原杰輝

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院， 山西 太原 030001）

經(jīng)驗(yàn)交流

MODFLOW水流數(shù)值模型在礦山環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

原杰輝

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院， 山西 太原 030001）

以某鐵礦為例，通過(guò)對(duì)MODFLOW在礦山開(kāi)發(fā)活動(dòng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，對(duì)研究區(qū)礦山開(kāi)采疏排礦坑水過(guò)程進(jìn)行了水流數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)礦山開(kāi)采活動(dòng)對(duì)周邊地下水環(huán)境的影響，并結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)條件提出礦區(qū)開(kāi)發(fā)過(guò)程中針對(duì)水環(huán)境保護(hù)可采取的保護(hù)措施，旨在對(duì)類似礦山開(kāi)發(fā)對(duì)水環(huán)境的影響分析工作起到一定參考作用。

MODFLOW 數(shù)值模擬 環(huán)境保護(hù) 水資源

MODFLOW是現(xiàn)今世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛的地下水流模擬程序，國(guó)內(nèi)引進(jìn)應(yīng)用也很多，在礦山防治水方面具有廣泛的應(yīng)用[1-2]。MODFLOW模擬地下水的方法，是用多層的長(zhǎng)方形網(wǎng)格刻畫三維含水層系統(tǒng)，輸入含水層參數(shù)，然后對(duì)每個(gè)單元格建立非穩(wěn)定流的有限差分方程進(jìn)行數(shù)值求解[3]。Visual MODFLOW作為其前后數(shù)據(jù)處理的軟件，可以在Windows系統(tǒng)中運(yùn)行，是目前較主流的MODFLOW運(yùn)行載體。

研究區(qū)地處呂梁山脈東麓的狐偃山一帶，屬中低山區(qū)。區(qū)內(nèi)溝谷切割，地貌類型復(fù)雜，地表大部分被第四系黃土覆蓋，植被發(fā)育、荊棘叢生。礦區(qū)地勢(shì)總體南高北低，海拔高度在（+1694～+1918）m之間，研究區(qū)內(nèi)相對(duì)高差達(dá)到224m。區(qū)內(nèi)溫差大、蒸發(fā)強(qiáng)烈、日照時(shí)間長(zhǎng)，礦區(qū)及礦床水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

1 研究區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)介

研究區(qū)處于狐偃山勘探區(qū)東南分水嶺北側(cè)，區(qū)內(nèi)植被覆蓋茂盛，溝谷中基巖裸露，地形高差相對(duì)較大。區(qū)域出露地層有：奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系和新生界。地質(zhì)構(gòu)造方面位于上白泉橢圓形不規(guī)則環(huán)形構(gòu)造的南部，南岔背斜（軸向NNW－SSE）南段的東翼，礦區(qū)內(nèi)巖層傾斜130°～250°，傾角0°～10°，沿層面有波狀起伏現(xiàn)象。本礦區(qū)以北地表零星出露有二長(zhǎng)斑巖，自上而下可見(jiàn)二長(zhǎng)斑巖脈順層侵入于太原組內(nèi)、斑狀二長(zhǎng)巖侵入于奧陶系中統(tǒng)峰峰組地層中，此外奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組二段下尚見(jiàn)有霓輝二長(zhǎng)斑巖侵入。

礦區(qū)內(nèi)共圈出隱伏磁鐵礦體5個(gè)：1、2號(hào)礦體賦存于奧陶系中統(tǒng)峰峰組與（巨）斑狀二長(zhǎng)巖的接觸帶上，屬熱液－接觸交代矽卡巖型磁鐵礦；3、4號(hào)礦體賦存于本溪組底部的山西式鐵礦或鐵鋁巖巖體層位；28號(hào)礦體賦存于上馬家溝三段的大理巖構(gòu)造裂隙中，屬充填交代型磁鐵礦。

根據(jù)地下水的賦存條件和水力特征，區(qū)內(nèi)地下水含水層主要為：松散巖類孔隙水、碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙水和碳酸鹽巖巖溶水。地下水的補(bǔ)給主要為大氣降水沿各類巖層的風(fēng)化帶下滲。礦區(qū)范圍內(nèi)全部被第四系黃土覆蓋，基巖含水層隱伏發(fā)育于第四系黃土層之下。礦床產(chǎn)于分水嶺地段，礦床周邊沖溝發(fā)育，地形有利于自然排泄。據(jù)上白泉礦區(qū)普查地質(zhì)報(bào)告資料，當(dāng)?shù)貛r溶水位標(biāo)高為1 410m，部分礦體位于巖溶水位以下，具有較高的靜水壓力。

