矿山疏干排水对地下水源地影响的数值模拟.pdf

第 3 5卷第 1期 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) V o 1 ． 3 5 N o ． 1 2 0 1 4年 2月 J o u r n a l o f N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r( N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ) F e b ． 2 0 1 4 DOI ： t 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2—5 6 3 4 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 0 7 矿 山疏 干排水对 地下水源地影 响的数值模 拟 屈吉鸿 ，李志岩 ，唐 书平 ，吕小凡 ，杨 莉 ( 1 ． 华北水利水 电大学， 河南 郑州 4 5 0 0 4 5 ； 2 ． 河南省地矿局 第二地质环境调查 院， 河南 郑州 4 5 0 0 5 3 ) 摘要 ： 矿 山开采过程 中的疏干排水势必导致 区域地 下水系统 的补给 、 径流 、 排泄 发生变化 ， 引起 周边地 下水位 下 降 、 水源地枯竭等环境地质 问题． 根据三 门峡段 村一雷沟铝 土矿 区地质构 造和水文地 质条 件 ， 对 其水文地 质模型进行概化 ， 采用 MO D F L O W 有限差分方法分析评价矿坑疏排水对区域地下水水源地 的影 响． 分 析结 果表 明： 矿 山开采对水源地会产生较大 的影 响， 其对 水源地 中部地 区的影 响最大 ， 对于西 部 以及 东部地 区 的影响较小． 当段村一雷 沟矿 区排水 1 3 a时 ， 水源地 内 1 1 号与 l 4号井失去供水能力 ， 补 2 B井仍可正 常供 水 ； 排水 2 1 a时 ， 补 2 B井也报废 ． 关键 词 ： 疏干排水 ； 地下水源地 ； 影响评价 ； MO D F L O W 中图分类号 ： T V 2 1 1 ． 1 2 ； P 6 4 1 ． 7 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 0 0 2—5 6 3 4 ( 2 0 1 4 ) 0 1— 0 0 3 0— 0 5 地下水 疏 干排水 是矿 山设计 和开 采过 程 中的重 要环节 ， 合理的疏排方案不仅能防止矿 区内突水事 故 的发生 ， 而且能有效降低对 区域地下水系统 的影 响． 矿 区地下水疏干排水模拟多采用数值法 ， 但 目前 的研 究更 多关 注 矿坑 涌 水 量 的预 测 ， 而 疏 干 排 水 对 区域地 下水 系统 的影 响研 究 较 少 ． 中 国铝 业 股份有限公司矿业分公司段村一雷沟铝土矿矿区周 边 分布 有腾 跃水 泥 厂 、 新 安 电厂 、 义煤 集 团 、 渑 池 二 电 、 仰 韶酒 厂 、 新 安 电 厂 等 多 家 企 业 的地 下 水 水 源 地 ， 铝 土矿 开采 过程 中 的疏 干排 水 势 必 导致 该 区域 地 下水 系统 的补 给 、 径 流 、 排 泄 发 生变 化 ， 引起 周 边 地下水位下降、 水源地枯竭等环境地质 问题． 笔者根 据矿山开采和疏排水设计方案， 采用 MO D F L O W 数 值 法模 拟矿 区疏 排水 条 件 下 的 地 下水 流 运 动 ， 评 价 铝 土矿 开采 对 区域地 下 水 水 源 地 的影 响 ， 为 矿 区岩 溶水资源开发利用和保护提供建议． 1 研究 区水文地质条件 中铝段村一雷沟铝土矿位于河南省三门峡市渑 池县境 内， 矿 区东至 洪 阳， 西到南 坻坞 ， 南至 陈家 坡一南沟一上洪阳南 一线 ， 北到歇柴沟一仁村～德 厚 南一 线 ． 