龍王廟北礦水文地質(zhì)特征及地下水流場(chǎng)模擬

郭 艷，曹志穎

（宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

GMS是目前功能最完善的地下水模擬軟件。GMS為地下水模擬的每一個(gè)階段都提供了有力的工具，包括模型概化、建立、校正、后處理及可視化。王曉明于2004年研究了可視化的地下水模擬，以GMS 4.0介紹了圖形用戶環(huán)境下地下水?dāng)?shù)值模擬的特點(diǎn)。黃婧于2013年利用GMS對(duì)寧夏清水河上游平原地下水?dāng)?shù)值模擬研究，并對(duì)建立的數(shù)值方程進(jìn)行求解。但基于GMS軟件對(duì)于礦區(qū)地下水的數(shù)值模擬很少。在掌握水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，利用GMS軟件可以更好地了解地下水徑流的動(dòng)態(tài)，補(bǔ)給與排泄方式等，本文以龍王廟北礦地下水為研究對(duì)象，簡(jiǎn)單闡述GMS的應(yīng)用。

1 龍王廟北礦水文地質(zhì)特征

龍王廟北礦位于淮北煤田東南部，在光武固鎮(zhèn)斷裂、南坪斷裂、固鎮(zhèn)長(zhǎng)豐斷裂所圈定的范圍內(nèi)，主體構(gòu)造為宿南向斜。同時(shí)又處于徐宿弧形構(gòu)造南段的前緣，由于西寺坡斷層的切割，而使宿南向斜失去完整性。這些大的斷裂均具有一定的隔水能力，井田內(nèi)次一級(jí)構(gòu)造展布形跡主要受控于四周邊界斷層。大的構(gòu)造單元控制著礦坑總涌水量大小，各部位的富水性又受次一級(jí)構(gòu)造和各種因素的制約，井田內(nèi)地層中有多個(gè)含水層，但也有多個(gè)相應(yīng)的隔水層阻隔。由于井田內(nèi)斷層的導(dǎo)水性差，煤層頂?shù)装甯羲畬雍穸容^大時(shí)，具有抑制頂、底板突水的作用。

通過(guò)對(duì)龍王廟北礦的鉆孔、含水層以及地質(zhì)邊界資料處理分析可知地表厚度為166～292 m的新生界松散層，之后地層為二疊系，基底為奧陶系石灰?guī)r，具體水文地質(zhì)條件見(jiàn)圖1。

圖1 水文地質(zhì)及滲透系數(shù)分區(qū)剖面圖

1）松散層

該區(qū)新生界松散層的沉積厚度受古地形控制，厚度變化大，除少數(shù)基巖裸露區(qū)外，厚40～500 m，其變化規(guī)律是自北向南、自東向西逐漸增厚，從地層剖面上可劃分為4個(gè)含水層（組）和3個(gè)隔水層。除第四含水層直接覆蓋在煤系之上外，新生界第一、二、三含水層（組）之下分別對(duì)應(yīng)有第一、二、三隔水層（組）分布。

第一含水層總厚7.65～21.90 m，巖性以棕色粉砂為主，降水入滲是其含水層的主要補(bǔ)給源，其次為徑流補(bǔ)給。主要排泄方式是垂直蒸發(fā)和人工抽取，第一含水層上部水和地表水體互補(bǔ)。

第一隔水層厚8.5～18.9 m，巖性是褐色、棕色粘土為主。棕色粘土結(jié)構(gòu)致密，延展性較好。結(jié)構(gòu)致密，其隔水性較強(qiáng)，但局部較薄，少量水可通過(guò)該層。

第二含水層厚5.55～25.7 m，巖性以粉砂為主，砂巖空隙大結(jié)構(gòu)不致密，分布較亂，厚度不穩(wěn)定且薄，較第一含水層不易污染可作為生活用水。其間含水層多以徑流方式的存在聯(lián)系方式，第二含水層接受第一含水層的越流補(bǔ)給而第二含水層也越流補(bǔ)給給第三含水層。

第二隔水層厚度7.10～27.50 m。巖性是棕色、褐色、少量灰色粘土為主。隔水層結(jié)構(gòu)致密，延展性較好，巖性變化不大，空隙較小，因而隔水性好。隔水層有薄有厚，薄的地方第二和第三含水層會(huì)有一定的水力聯(lián)系。

第三含水層巖性以細(xì)砂、粉砂、粘土質(zhì)砂為主。砂層結(jié)構(gòu)不致密、發(fā)育較差，泥質(zhì)含量高。第三含水層下部多為泥質(zhì)沉淀，則上部可飲用，下部不可飲用。

