數值法在巖溶地區地下水資源量計算中的研究應用

劉躍蔭

摘要：Visual MODFLOW4.1是由加拿大Watedoo水文地質公司在MODFLOW的基礎上開發研制而成，曾是國際上最為流行且被各國同行一致認可的三維地下水流和溶質運移模擬評價的標準可視化專業軟件系統。該軟件提供了求解地下水流有限差分公式的很多種方法，如強隱式迭代法SIP、逐次超松弛迭代法SOR、預調共扼梯度迭代法PCGZ、SSOR等，使模擬計算更加貼近實際，計算精度進一步提高。

關鍵詞：數值法；巖溶地區；地下水；可開采資源量

數學模型是建立在對天然地質體概念模型高度認識的基礎上進行的，要確定一個地下水流問題的數學模型，就必須進行水文地質測繪、鉆探、試驗，查明地質、水文地質條件。為了更精確地評價研究區的地下水資源量，預測地下水系統狀態及其變化趨勢。本次根據柳東區的水文地質條件、鉆孔、地下水水位動態，建立地下水系統模擬模型；在地層巖性、地質構造和地形地貌條件的控制下，柳東區的水文地質邊界清晰，屬于一個較完整的水文地質單元，模擬范圍以河間地塊地下水分水嶺與柳江為界。

1.地下水賦存介質概化

柳東區地形為峰林谷地一洼地地貌，地面高程一般80～380m，北面及南面有碳酸鹽巖山體出露，其余皆為第四系所覆蓋。模型三維立體展示如圖1所示。

本次地下水資源數值法評價采用地下水模擬軟件VisualMODFLOW4.1進行模擬。

Visual MODFLOW4.1是由加拿大Waterloo水文地質公司在MODFLOW的基礎上開發研制而成，曾是國際上最為流行且被各國同行一致認可的三維地下水流和溶質運移模擬評價的標準可視化專業軟件系統。該軟件提供了求解地下水流有限差分公式的很多種方法，如強隱式迭代法SIP、逐次超松弛迭代法SOR、預調共扼梯度迭代法PCGZ、SSOR等，使模擬計算更加貼近實際，計算精度進一步提高。

如圖，第四系覆蓋層之下地層有孤峰組下段（P2g1）、棲霞組（P2g）、南丹組（C2Pn）、馬平組（C2Pm）和黃龍組下段（c2h2）灰巖以及黃龍組上段（Ceh1）、大埔組（C2d）白云巖，受巖性及構造影響，該區巖溶裂隙、溶洞較發育，為地下水賦存提供有利條件。根據模擬區地下水系統含水介質的特點及水文地質條件，將含水層概化為兩層。

2含水層水力特征的概化

數學模型是建立在對天然地質體概念模型高度認識的基礎上進行的，要確定一個地下水流問題的數學模型，就必須進行水文地質測繪、鉆探、試驗，查明地質、水文地質條件。為了更精確地評價研究區的地下水資源量，預測地下水系統狀態及其變化趨勢。本次根據柳東區的水文地質條件、鉆孔、地下水水位動態，建立地下水系統模擬模型；在地層巖性、地質構造和地形地貌條件的控制下，柳東區的水文地質邊界清晰，屬于一個較完整的水文地質單元，模擬范圍以河間地塊地下水分水嶺與柳江為界。從空間上看，地下水流整體上以水平運動為主、垂向運動為輔，地下水系統的流入、輸出隨著時間、空間變化而變化，故該系統地下水為非穩定流；參數隨時間和空間變化，體現了系統的非均質性，在水平與垂向上有明顯的差異性，所以參數概化成各向異性。故將模擬區的地下水流作為非均質各向異性三維非穩定流處理。

3.柳東區邊界條件的概化

柳東區地形為峰林谷地一洼地地貌，地面高程一般80～380m，北面及南面有碳酸鹽巖山體出露，其余皆為第四系所覆蓋。上覆第四系粘土可視為相對隔水層，下伏碳酸鹽巖溶水含水層，稍具承壓性，以下對各個邊界概化作具體闡述。

