基于Visual Modflow 的榆神礦區(qū)礦坑涌水量預(yù)測(cè)研究

管隆垚

（陜西省環(huán)境科學(xué)研究院，陜西 西安610103）

1 概述

榆神礦區(qū)是我國(guó)“十三五”規(guī)劃的重要煤炭開(kāi)采區(qū)，然而榆神礦區(qū)開(kāi)采區(qū)煤炭開(kāi)采已引起的地下水資源減少和地面沉降等問(wèn)題，為了指導(dǎo)整個(gè)規(guī)劃區(qū)的煤炭合理開(kāi)采和水資源- 生態(tài)環(huán)境保護(hù)，開(kāi)展研究區(qū)礦坑涌水量閾值研究顯得尤為重要。

榆神礦區(qū)位于陜西省神木縣、榆陽(yáng)區(qū)境內(nèi)，西、北以陜蒙邊界為界，南部以孟家灣勘查區(qū)南部邊界和榆林市邊界為界，東北與神北新民礦區(qū)臨接，東經(jīng)109°15′～110°45′，北緯38°00′～39°15′，面積約5265Km2。研究區(qū)區(qū)位于鄂爾多斯高原的東南，毛烏素沙漠與陜北黃土高原的接壤地帶，主要地貌單元有風(fēng)沙地貌、黃土地貌及河谷地貌三種類型。區(qū)內(nèi)主要分為榆溪河流域和禿尾河流域，少部分屬于窟野河流域，都屬于黃河水系。較大的湖泊紅堿淖，面積約67km2，平均水深6～7m，最深20m，水質(zhì)微咸。

圖1

研究區(qū)根據(jù)開(kāi)采現(xiàn)狀和勘察現(xiàn)狀主要?jiǎng)澐炙膫€(gè)規(guī)劃區(qū)：一、二期規(guī)劃區(qū)目前已達(dá)到開(kāi)采階段，二期部分地區(qū)已勘察結(jié)束；三期規(guī)劃區(qū)已達(dá)到詳細(xì)勘察階段，各井田涌水量已作出預(yù)測(cè)分析；四期規(guī)劃區(qū)大部分區(qū)域處于普查階段，個(gè)別區(qū)域處于找煤階段。

2 研究區(qū)煤- 水- 生態(tài)環(huán)境關(guān)系

由于區(qū)域內(nèi)表層多為砂層及滲透性較強(qiáng)的地層，降水入滲作用強(qiáng)烈，使得本區(qū)域內(nèi)地下水資源較豐富。研究區(qū)內(nèi)垂向分層為：上層為表生生態(tài)環(huán)境，地下水賦存與中部，每層分布于最底層，從而形成生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)-- 水資源賦存區(qū)—煤炭資源賦存區(qū)三位一體的空間格局。煤炭的開(kāi)采促進(jìn)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，良好的生態(tài)環(huán)境和豐富的水資源也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。然而，研究區(qū)煤炭的開(kāi)采已造成地下水位下降和地面沉降等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活初步造成了影響。因此，正確分析三者之間的關(guān)系是煤炭開(kāi)采區(qū)保護(hù)水資源和生態(tài)環(huán)境的前提條件。

2.1 含水層- 煤層關(guān)系

研究區(qū)富水性較好的含水巖組是薩拉烏蘇組，該含水層水質(zhì)較好，是該地區(qū)內(nèi)主要的生活水源，也是該地區(qū)主要的表生生態(tài)水源，同時(shí)是采煤過(guò)程中的主要的含水層[1]。研究區(qū)內(nèi)，含水層與煤層關(guān)系總體上為含水層在上，下覆煤層，水煤關(guān)系剖面圖如圖2 所示。

2.2 水- 生態(tài)環(huán)境關(guān)系

本區(qū)屬于半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境容易受到破壞，地下水動(dòng)態(tài)水位與表生生態(tài)環(huán)境的聯(lián)系十分緊密。生態(tài)環(huán)境對(duì)地下水的依賴作用十分顯著。區(qū)域內(nèi)河流基流量變化量與相應(yīng)流域地下水位埋深變化量之間的關(guān)系主要表現(xiàn)為：地下水位埋藏較淺時(shí)，河邊的水力梯度較大，地下水對(duì)給河水的補(bǔ)給量也較大，河流基流量較大，反之亦然。

