礦山半工業(yè)性抽水試驗數(shù)值模擬

李紅偉，趙 鵬

（長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410011）

數(shù)值模擬采用三維可視化標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)軟件GMS（Groundwater Modeling System）。GMS是交互視窗式地下水?dāng)?shù)值模擬專門軟件，可以方便地輸入模型參數(shù)、分析計算結(jié)果，以觀測結(jié)果和計算結(jié)果擬合差為標(biāo)準(zhǔn)，不斷校正模型，最后達(dá)到利用數(shù)值模擬實驗方法研究地下水運動機理的目的。本次用GMS對承壓含水層進(jìn)行的群孔抽水試驗進(jìn)行了數(shù)值模擬，求得了試驗區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)和分析了地下水的主徑流方向。

1 工程概況

礦山水文地質(zhì)條件復(fù)雜，前期水文勘探滿足不了開采設(shè)計要求，為了核查礦區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)，為礦坑涌水量預(yù)測提供依據(jù)，選擇了3口疏干井，11個觀測孔進(jìn)行群孔抽水試驗。

礦區(qū)位于背斜北傾伏端，西翼緩東翼陡，軸面傾向北西。地貌為構(gòu)造剝蝕低中山，地勢南高北低、東西兩側(cè)高中央低的“V”型谷地。巖根河由南向北從礦區(qū)中部流過，天然狀態(tài)下和抽水試驗過程中，礦區(qū)段河流并未發(fā)現(xiàn)滲漏。3口疏干井分別位于河邊、一級階地和半山腰。抽水試驗對象為燈影組（Z2dn)巖溶裂隙含水層，厚度264.21m～325.50m，其頂?shù)装寰鶠楦羲畬?。礦區(qū)孔隙率為2.10%～6.23%，未發(fā)現(xiàn)地下暗河。

整個抽水試驗歷時53天，分三次降深抽水45天，水位恢復(fù)8天，總抽水量約38萬立方。

2 數(shù)值模擬

礦區(qū)為水文地質(zhì)單元的溢流排泄區(qū)和滯留承壓區(qū)。天然條件下，含水層的補給項有降雨入滲補給、含水層上游側(cè)向徑流補給和河流的滲漏補給。由于外圍礦山長期疏排地下水，礦區(qū)地下水位持續(xù)下降，改變了地下水流場。

根據(jù)抽水試驗等降深曲線，推測其降深漏斗曲線平面范圍面積約為3Km2。試驗區(qū)東部為隔水?dāng)鄬咏M；南部為鄰近礦山，最低巷道標(biāo)高880m～920m，可認(rèn)為南部邊界為零流量邊界，且邊界上有抽水井；西北部為含水層傾伏區(qū)，結(jié)合抽水試驗降深漏斗推測其邊界，認(rèn)為邊界處流量為零。燈影組頂面，標(biāo)高約為0m～1200m，呈現(xiàn)東高西低、南高北低的趨勢，部分裸露，接受降雨入滲補給，部分為隔水層覆蓋。頂面裸露區(qū)為垂直交換量界面，接受降雨入滲補給和河流滲漏補給。底面為隔水底板，零流量界面。

2.1 模型概化

2.1.1 結(jié)構(gòu)概化

從宏觀上該含水層概化為非均質(zhì)各向異性的承壓-無壓含水層。含水層的輸入輸出隨時間、空間變化，地下水為非穩(wěn)定流；忽略地下水的垂向運動，將地下水運動按二維非穩(wěn)定流問題處理。

2.1.2 源匯項

模擬區(qū)源匯項包括補給項和排泄項。補給項主要為降雨入滲、河流滲漏，排泄項主要為礦坑排水。礦區(qū)燈影組裸露區(qū)和埋藏區(qū)，大氣降水入滲系數(shù)為0.201，裸露區(qū)的面積約為1.04Km2。在抽水實驗期間，模擬區(qū)段的巖根河滲漏量較小。據(jù)調(diào)查，南部礦山兩礦井排水量約為4408m3/d和5486m3/d。

2.1.3 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

根據(jù)抽水試驗結(jié)果，研究區(qū)滲透系數(shù)在平面上、垂向上分布不均，大致南部大于北部，東部大于西部。滲透系數(shù)值范圍0.069m/d～0.96m/d，因此有必要先進(jìn)行參數(shù)分區(qū)。滲透系數(shù)分區(qū)綜合考慮了以下因素：含水層的富水性規(guī)律和補徑排條件、斷裂構(gòu)造的特點以及觀測孔的數(shù)量和分布。

2.2 模型構(gòu)建與驗證

2.2.1 模型尺寸

將水平東西方向定為X軸，水平南北方向為Y軸。根據(jù)模擬范圍，選用有限差分法的網(wǎng)格對模型進(jìn)行剖分離散。模型沿x方向節(jié)點數(shù)目為200，y方向節(jié)點數(shù)目為200，共計30320個單元。垂向上為單層含水層。

