利用GMS對巷道涌水量預測

梁厚景 李賽

摘 要：基于模擬區水文地質條件建立概念模型、數學模型，利用GMS軟件模擬地下水滲流場，將巷道概化為排水溝（drain），并對模型進行識別與檢驗，最終確立符合實際水文地質特征的三維模型；在三維模型的基礎上增加巷道，預測未來巷道涌水量的變化情況。

關鍵詞：GMS軟件；三維模型；滲流場；巷道涌水量；排水溝（drain）

人類生活在地球上，并不斷的從地球表層的巖石、水體和大氣中索取各種資源[1]。我國從遠古就開始了采煉礦石工作，隨著采礦業的發展，礦井水文地質特征研究已成為采礦中不可缺少的工作之一 [2]。碳酸鹽巖地區地下水動態變化復雜，而且為探礦、采礦工作修建了復雜的地下巷道網，地下水滲流場變化復雜，給巷道涌水量預測帶來了很大困難。如今，如何較為準確的預測巷道涌水量、了解地下水動態變化規律，成為日益關注的課題之一[3、4]。

1 背景

1.1 地形地貌

巖溶斷塊山是模擬區的地貌主要特征，其所存在的地表起伏并不是很大，大約都會在500m的差值內；地表巖溶具有較大的發育潛質，巖溶形態呈現峰叢～洼地、漏斗組合；高原面上峰巒起伏，沒有太多植被覆蓋率，地表發育形態通常為溶丘、溶溝、洼地、漏斗、落水洞等；邊緣斜坡地帶發育實芽、溶溝以及溶槽。

1.2 氣象水文

模擬區降雨量年內分配不均、干濕季區分明顯，4-9月為雨季，降水量最多，占全年降水量的80%以上，其他月份為旱季，降水量不足全年降水量的20%。

1.3 地層、構造

模擬區地層結構單一但巷道布置復雜，巖層受巖溶發育特征的影響，地層水文地質特征隨有地表向深部呈漸變趨勢；地質構造復雜，存在多期運動，斷裂構造發育，由四條主要隔水斷裂構成模擬區的四個邊界。

1.4 地下水類型

模擬區范圍內孔隙水、巖溶水和裂隙水均有分布，孔隙水僅賦存于第四系松散沉積物中，分布范圍很小；巖溶水賦存于三疊系碳酸鹽巖地層中，是最主要的地下水；裂隙水賦存于各個時代的火成巖中。

1.5 地下水補給、徑流、排泄特征

降雨補給是模擬區地下水系統水流運動的補給來源，在地下水流進行傳輸的過程中，會存在大量氣體以及固相物體，這樣一來，三相流得以形成。在巖溶多重介質環境的影響下，巖溶地下水系統水流運動的形態以及規模會呈現距離衰減趨勢。在潛水面以下、隔水層以上的水平流動帶上會出現地下水，其中裂隙和溶隙是蓄水的主要空間。蒸發、側向排泄以及巷道涌水是地下水的主要排泄方式。

2 概念模型、數學模型

通過分析降雨補給與滲流場、巷道涌水量之間的關系，建立合理的概念模型、數學模型。

（1）邊界條件概化：根據研究區地質特征及研究目的圈定模型計算區。根據四條邊界的性質，除北部邊界概化為流量邊界，其他三個邊界概化為零流量邊界。

（2）排泄條件概化：將巷道概化為排水溝（drain）。

（3）補給條件概化：本區主要水源補給，通常都是在降雨多發季節，其中有60%的降雨會滲入地下。本區面積較小，同時地下水徑流深度較大，因此對于降雨滲入平面上的差異是不需要考慮的，將補給平均的區域作為研究區，這樣的話，研究區降雨入滲量就能夠以有效降雨量為準計算。

（4）含水巖組概化：結合含水層的類型、巖性、厚度以及滲透系統等條件，將內部結構劃分為均質、非均質、各向同性或者各向異性四個含水層。

（5）數學模型：通過由薛禹群著作的地下水數值模擬中得出，在裂隙、喀斯特發育相對保持平均時，水流是完全依據Darcy定律，可以選擇與孔隙水流相同等效介質模型作為研究對象[5]。模擬區地層裂隙、喀斯特發育較為均勻，所以，數學模型等效的建立為多孔介質模型。

根據模擬區實際水文地質特征、概念模型確定模擬區數學模型為：

（6）時空離散：利用GMS的3D GRID模塊實現網格剖分，含水巖組劃分為四層，每層剖分為矩形網格單元4520個，每個單元面積26.7×15.3m2。

根據蒸發、降雨、巷道等源匯項在不同的季節其補給與排泄強度不同，在時間上將2007年劃分為四個應力期。

3 模擬識別、檢驗

模型通過預測-校正法進行識別校正，使地下水系統的結構、參數、源匯項得到調整，保持計算和實際地下水狀態一致性；與實測的場相對比，所計算得出的地下水狀態的空間分布可以實現相互一致；模擬期計算所得的地下水動態和實測動態變化可以保持一致；與實際水文地質條件相比較，識別后的水文地質參數、含水層結構以及邊界條件基本與其相互符合。

因為不確定性是識別過程中較為突出的一個特性，而在解決這個問題的方法中，模型檢驗發揮著極其重要的作用。通常情況下，模型檢驗是將一組參數以及模型通過識別之后，用其對另一段時間的野外觀測資料進行模擬，抽、注水量和抽、注水時間、方式以及邊值、入滲補給量等都屬于外部有可能產生的一系列影響因素，這些因素也需要結合實際情況給出具體數值，對模擬值和野外實測值進行模擬，最終得出的結果應該在預先設定的容許誤差范圍內相同。如果不同，那么就需要再一次修正上一組所得到的參數，重新識別、檢驗，直到一組新的參數在識別和檢驗階段所顯示的模擬值和野外實測值，能夠在預先設定的容許誤差范圍內保持相互統一。

此次地下水系統數值模擬，是在對個舊礦區高峰山礦段水文地質條件進行深入研究，以及全面掌握地下水系統變化規律的前提下開展的。將模擬時間分為四個模擬應力期，選取兩個應力期作為模型識別期，另兩個應力期為模型檢驗期。在運行模型的基礎上，地下水系統的結構、參數以及源匯項等都能夠得到有效調整，識別校正模型，同時在識別的基礎上，檢驗識別后的模型。通過反復調整，誤差可以縮短在要求范圍內。

4 結束語

（1）文章主要依托于GMS軟件，初步確定GMS軟件可用于巖溶發育較為均一的巖溶地區地下水滲流場數值模擬及涌水量預測。（2）本區地下水變化主要受大氣降水影響，通過模型，建立了大氣降水與地下水滲流場、巷道涌水量之間的關系。（3）文章將巷道等效于排水溝（drain），基于兩者間的相似特征，成功模擬了地下水滲流場及預測巷道涌水量。

參考文獻

[1]王大純，張人權，史毅虹，等.水文地質學基礎[M].北京：地質出版社，1995.

[2]房佩賢.專門水文地質學[M].北京：地質出版社，1996.

[3]采礦手冊VoI6[M].冶金工業出版社，1991.

[4]魏軍.礦井涌水量的數值模擬研究[D].遼寧：遼寧工程技術大學，2006.

[5]薛禹群，謝春紅.地下水數值模擬[M].科學出版社，2007.

作者簡介：梁厚景（1977，10-），男，云南文山人，本科學歷，工程師，研究方向：水文地質及工程地質。