復雜斷層礦區地下水三維數值模擬

朱 君,安瑞瑞

(1.中國輻射防護研究院,山西 太原 030006; 2.山西晉環科源環境資源科技有限公司,山西 太原 030024)

隨著地下水數值模擬技術的發展,應用該技術反映礦區地下水動態變化已是目前最常用的方法,國際上通用的商業軟件有Visual Modflow、GMS、FEMWATER、FEFLOW等。如何提高數值模擬的精準度使之更加符合實際情況是亟待解決的問題。礦區斷層構造復雜,有的區域甚至縱橫交錯,斷層的概化和處理成為影響模擬結果的一個重要因素。目前,國內在地下水數值模擬中能概化三維斷層并應用到模型中的實例很少,普遍的做法是將斷層兩側地層的滲透系數分區取值,或者與相鄰含水層視為一個系統。而考慮斷層因素的情況也是應用Visual Modflow、GMS針對單斷層的簡單構造區,Visual Modflow和GMS采用有限差分法,缺點是網格剖分方向必須與斷層走向一致,見圖1中的Fa、Fb；否則概化斷層的網格呈“鋸齒”狀,見圖1中的Fc,影響計算結果的收斂性和精度,顯然在復雜斷層區域采用有限差分法已無法滿足精度要求[1-5]。FEMWATER和FEFLOW采用有限節點法,能夠消除“鋸齒”狀網格的不利影響,更好地描述復雜的斷層構造,模擬計算結果更加真實[6-8]。國外應用FEFLOW在地下水模型中對復雜斷層的概化已經能夠做得非常精準,因此國內亟須彌補差距[9-13]。本文以內蒙古某煤礦內的10條斷層為例,建立復雜斷層區的地下水三維數值模型。

圖1 有限差分法斷層概化示意圖

1 研究區概況

1.1 基本情況

研究礦區位于內蒙古自治區與寧夏回族自治區交界處,屬于華北地臺、鄂爾多斯盆地西緣褶皺沖斷帶的北段,即賀蘭山—橫山段。褶皺、斷裂較發育,褶皺軸向及主要斷裂多呈近南北向展布,其次為北東—北東東向斷裂及北西向斷裂。總體構造形態為受斷層切割的單斜,地層總體東傾,走向近南北,在單斜基礎上發育次級褶曲和少量斷層。

1.2 構造特征

礦區內共有10條斷層,其中逆斷層6條(F1、F2、F3、F5、F6、F8),正斷層4條(F4、F7、F9、F10),均屬于傾斜斷層,錯斷了新近系以下地層,斷層特征見表1。

表1 斷層特征

1.3 水文地質條件

礦區開采煤層位于二疊系山西組,上覆含水層從上至下為第四系松散孔隙含水層,厚2.05～59.50 m,主要以大氣降水補給,受下伏新近系黏土隔水層控制,厚度82.60～397.32 m,由東北向西南徑流。新近系下部砂礫石層含水層,厚度5.45～60.48 m,平均厚19.78 m,孔隙發育,透水性好,為該地區富水性最佳的含水層,主要接受區域側向補給,由西北向東南徑流。二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層,厚128.06～638.76 m,主要接受上覆新近系砂礫石層含水層補給,由西北向東南徑流。二疊系山西組砂巖裂隙含水層,厚24.42～121.69 m,主要接受上覆新近系砂礫石層含水層越流補給和二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層直接補給,由西北向東南徑流。因此二疊系砂巖裂隙含水層與新近系砂礫石層含水層地下水有著相同的變化規律。

2 地下水數值模擬

2.1 模擬區及邊界條件

模型的東邊界(AB段),以蔥溝斷層為界,概化為流量邊界。模型的北邊界(AD段)、南邊界(BC段),大致以地下水流線為界,概化為流量邊界。模型的西邊界(CD段),以已知水頭為界,概化為定水頭邊界。模擬區面積約130 km2,基本概況見圖2。

