基于visu-almodflow的白澗礦區(qū)水文地質(zhì)預(yù)測研究

基于visu-almodflow的白澗礦區(qū)水文地質(zhì)預(yù)測研究

0應(yīng)用市場的心理計算平臺加利福尼亞州的威洛伊木馬軟件公司（威洛伊木馬軟件公司）根據(jù)美國地質(zhì)秘書處（usgs）的軟件模塊進(jìn)行了開發(fā)，并將可視化技術(shù)應(yīng)用于云傳播手段中的水循環(huán)軟件模塊。這是一個基于空間數(shù)據(jù)的模擬地下水流動值的軟件。該系統(tǒng)在無縫集成MODFLOW-2000、WinPEST、MT3D、MODPATH等軟件的基礎(chǔ)上,建立了合理的Windows菜單界面與可視化功能,增強(qiáng)了模型數(shù)值模擬能力、簡化了三維建模的復(fù)雜性。其獨(dú)特的可視化菜單結(jié)構(gòu)允許操作者簡單快捷的定義模擬區(qū)范圍、選擇單位、方便的分配模型的屬性和邊界條件,不需要對源程序進(jìn)行任何的修改,Visual-Modflow就可以直接用來解決大多數(shù)地下水模擬問題。河北是鋼鐵產(chǎn)業(yè)大省,邯邢地區(qū)則是重要的鐵礦資源產(chǎn)地,自1950年以來,經(jīng)過廣大地質(zhì)工作者的努力,該地區(qū)共探明鐵礦石資源儲量近9億t,但是淺部礦床已基本采完,正在向水下的深部礦體開采。雖然經(jīng)過了長期的探索實(shí)踐,但目前主要的防治水措施還是“疏干排水”和局部注漿的“帶壓開采”?！按笏钡V山的防治水仍然是本地區(qū)鐵礦開發(fā)中的一大關(guān)鍵性難題,嚴(yán)重地制約了本區(qū)深部鐵礦的開發(fā)。白澗鐵礦是邯邢地區(qū)埋藏較深、規(guī)模較大的鐵礦床之一,是典型受“大水”威脅的深部礦體,因此采用VisualModflow預(yù)測模型對其進(jìn)行礦井涌水量預(yù)測,對今后該地區(qū)深部礦床的勘查開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。1含水層對礦床充水性的影響白澗鐵礦礦區(qū)主要含水層有第四系和煤系含水層及奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r含水層,其中:第四系及煤系含水層地層含水量小且有較厚的隔水層,對礦床充水影響不大。礦床充水巖層主要為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r。奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r含水層為礦床直接頂板,因火成巖侵入和構(gòu)造的影響,使該含水層空間形態(tài)變化很大。造成灰?guī)r含水層透水性、富水性在垂向上和水平上極不均勻。但就整個礦區(qū)而言,該奧灰含水層是百泉巖溶水地下水系統(tǒng)的一部分,是一個統(tǒng)一含水層,具有統(tǒng)一的地下水流場。2流量邊界類型白澗鐵礦礦床賦存于-300~-800m水平,位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下,屬于埋藏較深的隱伏礦床。石灰?guī)r含水層為礦床頂板,礦區(qū)處于百泉泉域南部北洺河—郭二莊—王窯—白澗—中關(guān)巖溶地下水強(qiáng)徑流帶上。模型原型以白澗鐵礦礦區(qū)為對象,根據(jù)區(qū)內(nèi)奧灰含水層流場特征和對地層結(jié)構(gòu)的分析,將礦區(qū)側(cè)向邊界類型確定為不同性質(zhì)的流量邊界(圖1),具體如下:(1)西北部邊界:為各灰?guī)r含水層隱伏露頭,地表主要為冰川沉積雜色粘土、冰磧礫石層以及黃土等組成,阻隔了大氣降水對下部含水層的補(bǔ)給。根據(jù)2007年奧灰含水層地下水滲流場特征,西北部位的等水位線與西北邊界近于垂直,將其設(shè)置為隔水邊界。(2)東北部邊界:地下水從王窯礦區(qū)經(jīng)白澗礦區(qū)、中關(guān)礦區(qū)、西郝莊最終流向百泉,因此可以確定東北邊界是礦區(qū)的排泄邊界。(3)東南部邊界:礦區(qū)東南有大的侵入巖體,結(jié)合地下水滲流場特征,將其設(shè)置為隔水邊界。