地下水動態(tài)監(jiān)測與實(shí)時預(yù)報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)建研究

曹曉彬

(河北省邯鄲水文勘測研究中心，河北 邯鄲 056001)

1 研究方法

1.1 基于信息反饋機(jī)制的涌水量預(yù)測

以邯鄲市某礦區(qū)作為研究對象，對礦區(qū)的涌水量進(jìn)行預(yù)測研究，該礦區(qū)寬33.1 km，長33.3 km，占地面積約658 km2，礦區(qū)內(nèi)共有6個生產(chǎn)礦井及其他礦井8個，礦區(qū)水資源總量約為49 120萬m3/a。

目前常用的礦坑涌水量預(yù)測方法有四種，分別是解析法、數(shù)值法、水文地質(zhì)比擬法及水均衡法，其中解析法分為穩(wěn)定井流解析，非穩(wěn)定井流解析；數(shù)值法分為有限元法，有限拆分法。由于解析法適應(yīng)能力強(qiáng)，且簡潔、高效、經(jīng)濟(jì)，因此，使用率較高，解析法可通過井流理論，及等效原則，構(gòu)造一個集合了各種井巷及坑道系統(tǒng)的大井，此時，大井的涌水量就是整個坑道的涌水量，可利用大井對礦坑的涌水量進(jìn)行預(yù)測。由于該礦區(qū)處于灰?guī)r地帶，其地下水的運(yùn)動規(guī)律符合Darcy理論，因此，研究采用公式(1)計(jì)算基巖區(qū)涌水量。

(1)

式中：Q為礦坑涌水量，m3/d；K為灰?guī)r地帶巖溶承壓含水層平均滲透系數(shù)，m/d；H為礦床范圍內(nèi)灰?guī)r地帶平均水位高度，m；M為灰?guī)r地帶巖溶承壓含水層平均厚度，m；R0為引用影響半徑，m；r0為引用半徑，m。數(shù)值法預(yù)測礦坑涌水量則因?yàn)樵u價精度較高，且可以較為真實(shí)的翻譯水文地質(zhì)的概化模型，也常被用于礦坑地區(qū)的涌水量監(jiān)測，該方法需用到地下水模擬軟件，建立地下水水流模型，目前最常用的模擬軟件為MODFLOW軟件，其基本方程式如式(2)[1-2]：

(2)

式中：x，y，z分別為空間坐標(biāo)的三個方向；W為非平衡狀態(tài)下通過均質(zhì)、各向同性土壤截止單位體積的流量，即地下水的源與匯，m3/d；μ為彈性釋水系數(shù)。信息反饋機(jī)制是一種常見的信息技術(shù)，利用信息思維方式，將工程地質(zhì)、設(shè)計(jì)及施工視為動態(tài)變化的，并探討三者之間的相互作用關(guān)系，從而通過三者之二對另外一個信息進(jìn)行更正及與預(yù)測。利用信息反饋技術(shù)預(yù)測礦坑涌水量需先建立地質(zhì)模型與水文地質(zhì)概念模型，以邯鄲某礦區(qū)作為研究對象，該地區(qū)的三維底層結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 邯鄲某礦區(qū)三維地層結(jié)構(gòu)

利用該地區(qū)的三維地層結(jié)構(gòu)即可構(gòu)建該地區(qū)的地質(zhì)模型，再根據(jù)邯鄲礦區(qū)的河流水系即可構(gòu)建該地區(qū)的水位地質(zhì)概念模型，從而完成利用信息反饋建立礦坑涌水量的預(yù)測模型，根據(jù)水文地質(zhì)概念模型即可建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，如式(3)[3-4]：

(3)

式中：H(x，y，z，t)為地下初始水位，m；H0(x，y，z)為H(x，y，z，t)在t0=0時的地下水初始水位，m；H1(x，y，z，t)為模擬期邊界處的地下水水位，m；D為模擬區(qū)范圍；Γ1為第一類水頭邊界；Γ2為第二類流量邊界；t為時間，d。礦坑涌水量預(yù)測模型包含三個部分，首先是含水層的系統(tǒng)識別，其次是水文地質(zhì)參數(shù)的確定，最后是模擬時段的選擇，完成上述三個部分后，利用預(yù)測模型進(jìn)行水位識別及參數(shù)識別即可。

