潘 玥，劉 勇，曾獻(xiàn)奎，吳吉春

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

徐州東部廢棄礦井地下水流場演化模擬研究

潘 玥1，劉 勇2，曾獻(xiàn)奎1，吳吉春1

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

以徐州東部廢棄礦井為例，太原組灰?guī)r含水層為研究對象，通過建立廢棄礦井地區(qū)地下水流系統(tǒng)模型，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)對區(qū)域地下水流場演變過程進(jìn)行研究，揭示礦井廢棄地區(qū)地下水流場演化的一般規(guī)律為：煤礦關(guān)閉前，為滿足生產(chǎn)生活需要，礦井進(jìn)行大量排水、抽水工作，礦區(qū)形成若干降落漏斗，如位于礦區(qū)西部的青山泉煤礦和北部的韓橋煤礦內(nèi)均存在大面積降落漏斗，中心水位低于-25 m。受水力梯度影響，地下水向低洼的礦坑處匯集，原生地下水流系統(tǒng)遭到破壞。礦井閉坑后，原有排水系統(tǒng)全部停止工作，地下水位緩慢回升，降落漏斗逐漸減小，根據(jù)模型模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)水位回升速度隨礦井關(guān)閉時(shí)間的增加而減慢：在礦井關(guān)閉第1年內(nèi)，水位回升速度較大，為1.14 m/a；關(guān)閉第3年時(shí)，水位回升速度減少至0.165 m/a；礦井關(guān)閉10年時(shí)，地下水最高水位為-16.55 m，從關(guān)閉第3年至第10年的7年時(shí)間內(nèi)，水位回升速度僅0.039 m/a，礦區(qū)地下水流系統(tǒng)得到恢復(fù)，模擬區(qū)最終形成自北向南的近似穩(wěn)定的地下水徑流場。

廢棄礦井；GMS；數(shù)值模擬；預(yù)測

采礦過程中，開采擾動(dòng)改變了礦區(qū)原生地下水系統(tǒng)，影響地下水補(bǔ)徑排關(guān)系，即便是礦井廢棄后，之前造成的含水介質(zhì)的變化，地下水動(dòng)力場、水循環(huán)系統(tǒng)的演化等還在持續(xù)作用。目前越來越多的礦區(qū)由于煤炭資源趨于枯竭而關(guān)閉，廢棄礦井對礦區(qū)地下水系統(tǒng)產(chǎn)生的影響已不容忽視[1]。

徐州東部礦區(qū)經(jīng)過一百多年開采[2]，至2016年，區(qū)內(nèi)煤礦已經(jīng)全部關(guān)閉，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)也由能源開采轉(zhuǎn)為發(fā)展生態(tài)旅游與生態(tài)農(nóng)業(yè)。截止2012年，徐州東部礦區(qū)造成的工礦廢棄土地面積超過2 400×104m2，其中塌陷廢棄地超過334×104m2。廢棄礦井造成的地下水動(dòng)力條件改變及其引發(fā)的地下水污染對環(huán)境的影響較大，一旦污染范圍擴(kuò)大至居民飲用水及農(nóng)田灌溉水水源地，后果不堪設(shè)想。通常情況下，污染物在含水層中的運(yùn)移擴(kuò)散以地下水流場為基礎(chǔ)，因此，研究廢棄礦井地下水流場及其演化規(guī)律，對保護(hù)地下水環(huán)境，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的意義。

針對煤炭開發(fā)引起開采區(qū)地下水資源的變化等問題，國內(nèi)外研究人員已做了大量工作。20世紀(jì)80年代初，以Brodie為首的科學(xué)家以煤礦開采區(qū)地下水水質(zhì)及水量為主要研究對象，率先提出“水文地質(zhì)效應(yīng)”一詞[3]。Prasad等對礦區(qū)附近地下水環(huán)境質(zhì)量及重金屬污染物指標(biāo)進(jìn)行研究[4]。Banks等對波蘭Siersza礦區(qū)內(nèi)廢棄礦井水位回彈進(jìn)行監(jiān)測，建立了礦井基于水位變化的變體積礦坑充水模型(MIFIM)，成功預(yù)測了廢棄礦井內(nèi)第一次水位回彈出現(xiàn)的時(shí)間與預(yù)期水位，發(fā)現(xiàn)在改變礦區(qū)地下水系統(tǒng)后污染現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重，增加治理難度[5]。20世紀(jì)90年代，韓寶平等以重慶市南桐礦區(qū)為研究對象，系統(tǒng)地研究了地下采礦工程引發(fā)的水文地質(zhì)效應(yīng)[6]?；⒕S岳等對廢棄礦井水位回彈誘致環(huán)境與安全災(zāi)害展開分析，在研究了廢棄礦井地下水運(yùn)移介質(zhì)場結(jié)構(gòu)特征、地下水循環(huán)運(yùn)動(dòng)特征，水動(dòng)力場特征的基礎(chǔ)上，指出了現(xiàn)階段對于已關(guān)閉礦井的水資源及地質(zhì)災(zāi)害問題上面臨的種種問題[7]。