第三隔水層厚約2.60～67.10 m，平均40.71 m。巖性以灰綠色、棕黃色砂質(zhì)粘土，夾砂層或粘土質(zhì)砂多層。該層粘土類可塑性好，膨脹性強(qiáng)，厚度大，分布穩(wěn)定，隔水性良好，是區(qū)域及井田內(nèi)重要的隔水層。由于它的存在使其以上各含水層地下水及地表水、大氣降水與其下的四含水、煤系水失去水力聯(lián)系。

第四含水層厚度0～19.25 m，平均7.69 m。四含沉積厚度受古地形控制，井田內(nèi)古地形低洼處四含沉積厚度較大。四含巖性復(fù)雜，主要由礫石、砂礫、粘土礫石、粗砂及粘土質(zhì)砂等組成，其間夾有多層薄層狀粘土夾礫石、粘土、砂質(zhì)粘土、鈣質(zhì)粘土等。地下水依靠區(qū)域?qū)娱g徑流，水平徑流條件差，區(qū)域補(bǔ)給微弱，處于滯緩狀態(tài)，與煤系砂巖裂隙含水層通過(guò)風(fēng)化裂隙帶構(gòu)成直接水力聯(lián)系。而與上覆一、二、三含水層無(wú)直接水力聯(lián)系。

2）二疊系煤系含、隔水層

二疊系巖性以泥巖、粉砂巖為主，其中泥巖結(jié)構(gòu)致密可作為隔水層，砂巖結(jié)構(gòu)松散作為含水層。隔水層可以截?cái)?個(gè)含水層的水力聯(lián)系。含水層的運(yùn)移和儲(chǔ)量取決于裂隙的大小、發(fā)育程度和裂隙的連通性，如果發(fā)育程度好、裂隙大和連通性較好則水量充足反之則少。

3）奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層

奧陶系厚度500多m巖性主要為淺灰色致密塊狀隱晶質(zhì)厚層狀灰?guī)r。根據(jù)有關(guān)水文地質(zhì)資料：奧陶系石灰?guī)r淺部巖溶裂隙發(fā)育較好，越深發(fā)育越差，發(fā)育好的運(yùn)移和儲(chǔ)水能力越好，發(fā)育差的則運(yùn)移和儲(chǔ)水能力越差。

補(bǔ)給水源不充足，地下水徑流緩慢，礦井排水影響礦區(qū)，所以主采含水層地下水位呈下降趨勢(shì)[1]。

2 礦區(qū)地下水流場(chǎng)模擬

利用GMS軟件，根據(jù)地質(zhì)條件邊界、底圖和含水層厚度等，模擬地下含水層三維模型和穩(wěn)定流場(chǎng)。

2.1 水文地質(zhì)模型的建立

1 ）網(wǎng)格剖分

根據(jù)水文地質(zhì)資料，構(gòu)建礦區(qū)地下水流動(dòng)模型。計(jì)算單元平面上97行73列，網(wǎng)格大小50 m× 50 m。垂向上依據(jù)水文地質(zhì)剖面圖設(shè)置為15層[2-3]。

2 ）邊界條件概化

模型的邊界條件復(fù)雜，模型四周概化為零通量邊界，模型中部分范圍根據(jù)等水位線設(shè)置為定水頭邊界，定水頭邊界數(shù)值依據(jù)鉆孔水位資料設(shè)置。模型的主要補(bǔ)給邊界為降水補(bǔ)給，根據(jù)已知水文地質(zhì)資料，模擬區(qū)域內(nèi)的降雨量為800 mm，蒸發(fā)量為800 mm，蒸發(fā)極限深度使用經(jīng)驗(yàn)值3 m[4-6]。

3 ）參數(shù)設(shè)置

根據(jù)含水層數(shù)量和性質(zhì)，本次模擬有4個(gè)分區(qū)，如圖1所示，其中一含到四含為一區(qū)，一隔到三隔為二區(qū)，煤巖系和奧陶系隔水層為三區(qū)、含水層為四區(qū)，滲透系數(shù)如表1所示。具體參數(shù)值參照已有的水文地質(zhì)資料以及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置[7-8]。

表1 滲透系數(shù)設(shè)置表m/d

4 )模型擬合

模型擬合結(jié)果（圖2）說(shuō)明了模型對(duì)實(shí)測(cè)野外條件的模擬的符合程度。在理想的情況下，所有井的資料都應(yīng)準(zhǔn)確地位于45°角的直線上。本次模擬觀測(cè)孔的水位在圖上顯示基本上位于較高的置信區(qū)間，具有很高的可信度。

