芻議地下水取水影響模擬研究

費國松許廣東李 丹閆 浩（.江蘇省水文水資源勘測局常州分局 常州 3000 .江蘇省水文水資源勘測局宿遷分局宿遷 3800）

芻議地下水取水影響模擬研究

費國松1許廣東2李 丹1閆 浩1
（1.江蘇省水文水資源勘測局常州分局 常州 213000 2.江蘇省水文水資源勘測局宿遷分局宿遷 223800）

本文以取用東鵬煤礦礦坑水為例，采用數值模型分析地下水取水影響，根據數值模型的建立、求解、識別、驗證，全方位闡述采用模型分析地下水取水影響的可靠性，為地下水取水影響探索新的分析模式。

地下水 數學模型 邊界概化 識別驗證

1 項目取水基本情況

東鵬煤礦位于淮河流域，開采深度-350～-800m，礦井面積16.1km2。研究區內孔隙地下水補給資源量為3.1 萬m3/d，可開采量為1.65萬m3/d，現狀條件下已開采資源量為1.22萬m3/d，仍有0.43萬m3/d的剩余可開采量。新建項目設計日取水量為0.2萬m3/d。

根據收集到的淮河流域東鵬煤礦區已有的水文地質資料以及野外勘探等成果，通過概化出研究區水文地質概念模型，結合地下水流在介質中運移的數學描述建立研究區地下水數學模型。

2 水文地質概念模型

2.1 研究區邊界的概化

長巨斷層：落差2500m，東升西降，使區內奧灰與區外前震旦紀變質巖接觸，形成阻水邊界。

馬翔斷層：落差400～200m，西升東降，區內奧灰與區外寒武系和前震旦紀變質巖在深部接觸，大部地段為阻水邊界，但在北部地段為透水邊界。

東溝斷層：落差500m，南升北降，區內奧灰與區外二疊系接觸，為阻水邊界。

鵬山斷層：落差2000m，北升南降，在劉鳧斷層以東寒武系及震旦系地層出露，在劉鳧斷層以西，區內奧灰與區外上二疊統或侏羅系接觸，形成阻水邊界。

東鵬煤礦區的垂向邊界可以概化為：煤礦區的上邊界為地表，煤層下部為奧陶系灰巖，因此下邊界（巖溶底板）可以定義為隔水邊界。

2.2 地下水的補、徑、排條件

地下水主要以3種形式得到補給：一是降水補給，鵬山北緣的灰巖裸露區直接接受大氣降水的補給；二是側向補給，該水文單元東南的鵬山，有約300km2的寒武系灰巖露頭區，地表溶溝、溶槽及節理較發育，較易得到補給，其所含地下水向北徑流側滲補給奧灰；三是上覆第四系水的下滲。

地下水的徑流方向基本與地表水徑流方向一致，由東北向西南，南部鵬山的寒武系灰巖、奧灰裸露區接受的補給水，順巖層的傾斜方向向北運動，與向南運動的水在露頭附近匯合，形成強徑流帶。

地下水的排泄主要以泉的形式泄出地表，但隨著奧灰水開采量及礦井排水量的增加，區域范圍內原有的地下水流場已發生較大的改變，人工排泄成為地下水的主要方式。

綜上所述，可將東鵬煤礦區概化為一個統一的非均質、各向同性、三維非穩定地下水流系統。

3 地下水數值模型的建立與求解

3.1 地下水數學模型的建立

地下水數學模型是用來描述地下水水頭、水溫及水質等現象及其變化過程的數學表達公式，它是用數學方法表述經過簡化和概化的地下水系統。其數學公式及定解條件如下：

式中：D—滲流區域；H—地下水水頭（m）；Kx，Ky，Kz—x，y，z方向上的滲透系數（m/d）；S—自由水面之下的含水層單位儲水系數（1/m）；W—承壓含水層源匯項（1/d）；p—潛水面的蒸發量和降水的補給量等（1/d）；μd—潛水含水層重力給水度；H0（x，y，z）—初始流場水頭分布值（m）；H1（x，y，z，t）—第一類邊界水頭分布值（m）；q（x，y，z，t）—第二類邊界單位面積流量（m3/m2·d）；Kn—邊界面外線方向的滲透系數（m/d）；Г1、Г2—滲流區第一、二類邊界。

3.2 地下水數學模型的求解軟件

為了求解上述數學模型，需要把模型中的二階非線性偏微分方程轉化為線性方程之后再求解，目前人們常采用數值法來求解，本文即是運用基于有限差分法的Visual MODFLOW4.2軟件來求解上述地下水數學模型。

3.3 網格剖分

在整個模型中初始網格將具有均勻的網格單元大小，大網格剖分為50行50列5層。

根據淮河流域東鵬煤礦內地層結構特征、水力特征、流場特征、模擬精度及邊界條件等要求，將整個東鵬煤礦區剖分為5050的單元格，垂向為5層，其中第二層與第四層為隔水層。

3.4 模擬時間與初始水頭

根據前期收集到的東鵬煤礦區地下水水位動態觀測資料，選取2011年1月1日的地下水位作為識別階段的地下水初始流場，潛水含水層初始水頭見圖1。

3.5 水文地質參數確定

此次模型模擬所選用的參數有滲透系數、給水度、蒸發強度系數以及降雨入滲系數等。上述這些參數是根據研究區內多次抽水試驗、多次勘探及觀測資料所確定。

通過水文地質物探及鉆探或抽水試驗得到的參數數據進行匯總，就可以得到該區域含水層的水文地質參數。根據東鵬煤礦區各初始參數的分布規律及滲流場的特征，將該研究區劃分為7個參數區域。

