礦山半工業性抽水試驗數值模擬

李紅偉，趙 鵬

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410011）

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

1 工程概況

礦山水文地質條件復雜，前期水文勘探滿足不了開采設計要求，為了核查礦區水文地質參數，為礦坑涌水量預測提供依據，選擇了3口疏干井，11個觀測孔進行群孔抽水試驗。

礦區位于背斜北傾伏端，西翼緩東翼陡，軸面傾向北西。地貌為構造剝蝕低中山，地勢南高北低、東西兩側高中央低的“V”型谷地。巖根河由南向北從礦區中部流過，天然狀態下和抽水試驗過程中，礦區段河流并未發現滲漏。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，其頂底板均為隔水層。礦區孔隙率為2.10%～6.23%，未發現地下暗河。

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

2 數值模擬

礦區為水文地質單元的溢流排泄區和滯留承壓區。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，礦區地下水位持續下降，改變了地下水流場。

根據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。試驗區東部為隔水斷層組；南部為鄰近礦山，最低巷道標高880m～920m，可認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，結合抽水試驗降深漏斗推測其邊界，認為邊界處流量為零。燈影組頂面，標高約為0m～1200m，呈現東高西低、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 結構概化

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

2.1.2 源匯項

模擬區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。礦區燈影組裸露區和埋藏區，大氣降水入滲系數為0.201，裸露區的面積約為1.04Km2。在抽水實驗期間，模擬區段的巖根河滲漏量較小。據調查，南部礦山兩礦井排水量約為4408m3/d和5486m3/d。

2.1.3 水文地質參數分區

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

2.2 模型構建與驗證

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。根據模擬范圍，選用有限差分法的網格對模型進行剖分離散。模型沿x方向節點數目為200，y方向節點數目為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

設置降雨入滲率0.00063m/d,礦井排水量約8800 m3/d。9個滲透系數分區初值參照抽水試驗求得的滲透系數值，最小值和最大值分別設為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數據，將抽水試驗前的水位作為初始水位。

2.2.3 模型識別

多次反復試設了邊界條件和滲透系數，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，通過穩定流計算擬合初始水位，并反演計算求得滲透系數。

在上述滲透系數條件下，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，這兩個孔也出現了水位異常。

2.3 模擬結果分析

2.3.1 地下水流場分析

從模型產生的地下水流場圖看，主要表現為3個方面。

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

（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 地下水水位動態分析

從多年地下水位觀測資料顯示，礦區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，導致含水層側向補給來源減少。

本次抽水試驗顯示，抽水期間S3抽水井進入了潛水區。S7、S5孔臨近南部礦山，水位降深又小，可認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向動補給量的轉換，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，側向動補給量約10910 m3/d。總抽水量和礦區南部礦坑排水量合計約20000 m3/d。

2.3.4 模擬誤差分析

根據國標《地下水資源管理模型工作要求》GB/T14497-93中相關規定，進行了誤差分析。

初始水位擬合相對誤差分析結果為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點的70%以上”這一條件，參數達到了“最優”。

驗證階段相對誤差分析結果為2.25%，參數達到了“最優”。

2.3.5 敏感性分析

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

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

3 結論

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構、水文地質參數及邊界條件的概化基本合理，所建立的地下水流數值模型客觀地反映了礦區地下水流場變化特征。數值模擬所獲得的參數和模型，可作為礦坑涌水量預測依據。當邊界條件不變時，初步預測了700m標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系推測的涌水量值接近。由于礦區水文地質條件復雜，礦坑涌水量預測時，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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