矿 区水 文地 质单元 属渑 池一 义马 向斜 盆地 地下 水 系统 ， 如 图 1所 示 ． 根 据 地 表 水 分 水 岭 、 地 形 、 岩 性 、 地质 构造 及水 文 地 质特 征 划 分 矿 区地 下 水 系 统 边界 ， 东 以新 安 断层 、 岸 上 断层 为界 ， 西 以扣 门山 、 坡 头断裂带为界， 南起硖石逆断层和义马( 陕渑) 逆断 层 ， 北至段庄 、 方山、 坡头、 韶山等地表水分水岭． 综合分析研究 区内碳 酸岩类裂 隙岩 溶水的埋 藏 、 径流 、 补给、 排泄以及断裂构造等因素 ， 以研究 区 岩溶水 分水 岭—— 扣 门 山断 裂 、 坡 头 断裂为 界 ， 可将 研 究 区内岩溶 水 系统划 分为 观音 堂岩溶 水 与段村一 雷 沟铝 土矿 岩溶水 两个 子 系统． 研究 区内岩溶地下水补给来源包括岩溶裸露区 内大气降水 、 石河和北涧河渗漏补给以及北震旦系 变质岩裂 隙水 的侧 向径流补给， 其 中岩溶裸露 区内 大气降水为主要补 给来源． 研究区岩溶水 的主要排 泄 形式包 括地 下水 开采 井 及 矿 山疏 干 井 的 开 采 ， 此 外地下水沿溶洞和岩层倾 向向南 、 东南方向流动 ， 受 断层阻挡形成的上升泉也是研究区岩溶水主要排泄 途径． 地下水径流主要是沿j 匕 涧河河谷 向东南方 向 流 动． 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 0 9— 0 5 基 金项 目： 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室开放研究基金 ( I WH R— S K L一 2 0 1 2 0 8 ) ； 华北水 利 水 电学院高层次人才项 目． 作 者简 介 ： 屈吉鸿 ( 1 9 7 4 ～ ) ， 男 ， 江西南 昌人 ， 副教授 ， 博士 ， 主要从事水文地质方面 的研究 ． 3 2 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版) 2 o 1 4年 2月 差 ， 可视 作地 下径 流弱 透水补 给边 界 ． 西 部边 界 以岩 溶水分水岭——扣门山断层 、 坡头断层为界， 可视作 隔水边 界． 南 部边 界视 为零 流量 隔水边 界 ． 2 ． 2 数学模 型 根据 研 究 区 的水 文地 质 概 念模 型 ， 地 下 水运 动 的数 学模 型为 『去 ( ) + 号 ( k + 詈 ( + = 詈 ， i ，y ，z ∈ 力 ， > 0 ， 、 1 n ( x ， ) ， ， ， t ) l 0 = ／ 4 0 ， ， ) ， ， E ，t = 0 l l ，O HI l n— =1 = g ( ， y ， ， t ) ， ， Y ， z ∈ 1 " 2 ， ≥0 L J 厂 2 式 中 ： 为渗 流 区域 ； K ⋯ K K 为渗透 系数 ， m ／ d ； H 为水 位标 高 ， m； 为含 水 层 的源 汇 项 ， I l l ／ ( d I l 1 ) ， 包括地下水开采量 、 泉排泄量、 矿坑排水量 、 岩溶裸 露区内大气降水补给量、 石河和北涧河渗漏补给、 越 流补 给量 等 ； ．s s 为 弹 性 贮水 率 ， IT I ～； t 为 时 间 ， d ； H 。 为含水 层 的初始 水 头 ， m； F ， 为流 量 边 界 ； 万为 边 界 面 的法线方 向 ； q ( ， Y ， ， t ) 为第 二类 边 界 的单 宽 流 量 ， 13 0 _ ／ ( d m) ． 2 ． 3 数值 模型 根据数 学模 型 ， 对 研究 区进 行三 维 网格剖分 ， 平 面上 将 其划 分 成 5 71 3 5个 网格 单 元 ， 垂 向上剖 分 为 3层 ． 