基于GMS應(yīng)用的開采區(qū)地下水模擬的研究進(jìn)展

基于GMS應(yīng)用的開采區(qū)地下水模擬的研究進(jìn)展王帥，何少林，苑宏英，紀(jì)冬麗，齊志斌

(1.北京中陸咨詢有限公司，北京100089；2.國(guó)家油頁(yè)巖生態(tài)環(huán)境分中心，北京100089；3.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津300384；4天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384)

地下水是水資源的重要組成部分，在我國(guó)很多地區(qū)，地下水是最為重要的供水水源，占到了全國(guó)總供水量的1/5[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類對(duì)于地下資源的需求量不斷攀升，其開采量日益擴(kuò)大，開采活動(dòng)對(duì)開采區(qū)內(nèi)的地下水造成了巨大的影響。包括開采的資源泄露到地下水中造成地下水水質(zhì)污染，開采過(guò)程中由于地下結(jié)構(gòu)等改變?cè)斐傻叵滤鲌?chǎng)的變化，礦區(qū)用水耗費(fèi)的巨量水資源以及開采過(guò)程中地下水涌水都會(huì)造成地下水水量減少，使地下水環(huán)境進(jìn)一步惡化。

由于地下水自我恢復(fù)能力較弱，一旦受到影響，將難以更新和恢復(fù)，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，直接對(duì)人類本身及生產(chǎn)活動(dòng)造成危害。因此要解決由于開采活動(dòng)引起的地下水問(wèn)題，探清地下水富水性、建立地下水模型等是解決這一系列問(wèn)題的先決條件。

1GMS地下水模擬軟件及其建模方法

近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值法越來(lái)越成為解決地下水問(wèn)題的重要方法，數(shù)值模擬技術(shù)以其方便、靈活和高效的特點(diǎn)受到廣大水文地質(zhì)工作者的歡迎。國(guó)內(nèi)外科技工作者開發(fā)了一批數(shù)值模擬軟件，并不斷推廣，帶來(lái)了數(shù)值模擬軟件的大范圍應(yīng)用[2]。

地下水模擬系統(tǒng)(GroundwaterModelingSystem，簡(jiǎn)稱GMS)，是美國(guó)地調(diào)局開發(fā)出的一套專門用于模擬孔隙介質(zhì)中地下水流動(dòng)的三維有限差分軟件。其綜合了MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、

SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有的地下水模型的基礎(chǔ)上開發(fā)的一個(gè)綜合性的、用于地下水模擬的圖形界面軟件[3]。GMS將這些分析代碼集成在一個(gè)圖形用戶界面下，使得不同的數(shù)值模型之間可以共享信息。所以GMS是面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)、GIS空間分析、圖形處理技術(shù)與地下水?dāng)?shù)值模擬專業(yè)模型相結(jié)合的產(chǎn)物[4]。

一般而言，采用GMS軟件建立確定性模型有三種方法：網(wǎng)格法、概念模型法和Soilds方法[5]。

1.1網(wǎng)格法建模

網(wǎng)格法是一種最簡(jiǎn)單、最基本的建模方法，對(duì)于水文地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單、研究區(qū)面積比較小的模型，網(wǎng)格法也是一種有效的方法。但因?yàn)樾枰獢?shù)據(jù)極多且操作繁瑣等諸多不便，網(wǎng)格法一般結(jié)合在別的方法(如概念模型)中聯(lián)合建模。

1.2概念法建模

GMS與其它地下水?dāng)?shù)值模擬軟件相比，最顯著的特點(diǎn)是基于概念模型方法建模。GMS包含一個(gè)Map模塊，這個(gè)模塊提供了簡(jiǎn)單的GIS工具，用于創(chuàng)建模擬區(qū)的概念模型—coverage圖層。用戶可以在此上進(jìn)行所需要的后續(xù)操作。此方法應(yīng)用較廣，對(duì)開采區(qū)地下水可以很好地模擬。

