田文英（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

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GMS在礦坑涌水對區(qū)域地下水環(huán)境影響分析中的應(yīng)用

田文英
（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

［摘 要］GMS軟件是一套專門用于模擬孔隙介質(zhì)中地下水流動的三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件。根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，通過GMS地下水?dāng)?shù)值模擬軟件，搭建礦區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型。應(yīng)用模型，預(yù)測在礦區(qū)正常生產(chǎn)條件下，礦坑排水造成礦區(qū)及周邊地下水水位的變化，分析水位下降周邊地下水環(huán)境影響。并預(yù)測礦停采后地下水水位恢復(fù)到初始狀態(tài)所需時間，為環(huán)保措施的制定提供依據(jù)。

［關(guān)鍵詞］GMS；數(shù)值模擬；環(huán)境影響評價；區(qū)域地下水

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

礦區(qū)位于努魯兒虎山山系西南延長部位，地形坡度較緩，屬低山侵蝕地形。地形切割較強(qiáng)烈，溝谷發(fā)育，狹窄而陡峻，植被不甚發(fā)育。地貌類型為構(gòu)造剝蝕地形，總體北東-南西走向，地貌形態(tài)為剝蝕低山，山頂多為渾圓狀，地形坡度3°～10°。

1.2 水文氣象

該區(qū)域?qū)俑沸?朝陽遼西丘陵暖溫帶半濕潤區(qū)，屬大陸性氣候。年平均降水量520mm，雨季多集中于7—9月，降雨量占全年總量的62.30%。蒸發(fā)量大于降水量，常導(dǎo)致缺水干旱。溝谷均為季節(jié)性河流，冰凍期在11月至翌年3月，凍結(jié)深度0.9 ～1.4 m。區(qū)內(nèi)無常年性河流，大型溝谷在雨季會出現(xiàn)季節(jié)性水流體。

1.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)內(nèi)地層巖性、埋藏條件，劃分為第四系孔隙水含水巖組、變質(zhì)雜巖裂隙含水巖組，其特征如下：

1）第四系孔隙水含水巖組

主要分布于東部山前溝谷堆積地帶、溝溪兩岸及地形低凹處，厚度0.5～5.0 m不等，自北向南逐漸增厚。成因?yàn)闅埰路e、沖洪積，巖性為砂、礫石、巖石碎塊及粘性土組成，水位變化受大氣降水影響變化較大，地下水埋深大于5 m，土層表現(xiàn)濕潤。

2）變質(zhì)雜巖裂隙含水巖組

區(qū)內(nèi)該含水巖組大面積裸露地表，巖性為黑云角閃斜長片麻巖，夾斜長角閃巖風(fēng)化帶厚度約20 m，淺部風(fēng)化帶透水性較好，為含水不豐富、滲透性微弱的弱含水巖組。節(jié)理發(fā)育以傾斜SE及SW兩組最佳，傾角均陡。裂隙寬度0.1～1.5 cm，甚至1.5～2.5 cm，為開型。

3）地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

礦區(qū)位于低山丘陵區(qū)，基巖裸露，地勢較高，為地下水補(bǔ)給徑流區(qū)，地形地貌不利于地下水的滲透補(bǔ)給，大氣降水滲入是地下水的唯一補(bǔ)給來源，大氣降水后絕大部分沿地表徑流，流向低洼溝溪，極少部分沿各種裂隙滲入地下補(bǔ)給地下水，然后以裂隙通道徑流的形式順巖層傾向向下游徑流排泄。

2 水文地質(zhì)概念模型

2.1 模擬計(jì)算范圍確定

模擬計(jì)算區(qū)劃分是在水文地質(zhì)單元范圍基礎(chǔ)上，考慮區(qū)域地下水位監(jiān)測資料有限，根據(jù)水文地質(zhì)開采工作實(shí)際情況，將邊界確定為遠(yuǎn)離開采區(qū)的遠(yuǎn)邊界，邊界附近水頭、通量在模擬期間不會因?yàn)轫?xiàng)目涌水而發(fā)生變化，模擬區(qū)面積93 km2。