徐州東部礦區(qū)地下水多為承壓性碳酸鹽巖裂隙巖溶水，目前常用的地下水系統(tǒng)研究方法主要有Tank模型、裂隙模型、多孔介質(zhì)模型、等效多孔介質(zhì)—管道模型等[8]?？紤]到研究區(qū)水文地質(zhì)資料有限，根據(jù)已有資料分析，結(jié)合現(xiàn)階段常用處理方法[9]，將研究區(qū)域碳酸鹽巖裂隙采用等效多孔介質(zhì)處理。相較一般地區(qū)而言，礦井廢棄地具有更復(fù)雜的水文地質(zhì)條件。本文根據(jù)礦區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，綜合廢棄礦井內(nèi)含水介質(zhì)的特殊性、地下水流場邊界條件及地下水的動(dòng)態(tài)平衡等條件，建立適合徐州東部廢棄礦井的水文地質(zhì)概念模型，將太原組灰?guī)r含水層作為目的含水層，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)特征，模擬整個(gè)徐州東部廢棄礦井地下水流場的變化，為下階段廢棄礦井地下水流系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為賈汪復(fù)式向斜盆地構(gòu)造，總體地勢起伏為北西側(cè)隆起、南東部坳陷。賈汪盆地三面環(huán)山，向南面敞開，降水通過裸露基巖的空隙入滲，研究區(qū)被各種隔水?dāng)嗔褎澐譃椴煌牡刭|(zhì)單元。在縱向上，平原區(qū)第四系松散含水層厚度較小，含少量孔隙水，下部地層以灰?guī)r為主，含巖溶水。

圖1 賈汪礦區(qū)平面范圍圖及剖面圖Fig.1 The layout and section of Jiawang diggings

石炭系太原組灰?guī)r含水層上部為二疊系砂巖、頁巖隔水層組，下部為本溪組頁巖夾灰?guī)r隔水層，因此可以將含水層的上下兩個(gè)地層概化為隔水層，太原組與上部第四系、下部奧陶系均無水力聯(lián)系，僅在基巖露頭處接受降水補(bǔ)給。故垂向上僅需考慮太原組灰?guī)r含水層，其上下的二疊系砂巖含水層及本溪組、奧陶系含水層均不做考慮。

2 研究區(qū)地下水動(dòng)力場演化模擬

2.1 模型概化

研究區(qū)實(shí)際水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，區(qū)內(nèi)斷層、褶皺地層露頭較多，將整個(gè)礦區(qū)劃分為不同的水文地質(zhì)單元，在實(shí)際條件的基礎(chǔ)上對研究區(qū)目的含水層、邊界條件進(jìn)行簡化，得到區(qū)域水文地質(zhì)概念模型，見圖2。

