趙 珍，李貴仁

(華北有色工程勘察院有限公司，河北石家莊050021)

正確預(yù)測(cè)礦坑涌水量及其周圍地下水位的動(dòng)態(tài)是礦區(qū)水文地質(zhì)工作的核心問題，它是設(shè)計(jì)部門制定疏干措施的主要依據(jù)［1］。數(shù)值法已成為礦區(qū)目前實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的涌水量計(jì)算方法。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，國內(nèi)外出現(xiàn)了眾多地下水模擬軟件，但由于地下水系統(tǒng)的復(fù)雜性，不同軟件之間功能及適用條件的差異性，還沒有任何一種軟件能解決一切地下水問題［2］，因此，在利用數(shù)值法預(yù)測(cè)礦坑涌水量之前，就應(yīng)該掌握各種軟件的優(yōu)勢(shì)及缺陷，以便根據(jù)不同的礦區(qū)條件選擇最優(yōu)的模擬軟件。

1 數(shù)值解法的選擇

在礦坑涌水量預(yù)測(cè)中常用的數(shù)值法有兩種，即有限差分法(FDM)和有限單元法(FEM)［3］。

有限差分法用滲流區(qū)內(nèi)有限個(gè)離散點(diǎn)的集合代替連續(xù)的滲流區(qū)，在這些離散點(diǎn)上用差商近似的代替微商，將微分方程及其定解條件化為以未知函數(shù)在離散點(diǎn)上的近似值為未知量的代數(shù)方程，然后求解得到微分方程的解在離散點(diǎn)上的近似值［4］。該方法具有概念清晰、直觀，計(jì)算簡單等特點(diǎn)。常用的基于有限差分法的軟件有:MODFLOW、VISUAL MODFLOW、GMS等。

有限元法在地下水流動(dòng)問題的應(yīng)用始于1968年，通過剖分和插值的方法將描述地下水流動(dòng)的定解問題轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組進(jìn)行求解，已逐漸成為解決實(shí)際復(fù)雜水文地質(zhì)問題的有效方法［4］。FEFLOW和FEMWATER是基于有限元原理開發(fā)的模擬軟件。

在研究各種礦坑涌水問題時(shí)，在計(jì)算精度方面，二者哪個(gè)更優(yōu)，沒有公論。但一般認(rèn)為:有限元法在處理復(fù)雜邊界方面更靈活一些，但內(nèi)存和計(jì)算量巨大，并且不如有限差分法直觀。有限差分法雖然是一種近似的計(jì)算方法，但只要網(wǎng)格劃分和邊界條件處理準(zhǔn)確合理，則具有可靠的精度［5］，它同時(shí)可以直接從達(dá)西定律和水均衡原理出發(fā)建立方程，物理意義明確，數(shù)學(xué)原理簡明，更適合水文地質(zhì)人員的思路，而且計(jì)算速度一般也比有限元法快得多［6］，隨著計(jì)算機(jī)速度的迅速提高，計(jì)算機(jī)受網(wǎng)格數(shù)量的限制越來越小，差分法的優(yōu)勢(shì)越來越大［7］，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)外大部分礦坑涌水量預(yù)測(cè)方面的數(shù)值模擬研究都是基于有限差分原理的。

2 常用模擬軟件的優(yōu)勢(shì)比較及應(yīng)用

目前地下水模擬及其相關(guān)軟件已達(dá)數(shù)百個(gè)，但就目前來說，比較成熟的，同時(shí)也是礦區(qū)涌水量預(yù)測(cè)方面應(yīng)用比較廣泛的數(shù)值模擬軟件主要包括以下幾種:MODFLOW、FEFLOW、VISUAL MODFLOW、GMS等。

2.1 MODFLOW

MODFLOW是美國地質(zhì)調(diào)查局于20世紀(jì)80年代開發(fā)的一套基于DOS操作系統(tǒng)的三維有限差分地下水?dāng)?shù)值模擬的軟件［8］。它最顯著特點(diǎn)是采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，即由一個(gè)主程序和一系列具有高度獨(dú)立性的子程序——模塊所組成的計(jì)算機(jī)程序結(jié)構(gòu)［9］。

自問世以來，不斷有新的子程序包被開發(fā)出來，如于2008年4月14日發(fā)行的子程序包CFP(conduit flow process package)，該子程序包專門用于地下水管道流模擬，它具有模擬巖溶含水層的地下水流進(jìn)程等一系列功能，為解決復(fù)雜巖溶含水層地下水模擬中遇到的問題提供了更多的思路。Rani Fouad Mohamed［10］利用該程序包建立了福建馬坑礦區(qū)巖溶含水層的地下水模型，取得了較好的效果。