1.3Soilds法建模

當(dāng)水文地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜時(shí)時(shí)，GMS提供了一個(gè)Soilds模塊用于組建地層的三維結(jié)構(gòu)，一旦建立了地層的Soilds模型，就定義了地層的空間結(jié)構(gòu)，即數(shù)值模型中含水層的頂?shù)装鍢?biāo)高，也就可以任意切割并三維顯示地層剖面。

此三種方法中，網(wǎng)格法適用于面積小、水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的地下水流問(wèn)題，概念法適用于大范圍的地下水流建模，Soild法適用于鉆孔資料豐富、面積小的地區(qū)建模。

2基于GMS應(yīng)用的地下水環(huán)境影響模擬的研究

2.1地下含水層及水場(chǎng)模型建立

在進(jìn)行地下水環(huán)境模擬時(shí)，首要的任務(wù)就是在分析當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的建模方法選擇不同的模塊進(jìn)行模型的建立，之后再根據(jù)不同的開采方案等對(duì)地下水各項(xiàng)如開采量，污染運(yùn)移等進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而為地下水資源合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

賈瑞亮[6]通過(guò)GMS軟件中的Soild、2DScatterPoint、TINS模塊等對(duì)地層賦值，建立含水層結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)模擬得出的三維含水層結(jié)構(gòu)模型具有空間可視化、剖面切割隨意化以及真實(shí)、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，為地下水?dāng)?shù)值模擬工作確定參數(shù)分區(qū)及參數(shù)初值奠定了基礎(chǔ)；FereshtehValivand[7]利用GMS中MODFLOW建立烏拉圭平原地下水3D定量模型并與實(shí)際相比較，其模型精度較高，該模型對(duì)后續(xù)研究硝酸鹽對(duì)該地區(qū)地下水環(huán)境的影響奠定了基礎(chǔ)。

在開采區(qū)方面：Zhang,Longqiang[8]提出了GMS礦區(qū)三維可視化地質(zhì)模型，并分析研究了礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維空間組合特征，通過(guò)模擬結(jié)果與現(xiàn)實(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了其模型對(duì)礦區(qū)今后開采具有一定理論研究意義。杜斌[9]等采用GMS中Soild、TIN、boreholes模塊，利用地質(zhì)剖面圖補(bǔ)充虛擬鉆孔方法在湖北某礦區(qū)建立某礦區(qū)含水層結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)對(duì)比鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，虛擬鉆孔建模過(guò)程中其鉆孔數(shù)據(jù)更貼切軟件，避免造成孔位插值錯(cuò)誤并更貼合實(shí)際。馮運(yùn)魚[10]以Soild、TIN、borehole模塊依靠豐富的鉆孔數(shù)據(jù)建立了模擬區(qū)的三維地質(zhì)圖，向讀者展示了建模詳細(xì)過(guò)程，并通過(guò)工程后期實(shí)際開挖進(jìn)行了地層對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證了其模型的精準(zhǔn)度。陳松[11]以宿南礦區(qū)地質(zhì)條件和鉆孔資料為基礎(chǔ)，建立了三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型以描述含、隔水層狀態(tài)及時(shí)空分布，為后續(xù)地下水徑流場(chǎng)地時(shí)空變化，水源識(shí)別模型等鋪墊了基礎(chǔ)。呂禹[12]以Soild建立三維地質(zhì)模型并用MOFFLOW進(jìn)行含水層概化建立地下水?dāng)?shù)值模型，并通過(guò)對(duì)觀測(cè)孔反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證達(dá)到合理模型精度。AndrésGonzález-Quirós[13]以某退役礦井為例，以地下水回彈現(xiàn)象為基礎(chǔ)對(duì)地下山系統(tǒng)及水流模型進(jìn)行建立，為評(píng)估流動(dòng)狀態(tài)、評(píng)估物理定律在礦山某些區(qū)域適用性提供了參考，其模型也為擴(kuò)展更復(fù)雜的瞬態(tài)、水回彈和溶質(zhì)運(yùn)移奠定了基礎(chǔ)。