(4)西南邊界:區(qū)域外有馬會河流過,且是北洺河—郭二莊—王窯—白澗—中關(guān)巖溶地下水強(qiáng)徑流帶上的補(bǔ)給區(qū),因此將其設(shè)為補(bǔ)給邊界。3地下水系統(tǒng)的概括和含水層參數(shù)的選擇3.1復(fù)配介質(zhì)的性質(zhì)礦區(qū)內(nèi)地下水流整體呈自西南向東北流動,將從以下幾個方面進(jìn)行本區(qū)地下水系統(tǒng)概化:(1)含水層水文地質(zhì)參數(shù)隨巖性的不同而異,方向上存在差異性,所以將含水介質(zhì)概化為非均質(zhì)各向異性。(2)地下水系統(tǒng)輸入、輸出隨時間變化,故為非穩(wěn)定流。(3)礦區(qū)水力坡度小,含水層分布廣、厚度大,地下水運(yùn)動符合達(dá)西定律。綜上所述,將礦區(qū)地下水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。不考慮降水入滲、蒸發(fā)、河流補(bǔ)給以及在局部地段受斷層的影響。3.2試驗(yàn)資料對于含水層參數(shù)的選用,主要參考以往的和礦區(qū)詳查的抽水試驗(yàn)資料。根據(jù)白澗礦區(qū)奧灰含水層的巖性、富水性、埋深條件、厚度以及水位動態(tài)對礦區(qū)進(jìn)行分區(qū)(見圖2),設(shè)置不同的滲透系數(shù)和儲水率(見表1)。4利用觀測點(diǎn)資料來反求水文參數(shù)與驗(yàn)證邊界模型識別驗(yàn)證亦稱“反演”,就是數(shù)學(xué)運(yùn)算中的解逆問題,即利用水頭函數(shù)解算地下水均衡方程。做法上表現(xiàn)為根據(jù)觀測點(diǎn)的資料,來反求水文地質(zhì)參數(shù)與驗(yàn)證邊界,直到誤差滿足精度為止。本次選用2007年1月至2010年12月擬合期內(nèi)奧觀12#和3#水源井水位觀測孔來進(jìn)行模型識別與驗(yàn)證,采取計算和地質(zhì)條件分析相結(jié)合來及時指導(dǎo)調(diào)參,以取得最佳擬合效果。(1)模型擬合曲線奧觀12#、3#水源井水位歷時擬合曲線見圖3、圖4。通過兩井水位擬合曲線(圖3和圖4)可以看出,模擬的水位動態(tài)曲線與實(shí)測的水位動態(tài)曲線達(dá)到了較好的擬合,兩者的動態(tài)變化過程比較吻合。(2)觀測孔間距的影響隨機(jī)選30天和720天水頭梯度場進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖5所示。圖5中,縱坐標(biāo)為計算值,橫坐標(biāo)為觀測值,對角線的角度為45°,若計算值與觀測值相等,則觀測孔位于對角線上,若二者不相等,則觀測孔偏離對角線。二者相差越大,觀測孔偏離對角線則越遠(yuǎn)。因此,可以利用這種圖來判定各時間段的擬合程度。由以上兩個隨機(jī)篩選的時段可以看出模型的擬合效果較好。通過對水位歷時擬合曲線和觀測孔水頭梯度場擬合圖的分析,在模擬過程中,沒有出現(xiàn)明顯的誤差累積和擴(kuò)大的趨勢,說明數(shù)學(xué)模型是可靠的,數(shù)值方法是可行的,其成果可以用于有關(guān)礦坑涌水量的預(yù)測。經(jīng)過模型識別與驗(yàn)證,對含水層的參數(shù)進(jìn)行修正,奧灰含水層的參數(shù)分區(qū)結(jié)果見表2。5網(wǎng)絡(luò)連通界面水文地質(zhì)勘探和長期動態(tài)觀測證明,奧灰含水層是一個強(qiáng)大的含水體,但由于各層組的裂隙與巖溶在發(fā)育程度上有較大差異,因此富水性、透水能力、儲水條件也有很大不同。這主要表現(xiàn)在兩個方面:一是在垂向的差異;二是在橫向的差異。雖然奧灰在縱向和橫向的富水性、透水性、儲水條件有較大差異,但非均勻分布的溶洞、裂隙,又具有極廣泛的水力聯(lián)系,成為網(wǎng)絡(luò)連通的似層狀含水體,屬同一水動力場。因此,可以對該礦區(qū)涌水量進(jìn)行預(yù)測。為了較好預(yù)測白澗鐵礦區(qū)礦井涌水量,在礦區(qū)均勻布置12口抽水井,調(diào)整各假想井抽水量,使水位下降到臨界水位-200m時改變邊界條件,然后繼續(xù)抽水,使水位下降至臨界水位-400m或者在礦體分布區(qū)出現(xiàn)大部疏干時,模型停止運(yùn)行。12口假想井的總抽水量即是未來的礦井涌水量,模型運(yùn)行時間就是未來的排水時間。