基于Visual Modflow 的榆神礦區礦坑涌水量預測研究

管隆垚

（陜西省環境科學研究院，陜西 西安610103）

1 概述

榆神礦區是我國“十三五”規劃的重要煤炭開采區，然而榆神礦區開采區煤炭開采已引起的地下水資源減少和地面沉降等問題，為了指導整個規劃區的煤炭合理開采和水資源- 生態環境保護，開展研究區礦坑涌水量閾值研究顯得尤為重要。

榆神礦區位于陜西省神木縣、榆陽區境內，西、北以陜蒙邊界為界，南部以孟家灣勘查區南部邊界和榆林市邊界為界，東北與神北新民礦區臨接，東經109°15′～110°45′，北緯38°00′～39°15′，面積約5265Km2。研究區區位于鄂爾多斯高原的東南，毛烏素沙漠與陜北黃土高原的接壤地帶，主要地貌單元有風沙地貌、黃土地貌及河谷地貌三種類型。區內主要分為榆溪河流域和禿尾河流域，少部分屬于窟野河流域，都屬于黃河水系。較大的湖泊紅堿淖，面積約67km2，平均水深6～7m，最深20m，水質微咸。

圖1

研究區根據開采現狀和勘察現狀主要劃分四個規劃區：一、二期規劃區目前已達到開采階段，二期部分地區已勘察結束；三期規劃區已達到詳細勘察階段，各井田涌水量已作出預測分析；四期規劃區大部分區域處于普查階段，個別區域處于找煤階段。

2 研究區煤- 水- 生態環境關系

由于區域內表層多為砂層及滲透性較強的地層，降水入滲作用強烈，使得本區域內地下水資源較豐富。研究區內垂向分層為：上層為表生生態環境，地下水賦存與中部，每層分布于最底層，從而形成生態環境脆弱區-- 水資源賦存區—煤炭資源賦存區三位一體的空間格局。煤炭的開采促進了區域經濟的發展，良好的生態環境和豐富的水資源也是經濟發展的重要保障。然而，研究區煤炭的開采已造成地下水位下降和地面沉降等地質環境問題，對工農業生產和生活初步造成了影響。因此，正確分析三者之間的關系是煤炭開采區保護水資源和生態環境的前提條件。

2.1 含水層- 煤層關系

研究區富水性較好的含水巖組是薩拉烏蘇組，該含水層水質較好，是該地區內主要的生活水源，也是該地區主要的表生生態水源，同時是采煤過程中的主要的含水層[1]。研究區內，含水層與煤層關系總體上為含水層在上，下覆煤層，水煤關系剖面圖如圖2 所示。

2.2 水- 生態環境關系

本區屬于半干旱地區，生態環境容易受到破壞，地下水動態水位與表生生態環境的聯系十分緊密。生態環境對地下水的依賴作用十分顯著。區域內河流基流量變化量與相應流域地下水位埋深變化量之間的關系主要表現為：地下水位埋藏較淺時，河邊的水力梯度較大，地下水對給河水的補給量也較大，河流基流量較大，反之亦然。

區內另一環境問題為鹽漬化。灘地地下水位埋深較淺，鹽漬化程度較重，而區域內鹽堿地面積占灘地總面積的10%。區內灘地土壤鹽堿化程度可分為水平和垂直兩種現象。橫向上，灘地邊至灘地中心隨著地下水位埋深逐漸減小，由正常灘地逐漸漸轉變為輕度鹽堿地、中度鹽堿地和重度鹽堿地；垂向上，由于蒸發的影響，土壤中易溶鹽的成分由下至上含量逐漸增加，碳酸鹽含量逐漸減少[2]。

2.3 煤炭開采與生態環境關系

圖2 含水層- 煤層關系圖

在煤炭開采過程中，目前大部分采用少支撐、不回填的開采方式，這種開采方式對當地的生態環境破壞嚴重，一般形成了采空區，容易造成塌陷，破壞了含水層水力聯系，導致地下水大量流失。煤炭開發對地下水的影響主要有地下水位下降、泉流量衰減、水質惡化、形成地裂縫及地面塌陷、天然植被出現退化，發育不良等現象。

3 水文地質概念模型和數學模型

3.1 水文地質條件

研究區主要地下水資源賦存于薩拉烏蘇組含水層和燒變巖含水層里。薩拉烏蘇組含水層的巖性主要以細砂和中砂為主，厚度有明顯差異，該含水層水位埋藏較淺。燒變巖地下水的來源主要靠南部沙層潛水的側向補給，排泄則以下降泉的形式排泄，故泉水出露較多。