1.2 地下水動態(tài)監(jiān)測與預(yù)報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)建

以邯鄲市某礦區(qū)作為研究對象，將礦區(qū)開采時遺留的抽水孔作為觀測孔，通過這些觀測孔對該礦區(qū)的地下水動態(tài)進(jìn)行監(jiān)測及實(shí)時預(yù)報(bào)，研究構(gòu)建地下水動態(tài)監(jiān)測及實(shí)時預(yù)報(bào)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 地下水動態(tài)監(jiān)測及實(shí)時預(yù)報(bào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由兩個模塊組成，分別是核心計(jì)算模塊與輔助支持模塊，核心計(jì)算模塊負(fù)責(zé)通過觀測孔進(jìn)行地下水動態(tài)監(jiān)測及實(shí)時預(yù)報(bào)，輔助支持模塊由數(shù)據(jù)監(jiān)測獲取模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及結(jié)果可視化模塊。由于研究搭建的地下動態(tài)監(jiān)測與實(shí)時預(yù)報(bào)系統(tǒng)，是為了反映礦場開采對當(dāng)?shù)厮Y源環(huán)境的影響，因此，監(jiān)測目標(biāo)僅包括水位監(jiān)測及水質(zhì)監(jiān)測，水位監(jiān)測采用地面監(jiān)測井，因此地面部分?jǐn)?shù)據(jù)獲取采用人工記錄的方法，地下部分則采用壓力式水位讀取計(jì)進(jìn)行獲取；水質(zhì)監(jiān)測的數(shù)據(jù)獲取采用人工取樣，實(shí)驗(yàn)室分析的方式(本文僅對水位進(jìn)行研究)。數(shù)據(jù)獲取后輸入系統(tǒng)，對這些監(jiān)測信息進(jìn)行處理，研究構(gòu)建的系統(tǒng)的監(jiān)測信息處理方式分為三種，第一種是日報(bào)表，該方式每一個小時對應(yīng)一個數(shù)據(jù)；第二種是月報(bào)表，該方式每一天對應(yīng)一個數(shù)據(jù)；第三種是年報(bào)表，該方式每一個月對應(yīng)一個數(shù)據(jù)。在經(jīng)過礦區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)的補(bǔ)充后，礦坑涌水量的數(shù)據(jù)將更為準(zhǔn)確，更貼近礦區(qū)的實(shí)際情況。

2 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

研究利用試錯法，根據(jù)抽水期間觀測得到的地下水水位資料，對模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，再選取兩個水位觀測孔進(jìn)行模型的水位識別調(diào)試，結(jié)果見圖3。

圖3 水文觀測孔水位擬合曲線

由圖3(a)SK12水文觀測孔的水位擬合曲線可見，在40 min之前，模型的擬合效果較差，40～110 min時，模型計(jì)算水位與觀測實(shí)際水位基本一致；在110～390 min時，模型的計(jì)算水位總是高于觀測實(shí)際水位；在290 min時，模型計(jì)算結(jié)果與觀測實(shí)際結(jié)果差距較大，而后模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測結(jié)果基本一致。圖3(b)SK22水文觀測孔的水位擬合曲線可見，在120 min前，模型的計(jì)算結(jié)果總是低于觀測的實(shí)際結(jié)果，模型的初始計(jì)算結(jié)果為4.81 m，觀測的實(shí)際結(jié)果為4.85 m；在120～250 min時，除200 min左右，其他時間模型的計(jì)算結(jié)果與觀測的實(shí)際結(jié)果擬合較好；200 min左右時，觀測的實(shí)際結(jié)果出現(xiàn)了較明顯的水位下降；在250 min后，模型計(jì)算結(jié)果與觀測實(shí)際結(jié)果之間總是有一定的誤差，但誤差均控制在10 cm以內(nèi)。模型在兩個觀測孔的水位擬合效果都較好，僅在個別時間段誤差較大，確定模型的擬合效果后，研究對礦區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了修改，并對修改參數(shù)后的模型進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見圖4。