本次進(jìn)行三種方案的設(shè)計,方案設(shè)計主要考慮兩方面的因素:奧灰含水層的邊界條件和滲透系數(shù)。方案提出主要依據(jù)是:考慮改變邊界條件,是根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料和地質(zhì)剖面,在水位降至-200m時,其礦區(qū)東南部和西北部將遇到大面積的侵入巖,水位降至-400m按原有模型預(yù)測不符合實(shí)際情況,所以在水位降至-400m預(yù)測中改變模型邊界。改變后的邊界如圖6。因此,建立好模型后,先疏降至-200m,然后改變邊界條件,再疏降至-400m水平?；跐B透系數(shù)考慮設(shè)計三種方案(見表3)。(1)礦井涌水量預(yù)測水位疏降至-200m時,地下水水位等值線見圖7;水位疏降至-400m時,地下水水位等值線見圖8。預(yù)測結(jié)果:奧灰含水層水位降到臨界水位-200m的時間為120天,疏降至-400m的時間為180天,各假想井的水量為16420m3/d,礦區(qū)預(yù)測的涌水量為197040m3/d,即8210m3/h。水位的疏降情況:將礦體分布區(qū)水位疏降至-400m時(見圖8),白澗漏斗最大直徑約為6.0km,中心部位零星疏干,中心偏北小片疏干分布在滲透系數(shù)為0.1m/d、儲水率為1E-7區(qū)域。王窯漏斗中心水位降至-60m,鳳凰山漏斗中心水位降至-134m,西郝莊漏斗中心水位降至-140m。(2)水體疏降分析水位疏降至-200m時,地下水水位等值線圖見圖9;水位疏降至-400m時,地下水水位等值線圖見圖10。預(yù)測結(jié)果:奧灰含水層水位降到臨界水位-200m的時間為120天,疏降至-400m的時間為180天,各假想井的水量為15010m3/d,礦區(qū)預(yù)測的涌水量為180120m3/d,即7505m3/h。水位的疏降情況:將礦體分布區(qū)水位疏降至-400m時(見圖10),出現(xiàn)大部分疏干。王窯漏斗中心水位降至-54m,鳳凰山漏斗中心水位降至-112m,西郝莊漏斗中心水位降至-134m。(3)地下水水位疏降分析水位疏降至-200m時,地下水水位等值線圖見圖11;水位疏降至-400m時,地下水水位等值線見圖12。其預(yù)測結(jié)果為:奧灰含水層水位降到臨界水位-200m的時間為120天,疏降至-400m的時間為180天,各假想井的水量為15810m3/d,礦區(qū)預(yù)測的涌水量為189720m3/d,即7905m3/h。水位的疏降情況:根據(jù)圖12可以看出,將礦體分布區(qū)水位疏降至-400m時(見圖12),礦體賦存部位已基本疏干。王窯漏斗中心水位降至-56m,鳳凰山漏斗中心水位降至-134m,西郝莊漏斗中心水位降至-156m。通過以上各表及地下水水位等值線圖可知:方案1和方案2水平滲透系數(shù)一樣,在垂向滲透系數(shù)相差一倍的情況下,方案1疏干面積明顯沒有方案2的大,但涌水量卻大得多,可以看出垂向的滲透系數(shù)對涌水量影響較大;同時,方案3在水平、垂向滲透都相對較小的情況下,涌水量變化不大,但疏干面積較其他方案大的多,在考慮采礦對水環(huán)境影響下,方案3疏干面積太大,對礦區(qū)水環(huán)境以及區(qū)域水環(huán)境影響嚴(yán)重。結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)條件以及相鄰礦區(qū)涌水量資料以及參考實(shí)際收集的水文地質(zhì)參數(shù),方案2的水文地質(zhì)參數(shù)更接近于初始的水文地質(zhì)參數(shù),其涌水量比較合理,較真實(shí)反映白澗鐵礦礦體分布區(qū)水位疏降至-400m時的涌水量。6似轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)的使用價值(1)在對白澗鐵礦礦區(qū)水文地質(zhì)系統(tǒng)概化的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際資料對VisualModflow模型進(jìn)行了模型識別,其精度達(dá)到預(yù)期效果,對具有極廣泛的水力聯(lián)系,且屬同一水動力場網(wǎng)絡(luò)連通的似層狀白澗鐵礦礦區(qū)含水體,具有一定的使用價值。(2)在