研究區內地下水主要補給來源為大氣降水和農用灌溉回歸水；西北側來自內蒙古方向的側向地下徑流補給；紅堿淖地區主要受大氣降水、地表水以及潛水補給。地表水與地下水分水嶺基本一致，主要表現為集中向榆溪河與禿尾河匯集。區域內地下水排泄主要有蒸發排泄、向河流排泄、人工開采等方式。

3.2 邊界條件

模擬區地下水總體由四周向河流匯流；BC、DE 段地下水等水位線基本與邊界垂直，可概化為隔水邊界；AE 段有來自內蒙方向的地下水側向徑流補給可概化第二類流量邊界；取榆溪河西南部與禿尾河東南部，定為流量邊界。模型區域的上層為潛水面，在該層上主要有降水入滲、潛水蒸發、農灌水回歸補給、人工開采等垂向水量交換作用，概化為潛水面邊界；模型底面為侏羅系砂泥巖，可概化為隔水邊界。據此將研究區地下水流概化為非均質各向同性三維非穩定流（圖3）。

圖3 水文地質概念模型

3.3 地下水流數學模型

由以上水文地質概念模型可以建立本研究區地下水流數值模型為：

式中，Ω——榆神礦區模擬區域；

H——榆神礦區單元格內水頭（m）；

K——含水層的滲透系數（m/d）；

Ss——儲水率（1/m）；

μ——給水度；

W——外界補給排泄量（補給為正，排泄為負）（m3/d·m2）；

Q——開采強度（m2/d）；

4 地下水流數值模擬模型

4.1 水均衡法計算水資源量

榆神礦區補給資源量主要為降水入滲補給量8.04108m3/a；側向徑流補給量0.23×108m3/a；灌溉水回歸補給量0.05×108m3/a。區內排泄資源量主要為潛水蒸發排泄量3.09×108m3/a；河川排泄量4.75108m3/a；地下水開采量0.31×108m3/a。

4.2 計算域剖分

數學模型的計算求解主要運用visual Modflow 軟件中的計算模塊[3]。模擬面積共5265Km2，根據含水層分布特征，將模擬區在垂向上主要分為3 層，平面上按ΔX=ΔY=1000m 的網格剖分。

4.3 模型識別與驗證

以各種源匯項和動態資料為依據，將2005 年的地下水流場作為模型識別期的初始流場（如圖4-1），將2005 年10 月10日—2006 年8 月10 日模擬區的地下水動態觀測數據和源匯數據對模型進行識別。利用識別的參數選用2015 年12 月25 日—2016 年4 月30 日的動態和源匯項資料對模型進行驗證。

圖4-1 潛水初始流場圖圖

圖4-2 模型識別期間典型觀測孔水位擬合曲線圖

圖4-3 模型驗證期間典型觀測孔水位擬合曲線圖

5 榆神礦區礦坑涌水量閾值研究

煤炭開采過程中，圍巖中的地下水向礦井滲漏，導致原有水均衡被打破，這樣使富水性較好的含水層的發生越流或增加越流量[4]。為在模型中設置這一越流過程，可以根據模擬區內礦井投產的時間和該區域的水文地質條件，在主要含水巖層設置排水井，并設置礦井的開采時間。由此，當排水量較小時，造成礦井涌水過大，流場不穩定；而排水量與礦井涌水量相當時，此時排出的水量即為礦井水，流場趨于穩定；排水量大于礦井涌水量時，礦井水在一定時間內被疏干，此時排水井停止運行。因此計算礦井涌水量的關鍵點在于設置的排水井能夠保證流場的穩定性。

模型識別期與驗證期的邊界條件和性質保持一致，而降水量和蒸發量的分配按該區域的多年平均值輸入該模型。

經過調試和運行后，含水層的流場趨于穩定且模型運行至20 年末時刻，以此時刻模型計算水均衡中涌水量作為礦坑涌水量最終閾值。20 年模擬期內礦坑涌水量為15680.07×104m3/a，其中一、二期規劃區為8205.09×104m3/a，三、四期規劃區分別為3139.43×104m3/a、4335.55×104m3/a。

圖5 不同時期地下水流場圖與降深圖

6 結論

6.1 榆神礦區含水層、煤層與生態環境空間結構為：生態環境在上部，含水層在中部，煤層在底部；三者相互聯系，相互影響，礦坑涌水量閾值研究可為三者合理開發利用提供技術參考。

6.2 根據已有水文地質資料，確定各源匯項水資源量，運用MODFLOW 建立榆神礦區地下水流模擬模型。通過分析實測流場圖與計算流場圖擬合程度以及動態觀測孔實際水位與計算水位擬合程度確定最終模型。

6.3 煤炭開采15 年-20 年之間為降深場穩定時期，以20年末時刻模型計算涌水量值作為礦坑涌水量閾值。根據煤炭開采設計排水量模擬預測礦坑涌水量閾值為42.96×104m3/d。