科卡礦區地下水資源開采方案優化研究

閆鑫宇，吳先勇，權振龍，林國慶，龐紅璐，李文娟

（1.上海外經集團控股有限公司，上海市 200032；2.中國海洋大學海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島 266100）

科卡礦區地下水資源開采方案優化研究

閆鑫宇2，吳先勇1，權振龍1，林國慶2，龐紅璐2，李文娟2

（1.上海外經集團控股有限公司，上海市 200032；2.中國海洋大學海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島 266100）

科卡礦區屬于典型的少雨高溫干旱貧水地區。礦山供水改變了當地地下水水文條件，使原本緊張的水資源供需矛盾愈加尖銳。在概化科卡礦區水源地水文地質條件的基礎上，利用Visual MODFLOW建立準三維地下水流數值模型。以抽水量為限制條件，調控抽水井數量和井間距，設計了12種開采方案。通過分析水源地井場最大水位降深和影響范圍，確定了最優開采方案：布設3眼抽水井，單井抽水量為1 000 m3/d，井間距為500 m。首期采礦計劃第八年枯水系列最大水位降深為3.15 m，邊緣降深為1.86 m。第二運營期內水位繼續下降幅度很小，穩定在0.4 m左右。模擬結果可為高溫干旱地區礦山的供水開采提供科學依據。

地下水數值模擬；MODFLOW；高溫干旱地區

0 引言

地下水是淡水水資源的重要組成部分，在供水方面扮演著重要的角色。由于地下水賦存于地下含水介質中，不合理的開采會導致諸多環境地質問題產生，如地下水位下降[1]和地面沉降[2]等。在氣溫較高且降水分布極度不均的高溫干旱地區，地表水資源十分缺乏，地下水充當了主要的供水來源，不合理的開采導致的環境生態問題更為嚴重[3]，所以制定合理的開采方案對高溫干旱地區水資源保護有著重要的意義。

數值模擬技術在解決地下水可持續利用方面有著廣泛的應用[4]，目前較流行的數值模擬軟件主要有MODFLOW、GMS等。其中以MODFLOW的應用最為普遍，它不僅可以解決地下水流場的數值模擬問題[5]，在開采方案的優化方面也有著較為廣泛的應用[6]。

在分析研究區水文地質條件的基礎上建立概念模型，通過Visual MODFLOW建立研究區準三維地下水數值模型。改變井眼數量與井間距等因素設計了12種開采方案，對不同河流來水情況下地下水位降深和影響范圍進行預測分析，以實現區域地下水可持續開發的目的。

1 研究區概況

厄立特里亞北部地區的Koka金礦是一座年產60多萬噸礦產的露天金礦。可研初步設計的年需水量約為99.0×104m3，首期采礦計劃年限為8年。項目運行前三年，平均需水量在31 L/s；在第4～8年，平均需水量在34 L/s。研究區地表水資源極度缺乏，距離礦區幾千米處的Zara河流域為礦區的優選地下水源地。研究區地理位置如圖1所示。

圖1 研究區地理位置

礦區以陡峭的山地為主，覆蓋著稀疏的植被。研究區的地理位置為東經 37°50′14"～37°55′57"、北緯 16°26′03"～16°40′15″，海拔 500～800 m。屬于亞熱帶干濕氣候，多年平均氣溫在17～45℃，年均降雨量為118 mm。Zara河為季節性河流，雨季有短暫的洪水泛濫期，旱季干涸期超過9個月。

2 地下水數值模型

2.1 水文地質條件

研究區含水層主要由松散孔隙含水層和強風化砂巖裂隙含水層組成。強風化砂巖含水層富水性較弱。透水性強的孔隙含水層主要分布于扎拉河兩岸及溝谷中，寬度200～500 m，垂直厚度15～40 m。據鉆孔資料，單位涌水量一般為12～15 L/s，最大20 L/s。研究區含水層主要接受河流入滲補給和地下水側向徑流補給，通過地下側向徑流和滲入下伏砂巖裂隙排泄。下伏巖石由綠片巖相變火山巖及變沉積巖和后構造花崗巖類組成。