區(qū)內(nèi)另一環(huán)境問(wèn)題為鹽漬化。灘地地下水位埋深較淺，鹽漬化程度較重，而區(qū)域內(nèi)鹽堿地面積占灘地總面積的10%。區(qū)內(nèi)灘地土壤鹽堿化程度可分為水平和垂直兩種現(xiàn)象。橫向上，灘地邊至灘地中心隨著地下水位埋深逐漸減小，由正常灘地逐漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度鹽堿地、中度鹽堿地和重度鹽堿地；垂向上，由于蒸發(fā)的影響，土壤中易溶鹽的成分由下至上含量逐漸增加，碳酸鹽含量逐漸減少[2]。

2.3 煤炭開(kāi)采與生態(tài)環(huán)境關(guān)系

圖2 含水層- 煤層關(guān)系圖

在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，目前大部分采用少支撐、不回填的開(kāi)采方式，這種開(kāi)采方式對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，一般形成了采空區(qū)，容易造成塌陷，破壞了含水層水力聯(lián)系，導(dǎo)致地下水大量流失。煤炭開(kāi)發(fā)對(duì)地下水的影響主要有地下水位下降、泉流量衰減、水質(zhì)惡化、形成地裂縫及地面塌陷、天然植被出現(xiàn)退化，發(fā)育不良等現(xiàn)象。

3 水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型

3.1 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)主要地下水資源賦存于薩拉烏蘇組含水層和燒變巖含水層里。薩拉烏蘇組含水層的巖性主要以細(xì)砂和中砂為主，厚度有明顯差異，該含水層水位埋藏較淺。燒變巖地下水的來(lái)源主要靠南部沙層潛水的側(cè)向補(bǔ)給，排泄則以下降泉的形式排泄，故泉水出露較多。

研究區(qū)內(nèi)地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水和農(nóng)用灌溉回歸水；西北側(cè)來(lái)自內(nèi)蒙古方向的側(cè)向地下徑流補(bǔ)給；紅堿淖地區(qū)主要受大氣降水、地表水以及潛水補(bǔ)給。地表水與地下水分水嶺基本一致，主要表現(xiàn)為集中向榆溪河與禿尾河匯集。區(qū)域內(nèi)地下水排泄主要有蒸發(fā)排泄、向河流排泄、人工開(kāi)采等方式。

3.2 邊界條件

模擬區(qū)地下水總體由四周向河流匯流；BC、DE 段地下水等水位線基本與邊界垂直，可概化為隔水邊界；AE 段有來(lái)自內(nèi)蒙方向的地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給可概化第二類流量邊界；取榆溪河西南部與禿尾河?xùn)|南部，定為流量邊界。模型區(qū)域的上層為潛水面，在該層上主要有降水入滲、潛水蒸發(fā)、農(nóng)灌水回歸補(bǔ)給、人工開(kāi)采等垂向水量交換作用，概化為潛水面邊界；模型底面為侏羅系砂泥巖，可概化為隔水邊界。據(jù)此將研究區(qū)地下水流概化為非均質(zhì)各向同性三維非穩(wěn)定流（圖3）。

圖3 水文地質(zhì)概念模型

3.3 地下水流數(shù)學(xué)模型

由以上水文地質(zhì)概念模型可以建立本研究區(qū)地下水流數(shù)值模型為：

式中，Ω——榆神礦區(qū)模擬區(qū)域；

H——榆神礦區(qū)單元格內(nèi)水頭（m）；

K——含水層的滲透系數(shù)（m/d）；

Ss——儲(chǔ)水率（1/m）；

μ——給水度；

W——外界補(bǔ)給排泄量（補(bǔ)給為正，排泄為負(fù)）（m3/d·m2）；

Q——開(kāi)采強(qiáng)度（m2/d）；

4 地下水流數(shù)值模擬模型

4.1 水均衡法計(jì)算水資源量

榆神礦區(qū)補(bǔ)給資源量主要為降水入滲補(bǔ)給量8.04108m3/a；側(cè)向徑流補(bǔ)給量0.23×108m3/a；灌溉水回歸補(bǔ)給量0.05×108m3/a。區(qū)內(nèi)排泄資源量主要為潛水蒸發(fā)排泄量3.09×108m3/a；河川排泄量4.75108m3/a；地下水開(kāi)采量0.31×108m3/a。