1）側向邊界概化

①東西兩側為柳江河，河床切割較深，均切割基巖，河水流量較穩定，水流平緩，水位變幅小，可作為碳酸鹽巖溶水含水層第一類邊界，即河流定水頭邊界。

②北面牛車坪村一馬鹿村一帶，山體高程達180～380m，為地下水分水嶺，主要為碎屑巖分布區，巖性以砂、泥及頁巖為主，透性及富水性差，可作為隔水邊界，即為第二類邊界。

③南面以架鶴村一市福利院一帶的局部地下水分水嶺作為隔水邊界，即為第二類邊界。

4.水文地質參數分區和初值的確定

模型主要的水文地質參數為滲透系數、給水度、貯水率。在不影響計算精度的情況下，為了使參數分區簡化，將每一個滲透系數分區同時視為給水度、貯水率分區。將第四系土層分區劃分為一層，根據模擬區的水文地質條件，將碳酸鹽巖含水層在平面上進行參數初步分區，其參數大小的初始值按照本次各地段施工鉆孔及收集以往資料的鉆孔揭露的巖溶發育特征和相應有鉆孔抽水實驗資料，初步確定每個分區相對應的參數初值。

5.滲流場數值模型的識別和驗證

取SZ10、SZ20、SZ23鉆孔觀測水位數據與模擬水位數據進行對比，作為模型的識別和檢驗，根據收集到的地下水觀測資料，取模型識別的時段為2015年5月20日到2016年4月20日，以實際水位和計算水位的擬合情況作為調整參數的依據。通過多次修正滲透系數、給水度、貯水率等，得出了含水層滲透系數和貯水率的大小及分區與觀測孔的計算與實測水位的對比。

計算水位較實測水位滯后，模擬水位比較接近實測水位，水位線趨勢相同，水位擬合誤差小于0.5m。水位變化值較少的情況下誤差在容許范圍內。從圖中可看出，各觀測孔模擬值與實際值動態擬合效果較好，說明模擬所用的參數是合理的。

6.模擬區地下水流場分析

通過數學模型識別和驗證，表明含水層結構、邊界條件概化、水文地質參數的選取較合理的，數學模型能較真實地反映研究區地下水系統特征，可用模型數據進行地下水流場分析。天然條件下河間地塊地下水均向柳江排泄，在中部形成了一條近南北向的地下水分水嶺，將模擬區分成兩個次級水文地質單元。東面水力坡度比西面的小。隨著地下水水位的下降，水力坡度逐漸減小。整體地下水位略高于柳江水位，水流較平緩。

7.模擬區地下水允許開采量的預測

1）預測方案

在降水保證率95%條件下，利用建立的地下水模型對設計方案進行模擬預測，本次預測模型的邊界條件和水文地質參數保持不變，補給項和排泄項按95%保證率重新計算，開采量擬采用東環水源地開采井來設計開采量，通過多次調試來確定。預測期為2016～2026年，以月、年為時間段，共21個應力期，第一年以—個月為—個應力期，第一年以后以一年為—個應力期，每個時間段內包括不同的時間步長。初始流場選擇2015年12月末的流場。

2）預測結果

通過調試最終以開采量48000 m3/d進行預測，按設計方案開采3個月后，水源地中心地下水位大幅下降形成降落漏斗，開采1年、3年后，地下水位整體持續下降，漏斗面積不斷增大，直至6年后，地下水流場達到穩定狀態，水位基本保持不變，與10年后相比降幅不超過O.02m，漏斗面積不再增加。因此，預測該模擬區允許開采量為48000 m3/d（17.52×106m3/a）。

結語：在礦坑開采過程中，開采工作需要符合國家的技術規范以及要求，勘測礦山的地址水文條件以及礦山地址水文的類型復雜程度，結合實際環境設計出符合條件的工作任務，并確定大致的工期范圍。在施工開采的過程中，專業人員應時時檢測地下水的流量變化，以防止意外事件發生，及時完成工作任務，提升安全防范意識。endprint