究区地理位置如图1所示。

图1 研究区地理位置

矿区以陡峭的山地为主，覆盖着稀疏的植被。研究区的地理位置为东经 37°50′14"～37°55′57"、北纬 16°26′03"～16°40′15″，海拔 500～800 m。属于亚热带干湿气候，多年平均气温在17～45℃，年均降雨量为118 mm。Zara河为季节性河流，雨季有短暂的洪水泛滥期，旱季干涸期超过9个月。

2 地下水数值模型

2.1 水文地质条件

研究区含水层主要由松散孔隙含水层和强风化砂岩裂隙含水层组成。强风化砂岩含水层富水性较弱。透水性强的孔隙含水层主要分布于扎拉河两岸及沟谷中，宽度200～500 m，垂直厚度15～40 m。据钻孔资料，单位涌水量一般为12～15 L/s，最大20 L/s。研究区含水层主要接受河流入渗补给和地下水侧向径流补给，通过地下侧向径流和渗入下伏砂岩裂隙排泄。下伏岩石由绿片岩相变火山岩及变沉积岩和后构造花岗岩类组成。

2.2 水文地质概念模型

Zara河床和山谷蜿蜒的空间形态可以概化为一个矩形区域。潜水含水层概化为两层，上层由冲积含水层和两侧的砂岩含水层组成。冲积含水层和砂岩含水层在空间上是均质的。在上游，下层的地层由孔隙很少的结晶岩石组成，在中下游为砂岩含水层。上游与下游取水段的距离较大，将上游界定为定水头边界，下游边界附近是Zara河和安瑟巴河汇合处的湿地区域，地下水位变化不大，故下游为定水位边界。河道的边缘区以及底部概化为隔水边界。

2.3 数学模型的建立

研究区地下水流的数学模型：

式中：H为区内任一点水头标高，m；μ为给水度；B为含水层底板标高，m；D为计算区域；Γ1为第一类边界；H0为初始水位，m；α为降雨入渗补给系数，无量纲；（x,y,t）为给定水头，m；P 为降雨量，m；Rr为河渠渗漏量，m；Q1为位于坐标（x1,y1）的i号井的抽水量为 Dirac Delta 函数。

2.4 数值模型的建立

模拟区长度为22.3 km，宽度为2 km，垂向厚度为15～40 m。在垂向上模拟区剖分为两层。模拟区共剖分为35 680个50 m×50 m的网格。将上游第二层的结晶岩石设置为非活动单元。参数设置见表1。

表1 含水层参数

2.5 模型识别与验证

利用RHDW01和RHDW06的潜水水位观测数据与此处模型计算水位拟合（监测井位置见如图2所示），得监测水位与模型水位的拟合曲线（见图3）。实际观测值与模拟计算值拟合误差小于0.5m，而且小于拟合计算期内水位变化值的20%，表明该模型参数选择与设置基本合适。

图2 监测井与抽水井位置示意图（单位：cm）

图3 监测井RHDW01和RHDW06水位监测值与模拟值拟合曲线

3 开采方案优化

3.1 矿区需水量计算

Koka金矿预计共运营16年（一期8年、二期8年），在运营期矿区耗水主要发生在生产与生活两个环节。一期前三年为培育期，需水量设计值为2 678 m3/d，一期后五年为稳定生产期，需水量设计值为2 937 m3/d。二期需水量设计值为2 937 m3/d。

3.2 开采方案的设计

Zara河下游含水层水源相对充足是最理想的水源地。按照保守性原则，整个运营期内模拟抽水总量均取3 000 m3/d。在下游布设抽水井2、3、4眼，井间距 300 m、500 m、700 m、900 m，综合抽水井布设数量和井间距的变化，共设计了12种开采方案。布设细节见表2。

表2 抽水井布设参数

3.3 开采方案的优化

在平水条件下，利用上述已建好的数值模型首先开展一期模拟。结果显示当抽水总量为3 000 m3/d时，随着井间距的增大以及井眼数量的增加，影响范围（地下水降深0 m等值线）基本相同，其面积均为14 km2左右。但是井间距越大井眼数量越多时，井场的降深等值线越稀疏（见图4），降落漏斗越平缓。

在2眼井、300 m井间距情景下，井场最大降深和平均降深均达到了最大，分别为3.51 m和2.86 m。随着井间距的增大及井眼数量的增加，井场最大降深与平均降深呈减小趋势（见图5）。在4眼井、900 m井间距情景下，井场最大降深和平均降深最小，分别为2.25 m和1.75 m。饱和含水层厚度约为20 m，所有方案的最大降深均在可接受范围内，所以单从最大降深和平均降深还无法确定最优开采方案，需要进一步考虑其他限制因素。

