龙王庙北矿水文地质特征及地下水流场模拟

2018-04-19曹志颖

西昌学院学报（自然科学版） 2018年1期

郭艳，曹志颖

（宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州 234000）

GMS是目前功能最完善的地下水模拟软件。GMS为地下水模拟的每一个阶段都提供了有力的工具，包括模型概化、建立、校正、后处理及可视化。王晓明于2004年研究了可视化的地下水模拟，以GMS 4.0介绍了图形用户环境下地下水数值模拟的特点。黄婧于2013年利用GMS对宁夏清水河上游平原地下水数值模拟研究，并对建立的数值方程进行求解。但基于GMS软件对于矿区地下水的数值模拟很少。在掌握水文地质条件的基础上，利用GMS软件可以更好地了解地下水径流的动态，补给与排泄方式等，本文以龙王庙北矿地下水为研究对象，简单阐述GMS的应用。

1 龙王庙北矿水文地质特征

龙王庙北矿位于淮北煤田东南部，在光武固镇断裂、南坪断裂、固镇长丰断裂所圈定的范围内，主体构造为宿南向斜。同时又处于徐宿弧形构造南段的前缘，由于西寺坡断层的切割，而使宿南向斜失去完整性。这些大的断裂均具有一定的隔水能力，井田内次一级构造展布形迹主要受控于四周边界断层。大的构造单元控制着矿坑总涌水量大小，各部位的富水性又受次一级构造和各种因素的制约，井田内地层中有多个含水层，但也有多个相应的隔水层阻隔。由于井田内断层的导水性差，煤层顶底板隔水层厚度较大时，具有抑制顶、底板突水的作用。

通过对龙王庙北矿的钻孔、含水层以及地质边界资料处理分析可知地表厚度为166～292 m的新生界松散层，之后地层为二叠系，基底为奥陶系石灰岩，具体水文地质条件见图1。

图1 水文地质及渗透系数分区剖面图

1）松散层

该区新生界松散层的沉积厚度受古地形控制，厚度变化大，除少数基岩裸露区外，厚40～500 m，其变化规律是自北向南、自东向西逐渐增厚，从地层剖面上可划分为4个含水层（组）和3个隔水层。除第四含水层直接覆盖在煤系之上外，新生界第一、二、三含水层（组）之下分别对应有第一、二、三隔水层（组）分布。

第一含水层总厚7.65～21.90 m，岩性以棕色粉砂为主，降水入渗是其含水层的主要补给源，其次为径流补给。主要排泄方式是垂直蒸发和人工抽取，第一含水层上部水和地表水体互补。

第一隔水层厚8.5～18.9 m，岩性是褐色、棕色粘土为主。棕色粘土结构致密，延展性较好。结构致密，其隔水性较强，但局部较薄，少量水可通过该层。

第二含水层厚5.55～25.7 m，岩性以粉砂为主，砂岩空隙大结构不致密，分布较乱，厚度不稳定且薄，较第一含水层不易污染可作为生活用水。其间含水层多以径流方式的存在联系方式，第二含水层接受第一含水层的越流补给而第二含水层也越流补给给第三含水层。

第二隔水层厚度7.10～27.50 m。岩性是棕色、褐色、少量灰色粘土为主。隔水层结构致密，延展性较好，岩性变化不大，空隙较小，因而隔水性好。隔水层有薄有厚，薄的地方第二和第三含水层会有一定的水力联系。

第三含水层岩性以细砂、粉砂、粘土质砂为主。砂层结构不致密、发育较差，泥质含量高。第三含水层下部多为泥质沉淀，则上部可饮用，下部不可饮用。

第三隔水层厚约2.60～67.10 m，平均40.71 m。岩性以灰绿色、棕黄色砂质粘土，夹砂层或粘土质砂多层。该层粘土类可塑性好，膨胀性强，厚度大，分布稳定，隔水性良好，是区域及井田内重要的隔水层。由于它的存在使其以上各含水层地下水及地表水、大气降水与其下的四含水、煤系水失去水力联系。

第四含水层厚度0～19.25 m，平均7.69 m。四含沉积厚度受古地形控制，井田内古地形低洼处四含沉积厚度较大。四含岩性复杂，主要由砾石、砂砾、粘土砾石、粗砂及粘土质砂等组成，其间夹有多层薄层状粘土夹砾石、粘土、砂质粘土、钙质粘土等。地下水依靠区域层间径流，水平径流条件差，区域补给微弱，处于滞缓状态，与煤系砂岩裂隙含水层通过风化裂隙带构成直接水力联系。而与上覆一、二、三含水层无直接水力联系。

2）二叠系煤系含、隔水层

二叠系岩性以泥岩、粉砂岩为主，其中泥岩结构致密可作为隔水层，砂岩结构松散作为含水层。隔水层可以截断2个含水层的水力联系。含水层的运移和储量取决于裂隙的大小、发育程度和裂隙的连通性，如果发育程度好、裂隙大和连通性较好则水量充足反之则少。

3）奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层

奥陶系厚度500多m岩性主要为浅灰色致密块状隐晶质厚层状灰岩。根据有关水文地质资料：奥陶系石灰岩浅部岩溶裂隙发育较好，越深发育越差，发育好的运移和储水能力越好，发育差的则运移和储水能力越差。

补给水源不充足，地下水径流缓慢，矿井排水影响矿区，所以主采含水层地下水位呈下降趋势[1]。

2 矿区地下水流场模拟

利用GMS软件，根据地质条件边界、底图和含水层厚度等，模拟地下含水层三维模型和稳定流场。

2.1 水文地质模型的建立

1 ）网格剖分

根据水文地质资料，构建矿区地下水流动模型。计算单元平面上97行73列，网格大小50 m× 50 m。垂向上依据水文地质剖面图设置为15层[2-3]。

2 ）边界条件概化

模型的边界条件复杂，模型四周概化为零通量边界，模型中部分范围根据等水位线设置为定水头边界，定水头边界数值依据钻孔水位资料设置。模型的主要补给边界为降水补给，根据已知水文地质资料，模拟区域内的降雨量为800 mm，蒸发量为800 mm，蒸发极限深度使用经验值3 m[4-6]。

3 ）参数设置

根据含水层数量和性质，本次模拟有4个分区，如图1所示，其中一含到四含为一区，一隔到三隔为二区，煤岩系和奥陶系隔水层为三区、含水层为四区，渗透系数如表1所示。具体参数值参照已有的水文地质资料以及经验数据进行设置[7-8]。

表1 渗透系数设置表m/d

4 )模型拟合

模型拟合结果（图2）说明了模型对实测野外条件的模拟的符合程度。在理想的情况下，所有井的资料都应准确地位于45°角的直线上。本次模拟观测孔的水位在图上显示基本上位于较高的置信区间，具有很高的可信度。

图2 模型拟合结果图（图中实线表示较高的置信区间）

2.2 水流计算结果分析

模型采用稳定流概化研究区的流场，根据上述的钻孔水位对比情况可以看出模型计算水位和实际水位的吻合度较高，依次计算出区域的地下水流场，其等水位线如图3所示。

图3 区域地下水流场等水位线图

从模拟结果可以看出：区域内地下水水位北高南低，东南部地下水水位最低。地下水主要由矿区北部向东南部径流。地下水流场剖面图显示（虚线表示剖面位置），在北部的浅层接受大气降水的补给，渗透至深层，且浅层的垂向流速比深度的垂向流速大。北部深层的地下水通过径流作用向南部排泄，进而在蒸发作用下发生排泄[9-11]。