因此，在獲得研究區(qū)資料的基礎(chǔ)上，利用GMS建立地下水含水層以及地下水流場(chǎng)比起傳統(tǒng)數(shù)學(xué)建模方法更加精準(zhǔn)、具有更強(qiáng)大的可視性、且操作更靈活，為開采區(qū)后續(xù)工作如地下水開發(fā)管理、生態(tài)環(huán)境問(wèn)題評(píng)價(jià)、油氣田開發(fā)工程等一系列奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的雙贏提供了有力的依據(jù)。

2.2地下水資源模擬

開采區(qū)資源開采對(duì)地下水的影響是一個(gè)動(dòng)態(tài)且持續(xù)變化的過(guò)程。其開采容易引起采動(dòng)破壞、礦井排水和含水層疏干等現(xiàn)象，使地下水原有的補(bǔ)徑排平衡狀態(tài)被破壞，地下水循環(huán)關(guān)系發(fā)生變化，因此使得地下水系統(tǒng)變得愈發(fā)復(fù)雜。因此地下水動(dòng)態(tài)變化的研究刻不容緩，這將有利于礦井安全生產(chǎn)和地下水資源的合理利用。

張福然[14]利用GMS中的MODFLOW模塊，建立了地下水含水層水文地質(zhì)概念模型及數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)模型，并模擬了地下水開采強(qiáng)度與地下水水位的變化關(guān)系，對(duì)后續(xù)開采活動(dòng)提供了數(shù)據(jù)支持；FaribaAlaviani[15]建立非承壓水層的地下水模型并利用粒子群優(yōu)化算法與模型聯(lián)動(dòng)建立的仿真優(yōu)化模型并對(duì)其精度及應(yīng)用型進(jìn)行了評(píng)價(jià)。EbtehalSayed、TaheriTizro與Mahtab?Zamanirad[16-18]等均通過(guò)GMS建立伊朗局部地區(qū)的氣候與地下水模型并進(jìn)行地下水資源的補(bǔ)給與排泄，通過(guò)模擬結(jié)果進(jìn)行人為干涉以減少水資源的浪費(fèi)、海水入侵與土地沙漠化等不良影響。

在開采區(qū)方面：于雯琪、朱云國(guó)、李慧杰、王浪[19-22]均通過(guò)模擬煤礦開采項(xiàng)目中，對(duì)礦區(qū)的地下水水流模擬進(jìn)行模型的建立，并且對(duì)于在礦區(qū)服役及退役一定時(shí)間內(nèi)的地下水流場(chǎng)以及地下水資源的影響，并通過(guò)實(shí)際勘測(cè)對(duì)后續(xù)生產(chǎn)作出指導(dǎo)意義；苗世超[23]在巍山煤礦系上伏含水層地下水?dāng)?shù)值模擬中，發(fā)現(xiàn)其開采活動(dòng)對(duì)于地下水水位影響較大，會(huì)危及開采安全，并提出了控制隔水層高度等安全建議；XinWang[24]計(jì)劃在煤礦空采區(qū)建立地下水庫(kù)以補(bǔ)充開采水源，利用GMS建立地下水場(chǎng)模型并分別以軟件預(yù)測(cè)與蒙特卡洛分析法(一種利用隨機(jī)數(shù)進(jìn)行計(jì)算的方法)計(jì)算出地下水滲漏和補(bǔ)給情況，表明了該開采區(qū)可以建立地下水庫(kù)；葛璐婷[25]在評(píng)價(jià)高松礦區(qū)地下水經(jīng)濟(jì)損失時(shí)，利用GMS模擬出礦區(qū)地下水的潛水位空間分布，并間接計(jì)算對(duì)應(yīng)區(qū)域的影響率從而得出地下水影響對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)損失。

可以看出，開采區(qū)對(duì)地下水資源影響較大，會(huì)造成或多或少的地下水水位下降，在開采區(qū)區(qū)域形成了地下水水位降落漏斗，開采目標(biāo)層局部含水層由承壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為潛水狀態(tài)。因此需要GMS軟件進(jìn)行模型的建立并模擬水位標(biāo)高以監(jiān)測(cè)地下水。

