基于GMS的水文地質數值模擬研究

【摘要】" " 礦產資源和環境受到經濟發展以及人類環保意識的影響，逐漸從礦產地質轉化為環境資源地質，這教育資源開發與環境保護的協調發展開辟了重要道路，結合我國國情和能源發展的一系列客觀條件，可以發現我國長時間內最主要的一次性能源就是煤炭資源，在今后的發展與建設過程中，煤礦產業需要注重環保安全的同時，關注效益增長，促進煤炭產業集中度和機械化程度的不斷提升，這些都將對煤炭地質工作帶來更嚴格的標準，水文地質工程中占有很重要的地位。煤炭資源促進了我國經濟社會發展，但煤炭資源的開采對生態環境產生了不可忽視的影響，例如：地層沉降下陷、地面出現裂縫、地下水水位下降等一系列不良后果，同時，開采的工作人員如果遇到滲水現象會出現威脅到安全的危險。常年的開采生產過程中破壞了原有的水文地質環境，從而影響到內含水層的水位、水量變化。因此，本文借助地下水模擬系統對青海省內的煤礦進行預測模擬，煤炭的開采是否會影響到區域內地下水。

【關鍵詞】" " 水文地質" " 數值研究" " 地下水模擬系統

引言：

在某一段歷史時期中，會形成一定的地質和自然條件，然而隨著環境和生態狀況的不斷轉換，地質也會產生不斷的變化。在某一地區內，由于人類活動的痕跡相對輕微，所以自然因素是對環境變化產生控制的最重要的因素，人為因素的影響可忽略不計，例如地殼運動、地貌、氣候等，我們可稱為這是自然環境的原始狀態，這種原始狀態與當今人類大規模的活動而言，相比屬于最初始的狀態[1]。在原始狀態下，自然因素中的很多因素作用緩慢而且規律性強，這種特性有時候是不可抗拒的，因此，尋求自然規律是很重要的，人類活動在一定程度上改變了自然狀態，但不可違背其規律，一旦打破規律自然環境的不平衡會導致生態的破壞，從而影響人類社會。由于我國煤礦開采不受節制，煤礦地層上的含水層受到嚴重破壞是的是的，隨著我國煤礦的不斷開采，煤礦地層上伏含水層遭到嚴重破壞，對開采周圍的水資源與生態環境產生了一定的影響。因此對煤礦開采區域建立地下水模型有重要意義。

一、GMS軟件簡介

GMS是地下水模擬系統的簡稱，它的形成是在Modflw和Modpath等現有模型的基礎上利用Brigham young Univcrsity大學環境建模研究實驗室開發而成的一種綜合地下水模擬軟件，這種軟件能夠實現全方位多層次的圖形系統模報，整個GMS系統的組成，包括程序頁和代碼區。從整體上來講，肝系統相對寬泛，能夠支持很多類型的模擬，它能夠實現數據和模型之間的信息共享。

GMS共有12個模塊，每一個程序模塊都對應著不同的數據類型模塊，件在進行切換時，動態工具面板與菜單欄也會隨之切換，所以在建模過程中要重點關注使用的工具和命令，Map模塊、Borehole模塊、Solid模塊等都是GMS支持的模塊。

1.1地質模型的建立

地質模型的建立和地下水數值模型的成功之間有著直接關系，需要在建立模型之前獲取鉆孔的實際數據，對地層單元進行劃分，從而給予對應的參數賦值。在確定好研究范圍以后，應首先對鉆孔的現在數據進行編號整理，然后利用CMS軟件進行鉆孔定位，同時確定好鉆孔的分布圖，再利用Borehole將鉆孔數據傳輸到GMS中，利用Tins進行三角剖分，使用Soild Module生成三維地質圖[3]。