圖2 模擬區基本概況示意圖

2.2 目標含水層概化

開采煤層上覆4含水層,分別為第四系松散孔隙含水層、新近系砂礫石含水層、二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層和二疊系山西組砂巖裂隙含水層。另外第四系松散孔隙含水層與新近系砂礫石含水層之間有82.60～397.32 m的黏土層,可視為弱透水層,因此整個模擬區自上而下劃分為5層(表2)。

表2 目標含水層概化情況

2.3 斷層概化

礦區內的10條斷層均屬于傾斜斷層,傾角在70°～75°之間,縱橫交錯,較為復雜,故將傾斜斷層處理為垂直斷層。空間離散時,垂向上分為5層,斷層處網格加密,共生成三角網格370 060個,節點217 537個。網絡剖分示意圖見圖3,斷層概化三維示意圖見圖4。

圖5 各含水層抽水歷時曲線

圖3 網格剖分示意圖

圖4 斷層概化三維示意圖

2.4 水文地質參數

水文地質參數的取值,包括含水層、弱透水層、斷層x、y、z方向的主滲透系數Kxx、Kyy、Kzz、彈性釋水系數Sy、單位貯存量Ss。滲透系數的取值主要是參考礦區及相鄰礦區的抽水試驗資料,抽水歷時曲線見圖5,圖中S為水位降深,Q為流量,得到第四系松散孔隙含水層、新近系砂礫石含水層、二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層、二疊系山西組砂巖裂隙含水層水平方向的滲透系數Kxx、Kyy,垂直方向的滲透系數Kzz一般為水平方向滲透系數的1/10[9-12]。另外,根據礦區《水文地質勘查成果報告》,斷層透水,滲透系數約為相鄰含水層的10倍,經模型校核后確定該參數取值。彈性釋水系數Sy、單位貯存量Ss主要取經驗值。另外,第四系松散孔隙含水層根據水文地質參數不同分為A、B 2個區。具體取值情況見圖6和表3。

圖6 第四系松散孔隙含水層水文地質參數分區

地層概化層分區Kxx/(m·d-1)Kyy/(m·d-1)Kzz/(m·d-1)SySs/m-1Q松散孔隙含水層A6.56.50.650.180.00013B10.8910.891.0890.250.00049N2弱透水層8.64×10-68.64×10-68.64×10-70.00082.6×10-5砂礫石含水層2.32722.32720.23720.350.001Psh砂巖裂隙含水層0.00340.00340.000340.026.9×10-5斷層0.0340.0340.0340.026.9×10-5P1s砂巖裂隙含水層0.003730.003730.0003730.036.9×10-5斷層0.03730.03730.03730.036.9×10-5

2.5 模型識別與驗證

模擬區內共有12個第四系松散孔隙含水層地下水水位監測點,其位置分布見圖2。在2014年8月—2015年3月的一個連續水文年對該含水層的水位進行了監測,具體監測值見表4,從監測結果分析,在一個連續水文年中,所有點位水位變化幅度在0.56～0.61 m,可視為穩定流,將3期水位的平均值作為模型校核資料。

表4 第四系松散孔隙含水層水位監測值 m

圖7 第四系松散孔隙含水層水位擬合線

圖8 二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層水位擬合線

模型建立后,對比計算水位與監測水位的吻合程度(圖7～8),驗證模型的合理性和準確性。在加入疏干排水條件前,以穩定流模式運行模型,計算得到第四系松散孔隙含水層的初始水位分布值。該地區年平均降雨量為270.4 mm,降雨入滲系數經過模型驗證和校核后取0.12,輸入模型的降雨入滲量為32.85 mm/d。通過穩定流模型計算得到第四系松散孔隙含水層初始水位與實際監測水位的偏差范圍在0.39～1.83 m,其中偏差較大的有3處,分別是SMJ-11為1.69 m,SMJ-35為1.83 m,SMJ-44為1.74 m。其余監測點的偏差均小于0.72 m(表5)。

