GMS在矿坑涌水对区域地下水环境影响分析中的应用

田文英（辽宁省水文局，辽宁沈阳110003）



GMS在矿坑涌水对区域地下水环境影响分析中的应用

田文英
（辽宁省水文局，辽宁沈阳110003）

［摘 要］GMS软件是一套专门用于模拟孔隙介质中地下水流动的三维有限差分数值模拟软件。根据研究区水文地质条件，通过GMS地下水数值模拟软件，搭建矿区地下水数值模型。应用模型，预测在矿区正常生产条件下，矿坑排水造成矿区及周边地下水水位的变化，分析水位下降周边地下水环境影响。并预测矿停采后地下水水位恢复到初始状态所需时间，为环保措施的制定提供依据。

［关键词］GMS；数值模拟；环境影响评价；区域地下水

1 研究区概况

1.1 地形地貌

矿区位于努鲁儿虎山山系西南延长部位，地形坡度较缓，属低山侵蚀地形。地形切割较强烈，沟谷发育，狭窄而陡峻，植被不甚发育。地貌类型为构造剥蚀地形，总体北东-南西走向，地貌形态为剥蚀低山，山顶多为浑圆状，地形坡度3°～10°。

1.2 水文气象

该区域属阜新-朝阳辽西丘陵暖温带半湿润区，属大陆性气候。年平均降水量520mm，雨季多集中于7—9月，降雨量占全年总量的62.30%。蒸发量大于降水量，常导致缺水干旱。沟谷均为季节性河流，冰冻期在11月至翌年3月，冻结深度0.9 ～1.4 m。区内无常年性河流，大型沟谷在雨季会出现季节性水流体。

1.3 水文地质条件

根据区内地层岩性、埋藏条件，划分为第四系孔隙水含水岩组、变质杂岩裂隙含水岩组，其特征如下：

1）第四系孔隙水含水岩组

主要分布于东部山前沟谷堆积地带、沟溪两岸及地形低凹处，厚度0.5～5.0 m不等，自北向南逐渐增厚。成因为残坡积、冲洪积，岩性为砂、砾石、岩石碎块及粘性土组成，水位变化受大气降水影响变化较大，地下水埋深大于5 m，土层表现湿润。

2）变质杂岩裂隙含水岩组

区内该含水岩组大面积裸露地表，岩性为黑云角闪斜长片麻岩，夹斜长角闪岩风化带厚度约20 m，浅部风化带透水性较好，为含水不丰富、渗透性微弱的弱含水岩组。节理发育以倾斜SE及SW两组最佳，倾角均陡。裂隙宽度0.1～1.5 cm，甚至1.5～2.5 cm，为开型。

3）地下水补给、径流、排泄条件

矿区位于低山丘陵区，基岩裸露，地势较高，为地下水补给径流区，地形地貌不利于地下水的渗透补给，大气降水渗入是地下水的唯一补给来源，大气降水后绝大部分沿地表径流，流向低洼沟溪，极少部分沿各种裂隙渗入地下补给地下水，然后以裂隙通道径流的形式顺岩层倾向向下游径流排泄。

2 水文地质概念模型

2.1 模拟计算范围确定

模拟计算区划分是在水文地质单元范围基础上，考虑区域地下水位监测资料有限，根据水文地质开采工作实际情况，将边界确定为远离开采区的远边界，边界附近水头、通量在模拟期间不会因为项目涌水而发生变化，模拟区面积93 km2。

2.2 含水层结构概化

第四系孔隙含水岩组中间虽然夹一层粘性土层，但根据已有的钻孔资料可知，该粘性土层在整个研究区范围内并不是连续分布的，因此在模型中将第四系含水岩组概化为单层含水层。第四系孔隙水与风化裂隙水之间也不存在明显的弱隔水层，在模型中主要通过赋存不同的水文地质参数来实现含水层之间的水量交换。结合区域水文地质资料，模型最终概化为二层，第四系孔隙含水层和基岩裂隙含水层。

2.3 地下水流概化

由于矿区开采深度大，地下水具有明显的三维流动特征，且由于矿坑排水，流动状态复杂，因此通过建立地下水三维非稳定流模型对项目区进行模拟。

现状条件下，含水系统基本处于均衡状态，补给量与排泄量相差不大，浅层孔隙水等水位线图可作为稳定状态下潜水含水层的流场拟合图。

2.4 研究区边界条件概化

根据区域水文地质条件及地下水流场将AB，DE概化为流量边界；将AE，BC概化为通用水头边界；将CD概化为隔水边界。

3 数学模型及求解

3.1 地下水流数学模型

根据水文地质概念模型，将研究区地下水流系统概化为非均质、各向同性、二维、潜水非稳定地下水流系统，可用如下定解问题来进行描述：式中：h，B——分别为含水层水位和底板标高，m； ε1!x， y，t"，ε2!x， y，t"——分别为含水层的补给强度和排泄强度，m/d；q! x， y，t"——为第二类边界单宽流量，m2/d；K——为渗透系数，m/d；h0!x， y"——为初始水位，m；h1!x， y，t"——为第一类边界点水位，m；μ——为潜水含水层储水系数，无量纲；t——时间，d。