二、水文地質條件

青海地區晝夜溫差大，氣候相對寒冷，空氣中的含氧量相對較低，全年平均氣候大概在零下5.1℃，每年的1～2月是最低氣溫的集中月份，最低可達零下36℃左右，7～8月則是青海地區最高氣溫的時期，最高可達19.5℃。青海地區每年降水量平均控制在500毫米左右，最大蒸發量則超過1200毫米，這樣的氣候導致青海地區寒冷，多風，凍土發育，自然條件相對惡劣，屬于高原高寒地區，1～4月份是青海地區的強風季節，正西或西南風偏多，那風速可達每秒18米[4]。在平面上多年凍土，呈現出連續分布的態勢及厚度達40～150米，受到季節變化的影響，每年4月份動土從表層開始融化，融化深度最多能達到5米左右。地層巖性：

1.元古界（Pt）：分布的主要區域集中在西部和西北部，呈現出較深變質的綠色片巖和片麻巖等。均為遭受不同程度混合巖化的以黑云斜長片麻巖、云母石英片巖和角閃斜長片麻巖、斜長角閃巖為主要巖性的云英質、長英質、角閃質等片巖和片麻巖組成，夾石英巖、變礫巖、大理巖等，基本上是一套含有變質侵入巖（正片麻巖）的活動性泥砂質和火山質的變質巖巖石組合。

2.中元古界下部（Pt21）：該部以中祁連帶發育最好，按巖石組合可分成上、下兩段。下段：灰、灰白、乳白等色石英巖夾千枚巖或板巖，厚164—814米。西部石英巖純度偏低，巖石色調紫色者較多；東部湟源縣塔灣—洪河日河一帶，近底部時有石英礫巖出現。上段：灰色或雜色千枚巖或板巖、硅質或砂質千枚巖或板巖、粉砂巖、石英細砂巖的間互層，夾硅質巖、千枚狀結晶灰巖；厚453—3000余米。

3.中元古界上部（Pt22）：該部仍以中祁連帶發育最好，而且分部也相對較廣，包括阿爾金山在內的柴北元代和東昆侖代則是分段集中分布，這一部分組成的主要巖石包括白云巖、白云質灰巖或白云石大理巖及結晶灰巖等，普遍含硅質或硅質條帶（局部構成硅質巖層），一般鎂質含量以東昆侖帶和中祁連帶東部的湟源地區相對富集。

4.新元古界（Pt3）：灰色板巖和粉砂巖是這一部分的主體巖性，前者是以粘板巖為主，其間包括粉，砂質、碳質、硅質等板巖呈夾層，剖面的上部常有白云巖或白云質灰巖夾層，下部則夾石英砂巖和長石石英砂巖，底部普遍有厚薄不一（26—200米）的礫巖（石英質或白云質）或含礫粗砂巖，與下伏中元古界上部碳酸鹽巖地層呈平行不整合關系。

三、地下水類型

1.松散巖類孔隙水：干旱荒漠盆地、山間盆地的山前平原和河谷平原的第四系砂礫石、卵礫石、含泥質砂礫石及砂層中是這類地下水的主要分布區域，地下水有潛水也有承壓，自流水在省內地下水中是資源最豐富，開采最有力的含水層[5]。按地層結構和地形地貌特征，孔隙承壓水含水層大致可分為兩種類型。沖洪積扇前緣細土平原多層結構承壓自流水含水層，在柴達木盆地南部最為典型。含水層巖性為中細砂、含礫石粗砂、粉細砂等。在200米以內可見2個～6個含水層，總厚度約105米，水位高出地表20米左右，單位涌水量0.5升/秒～3.0升/秒每米，礦化度小于1克/升；山間盆地多層結構承壓自流水含水層，主要分布在柴達木北部各山間盆地以及青海湖、茶卡、共和等山間盆地。受山間盆地規模控制，承壓自流水含水層的分布、厚度、富水性、水動力及水化學條件等變化及差異較大。

2.碎屑巖類孔隙裂隙水：碎屑巖類孔隙裂隙水，第三系、白堊系、侏羅系等中、新生界碎屑巖是這一類型地下水的主要分布地區。砂礫巖及泥頁巖孔隙裂隙潛水含水層，受大氣降水補給制約，流量極不穩定；砂礫巖、砂巖孔隙裂隙承壓自流水含水層，富水性及水質差異較大。