2 地下水流數(shù)值模型的建立

2.1 建立水文地質(zhì)概念模型

鐵礦開(kāi)采對(duì)礦體涉及的石炭二疊系碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙水含水層、奧陶系碳酸鹽巖巖溶水含水層、侵入巖風(fēng)化裂隙水含水層造成疏排影響。根據(jù)地質(zhì)資料，礦體以上并沒(méi)有發(fā)育連續(xù)穩(wěn)定的含水層，多為淺部基巖風(fēng)化裂隙發(fā)育后形成的分散含水層。評(píng)價(jià)將其假設(shè)為具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的淺部基巖風(fēng)化裂隙水含水層，作為評(píng)價(jià)的目標(biāo)含水層[4]。

根據(jù)研究區(qū)地下水流向整體上自南向北的現(xiàn)狀，取目標(biāo)含水層地下水流場(chǎng)南側(cè)上游地表分水嶺作為南邊界；結(jié)合地形取流場(chǎng)下游1.7～2.1 km作為北邊界。這兩個(gè)邊界均處理為二類流量邊界。模擬區(qū)東、西邊界均取地形高點(diǎn)連線圈定，處理為流量為零通量的隔水邊界。

評(píng)價(jià)區(qū)目標(biāo)含水層地下水流從空間上假設(shè)以水平運(yùn)動(dòng)為主，地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律：未開(kāi)采階段，目標(biāo)含水層在水平方向上接受南側(cè)地下水徑流補(bǔ)給，在垂直方向上接受降水入滲補(bǔ)給，模型內(nèi)部整體上向北方向徑流，在模型北邊界處向下游方向排泄。開(kāi)采階段，模型于采區(qū)抽水形成降落漏斗，目標(biāo)含水層水平方向接受上游及周邊地下水徑流補(bǔ)給，在垂直方向上接受降水入滲補(bǔ)給，模型內(nèi)部局部向降落漏斗中心方向徑流，以礦坑水的形式排泄。由于目標(biāo)含水層地下水位埋藏整體相對(duì)較深，不考慮蒸發(fā)排泄。

2.2 建立MODFLOW水流數(shù)值模型

將1：50 000的鐵礦地形圖導(dǎo)入模型作為計(jì)算模擬區(qū)的剖分底圖，模型識(shí)別區(qū)域南北長(zhǎng)約6.8 km，東西長(zhǎng)約7.3 km。將模型區(qū)在水平方向上剖分為100×100的微小單元格，在垂直方向上按水文地質(zhì)概念模型設(shè)計(jì)層次剖分。

選擇初始水位校核為模型識(shí)別與參數(shù)校正階段，將水文地質(zhì)調(diào)查和抽水試驗(yàn)得到的水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件、水頭初始條件作為模型調(diào)參的初始值，運(yùn)行計(jì)算模型，將實(shí)測(cè)水位和計(jì)算水位進(jìn)行擬合分析，如果計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位相差很大，則根據(jù)參數(shù)變化范圍和實(shí)際水位差值，重新給定一組參數(shù)，再迭代計(jì)算，直至二者擬合較好為止。

通過(guò)調(diào)參計(jì)算，實(shí)際水位和計(jì)算水位等值線的水位擬合小于0.5m的絕對(duì)誤差占已知水位的85%以上，擬合結(jié)果較好，表明所建的模型、對(duì)水文地質(zhì)條件的概化、邊界條件的確定都與研究區(qū)域?qū)嶋H情況吻合較好，因此，校正后的模型可以滿足預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的要求。

3 地下水流數(shù)值模擬預(yù)測(cè)與分析

根據(jù)礦區(qū)開(kāi)拓布置，開(kāi)發(fā)利用方案根據(jù)礦體分布及賦存形態(tài)、地表地形地質(zhì)，確定采用主豎井開(kāi)拓系統(tǒng)，主豎井開(kāi)拓、斜風(fēng)井回風(fēng)，對(duì)礦區(qū)內(nèi)1、2、4號(hào)礦體進(jìn)行開(kāi)采，在模型中將礦山開(kāi)采期間產(chǎn)生的礦坑涌水視為穩(wěn)定連續(xù)的抽水過(guò)程，模擬階段依開(kāi)采順序在開(kāi)采水平內(nèi)設(shè)置抽水孔，將正常涌水量以抽水井的形式排泄出去。

模擬預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，礦山開(kāi)采后，形成以擬采礦體中底板較低點(diǎn)（1、2礦體底板）為中心的地下水位降水漏斗，漏斗中心位于1、2號(hào)礦體底板低點(diǎn)附近，最大水位降深約為42.72m，往周邊方向水位降深逐漸變小。地下水位受影響面積約為1.79 km2。

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，分析本研究區(qū)內(nèi)礦山開(kāi)采對(duì)地下水的影響具有如下特點(diǎn)。

1）礦山開(kāi)采過(guò)程中，地下水降落漏斗隨時(shí)間由小變大，直至一定時(shí)間段后補(bǔ)排平衡達(dá)到穩(wěn)定；同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)地下水降深隨著與礦體距離增大而減小，結(jié)合礦體等高線可以看出礦體周邊地下水位降至最低開(kāi)采高度之下。