2.2 水文地質概念模型

Zara河床和山谷蜿蜒的空間形態可以概化為一個矩形區域。潛水含水層概化為兩層，上層由沖積含水層和兩側的砂巖含水層組成。沖積含水層和砂巖含水層在空間上是均質的。在上游，下層的地層由孔隙很少的結晶巖石組成，在中下游為砂巖含水層。上游與下游取水段的距離較大，將上游界定為定水頭邊界，下游邊界附近是Zara河和安瑟巴河匯合處的濕地區域，地下水位變化不大，故下游為定水位邊界。河道的邊緣區以及底部概化為隔水邊界。

2.3 數學模型的建立

研究區地下水流的數學模型：

式中：H為區內任一點水頭標高，m；μ為給水度；B為含水層底板標高，m；D為計算區域；Γ1為第一類邊界；H0為初始水位，m；α為降雨入滲補給系數，無量綱；（x,y,t）為給定水頭，m；P 為降雨量，m；Rr為河渠滲漏量，m；Q1為位于坐標（x1,y1）的i號井的抽水量為 Dirac Delta 函數。

2.4 數值模型的建立

模擬區長度為22.3 km，寬度為2 km，垂向厚度為15～40 m。在垂向上模擬區剖分為兩層。模擬區共剖分為35 680個50 m×50 m的網格。將上游第二層的結晶巖石設置為非活動單元。參數設置見表1。

表1 含水層參數

2.5 模型識別與驗證

利用RHDW01和RHDW06的潛水水位觀測數據與此處模型計算水位擬合（監測井位置見如圖2所示），得監測水位與模型水位的擬合曲線（見圖3）。實際觀測值與模擬計算值擬合誤差小于0.5m，而且小于擬合計算期內水位變化值的20%，表明該模型參數選擇與設置基本合適。

圖2 監測井與抽水井位置示意圖（單位：cm）

圖3 監測井RHDW01和RHDW06水位監測值與模擬值擬合曲線

3 開采方案優化

3.1 礦區需水量計算

Koka金礦預計共運營16年（一期8年、二期8年），在運營期礦區耗水主要發生在生產與生活兩個環節。一期前三年為培育期，需水量設計值為2 678 m3/d，一期后五年為穩定生產期，需水量設計值為2 937 m3/d。二期需水量設計值為2 937 m3/d。

3.2 開采方案的設計

Zara河下游含水層水源相對充足是最理想的水源地。按照保守性原則，整個運營期內模擬抽水總量均取3 000 m3/d。在下游布設抽水井2、3、4眼，井間距 300 m、500 m、700 m、900 m，綜合抽水井布設數量和井間距的變化，共設計了12種開采方案。布設細節見表2。

表2 抽水井布設參數

3.3 開采方案的優化

在平水條件下，利用上述已建好的數值模型首先開展一期模擬。結果顯示當抽水總量為3 000 m3/d時，隨著井間距的增大以及井眼數量的增加，影響范圍（地下水降深0 m等值線）基本相同，其面積均為14 km2左右。但是井間距越大井眼數量越多時，井場的降深等值線越稀疏（見圖4），降落漏斗越平緩。

在2眼井、300 m井間距情景下，井場最大降深和平均降深均達到了最大，分別為3.51 m和2.86 m。隨著井間距的增大及井眼數量的增加，井場最大降深與平均降深呈減小趨勢（見圖5）。在4眼井、900 m井間距情景下，井場最大降深和平均降深最小，分別為2.25 m和1.75 m。飽和含水層厚度約為20 m，所有方案的最大降深均在可接受范圍內，所以單從最大降深和平均降深還無法確定最優開采方案，需要進一步考慮其他限制因素。

現場抽水試驗生產井的涌水量約為1 200 m3/d，要實現3 000 m3/d的抽水目標，2眼抽水井顯然是不合適的，所以排除布設2眼抽水井的方案。邊緣區地下水降深也是重要的參考因素。3眼井、500 m井間距的情景和4眼井、900 m井間距的情景對邊緣區影響都較小（見圖5）。前者地下水位降深為1.45 m，后者降深為1.28 m，均在可接受范圍內。但布設4眼抽水井會增加建設運營的成本，而且單井抽水量效率（750 m3/d）不高，所以最終選擇 3眼抽水井，井間距500 m，單井抽水量1 000 m3/d為最優開采方案。