圖2 研究區(qū)邊界條件概化Fig.2 Generalization of boundary conditions

北部邊界：研究區(qū)北部的F46、F21、F2等斷層均為隔水?dāng)嗔褞?，可視為隔水邊界?/p>

南部邊界：研究區(qū)南部為賈汪礦區(qū)的排泄區(qū)，但被斷層切割，故將中間部分處理為流量邊界，模擬初始值設(shè)為25 000 m3/d。

西部邊界：研究區(qū)西部以大廟復(fù)試背斜核部地層碎屑巖作為分水嶺，處理為隔水邊界。

東部邊界：研究區(qū)東部偏北斷層交錯(cuò)，有不少季節(jié)性泉出露，將此處概化為流量邊界，模擬初始值為11 000 m3/d。

研究區(qū)邊界大多概化為隔水邊界，僅在東部、南部小部分地區(qū)按照流量邊界考慮。

滲流區(qū)僅為太灰水，與上部二疊系砂巖含水層及下部奧灰水之間均無水力聯(lián)系，在基巖出露部位接受大氣降水補(bǔ)給，故建立的模型為單層含水介質(zhì)模型。研究區(qū)多年平均降水量為0.001 7 m/d，入滲補(bǔ)給率為0.13。在研究區(qū)內(nèi)礦井閉坑前，日平均涌水總量12 250 m3，滲流區(qū)概化為均質(zhì)各向同性，根據(jù)研究資料，滲透系數(shù)平均值取8 m/d[9]。由于資料有限，為簡化模型，將涌水量分配到研究區(qū)西部與北部的青山泉礦井與韓橋礦井。

2.2 數(shù)學(xué)模型

不考慮地下水密度變化，根據(jù)研究區(qū)含水層及邊界條件的概化，礦區(qū)地下水可概化為二維、各向同性、非均質(zhì)、非穩(wěn)定、承壓含水系統(tǒng)[10]，建立地下水流動(dòng)數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中：K——滲透系數(shù)； H——含水層水頭； W——垂向補(bǔ)給量； P——抽水量； μ*——貯水率； t——時(shí)間；Ω——滲流區(qū)； q(x,y,t)——流量函數(shù)； M——含水層厚度； Ss——南部邊界； Se——東部邊界； Snw——北部與西部邊界。

模擬地下水動(dòng)態(tài)演化的方法主要為隨機(jī)性模型和確定性模型兩類[11～12]。本文選用確定性模型模擬徐州東部廢棄礦井地下水動(dòng)力場演化規(guī)律，通過達(dá)西滲流定律為基礎(chǔ)建立地下水滲流方程，以地下水模擬系統(tǒng)軟件(GMS)的MODFLOW計(jì)算模塊建立水動(dòng)力場模型。

2.3 模型的驗(yàn)證

使用GMS[13]軟件對研究區(qū)地下水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行處理分析，運(yùn)行MODFLOW模塊，將礦區(qū)閉坑時(shí)間設(shè)為初始時(shí)間，得到徐州東部礦區(qū)在礦井閉坑時(shí)的初始流場圖。

從初始流場圖中可以清晰看出徐州東部礦區(qū)地下水流場大致呈現(xiàn)從西北部流向東南部的趨勢，且西北部水位高于東南部水位。青山泉與韓橋煤礦內(nèi)兩口抽水井造成了地下水位內(nèi)兩個(gè)突出的降落漏斗，遵循達(dá)西定律，地下水向礦坑低洼處匯集。由于礦井前期排水導(dǎo)致全區(qū)在閉坑時(shí)水位較低，最高處僅-18.29 m，最大水位落差超過27 m。

圖3 研究區(qū)初始流場及1年后、3年后和10年后地下水流場預(yù)測圖Fig.3 Initial groundwater flow field of research area and prediction of groundwater flow field 1 year, 3 years and 10 years later

通過驗(yàn)證期觀測井水位實(shí)測值與模擬值擬合結(jié)果(圖4)可以看出該模型擬合狀況較好，基本符合地下水位的變化趨勢。實(shí)際水位受多種外界因素影響而產(chǎn)生波動(dòng)，如氣象水文因素，7月左右為研究區(qū)汛期，降水量增加導(dǎo)致入滲補(bǔ)給增加，水位出現(xiàn)一個(gè)短暫的上升。而在建模過程中受資料限制將研究區(qū)補(bǔ)給概化為每個(gè)月補(bǔ)給量相差不多，符合誤差范圍。通過模擬流場圖可以看出地下水流場符合實(shí)際情況，證明識別后的水文地質(zhì)參數(shù)基本符合研究區(qū)實(shí)際情況。

圖4 觀測孔水位擬合結(jié)果Fig.4 The groundwater level fitting result of the observation well

3 模擬結(jié)果與分析

受研究區(qū)氣象、水文地質(zhì)資料限制，對模型進(jìn)行簡化。假定礦井閉坑后，位于青山泉及韓橋煤礦的抽水井即停止工作，邊界條件在模擬期內(nèi)保持不變，年均降水量0.001 7 m/d，入滲補(bǔ)給率為0.13，滲流區(qū)假設(shè)為均質(zhì)各向同性，滲透系數(shù)8 m/d，模擬研究區(qū)礦井閉坑1年、3年、10年的地下水流場分布(圖3)。