4.2 計(jì)算域剖分

數(shù)學(xué)模型的計(jì)算求解主要運(yùn)用visual Modflow 軟件中的計(jì)算模塊[3]。模擬面積共5265Km2，根據(jù)含水層分布特征，將模擬區(qū)在垂向上主要分為3 層，平面上按ΔX=ΔY=1000m 的網(wǎng)格剖分。

4.3 模型識(shí)別與驗(yàn)證

以各種源匯項(xiàng)和動(dòng)態(tài)資料為依據(jù)，將2005 年的地下水流場(chǎng)作為模型識(shí)別期的初始流場(chǎng)（如圖4-1），將2005 年10 月10日—2006 年8 月10 日模擬區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)和源匯數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別。利用識(shí)別的參數(shù)選用2015 年12 月25 日—2016 年4 月30 日的動(dòng)態(tài)和源匯項(xiàng)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4-1 潛水初始流場(chǎng)圖圖

圖4-2 模型識(shí)別期間典型觀測(cè)孔水位擬合曲線圖

圖4-3 模型驗(yàn)證期間典型觀測(cè)孔水位擬合曲線圖

5 榆神礦區(qū)礦坑涌水量閾值研究

煤炭開(kāi)采過(guò)程中，圍巖中的地下水向礦井滲漏，導(dǎo)致原有水均衡被打破，這樣使富水性較好的含水層的發(fā)生越流或增加越流量[4]。為在模型中設(shè)置這一越流過(guò)程，可以根據(jù)模擬區(qū)內(nèi)礦井投產(chǎn)的時(shí)間和該區(qū)域的水文地質(zhì)條件，在主要含水巖層設(shè)置排水井，并設(shè)置礦井的開(kāi)采時(shí)間。由此，當(dāng)排水量較小時(shí)，造成礦井涌水過(guò)大，流場(chǎng)不穩(wěn)定；而排水量與礦井涌水量相當(dāng)時(shí)，此時(shí)排出的水量即為礦井水，流場(chǎng)趨于穩(wěn)定；排水量大于礦井涌水量時(shí)，礦井水在一定時(shí)間內(nèi)被疏干，此時(shí)排水井停止運(yùn)行。因此計(jì)算礦井涌水量的關(guān)鍵點(diǎn)在于設(shè)置的排水井能夠保證流場(chǎng)的穩(wěn)定性。

模型識(shí)別期與驗(yàn)證期的邊界條件和性質(zhì)保持一致，而降水量和蒸發(fā)量的分配按該區(qū)域的多年平均值輸入該模型。

經(jīng)過(guò)調(diào)試和運(yùn)行后，含水層的流場(chǎng)趨于穩(wěn)定且模型運(yùn)行至20 年末時(shí)刻，以此時(shí)刻模型計(jì)算水均衡中涌水量作為礦坑涌水量最終閾值。20 年模擬期內(nèi)礦坑涌水量為15680.07×104m3/a，其中一、二期規(guī)劃區(qū)為8205.09×104m3/a，三、四期規(guī)劃區(qū)分別為3139.43×104m3/a、4335.55×104m3/a。

圖5 不同時(shí)期地下水流場(chǎng)圖與降深圖

6 結(jié)論

6.1 榆神礦區(qū)含水層、煤層與生態(tài)環(huán)境空間結(jié)構(gòu)為：生態(tài)環(huán)境在上部，含水層在中部，煤層在底部；三者相互聯(lián)系，相互影響，礦坑涌水量閾值研究可為三者合理開(kāi)發(fā)利用提供技術(shù)參考。

6.2 根據(jù)已有水文地質(zhì)資料，確定各源匯項(xiàng)水資源量，運(yùn)用MODFLOW 建立榆神礦區(qū)地下水流模擬模型。通過(guò)分析實(shí)測(cè)流場(chǎng)圖與計(jì)算流場(chǎng)圖擬合程度以及動(dòng)態(tài)觀測(cè)孔實(shí)際水位與計(jì)算水位擬合程度確定最終模型。

6.3 煤炭開(kāi)采15 年-20 年之間為降深場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)期，以20年末時(shí)刻模型計(jì)算涌水量值作為礦坑涌水量閾值。根據(jù)煤炭開(kāi)采設(shè)計(jì)排水量模擬預(yù)測(cè)礦坑涌水量閾值為42.96×104m3/d。