2.3地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬

在開采區(qū)開采時(shí)，管道、鉆井等液體遷移時(shí)的泄露，以及開采過(guò)程中遇較大孔隙、溶洞等導(dǎo)致污染因子進(jìn)入地下水體造成地下水水質(zhì)的變化，都可通過(guò)GMS軟件建立地下水場(chǎng)模型并進(jìn)行溶質(zhì)在一定時(shí)間內(nèi)的運(yùn)移模擬，通過(guò)模擬結(jié)果來(lái)確定其擴(kuò)散影響范圍以及對(duì)生產(chǎn)和生活造成的的危害。

孟勤憲[26]等模擬頁(yè)巖氣鉆采過(guò)程的潛水含水層水流場(chǎng)和溶質(zhì)運(yùn)移情況中得出不同工況下，氯、石油類及COD等污染物在模擬期內(nèi)的滲透擴(kuò)散均在可控范圍內(nèi)，并對(duì)接下來(lái)工程的地下水環(huán)境防治進(jìn)行了預(yù)測(cè)與建議；錢程[27]等模擬某氣田開采過(guò)程中石油類污染物擴(kuò)散途徑及其影響范圍，其污染因子石油類污染物在預(yù)測(cè)期內(nèi)擴(kuò)散范圍不大，不會(huì)對(duì)周邊造成影響；朱閣[28]在富縣油氣田項(xiàng)目中，利用MODFLOW等模塊建立了地下水流場(chǎng)模型，通過(guò)模擬得出了污染擴(kuò)散范圍及影響，對(duì)后續(xù)生態(tài)保護(hù)作出指導(dǎo)建議；白杰[29]模擬某礦區(qū)松散層孔隙水污染地下水環(huán)境造成的影響時(shí)，測(cè)算污染物硫酸鹽在規(guī)定范圍內(nèi)1300d才會(huì)運(yùn)移出水文地質(zhì)單元，并根據(jù)結(jié)果對(duì)礦區(qū)的溢散點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)；李小川[30]模擬某銅尾礦庫(kù)硫酸鹽、重金屬銅、鉻等在服役期內(nèi)的擴(kuò)散情況中發(fā)現(xiàn)會(huì)影響周圍居民取水用水安全，針對(duì)范圍提出了相應(yīng)防滲措施；顏萍[31]模擬云南保山某尾礦庫(kù)硫酸鹽污染擴(kuò)散中模擬發(fā)現(xiàn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)其會(huì)擴(kuò)散到相鄰地下水、包括莫家河等在內(nèi)的地表水，說(shuō)明擴(kuò)散并不止限于單一水文單位。王婷婷[32]對(duì)于杭錦旗氣田開采對(duì)于地下水的污染，提出了水平井、污水處理廠等措施，在其基礎(chǔ)上建立了水質(zhì)模型并進(jìn)行模擬，得出該資源的開采不會(huì)對(duì)取水及鄰近水源造成污染。

通過(guò)以上研究可以發(fā)現(xiàn)，GMS軟件對(duì)于礦區(qū)、開采區(qū)等地的地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬具有良好的應(yīng)用，通過(guò)不同的水文地質(zhì)條件建立當(dāng)?shù)氐母拍钅Ｐ?，并可以根?jù)污染因子的供給時(shí)間、污染時(shí)間、污染強(qiáng)度以及模擬擴(kuò)散范圍、擴(kuò)散距離和擴(kuò)散效果圖，以此結(jié)果進(jìn)行下一步對(duì)地下水污染預(yù)防與治理進(jìn)行指導(dǎo)性的意見。

2.4礦坑涌水量模擬

礦坑涌水量是指礦山開拓與開采過(guò)程中，單位時(shí)間內(nèi)涌入礦坑(包括井、巷和開采系統(tǒng))的水量。它是確定礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度的重要指標(biāo)之一，關(guān)系到礦山的生產(chǎn)安全與成本，對(duì)礦床的經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)有很大的影響；并且也是設(shè)計(jì)與開采部門選擇開采方案、開采方法，制訂防止疏干措施，設(shè)計(jì)水倉(cāng)、排水系統(tǒng)與設(shè)備的主要依據(jù)。因此，在生產(chǎn)建設(shè)中，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)礦坑涌水量在不同空間和時(shí)間上的變化趨勢(shì)則顯得尤其重要。