圖2 模型擬合結(jié)果圖（圖中實(shí)線表示較高的置信區(qū)間）

2.2 水流計(jì)算結(jié)果分析

模型采用穩(wěn)定流概化研究區(qū)的流場(chǎng)，根據(jù)上述的鉆孔水位對(duì)比情況可以看出模型計(jì)算水位和實(shí)際水位的吻合度較高，依次計(jì)算出區(qū)域的地下水流場(chǎng)，其等水位線如圖3所示。

圖3 區(qū)域地下水流場(chǎng)等水位線圖

從模擬結(jié)果可以看出：區(qū)域內(nèi)地下水水位北高南低，東南部地下水水位最低。地下水主要由礦區(qū)北部向東南部徑流。地下水流場(chǎng)剖面圖顯示（虛線表示剖面位置），在北部的淺層接受大氣降水的補(bǔ)給，滲透至深層，且淺層的垂向流速比深度的垂向流速大。北部深層的地下水通過(guò)徑流作用向南部排泄，進(jìn)而在蒸發(fā)作用下發(fā)生排泄[9-11]。

圖4 區(qū)域地下水流場(chǎng)流向示意圖

圖5 區(qū)域地下水流場(chǎng)剖面等水位云圖

區(qū)域水文地質(zhì)系統(tǒng)復(fù)雜，地下水流場(chǎng)呈現(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜的深層徑流，最終在淺層蒸發(fā)排泄。模擬結(jié)果與實(shí)際地下水徑流特點(diǎn)基本一致，則此次模擬參數(shù)設(shè)置合理，模擬結(jié)果較為可靠。

3 結(jié)論

（1）龍王廟北礦新生界松散層厚度166～292 m，包括4個(gè)含水層3個(gè)隔水層。之后地層為二疊系，基底為奧陶系石灰?guī)r。

（2）通過(guò)水文地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用GMS建立地下水流場(chǎng)模型，模擬結(jié)果為：地下水水位北高南低，東南部水位最低。地下水主要由北流向東南部。在降雨作用下礦區(qū)北部淺層向深層滲流，淺層的垂向流速比深層的垂向流速大。北部深層地下水向南部的淺層徑流，進(jìn)而蒸發(fā)排泄。

（3）模擬結(jié)果與實(shí)際地下水徑流特點(diǎn)基本一致，則此次模擬參數(shù)設(shè)置合理，模擬結(jié)果較為可靠。

本文進(jìn)一步完善了礦區(qū)地下水文地質(zhì)及地下水流場(chǎng)的研究，對(duì)該礦區(qū)地下水開(kāi)采和水源識(shí)別具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈慧真．宿南礦區(qū)第四含水層水文地質(zhì)特征研究[D]．淮南:安徽理工大學(xué),2005．

[2]于峰．區(qū)域地下水?dāng)?shù)值模擬[D]．濟(jì)南:山東大學(xué),2005．

[3]閆冬．基于VisualMODFLOE的沈陽(yáng)中心城區(qū)地下水?dāng)?shù)值迷你研究[D]．大連:遼寧師范大學(xué),2009:5-6．

[4] 王曉明,代革聯(lián),巨天乙,等．可視化的地下水?dāng)?shù)值模擬[J]．西安科技學(xué)院學(xué)報(bào),2004,24(2):5-6．

[5]趙旭．基于FEFLOW和GIS技術(shù)的咸陽(yáng)市地下水?dāng)?shù)值模擬研究[D]．咸陽(yáng):西北農(nóng)林科技大學(xué),2009:6-7．

[6]孫愛(ài)華．MODFLOW在八五三農(nóng)場(chǎng)地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用[D]．哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2008:11-12．

[7] 吳雯倩,靳孟貴．淮北市地下水流數(shù)值模擬及水文地質(zhì)參數(shù)不確定分析[J]．水文地質(zhì)工程地質(zhì),2014,41(3):10-11．

[8] 束龍倉(cāng),王茂枚,劉瑞國(guó),等．地下水?dāng)?shù)值模擬中的參數(shù)靈敏度分析[J]．河海大學(xué)（自然科學(xué)版）,2007,35(5):8-9．

[9] 吳振嶺,白喜慶．峰峰煤礦區(qū)巖溶地下水流場(chǎng)演化規(guī)律[J]．地下水,2009,31(1):23-27．

[10] 王桃良．煤礦開(kāi)采對(duì)娘子關(guān)泉域巖溶地下水水質(zhì)的影響分析[J]．地下水,2015,37(6):34-35．

[11]胡云虎．皖北地下水源地水環(huán)境地球化學(xué)特征研究[D]．淮南:安徽理工大學(xué),2015．