2.2 含水層結(jié)構(gòu)概化

第四系孔隙含水巖組中間雖然夾一層粘性土層，但根據(jù)已有的鉆孔資料可知，該粘性土層在整個研究區(qū)范圍內(nèi)并不是連續(xù)分布的，因此在模型中將第四系含水巖組概化為單層含水層。第四系孔隙水與風(fēng)化裂隙水之間也不存在明顯的弱隔水層，在模型中主要通過賦存不同的水文地質(zhì)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)含水層之間的水量交換。結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)資料，模型最終概化為二層，第四系孔隙含水層和基巖裂隙含水層。

2.3 地下水流概化

由于礦區(qū)開采深度大，地下水具有明顯的三維流動特征，且由于礦坑排水，流動狀態(tài)復(fù)雜，因此通過建立地下水三維非穩(wěn)定流模型對項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行模擬。

現(xiàn)狀條件下，含水系統(tǒng)基本處于均衡狀態(tài)，補(bǔ)給量與排泄量相差不大，淺層孔隙水等水位線圖可作為穩(wěn)定狀態(tài)下潛水含水層的流場擬合圖。

2.4 研究區(qū)邊界條件概化

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件及地下水流場將AB，DE概化為流量邊界；將AE，BC概化為通用水頭邊界；將CD概化為隔水邊界。

3 數(shù)學(xué)模型及求解

3.1 地下水流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，將研究區(qū)地下水流系統(tǒng)概化為非均質(zhì)、各向同性、二維、潛水非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，可用如下定解問題來進(jìn)行描述：式中：h，B——分別為含水層水位和底板標(biāo)高，m； ε1!x， y，t"，ε2!x， y，t"——分別為含水層的補(bǔ)給強(qiáng)度和排泄強(qiáng)度，m/d；q! x， y，t"——為第二類邊界單寬流量，m2/d；K——為滲透系數(shù)，m/d；h0!x， y"——為初始水位，m；h1!x， y，t"——為第一類邊界點(diǎn)水位，m；μ——為潛水含水層儲水系數(shù)，無量綱；t——時間，d。

3.2 數(shù)學(xué)模型軟件

此次地下水?dāng)?shù)值模擬采用了當(dāng)前國際上利用較廣的GMS軟件。GMS是地下水模擬系統(tǒng)的簡稱，是美國Brigham Young環(huán)境研究實(shí)驗(yàn)室和美國陸軍排水工程實(shí)驗(yàn)工作站在綜合已有的MODFLOW，MT3DMS，MODPATH，EMWATER，SEEP2D，SEAM3D，RT3D，UTCHEM等地下水模型的基礎(chǔ)上開發(fā)的地下水環(huán)境模擬軟件包。其中，MODFLOW是美國地質(zhì)調(diào)查局20世紀(jì)80年代開發(fā)出的一套專門用于孔隙介質(zhì)中地下水流動的三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件。它被廣泛用于模擬井流、河流、排泄、蒸發(fā)和補(bǔ)給對非均質(zhì)和復(fù)雜邊界條件的水流系統(tǒng)的影響。MT3DMS是模擬地下水系統(tǒng)中對流、彌散和化學(xué)反應(yīng)的三維溶質(zhì)運(yùn)移模型。

3.3 空間離散

計(jì)算區(qū)面積為93 km2，利用GMS的3D GRID模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格剖分。共剖分矩形網(wǎng)格單元402個，每個單元格面積482 m×474 m。

3.4 時間處理

采用驗(yàn)證后的模型分別預(yù)測不同階段礦坑排水對礦區(qū)及周邊地下水的影響。根據(jù)該項(xiàng)目主要內(nèi)容，礦山預(yù)計(jì)穩(wěn)定開采17.1年，到第18年礦山開采基本結(jié)束。為了充分考慮恢復(fù)停產(chǎn)后區(qū)內(nèi)地下水的水位恢復(fù)情況，確定了10年模擬時間。因此，非穩(wěn)定流模型的模擬時間為28年，前18年為金礦生產(chǎn)運(yùn)行階段，后10年為停產(chǎn)恢復(fù)階段。