該軟件曾經(jīng)是一款最為普及的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件，解決了許多礦區(qū)實(shí)際問題，但是隨著Windows在操作系統(tǒng)中統(tǒng)治地位的確立，傳統(tǒng)的地下水模擬軟件紛紛在windows的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改、擴(kuò)充與功能增強(qiáng)，帶有可視化功能的地下水模擬軟件發(fā)展迅速，已經(jīng)占據(jù)國際地下水模擬軟件市場(chǎng)的主流地位［11］。因此，目前在礦區(qū)建模及涌水量預(yù)測(cè)方面，已經(jīng)很少有單獨(dú)的運(yùn)用該軟件進(jìn)行數(shù)值模擬方面的研究。

2.2 FEFLOW

FEFLOW是有限元地下水?dāng)?shù)值模型的杰出代表，是由德國WASY公司于1979年開發(fā)的，是迄今為止功能最為齊全的地下水水量及水質(zhì)計(jì)算機(jī)模擬軟件系統(tǒng)［12］。該軟件具備良好的GIS接口，優(yōu)化的剖分網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，良好的可視化效果等許多優(yōu)點(diǎn)。

靈活的對(duì)各種地質(zhì)邊界概化處理是FEFLOW的一大優(yōu)勢(shì)［13］，比如對(duì)于非承壓含水層采用了變動(dòng)上邊界的辦法，以適應(yīng)變化的潛水水位，且所有邊界條件及其限制條件既可設(shè)置為常數(shù)，也能定義為隨時(shí)間變化的函數(shù)，這是其它模擬軟件所不能完全具備的。

陳書客等［14］以林南倉礦為研究對(duì)象，利用 FEFLOW進(jìn)行了滲流場(chǎng)模擬并預(yù)測(cè)了涌水量。田麗［15］將新汶礦業(yè)集團(tuán)公司潘西煤礦結(jié)合FEFLOW軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)采用FEFLOW軟件進(jìn)行工作面底板突(涌)水量預(yù)測(cè)的可行性進(jìn)行了分析。王雨山［16］于2009年以馬坑礦區(qū)為例，運(yùn)用 FEFLOW軟件進(jìn)行了復(fù)雜巖溶礦區(qū)涌水量預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬研究，預(yù)測(cè)了礦區(qū)涌水量，并進(jìn)行了疏干方案的模擬。

如前文所述，F(xiàn)EFLOW是基于有限元法開發(fā)的軟件，使用起來比較復(fù)雜，同時(shí)，它的各個(gè)補(bǔ)排項(xiàng)沒有單獨(dú)的子程序包，而是集中在同一個(gè)菜單中，調(diào)參過程會(huì)比較麻煩，同時(shí)它基于有限單元法，也不像有限差分法那么簡明、思路明確。因此，該軟件在目前國內(nèi)礦坑涌水量預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用不像基于有限差分法的集中軟件應(yīng)用那么廣泛。

2.3 VISUALMODFLOW

Visual MODFLOW是由加拿大Waterloo水文地質(zhì)公司在MODFLOW的基礎(chǔ)上開發(fā)研制的，是目前國際上最為流行的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)可視化軟件系統(tǒng)，具有求解方法簡單實(shí)用、適應(yīng)范圍廣泛及可視化功能強(qiáng)大等特點(diǎn)［16］。

Visual MODFLOW很好地體現(xiàn)了可視化技術(shù)在地下水?dāng)?shù)值模擬評(píng)價(jià)過程中的應(yīng)用效果。同時(shí)，它還具有合理的菜單結(jié)構(gòu)和友好的界面，面向用戶的完全可視化菜單設(shè)計(jì)，符合一般操作習(xí)慣。

與我國目前自行開發(fā)研制的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件相比，Visual MODFLOW在可視化的基礎(chǔ)上，還具有系統(tǒng)化的優(yōu)勢(shì)，它可以使整個(gè)數(shù)值模擬過程系統(tǒng)化，從定義計(jì)算區(qū)域、剖分網(wǎng)格建模開始，到模擬計(jì)算運(yùn)行，直到最后以圖形、文字輸出最終結(jié)果，具有一套完整的軟件模塊彼此緊密聯(lián)接［17］。