圖4 修改參數(shù)后模型的驗(yàn)證結(jié)果

由圖4(a)SK12的水位擬合曲線可見，在5000 s以前，模型的計(jì)算結(jié)果與觀測孔的實(shí)際結(jié)果差較大，在3000 s時，模型的計(jì)算結(jié)果為4.61 m，觀測孔的實(shí)際結(jié)果為4.74 m；在5000 s以后，模型的計(jì)算結(jié)果與觀測孔的實(shí)際觀測結(jié)果基本一致。圖4(b)為礦坑涌水量預(yù)測模型，在地下240 m及地下320 m處的預(yù)測結(jié)果可見，在相同的時間內(nèi)，開采深度越深，礦坑涌水量越大；開采365 d時，地下240 m處的礦坑涌水量為7430 m3/d，地下320 m處的礦坑涌水量為9130 m3/d，開采深度下降了80 m，礦坑涌水量增加了1700 m3/d；開采時間越久，礦坑涌水量變化越小，開采730 d時，地下240 m處的礦坑涌水量為7280 m3/d，開采1460 d后，地下240 m處的礦坑涌水量為6830 m3/d，開采時間增加了兩年，礦坑涌水量下降了450 m3/d。最后研究比較了原模型與信息反饋后模型在不同開采水平的礦坑涌水量，結(jié)果見表1。

表1 不同開采水平的礦坑涌水量

由表1中可見，原模型預(yù)測在東埂開采深度為地下180 m時，Ⅰ期工程的最大礦坑涌水量為23 400 m3/d，平均涌水量為18 240 m3/d；Ⅱ期工程時，礦用涌水量有所下降，礦坑最大涌水量為14 600 m3/d，平均涌水量為10 398 m3/d；Ⅲ期工程時，礦坑涌水量出現(xiàn)明顯下降，此時最大涌水量為5000 m3/d，平均涌水量僅3877 m3/d。金龍開采深度為地下360 m時，原模型預(yù)測的礦坑涌水量較低，Ⅰ期工程的最大涌水量僅4500 m3/d，平均涌水量僅2745 m3/d；Ⅱ期工程的礦坑涌水量更低，最大涌水量為3500 m3/d，平均涌水量為1817 m3/d。信息反饋后模型在開采深度為地下180 m時，礦坑最大涌水量為20 000 m3/d，平均涌水量為12 000 m3/d；開采深度為地下240 m時，礦坑最大涌水量為76 000 m3/d，平均涌水量為70 000 m3/d；開采深度為地下320 m時，礦坑最大涌水量為95 000 m3/d，平均涌水量為82 000 m3/d；開采深度為地下480 m時，礦坑最大涌水量為65 000 m3/d，平均涌水量為47 000 m3/d。原模型在預(yù)測礦坑涌水量時，隨著工期的推進(jìn)，涌水量逐漸減小，信息反饋后模型在預(yù)測礦坑涌水量時，隨著開采深度的增加，涌水量逐漸增加，直到地下320 m為止，開采深度超過地下320 m后，礦坑涌水量開始下降。

3 結(jié) 論

研究提出利用信息反饋技術(shù)建立礦坑涌水量預(yù)測模型，可以很好地?cái)M合礦區(qū)地下水位高度，在5000 s以后，模型的計(jì)算結(jié)果與觀測孔的實(shí)際觀測結(jié)果基本一致，信息反饋后模型在預(yù)測礦坑涌水量時，開采深度為地下320 m時，礦坑最大涌水量為95 000 m3/d。研究構(gòu)建的模型可以有效地反映礦區(qū)的水環(huán)境變化，但未針對礦坑涌水量的變化制定改善方案。