薛瑞[33]在某金礦礦區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬時(shí)，正常生產(chǎn)中的涌水量對(duì)第四系含水層水位及地下水流場(chǎng)的影響明顯，在礦區(qū)內(nèi)形成了降落漏斗，并建議分區(qū)開采等安全生產(chǎn)的建議；趙研[34]以撫順西露天礦為研究區(qū)，對(duì)礦區(qū)的涌水量作出預(yù)測(cè)，并以模擬結(jié)果結(jié)合實(shí)際工況設(shè)定了相應(yīng)數(shù)量的水平井及豎直井疏水，使礦坑不會(huì)有水溢出，得以安全規(guī)范的進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)；馮翔、姚曹節(jié)[35-36]分別以不同礦區(qū)為例，對(duì)比了軟件建模預(yù)測(cè)涌水量與“大井法”計(jì)算涌水量，發(fā)現(xiàn)誤差在合理范圍之內(nèi)，證明了軟件建模的精度可靠性并且二者可相互驗(yàn)證；LongqingShi[37]針對(duì)焦家金礦進(jìn)行服役期內(nèi)的礦井涌水預(yù)測(cè)并得出不同開采水平以及開采年限增加，礦井涌水量逐漸增加。復(fù)合了礦井涌水及地下水流場(chǎng)和斷層發(fā)育情況對(duì)于礦區(qū)突水危險(xiǎn)性進(jìn)行了綜合的評(píng)價(jià)。韓忠[38]模擬焦家控礦構(gòu)造帶礦坑涌水量，對(duì)比不同礦區(qū)深度的涌水量，并且發(fā)現(xiàn)總體用水量在一固定值上下波動(dòng)，根據(jù)該值可以進(jìn)行疏干排水方案的建立。值得一提的是，作者采用了MODFLOW模塊中的barrier障礙邊界，其在處理控礦構(gòu)造阻水帶對(duì)地下水水平流的阻礙作用方面模擬效果良好。通過(guò)礦坑涌水量擬合校正，提高模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。袁涵[39]對(duì)疆北某礦區(qū)進(jìn)行涌水量模擬，分別利用GMS中Soild、modflow模塊構(gòu)建模型，對(duì)于不同情況的采掘次序及進(jìn)程和大井法等方案進(jìn)行預(yù)測(cè)與實(shí)際比較，通過(guò)比較得出其模型在不同方案的精準(zhǔn)度較好。李有光[40]通過(guò)GMS中Modflow以及河流子程序包來(lái)模擬野豬江礦沖溝，通過(guò)挖空單元體來(lái)模擬窿道的分布和開采后的空間變化，其計(jì)算結(jié)果用來(lái)預(yù)測(cè)開采時(shí)期的涌水量，并且通過(guò)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)其開挖方式可自然排泄無(wú)需人工排水。

運(yùn)用GMS軟件對(duì)研究區(qū)進(jìn)行模型建立，直觀的反映了地層富水情況，并根據(jù)不同研究區(qū)情況進(jìn)行礦坑涌水量的模擬，其結(jié)果無(wú)論與實(shí)際值或其他計(jì)算方法相差無(wú)幾，說(shuō)明該軟件可以完美的勝任這一工作，為礦井的安全生產(chǎn)提供合理的依據(jù)，也為后續(xù)疏干排水方案提供了數(shù)據(jù)支持。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上人員的研究結(jié)果，可以直觀看到GMS軟件對(duì)于開采區(qū)的地下水問(wèn)題如對(duì)地下水流場(chǎng)、水量、水質(zhì)的影響等方面有非常多的應(yīng)用，也為開采區(qū)后續(xù)實(shí)際工作提供了數(shù)據(jù)支持。隨著科技的