Visual MODFLOW擁有有豐富的邊界類型:如給定水頭邊界、一般流量邊界、隔水墻邊界、定水頭河流邊界、定流量河流邊界、排水溝邊界、抽注水井源邊界、垂直水量交換邊界。［18］。

肖攀等［19］(2011)利用Visual MODFLOW 對(duì)湖南道縣后江橋鐵礦礦坑涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為礦區(qū)防治水提供了依據(jù)。侯新春等［20］(2010)運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)雙柳煤礦太原組灰?guī)r含水層的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了反演，并預(yù)測(cè)了不同水平的礦坑涌水量。陳建宏、蔣權(quán)等［21］(2011)利用 Visual MODFLOW建立了南川鋁土礦水文滲漏概念模型，進(jìn)而計(jì)算出區(qū)域內(nèi)一年中各個(gè)時(shí)期的礦井涌水量。

綜合近年來的研究成果，Visual MODFLOW已成為數(shù)值法預(yù)測(cè)礦坑涌水量時(shí)應(yīng)用最廣泛的軟件，同時(shí)，隨著其功能的日趨完善，在該方向的應(yīng)用所占的比重也越來越大，無論是條件簡單的礦區(qū)還是復(fù)雜的巖溶礦區(qū)，都有新的成果出現(xiàn)，因此，該軟件在涌水量預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用還有很大的潛力。

2.4 GMS

GMS是由美國楊百翰大學(xué)環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室在綜合MODFLOW、Modpath、MT3DMS等已有地下水模型基礎(chǔ)上開發(fā)的一個(gè)綜合性的的用于地下水模擬的圖形界面軟件。它也是唯一支持TINs、Solids、鉆孔數(shù)據(jù)、2D與3D地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的地下水流模擬軟件［22］。

與其他同類應(yīng)用軟件相比，具有模塊齊全、使用范圍廣泛的特點(diǎn)，特別是概念化方式建立模型，使得建模過程更加直觀，操作更加簡便［23］。幾乎可以模擬與地下水有關(guān)的所有水流和溶質(zhì)運(yùn)移問題，同時(shí)提供了多種組建地下水?dāng)?shù)值模型的方法，能準(zhǔn)確刻畫地層的空間結(jié)構(gòu)。

周沛潔［24］通過GMS數(shù)值模擬研究，得到影響礦床深部開采中段涌水量的關(guān)鍵因素，同時(shí)模擬了礦區(qū)深部開采滲流場(chǎng)及涌水量隨時(shí)間變化特征;陳琳［25］以山西省朔南煤田為研究區(qū)，利用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件GMS中集成的MODFLOW2000對(duì)井田地下水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)井田先期開采地段開采后的礦井涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析;韓成輝、劉文生［26］通過對(duì)GMS各模塊的簡單介紹，分析了這套軟件在礦井防治水研究領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

但是，在GMS中建立水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)要求較高，對(duì)鉆孔的數(shù)量、分布情況、深度等都有較高的要求，實(shí)際工作成果往往達(dá)不到要求，另外，GMS本身有一個(gè)缺點(diǎn)，即操作的不可逆性。在模擬過程中，需隨時(shí)保存不同階段的進(jìn)程，以便于誤操作后，將因不能及時(shí)恢復(fù)所造成的損失降低到最小，不致影響工作［27］。

目前，這套軟件在礦區(qū)建模及涌水量預(yù)測(cè)上已經(jīng)有了較多的應(yīng)用，類似于Visual MODFLOW，主要模塊均是MODFLOW，并隨著版本的進(jìn)一步更新，其功能得到大大加強(qiáng)。

3 結(jié)語

MODFLOW、FEFLOW、Visual MODFLOW、GMS是目前國內(nèi)外最流行，同時(shí)也是礦區(qū)水文地質(zhì)研究中用到較多的的地下水模擬軟件，通過比較發(fā)現(xiàn)，這幾種軟件各有優(yōu)勢(shì)及不足，F(xiàn)EFLOW在邊界處理上有一定優(yōu)勢(shì)，但由于是基于有限單元法，學(xué)習(xí)及模擬過程均比較復(fù)雜，不如有限差分法直觀;而GMS模塊多，功能全，也是礦區(qū)水文地質(zhì)建模的選擇之一，但其對(duì)資料的要求太高，在該區(qū)域的研究尚不成熟，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少。VISUAL MODFLOW是目前最流行的進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)的模擬軟件，綜合了多種軟件的優(yōu)點(diǎn)，在礦區(qū)涌水量預(yù)測(cè)研究中有廣闊的應(yīng)用前景。

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