2.2.2 模型初始條件

設(shè)置降雨入滲率0.00063m/d,礦井排水量約8800 m3/d。9個滲透系數(shù)分區(qū)初值參照抽水試驗求得的滲透系數(shù)值，最小值和最大值分別設(shè)為1e-4m/d和1m/d。模擬采用抽水試驗前后的水位作為模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將抽水試驗前的水位作為初始水位。

2.2.3 模型識別

多次反復(fù)試設(shè)了邊界條件和滲透系數(shù)，來正演或反演擬合初始水位。確定了擬合得較好的邊界條件后，通過穩(wěn)定流計算擬合初始水位，并反演計算求得滲透系數(shù)。

在上述滲透系數(shù)條件下，得到各觀測孔處水位計算值和觀測值的擬合曲線見圖1。圖中顯示大多數(shù)觀測孔的計算值和觀測值的擬合程度都較高，誤差大多小于5m。其中兩觀測孔誤差較大，后期在抽水試驗過程中，這兩個孔也出現(xiàn)了水位異常。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 地下水流場分析

從模型產(chǎn)生的地下水流場圖看，主要表現(xiàn)為3個方面。

（1）現(xiàn)階段地下水總體徑流方向為由北向南?？拷鼥|南邊界，由于斷層使含水層抬升，加上南部相鄰礦區(qū)采礦排水，已形成采空區(qū)。

（2）南部邊界接近相鄰礦山降落漏斗中心，地下水等水位線密集。本次抽水試驗過程中，礦坑也一直在排水。

（3）流場中，地下水的主徑流方向為西北-東南向，即抽水試驗的降落漏斗主要擴展方向。

2.3.2 地下水水位動態(tài)分析

從多年地下水位觀測資料顯示，礦區(qū)地下水位總體上呈下降趨勢，主要是由于南部礦山采礦排水，導(dǎo)致含水層側(cè)向補給來源減少。

本次抽水試驗顯示，抽水期間S3抽水井進(jìn)入了潛水區(qū)。S7、S5孔臨近南部礦山，水位降深又小，可認(rèn)為主要受礦山排水影響引起。

2.3.3 地下水均衡分析

利用ZoneBudget功能模塊，可查看水均衡結(jié)果。在抽水初期，靜儲量消耗最大，接近抽水量；等幅下降時段，消耗的靜儲量大部分來源于側(cè)向動補給量的轉(zhuǎn)換，小部分為水位下降釋放的彈性儲量。最大降深時計算的彈性儲量約66m3/d，總儲量為10976 m3/d，側(cè)向動補給量約10910 m3/d?？偝樗亢偷V區(qū)南部礦坑排水量合計約20000 m3/d。

2.3.4 模擬誤差分析

根據(jù)國標(biāo)《地下水資源管理模型工作要求》GB/T14497-93中相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行了誤差分析。

初始水位擬合相對誤差分析結(jié)果為2.7%～4.2%，完全滿足“要求水位擬合小于10%的相對誤差必須占已知水位節(jié)點的70%以上”這一條件，參數(shù)達(dá)到了“最優(yōu)”。

驗證階段相對誤差分析結(jié)果為2.25%，參數(shù)達(dá)到了“最優(yōu)”。

2.3.5 敏感性分析

參數(shù)的敏感性也稱敏感度，是地下水流數(shù)值模型計算結(jié)果對參數(shù)改變響應(yīng)程度的度量指標(biāo)。限于模型概化階段對區(qū)域水文地條件認(rèn)識的局限性，以及在模型識別驗證階段調(diào)參的主觀性，使得率定的模型參數(shù)具有很大的不確定性。敏感性分析可將各個參數(shù)對地下水位變化的影響程度進(jìn)行排序，從而識別出對模型計算結(jié)果影響較大的參數(shù)。

敏感性分析結(jié)果顯示：地下水位對含水層滲透系數(shù)的變化最為敏感，其次是釋水系數(shù)，給水度敏感性最小。主徑流方向的滲透系數(shù)最敏感，抽水漏斗中心地帶的釋水系數(shù)最敏感，潛水區(qū)的給水度最敏感。

3 結(jié)論

通過模型識別和驗證，較好的擬合了地下水流初始流場（抽水試驗前）和抽水試驗過程流場。結(jié)果表明，模擬形成的地下水運動特征與實際情況近似。說明概念模型中含水層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)參數(shù)及邊界條件的概化基本合理，所建立的地下水流數(shù)值模型客觀地反映了礦區(qū)地下水流場變化特征。數(shù)值模擬所獲得的參數(shù)和模型，可作為礦坑涌水量預(yù)測依據(jù)。當(dāng)邊界條件不變時，初步預(yù)測了700m標(biāo)高坑道的涌水量約為39000m3/d，這和抽水量與平均降深之間近似直線關(guān)系推測的涌水量值接近。由于礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦坑涌水量預(yù)測時，還需考慮南部礦山邊界條件和西北邊界的條件變化。

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