沙漠地区地下水建模方法研究

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【摘 要】随着计算机技术的普及，地下水模拟软件得到了广泛的应用。本文运用Visual Modflow软件通过几个步骤，对地处沙漠地带巴基斯坦塔尔煤田进行了水文地质建模，事实证明该技术方法可行，建模效果较为理想。

【关键词】地下水数值模型；Visual Modflow；参数分区；露天煤矿

前言

矿产资源是国民经济和社会发展的重要物质基础，人迹罕至的沙漠地区往往蕴藏着丰富的矿产资源。巴基斯坦塔尔煤田就位于塔尔沙漠之下，目前煤田已经进入全面开发阶段。地下水对于未来的采矿影响很大，因此建立一个区域的地下水数值模型对整个煤田的开发意义重大，可利用模型对煤田的任意区块进行涌水量预测，同时也可以监测某个区块的采矿疏干排水对其他区块乃至整个区域地下水的影响。

1 煤田水文地质概况

塔尔沙漠位于印度西北部和巴基斯坦东南部，面积近30万平方千米。塔尔煤田为一走向NNE的向斜盆地，其南北走向长约80km，东西平均宽约50km，面积约5000km2，煤田所处构造位置为向斜盆地的南端西翼，为一东倾的单斜构造，根据地质资料推测，东部为巴印边界附近的断层，西部沉积边缘，南部为卡其沼泽断裂带，构成了地下水迳流的蓄水构造。

1.1 含水层特征

煤田内共发育三个含水层：

（1）第四系沙丘潜水含水层：发育于第四系底部和新近系上新统顶部。含水层岩性以黄色细砂为主。受基底起伏及大气降水影响，含水层分布不连续，厚度变化较大，在2-20m之间。含水层富水性较弱，单位涌水量0.085-0.847L/s.m，地下水的径流方向整体趋势北东流向南西。

（2）新近系上新统底部砂岩承压含水层（煤层顶板含水层）：含水层岩性为灰白色细砂岩及中、粗砂岩，含少量砾岩，泥质微胶结，松散。该含水层全区发育，平均厚度9.59m。渗透系数1.02×10-4―2.62×10-4m/s；富水性属弱―中等。水位标高10.50-52.70m，总体趋势东北高西南低。

（3）古近系古新-始新统底部砂岩承压含水层（煤层底板含水层）：岩性主要为灰―灰白色中、粗砂岩，含少量细砾岩。该含水层全区分布，厚度平均37.09m。该含水层渗透性较好，渗透系数一般在0.22×10-4―3.83×10-4m/s之间。承压水头水位标高+25-+46.15m，总体趋势东北高西南低。

1.2 地下水补给、径流、排泄条件

区域内各含水层间隔水层稳定发育，分别为新近系上新统中部粘土岩隔水层和古近系古新―始新统煤及泥岩隔水层，隔水性较好。第四系沙丘潜水含水层，地下水主要补给来源为大气降水垂直入渗补给，补给条件较差。煤层顶板含水层及底板含水层，地下水补给来源为区域性侧向径流补给。排泄方式第四系沙丘含水层主要为蒸发及生活用水，下部含水层则以侧向径流为主。

2 水文地质数值模型的建立

2.1 模型范围的确定

依据区域地质及水文地质条件，沙丘含水层富水性差无自然边界且局部有不连续现象，因此可对煤层顶、底板含水层进行建模。模型中两含水层东西两侧为自然隔水边界，北部为变流量补给边界，南部则用侧向径流排泄来代表各种排泄方式，垂向上无越流补给。

2.2 数值模型建立

建立三维有限差分地下水流动模型采用Visual MODFLOW软件。对地下水数值模拟区进行网格剖分，边界以外设为不活动单元格，必要时可对局部进行加密剖分。再平面方向上将建模区分为5层，利用搜集全区的第四系、顶、底板含水层标高数据，运用软件Inverse Distance方法对第四系及含水层顶、底板标高进行插值，建立三维有限差分模型。同时利用搜集含水层参数，对含水层进行参数分区赋值。根据地下水的流向分别在模型的北部和南部输入两条线形的通用水头边界（GHB），利用两条边界的水头差来调节区内的径流变化。

2.3 模型的识别

在整个计算区域MODFLOW规定，一个模型的六个侧面均为不透水边界，即所模拟的水文地质体系与外界没有任何水力联系。所模拟的体系与外界的水力联系应通过水头边界、井、降水及蒸发等加以体现。本次模拟应用MODFLOW 2000引擎对该区进行非稳定流模拟，模拟时间7300天（20年）。设计用模型运行的前730天（2年）来模拟天然状态下的地下水流场，后18年根据需要人为设置补给排泄条件。根据对初始流场形态及所赋参数的分析，在模型的南北两边平行于等水位线的方向上分别设置为通用水头边界，利用通用水头边界来调整区内的补给与排泄，经调整模型运行730天后流场形态与初始流畅形态基本一致，因此认为该模型能够代表自然状态下的水文地质条件，此时通过通用水头边界流进流出的地下水天然径流量煤层顶板含水层3588m3/d，煤层底板含水层10197m3/d。

3 水文地质数值模型的应用

在塔尔煤田某区块的详查工作中，运用本模型对首采区涌水量进行过预测。具体做法是在首采区周围设置疏干排水井，以定流量的方式进行疏干排水，由于MODFLOW不能进行混合井流的模拟，因此在煤层顶、底板含水层分别设置相应的疏干井，经反复调试水量及井位，最终在3年达产时首采区地下水降至安全水位以下。此时煤层顶板含水层涌水量30200 m3/d，煤层底板含水层涌水量112320 m3/d。

4 结论

数值法是通过模拟含水层的地下水动态过程，用有限的离散点组成网格代替连续的渗流空间，将微分方程及定解条件转化成网格上的代数方程组，进而获得不同时刻水头在离散点上的近似值。地下水数值模型能够刻画有限范围内含水层的弹性储存量及补给、排泄量的动态变化过程，但是该方法要求对模拟区边界条件有较高的控制程度，并且要查明边界条件的变化过程，不断的验证和完善模型，才能达到更为理想的效果。

参考文献：

[1]蒋辉，郭训武.专门水文地质学.地质出版社，2007.

[2]陈崇希.地下水动力学.中国地质大学出版社，1999.

[3]Michael G.Mcdonald Arlen W.Harbaugh.MODFLOW：模块化三维有限差分地下水流动模型.