3.碳酸鹽巖類裂隙溶洞水：侏羅紀以前的灰巖、結晶灰巖、大理巖、白云巖及其所夾的砂板巖、火山碎屑巖的裂隙溶洞中是這一類地下水分布的主要區域通常情況下是以下降泉的形式，沿著構造裂隙或曾經溶洞傾瀉而出，裂隙溶洞水水化學類型比較單一，多屬重碳酸鈣鎂型，礦化度多小于1克/升。

4.基巖裂隙水：前中生代各種沉積變質巖、侵入巖的風化裂隙、構造裂隙中是這種地下水存在的主要區域。由于在不同的地貌氣候和構造條件下，富水性很不均勻，所以埋藏相差懸殊，水質變化也比較復雜。

5.凍結層化：祁連山地及青南高原中緯度高海拔多年凍土區的松散巖類孔隙及基巖裂隙中使這種類型地下水的主要存在區域，在柴達木盆地東北部1 4200米以上的高山區，季節性凍結層上水較發育，形成許多高山沼澤，單泉流量小于100噸/日，礦化度小于0.2克/升[6]。

四、地下水動態

1.湟水山間河谷平原區：大氣降水和季節性河水入滲是主要的補給來源，蒸發是排泄的主要途徑，所以大氣降水和季節會對其水位水量變化產生直接的控制，結合過去的動態觀測資料，能夠發現每年的6～10月中旬是最高水位出現的主要時期，而10月中旬到翌年的4月中旬，凍結年變幅將會隨著季節和降雨強度的變化而產生變化，水位平均下降0.004m，為地下水相對穩定區，其中西寧市地下水位下降面積378.00Km2，降幅0.02m；互助縣地下水位平均升幅0.16m，為地下水位相對穩定區[7]。

2.柴達木盆地南部昆侖山前傾平原區：諾木洪平原區地下水位相對穩定面積225.00Km2，弱下降面積75.00Km2，平均降幅0.36m，為地下水位相對穩定區；格爾木地區相對穩定面積258.30Km2，平均升幅0.69m為地下水位弱上升區。

3.柴達木盆地北部德令哈地區：平均降幅0.52m，其中地下水位相對穩定區面積160.00Km2，降幅0.31m；弱下降區面積240.00Km2，降幅0.67m。

五、結束語

隨著社會經濟的快速發展，地下水模擬系統技術在礦區的水文地質問題的研究分析中得到了廣泛的應用，主要用于對地下水動態及涌水量的分析，對于礦區的開采來說，還不能對其關鍵的水文地質條件進行認識[8]，因此主要將礦區的地下水動態作為研究的主要目標，利用地下水模擬系統，對礦區存在的水質地質問題進行有效的預測，更好地準確進行開采工作，避免開采工作出現危險因素，從而產生不必要的損失。

參考文獻

[1]楊勁枝、丁文萍、張巖、許英威.基于GMS的河北文安包氣帶三維地層模型構建[J].地下水，2020，207（6）：13-15.

[2]臺寧寧，黎應書，徐世光，等.GMS在地下水溶質運移數值模擬預測中的應用＼r——以云南隴川縣某灌區水庫建設為例[J].中國水運（下半月），2019，19（7）：74-76.

[3]魏亞強，陳堅，文一，等.中國地下水污染模擬預測標準體系研究現狀[J].環境污染與防治，2019，41（11）：1387-1392.

[4]朱君妍，李翠梅，賀靖雄，等.GMS模型的水文水質模擬應用研究[J].水文，2019，39（1）：68-75.

[5]張艷，王玉清，李鐸，等.內蒙古臨河地區地下水水位預測研究[J].河北地質大學學報，2020，43（1）：52-56.

[6]Jiang Y，Xi B ，Li R ，et al.Advances in Fe（Ⅲ）bioreduction and its application prospect for groundwater remediation：A review[J].中國環境科學與工程前沿：英文版，2019，13（6）：11-21.

[7]Huseen M R ，Abed B S .Groundwater Simulation and Wells Distribution at Qazaniyah City in Diyala Governorate[J].University of Baghdad Engineering Journal，2020，26（9）：95-113.

[8]王新，郭小銘.越層水文地質現象及對煤礦防治水的影響研究[J].煤炭科學技術，2020，549（8）：155-161.