3.6 源匯項確定

東鵬煤礦區地下水系統的源匯項主要包括補給項與排泄項。研究區的地下水補給項包括降雨入滲補給、河流滲漏補給等；排泄項包括潛水蒸發排泄、人工開采排泄等。

3.6.1 補給項

a.降水入滲補給

降水入滲補給是東鵬煤礦區地下水的主要補給源。研究區降水入滲補給量的計算公式如下：

Q=α·F·P

式中：Q—大氣降水入滲量（m3/a）；α—降水入滲系數；F—降水入滲面積（m2）；P—年降水量（mm/a）。

東鵬煤礦區年內降雨差異也較大，其中汛期6～9月份降雨量占全年的70%～76%，形成春秋兩旱夾一澇的自然規律。礦區多年平均降雨711.9mm，降水較為豐富但年際變化大且時空分布不均。

b.河流滲漏補給

地表河流的滲漏是研究區內潛水的重要補給源。由于河床較高，地表水不能排入，河流與含水層的交換量可以用以下公式計算求得：

式中：QR—河流滲漏量（m3/a）；B—河床寬度（m）；L—河流長度（m）；KR—河底滲透系數；hR—河流水位（m）；H—地下水位（m）；S—河底積層厚度（m）；t—河流行水時間（d）。

c.側向徑流補給（Q側補）

圖1 東鵬煤礦區潛水含水層初始水頭等值線圖

圖2 潛水含水層觀測孔水位擬合曲線

圖3 第二含水層觀測孔水位擬合曲線

由孔隙地下水等水位線圖可知，研究區南部處于淮河流域城區降落漏斗范圍內，僅于北部可接受側向徑流補給。經長期監測資料，該地段枯水期的水力坡度稍大于豐水期，受地下水降落漏斗影響，水力坡度較大，多年平均為I=1.5‰；地下水徑流斷面寬度為B=1230m；前面已確定導水系數T=880m2/d。因此，多年平均狀態下側向徑流補給量：

Q側補=T·B·I=1620 m3/d

d.灌溉回滲補給（Q灌）

根據調查統計，研究區灌溉面積7km2，采用面積比擬法估算研究區的灌溉回滲量為：Q灌=707m3/d。

3.6.2 排泄項

a.潛水蒸發排泄

研究區潛水含水層水位埋深較淺，所以潛水蒸發是該區排泄項之一。東鵬煤礦區多年平均蒸發量為1651.2mm。

b.人工開采排泄

研究區內地下水開采主要包括農業灌溉開采和居民生活用水開采兩部分。

經調查統計，研究區內耕地面積7km2，根據灌溉回滲補給量的計算結果，研究區農業灌溉用水量為3533m3/d。區內農業灌溉用水約50%取自地下水，則農業灌溉開采地下水量為1766m3/d。

據統計研究區內人口約3.9萬人，人均日用水量按85L考慮，則研究區內生活用水年開采量為3315m3/d。

c.側向流出量（Q側）

受水廠地下水集中開采影響，研究區西南部地下水側向流出至礦區。該流出邊界的徑流寬度B=3500m；平均水力梯度取I=2.0‰；導水系數T=880m2/d。由此計算側向流出量：Q側=6160m3/d。

d.越流排泄量

依據水均衡原理，Q補=Q排，即地下水的排泄量應等于其補給量，由此計算得出，研究區的越流排泄量為10559m3/d。

4 模型的識別與驗證

模型的識別與驗證過程在整個研究區地下水模擬中具有極其重要的作用。一般來說，只有對源匯項和參數進行多次的調整和修改，才能使整個模型得到比較理想的效果。此次數學模型的識別采用的是試估—校正法。

根據已有的東鵬煤礦區地下水動態觀測資料，選取2011年1月1日～6月30日為此次模型研究的識別階段，兩個月為一個時間段；選取2012年6月30日～2013年1 月1日為該模型的驗證階段。但是為了能夠真實完整地反映東鵬煤礦區地下水的變化情況，在模擬和驗證階段，應滿足：模型輸出的地下水位計算值需要與實測水位擬合小于0.5m的絕對誤差值應占已知觀測井點的70%以上；模型輸出的模擬地下水位等值線應該與實際的等水位線在一定的誤差范圍內吻合。如果模型計算的水位值與實際觀測水位值相差較大，則需要重新進行調參，直到兩者之間有較好的擬合效果，最后得到的參數就是該模型校正后的最終參數。

煤礦區選擇了具有代表性的基巖觀測孔在群孔抽水試驗過程當中的地下水動態曲線進行擬合。經反復調整水文地質參數等各種不確定因素，直到使各動態曲線擬合程度滿足要求為止。主要含水層觀測孔地下水動態擬合曲線，見圖2～3。

根據東鵬煤礦區地下水數值模擬的識別與驗證階段的結果分析可知：該模型觀測井計算的水位值與實際觀測到的地下水位值的差值基本符合精度要求；該模型模擬的地下水流場與煤礦區內實際地下水流場基本吻合。即此次的模型研究能夠真實反映東鵬煤礦區研究區地下水流規律和特征。

綜上所述可知，東鵬煤礦區這個非均質、各向同性、三維非穩定地下水數值模型符合煤礦區的實際水文地質條件，因此可以利用該模型對東鵬煤礦區地下水流場變化趨勢進行預測。

5 結論

本文以東鵬煤礦區為研究對象，針對地下水取水影響，構建地下水數值模型，進行模型識別與驗證，研究數值模型對地下水流場變化趨勢進行預測的可靠性，為取用地下水影響探索新的分析模式，可為地下水可持續發展提供基礎技術指導

（專欄編輯：顧 梅）