3.2 数学模型软件

此次地下水数值模拟采用了当前国际上利用较广的GMS软件。GMS是地下水模拟系统的简称，是美国Brigham Young环境研究实验室和美国陆军排水工程实验工作站在综合已有的MODFLOW，MT3DMS，MODPATH，EMWATER，SEEP2D，SEAM3D，RT3D，UTCHEM等地下水模型的基础上开发的地下水环境模拟软件包。其中，MODFLOW是美国地质调查局20世纪80年代开发出的一套专门用于孔隙介质中地下水流动的三维有限差分数值模拟软件。它被广泛用于模拟井流、河流、排泄、蒸发和补给对非均质和复杂边界条件的水流系统的影响。MT3DMS是模拟地下水系统中对流、弥散和化学反应的三维溶质运移模型。

3.3 空间离散

计算区面积为93 km2，利用GMS的3D GRID模块实现网格剖分。共剖分矩形网格单元402个，每个单元格面积482 m×474 m。

3.4 时间处理

采用验证后的模型分别预测不同阶段矿坑排水对矿区及周边地下水的影响。根据该项目主要内容，矿山预计稳定开采17.1年，到第18年矿山开采基本结束。为了充分考虑恢复停产后区内地下水的水位恢复情况，确定了10年模拟时间。因此，非稳定流模型的模拟时间为28年，前18年为金矿生产运行阶段，后10年为停产恢复阶段。

3.5 水文地质参数确定

根据研究区地表岩性对降水入渗系数、渗透系数、废水度进行分区，降水入渗系数共分为3个分区，渗透系数和给水度分为4个分区。

3.6 模型的率定

由于对目的层的水文地质条件有比较清楚的认识，水文地质参数初值范围也比较客观，通过细致的调参拟合，模型识别取得了较好的结果，可以用于方案的模拟及预测。

4 矿坑涌水对环境影响分析

通过GMS模型软件，分析在矿区正常涌水量条件下，预测正常开采18年地下水流场变化情况，用于定量评价矿区开采对周围环境的影响。

矿区停产后，在自然恢复情况下，地下水水位达到开采前地下水水位所需时间进行了方案模拟，确定水位恢复期，为进行相应的环境治理措施提供依据。

4.1 生产期

生产期井下排水集中在基岩裂隙含水层，对浅层孔隙水的影响有限，开采后最大水位降深2.2 m，主要集中在矿界范围内；矿界范围1 km外最大降深0.8 m左右，对第四系孔隙含水层影响不大。居民集中供水井主要贯穿第四系孔隙水含水层，受井下巷道排水影响轻微，不会对周边农村居民水井造成大的影响，具体水位情况见图1。

图1 开采前后地下水水位降深图

4.2 停产恢复期

为了预测开采停止后，地下水水位的恢复情况，以正常开采条件下的地下水流场为基础，预测地下水水位恢复情况。

矿山停产后，井下排水随即停止，地下水水位开始逐渐上升，并在一段时间内恢复到开采前水平。根据水流模型预测结果，矿山停采后经过1年的恢复，地下水水位较开采前最大下降深度恢复为1.9 m；经过2年的恢复，最大降深恢复到1.25 m；经过3年的恢复最大降深不足0.5 m，并基本达到开采前水平，见图2。第四系孔隙水流场与模拟初始流场基本一致，说明浅层孔隙水可以得到较好地恢复。

图2 停采3年地下水水位降深图

5 结论

1）通过GMS数值模型软件，预测矿山在正常开采情况下，矿山整个开采期下水水位变化情况，定量化了矿山开采对周围环境敏感点的影响，为环境影响评价中为项目提出明确的环保措施、补偿建议提供了依据。

2）经过矿山停采后地下水水位恢复分析，通过3年的自然恢复，矿区地下水水位基本上恢复到矿区开采前状态，说明矿区地下水有一定的天然补给能力，矿区开采18年对地下水水位的影响，在项目区停采后，不需地下水恢复工程措施。

3）GMS数值模型能够很好的定量化地下水开采对周围环境造成的影响，能够为环境影响评价环保措施制定提供明确的依据。

［中图分类号］P641.69

［文献标识码］A

［文章编号］1002－0624（2016）06－0058－03

[收稿日期]2016-01-27