2）隨著開(kāi)采礦體的轉(zhuǎn)移，抽水位置發(fā)生變化，地下水降落幅度與影響范圍隨之變化。

3）鐵礦開(kāi)采對(duì)地下水位的影響主要是抽排礦坑水造成的地下水位下降，其下降中心為開(kāi)采礦體位置，在水平方向上影響礦體周邊地下水位，本礦開(kāi)采時(shí)段內(nèi)礦體及周邊地下水位整體出現(xiàn)下降。

4）在礦體開(kāi)采結(jié)束后，受影響區(qū)域內(nèi)地下水位在降落漏斗中心轉(zhuǎn)移后緩慢上升。由于區(qū)域降水量較小、水資源不豐富，且基巖風(fēng)化裂隙水含水層滲透性較差、富水性很弱，水資源更新補(bǔ)給緩慢，礦區(qū)范圍地下水位恢復(fù)速度緩慢。

4 提出水環(huán)境影響保護(hù)措施

4.1 開(kāi)采期間涵養(yǎng)水土，及時(shí)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)

開(kāi)采礦體使礦區(qū)及周邊地區(qū)地下水位下降，加劇水土流失，建議開(kāi)采時(shí)一方面要嚴(yán)格實(shí)施分區(qū)開(kāi)采，另一方面及時(shí)進(jìn)行水土保持工作，涵養(yǎng)水土，降低鐵礦開(kāi)采對(duì)淺部地下水資源和生態(tài)環(huán)境的影響。

4.2 建立地下水觀測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)

結(jié)合觀測(cè)區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，建立地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng)，以掌握地下水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，有效預(yù)測(cè)疏干涌水量，指導(dǎo)疏干工作。若實(shí)際開(kāi)發(fā)中造成區(qū)域地下水水位嚴(yán)重下降，建設(shè)單位應(yīng)及時(shí)組織水文地質(zhì)專家查找原因，針對(duì)性地制定工程防止措施和配套補(bǔ)救措施，對(duì)可能造成的不良影響給以經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，并根據(jù)項(xiàng)目可能誘發(fā)的環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題制定相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方案。

4.3 對(duì)水資源綜合利用

本礦開(kāi)采對(duì)礦體圍巖含水層的破壞不可避免，該部分水資源主要以礦坑水的方式產(chǎn)生，排水均進(jìn)入礦坑水處理站經(jīng)混凝、沉淀、過(guò)濾處理工藝處理后盡量尋求回用途徑，減少礦坑水排放。

4.4 制訂供水預(yù)案

以預(yù)測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，針對(duì)受影響范圍內(nèi)的飲用水井，制訂由礦方提供水源和供水的預(yù)案，結(jié)合地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)居民用水受到影響，立即啟動(dòng)供水預(yù)案，保障居民用水不受影響。

5 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)MODFLOW在礦山開(kāi)發(fā)活動(dòng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，對(duì)研究區(qū)礦山開(kāi)采疏排礦坑水過(guò)程進(jìn)行了水流數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)礦山開(kāi)采活動(dòng)對(duì)周邊地下水環(huán)境的影響，據(jù)此提出環(huán)境影響防范措施，對(duì)于類似礦山開(kāi)發(fā)對(duì)水環(huán)境的影響分析工作具有一定參考作用。

[1] 馮更辰，郝俊杰，譚俊，等.Visual Modflow模型在白澗鐵礦區(qū)礦井涌水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)巖溶，2011（3）：271-277.

[2] 王潤(rùn)堂.石硐溝銀多金屬礦床水文地質(zhì)條件分析[J].甘肅冶金，2008（2）：24-26.

[3] 王慶永，賈忠華，劉曉峰，等.VisualMODFLOW及其在地下水模擬中的應(yīng)用[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2007（5）：90-92.

[4] 薛禹群，謝春紅.地下水?dāng)?shù)值模擬[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

App lication of MODFLOW Flow Numerical M odel in M ine Environmental Im pact Assessment

Yuan Jiehui
（Taiyuan Design and Research Institute of Coal Industry,Taiyuan Shanxi 030001）

Taking an iron mine as example,based on the research of the application of MODFLOW in mine development activities,the flow numerical simulation of drainage process ofmine drainage is conducted to predict the impact of mining activities on surrounding groundwater environment.Combined with the hydrogeological conditions,this paper puts forward protectivemeasures for water environment in developing process of themine so as to provide reference for the analysis of the impactofmine developmenton water environment.

MODFLOW;numerical simulation;environmental protection;water resources

P641.7

A

1672-1152（2017）05-0127-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.48

2017-10-23

原杰輝（1985—），男，碩士研究生，畢業(yè)于吉林大學(xué)，工程師，主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)和水資源論證方面的工作。

（編輯：王瑾）