3.5 水文地質(zhì)參數(shù)確定

根據(jù)研究區(qū)地表巖性對降水入滲系數(shù)、滲透系數(shù)、廢水度進(jìn)行分區(qū)，降水入滲系數(shù)共分為3個分區(qū)，滲透系數(shù)和給水度分為4個分區(qū)。

3.6 模型的率定

由于對目的層的水文地質(zhì)條件有比較清楚的認(rèn)識，水文地質(zhì)參數(shù)初值范圍也比較客觀，通過細(xì)致的調(diào)參擬合，模型識別取得了較好的結(jié)果，可以用于方案的模擬及預(yù)測。

4 礦坑涌水對環(huán)境影響分析

通過GMS模型軟件，分析在礦區(qū)正常涌水量條件下，預(yù)測正常開采18年地下水流場變化情況，用于定量評價礦區(qū)開采對周圍環(huán)境的影響。

礦區(qū)停產(chǎn)后，在自然恢復(fù)情況下，地下水水位達(dá)到開采前地下水水位所需時間進(jìn)行了方案模擬，確定水位恢復(fù)期，為進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)境治理措施提供依據(jù)。

4.1 生產(chǎn)期

生產(chǎn)期井下排水集中在基巖裂隙含水層，對淺層孔隙水的影響有限，開采后最大水位降深2.2 m，主要集中在礦界范圍內(nèi)；礦界范圍1 km外最大降深0.8 m左右，對第四系孔隙含水層影響不大。居民集中供水井主要貫穿第四系孔隙水含水層，受井下巷道排水影響輕微，不會對周邊農(nóng)村居民水井造成大的影響，具體水位情況見圖1。

圖1 開采前后地下水水位降深圖

4.2 停產(chǎn)恢復(fù)期

為了預(yù)測開采停止后，地下水水位的恢復(fù)情況，以正常開采條件下的地下水流場為基礎(chǔ)，預(yù)測地下水水位恢復(fù)情況。

礦山停產(chǎn)后，井下排水隨即停止，地下水水位開始逐漸上升，并在一段時間內(nèi)恢復(fù)到開采前水平。根據(jù)水流模型預(yù)測結(jié)果，礦山停采后經(jīng)過1年的恢復(fù)，地下水水位較開采前最大下降深度恢復(fù)為1.9 m；經(jīng)過2年的恢復(fù)，最大降深恢復(fù)到1.25 m；經(jīng)過3年的恢復(fù)最大降深不足0.5 m，并基本達(dá)到開采前水平，見圖2。第四系孔隙水流場與模擬初始流場基本一致，說明淺層孔隙水可以得到較好地恢復(fù)。

圖2 停采3年地下水水位降深圖

5 結(jié)論

1）通過GMS數(shù)值模型軟件，預(yù)測礦山在正常開采情況下，礦山整個開采期下水水位變化情況，定量化了礦山開采對周圍環(huán)境敏感點(diǎn)的影響，為環(huán)境影響評價中為項(xiàng)目提出明確的環(huán)保措施、補(bǔ)償建議提供了依據(jù)。

2）經(jīng)過礦山停采后地下水水位恢復(fù)分析，通過3年的自然恢復(fù)，礦區(qū)地下水水位基本上恢復(fù)到礦區(qū)開采前狀態(tài)，說明礦區(qū)地下水有一定的天然補(bǔ)給能力，礦區(qū)開采18年對地下水水位的影響，在項(xiàng)目區(qū)停采后，不需地下水恢復(fù)工程措施。

3）GMS數(shù)值模型能夠很好的定量化地下水開采對周圍環(huán)境造成的影響，能夠?yàn)榄h(huán)境影響評價環(huán)保措施制定提供明確的依據(jù)。

［中圖分類號］P641.69

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A

［文章編號］1002－0624（2016）06－0058－03

[收稿日期]2016-01-27