现场抽水试验生产井的涌水量约为1 200 m3/d，要实现3 000 m3/d的抽水目标，2眼抽水井显然是不合适的，所以排除布设2眼抽水井的方案。边缘区地下水降深也是重要的参考因素。3眼井、500 m井间距的情景和4眼井、900 m井间距的情景对边缘区影响都较小（见图5）。前者地下水位降深为1.45 m，后者降深为1.28 m，均在可接受范围内。但布设4眼抽水井会增加建设运营的成本，而且单井抽水量效率（750 m3/d）不高，所以最终选择 3眼抽水井，井间距500 m，单井抽水量1 000 m3/d为最优开采方案。

4 场景分析

4.1 场景设计

扎拉河的径流数据记录太短，不足以推测长期丰平枯状况。故采用比拟方法[7]，利用安瑟巴河流域13年的监测数据，分别选择连续8年累计径流量最小、中等、最大年系列来代表扎拉河枯水、平水、丰水径流系列。

图4 平水系列抽水8年井场降深等值线图（单位：cm）

4.2 第一运营期水位降深预报

图6 为抽水8年后井场降深等值线图。随着河道渗漏补给减弱，降落漏斗增大。枯水系列降落漏斗面积和地下水位降深均达到最大，最大水位降深为3.15 m，边缘降深为1.86 m，降落漏斗面积为15.074 km2。但其降深仍符合最大允许降深的限制条件，所以对于丰水、平水和枯水系列，3眼抽水井、井间距500 m的开采方案均是适用的。

4.3 第二运营期水位降深预报

项目运营分为两期，二期模拟抽水量任取3 000 m3/d。分别以一期8年丰水、平水和枯水系列模拟结果作为初始条件，对上述最优开采方案进行为期8年的模拟。模拟结果显示，虽然二期井场地下水位在一期模拟结果基础上有所下降，但降幅很小（见图7）。丰、平、枯水系列井场水位降深均在0.40 m左右，相比20 m的饱和含水层，降幅基本可以忽略不计。在第二运营期内地下水流场已经稳定，矿山供水不会导致含水层水量枯竭和环境生态问题。

图5 井场降深与井间距的关系图

图6 第一运营期抽水8年后井场降深等值线图（单位：cm）

图7 第二运营期抽水8年后井场降深等值线图（单位：cm）A—丰水系列；B—平水系列；C—枯水系列

5 结语

以矿山抽水量为限制条件，利用Visual MODFLOW建立了准三维地下水流数值模型，调控抽水井的数量和井间距，设计了12种不同的开采方案，通过分析水源地井场的最大水位降深和影响范围，主要获得以下结论：

（1）模拟结果显示，在整个运营期内，抽水总量为3 000 m3/d时，矿山供水是可持续的，不会引起地下水资源的枯竭。

（2）最佳的开采方案为：布设3眼抽水井，单井抽水量1 000 m3/d，井间距为500 m。此方案适用于不同的水文系列。

（3）两个运营期产生的降落漏斗最大降深基本稳定在3.55 m，在可接受的范围之内。其中，第二运营期井场降深仅为0.40 m，其降幅基本可以忽略不计，地下水流场趋于稳定，矿山供水不会导致含水层水量枯竭和环境生态问题。

[1]王丽亚，等.北京平原地下水可持续开采方案分析[J].水文地质工程地质，2010,37(1):9-17.

[2]张子文，等.地下水开采与地面沉降关系的短基线集分析[J].测绘科学，2016,41(6):64-69.

[3]MOHARRAM S H,et al.Optimal groundwater management using genetic algorithm in El-Farafra Oasis,western desert,Egypt[J].Water Resources Management，2012,26(4):927-948.

[4]KARATZAS G P.Developments on modeling of groundwater flow and contaminant transport[J].Water Resources Management，2017,31(10):3235–3244.

[5]梁军平，杜鹏飞,李云桢.基于Visual MODFLOW的地下水流场变化预测研究[J].环境工程，2014,32(1):267-270.

[6]郭学茹，等.傍河水源地地下水可持续开采量确定与开采方案分析[J].北京师范大学学报（自然科学版），2013,49(2):250-255.

[7]FIDDES D,WATKINS L H.Highway and urban hydrology in the tropics[M].United Kingdom:Pentech Press Ltd,1984.

TV213.4

B

1009-7716（2017）12-0181-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.050

2017-08-29

闫鑫宇（1991-），男，山西忻州人，硕士研究生，研究方向为水资源利用与水污染控制。