4 場景分析

4.1 場景設計

扎拉河的徑流數據記錄太短，不足以推測長期豐平枯狀況。故采用比擬方法[7]，利用安瑟巴河流域13年的監測數據，分別選擇連續8年累計徑流量最小、中等、最大年系列來代表扎拉河枯水、平水、豐水徑流系列。

圖4 平水系列抽水8年井場降深等值線圖（單位：cm）

4.2 第一運營期水位降深預報

圖6 為抽水8年后井場降深等值線圖。隨著河道滲漏補給減弱，降落漏斗增大。枯水系列降落漏斗面積和地下水位降深均達到最大，最大水位降深為3.15 m，邊緣降深為1.86 m，降落漏斗面積為15.074 km2。但其降深仍符合最大允許降深的限制條件，所以對于豐水、平水和枯水系列，3眼抽水井、井間距500 m的開采方案均是適用的。

4.3 第二運營期水位降深預報

項目運營分為兩期，二期模擬抽水量任取3 000 m3/d。分別以一期8年豐水、平水和枯水系列模擬結果作為初始條件，對上述最優開采方案進行為期8年的模擬。模擬結果顯示，雖然二期井場地下水位在一期模擬結果基礎上有所下降，但降幅很小（見圖7）。豐、平、枯水系列井場水位降深均在0.40 m左右，相比20 m的飽和含水層，降幅基本可以忽略不計。在第二運營期內地下水流場已經穩定，礦山供水不會導致含水層水量枯竭和環境生態問題。

圖5 井場降深與井間距的關系圖

圖6 第一運營期抽水8年后井場降深等值線圖（單位：cm）

圖7 第二運營期抽水8年后井場降深等值線圖（單位：cm）A—豐水系列；B—平水系列；C—枯水系列

5 結語

以礦山抽水量為限制條件，利用Visual MODFLOW建立了準三維地下水流數值模型，調控抽水井的數量和井間距，設計了12種不同的開采方案，通過分析水源地井場的最大水位降深和影響范圍，主要獲得以下結論：

（1）模擬結果顯示，在整個運營期內，抽水總量為3 000 m3/d時，礦山供水是可持續的，不會引起地下水資源的枯竭。

（2）最佳的開采方案為：布設3眼抽水井，單井抽水量1 000 m3/d，井間距為500 m。此方案適用于不同的水文系列。

（3）兩個運營期產生的降落漏斗最大降深基本穩定在3.55 m，在可接受的范圍之內。其中，第二運營期井場降深僅為0.40 m，其降幅基本可以忽略不計，地下水流場趨于穩定，礦山供水不會導致含水層水量枯竭和環境生態問題。

[1]王麗亞，等.北京平原地下水可持續開采方案分析[J].水文地質工程地質，2010,37(1):9-17.

[2]張子文，等.地下水開采與地面沉降關系的短基線集分析[J].測繪科學，2016,41(6):64-69.

[3]MOHARRAM S H,et al.Optimal groundwater management using genetic algorithm in El-Farafra Oasis,western desert,Egypt[J].Water Resources Management，2012,26(4):927-948.

[4]KARATZAS G P.Developments on modeling of groundwater flow and contaminant transport[J].Water Resources Management，2017,31(10):3235–3244.

[5]梁軍平，杜鵬飛,李云楨.基于Visual MODFLOW的地下水流場變化預測研究[J].環境工程，2014,32(1):267-270.

[6]郭學茹，等.傍河水源地地下水可持續開采量確定與開采方案分析[J].北京師范大學學報（自然科學版），2013,49(2):250-255.

[7]FIDDES D,WATKINS L H.Highway and urban hydrology in the tropics[M].United Kingdom:Pentech Press Ltd,1984.

TV213.4

B

1009-7716（2017）12-0181-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.050

2017-08-29

閆鑫宇（1991-），男，山西忻州人，碩士研究生，研究方向為水資源利用與水污染控制。