對比研究區(qū)礦井閉坑后1年、3年、10年的流場圖發(fā)現(xiàn)，隨著模擬時(shí)間的推移，模擬初期水位回升較快，平均每年上升1.14 m，區(qū)域內(nèi)最大水位落差減小至17 m左右。1年至3年模擬期時(shí)，水位回升速度明顯減慢，僅0.165 m/a，礦區(qū)地下水最大水位落差約14 m。在后期3年至10年模擬期內(nèi)水位回升速度大幅度減小，7年時(shí)間內(nèi)僅回升0.27 m，平均速度為0.039 m/a，最大水位落差不足13 m。很明顯，隨著礦井關(guān)閉時(shí)間的增加，地下水水位回升速度不斷減慢，至礦井關(guān)閉10年后，整個(gè)研究區(qū)流場趨于穩(wěn)定。同時(shí)，流場演變圖清晰顯示了位于青山泉及韓橋煤礦的地下水位降落漏斗的范圍在不斷減小，漏斗中心的水位也在不斷回升。至10年模擬期，研究區(qū)最高水位抬升至-16.55 m，天然情況下區(qū)域地下水流場受四周邊界及斷層控制，形成研究區(qū)由北部向南部徑流的近似穩(wěn)定地下水流場。

4 結(jié)論

(1)在煤礦開采時(shí)期由于礦井排水、抽水等過程，在礦區(qū)形成了若干個(gè)降落漏斗，地下水向低洼的礦坑處匯流，全區(qū)最高水位僅-18.29 m，最大水位落差超過27 m，礦井開采改變了地下水系統(tǒng)的天然流場。

(2)煤礦關(guān)閉后，降落漏斗不斷減小，水位不斷抬升，閉坑初期水位上漲較快，水位回升速度約1.14 m/a；閉坑后3年至10年模擬期內(nèi)水位上漲幅度不斷減小，水位回升速度減小至0.165 m/a；至10年模擬期，水位回升速度僅為0.039 m/a，地下水位基本穩(wěn)定。區(qū)域最高水位相比較開采時(shí)上漲了2 m左右，位于青山泉及韓橋煤礦內(nèi)的降落漏斗基本消失，研究區(qū)形成了自北向南的穩(wěn)定徑流場。

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Numerical simulation of groundwater flow field evolution in abandoned mine in the east Xuzhou

PAN Yue1, LIU Yong2, ZENG Xiankui1, WU Jichun1

(1.SchoolofEarthSciencesandEngineering,NanjingUniversity,Nanjing,Jiangsu210023,China；2.SchoolofResourcesandEarthSciences,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116,China)

Based on the study of the abandoned mine in the east of Xuzhou, the evolution of Taiyuan Formation Aquifer groundwater movement has been detected through the establishment of groundwater system model in abandoned mine area and the study of the evolution of regional groundwater dynamic field using numerical simulation technology. It can be seemed that before the coal mine closed it has to drain away a lot of groundwater for the use of living and producing. So in the diggings there are various cones of depression, such as Qingshanquan coal mine and Hanqiao coal mine whose groundwater levels are below minus 25 meters in the cone centers. After the mine closed, all the drainage systems stopped and the groundwater level rises slowly, as well as the scope of depression cones. The rate of the level raising has become more and more slowly since the mine closed according to the simulation. In the first year after the mine closed, the rate will be 1.14 meters per year. Two years later, the rate will drop to 0.165 meters per year. By the time the mine has been closed for 10 years, the top groundwater level will have reached minus 16.55 meters while the rate will have decreased to 0.039 meters per year. Groundwater system of the coal mine will regain to a stable flow field which is the north to the south.

abandoned mine; Groundwater Modeling System; numerical simulation; prediction

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.02.08

2016-10-08;

2017-01-08

地下水流數(shù)值模擬概念模型的不確定性分析(41302181)；水利部科技推廣計(jì)劃項(xiàng)目“徐州礦井廢水綜合生態(tài)治理示范技術(shù)”(TG1517)；江蘇省水利科技項(xiàng)目“徐州礦井水綜合生態(tài)治理技術(shù)及開發(fā)利用模式研究與應(yīng)用”(2014052)

潘玥(1994-)，女，碩士研究生，主要從事水文學(xué)及水資源研究。 E-mail：Joy_py@foxmail.com

P641.5

A

1000-3665(2017)02-0052-05