表5 擬合結果 m

表6 二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層監測水位與計算水位 m

表7 二疊系山西組砂巖裂隙含水層和新近系砂礫石含水層之間的水位關系

另外根據《水文地質勘查成果報告》,礦區有9個水文地質鉆孔監測過二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層水位(表6);2個水文地質鉆孔監測過二疊系山西組砂巖裂隙含水層和新近系砂礫石含水層之間的水位關系(表7)。由鉆孔ZK2803、ZK2805可知,新近系砂礫石含水層(E)、二疊系山西組砂巖裂隙含水層(P1s)水位相差不大,間接說明新近系砂礫石層含水層以下地層沒有穩定隔水層,二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層和二疊系山西組砂巖裂隙含水層主要靠新近系砂礫石含水層補給,地下水有著相同的變化規律。

二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層初始水位與實際監測水位的偏差范圍在0.33～2.51 m,根據以上2含水層水位擬合程度可知,建立的模型和水文地質參數的取值基本上能夠反映實際情況。第四系松散孔隙含水層計算水位等值線圖和二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層計算水位等值線見圖9～10。

圖9 第四系松散孔隙含水層計算水位等值線

圖10 二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層計算水位等值線

2.6 計算結果

根據冒落裂隙帶和導水裂隙帶計算,在煤層隱伏露頭處附近最大高度能導通新近系底部砂礫石含水層,礦區開采后正常涌水量為13 800 m3/d,垂向上地下水流速度加劇,將涌水量分采區、分時段輸入模型,并以非穩定流模型計算礦區開采30年后對地下水資源的影響,得到礦區開采30年水位等值線見圖11。預測結果顯示,開采后水位變化部分集中在新近系砂礫石含水層及以下區域,第四系松散孔隙含水層的水位等值線基本上沒有變化,分析原因是第四系松散孔隙含水層底部有厚度82.60～397.32 m的完整且連續的棕紅色黏土層,有效阻隔了地下水的滲漏和越流,對該含水層影響較小。

圖11 礦區開采30年后水位等值線

礦區開采30年后,二疊系山西組砂巖裂隙含水層、二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層、新近系砂礫石含水層形成以開采區為中心的降落漏斗,最大降深及影響面積詳見表8。分析原因是二疊系山西組煤層開采后,“兩帶”直接破壞二疊系山西組砂巖裂隙含水層、二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層下部以及煤層露頭處的新近系底部砂礫石含水層,加大了地下水的滲漏和越流。另外礦區內的10條透水斷層,形成滲水通道,加劇了上述含水層地下水的下滲。

表8 含水層水位降深、影響面積

圖12 開采30年后新近系砂礫石含水層水位及降深等值線

從預測結果來看(圖12～14),二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層與新近系砂礫石含水層的水位及水位降深等值線基本相似。原因是該地區二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層主要接受上覆新近系砂礫石層含水層補給,且兩含水層之間沒有隔水層,因此地下水有著相同的變化規律。

圖13 開采30年后二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層水位及降深等值線

圖14 開采30年后二疊系山西組砂巖裂隙含水層水位及降深等值線

3 結 論

復雜斷層的概化和處理方式是影響數值模擬結果的重要因素,本文以內蒙古某礦區中的10條錯綜復雜的斷層為研究對象,應用FEFLOW軟件將傾斜斷層簡化為垂直透水斷層,建立三維地下水數值模型,克服了以往Visual Modflow、GMS建模過程中斷層處“鋸齒”狀網格對計算結果收斂性和精度的影響,并預測了礦區開采30年后,對上覆各含水層地下水資源的破壞程度,二疊系山西組砂巖裂隙含水層、二疊系石盒子組砂巖裂隙含水層、新近系砂礫石含水層受到了不同程度的影響,而第四系松散孔隙含水層由于底部較厚且完整、連續的黏土層阻隔幾乎沒有受到影響。

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