运 用 基 于 有 限差 分 法 的 V i s u a l MO D F L O W 软件 ， 建立地下水运动数值模拟模型． 选 用 承 压水 非 稳定 模 型 ， 按 单层 不 等 厚模 式 计 算 ， 选择双共轭梯度稳定 ( B i — C G S T A B ) 加速度程序 求 解器 ， 调用 基础 软 件 包 、 网格 中心 差分 软 件 包 、 源 汇井软件包 、 变水位边界软件包等功能模块对数值 模 型进 行识 别 ． 模型以月为时间步长， 计算时 间从 2 0 0 4年 l 0 月 到 2 0 0 6年 8月 ， 共 计 2 3 个 应 力期 ， 研究 区灰 岩 含 水 层初 始流 场 为 2 0 0 4年 1 0月 实 测 结 果． 具 有 较 完 整观测资料的地下水观测孔位置如图 2所示． 图 2地下水位观测 井位 置 研究区水文地质参数分区如图 3所示 ， 各分 区 参 数首 先采 用试估 法 进行手 动调 参 ． 在 此基 础上 ， 采 用 P E S T程序 自动 调 参 ， 其 中 目标 函数 为 拟 合 误 差 E 最 小 ． = ∑ ∑ ( 一 叫) ( 2 ) 式 中 ： n为 时段总 数 ； m 为观 测孔 总 数 ； ， 为 权 系数 ； 日 第 i 时段第 号观测孔 的计算地下水 头； H ， 为第 i 时段第 号观测孔 的实测地下水头． 图 3 水文地质参数分 区图 模型模拟得到的观测孔 Z K 4 2 1 3的计算水位 与 实测水 位 最 大 相 对 误 差 为 1 ． 2 6 ％ ， Z K 1 1 2 0 2 A最 大 相 对 误 差 为 一1 ． 8 5 ％ ， Z K 7 9 0 8最 大 相 对 误 差 为 1 ． 2 7 ％ ． 经模 型识别 后 的水文 地质 参数 见表 1 ． 表 1水文地质参数 3 矿 山疏排水对水源地影 响分析 根 据 矿 区不 同矿段 、 不 同开 采 阶段 对 疏 干水 位 的要求 ， 利用 矿 山疏干 排水模 拟模 型 ， 预报 满足 矿 山 开采设计标高条件下的疏排水量和地 下水流场 ， 利 用地下水 位 定量 分 析矿 山疏 干 排 水对 水 源 地 的 影 响 ． 3 ． 1 地下 水位 动态预 报 根据段村一雷沟铝土矿开采设计方案 ， 开采阶 段划分为最低基建 中段和最低开采 中段两个 阶段． 基 建 工期 和矿 山开 采 服 务年 限为 ： 段 村 矿 段 基 建 工 3 4 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报( 自 然 科 学 版 ) 2 0 1 4年 2月 数值模型的参数有待进一步率定 ， 同时在开采过程 中应加 强地 下水 的监 测． 模 拟结 果表 明 ， 中铝 段 村一 雷 沟 铝 土矿 满 足 矿 山开 采设计 要求 的疏 干排 水方 案对矿 区周 边地 下水 源地将会产生较大 的影响． 当疏干排水 1 3 a时 ， 洪 阳水 源地 1 1号井 和 1 4号井 报 废 ， 排 水 2 1 a时 ， 补 2 B井也报废． 为 了保护矿区有 限的地下水资源 ， 应 研究矿床疏干排水资源化问题 ， 尽量 降低疏干排水 对 其 他取水 用户 的影 响 ． 同时 ， 考虑 到矿 区疏 干排水 可能引起地面沉降 、 地裂缝等地质灾害和矿山环境 问题 ， 应加 强地 质环 境 的监 测 与矿 山环境 治理 ． 参 考 文 献 [ 1 ]邢艳 允 ， 陶月赞 ， 刘佩 贵 ， 等 ． 矿坑 涌 水 可利 用 量研 究 [ J ] ． 合肥工业大学学报 ： 自然科 学版 ， 2 0 1 2 ， 3 5 ( 6 ) ： 7 9 4 — 7 9 8． [ 2 ]邵太升 ， 邵爱 军 ， 彭建平 ， 等． 峰峰五 矿底板 突水数 值模 拟及涌水量预测 [ J ] ． 水文地质 工程地质 ， 2 0 0 9 ， 3 6 ( 4 ) ： 27 —31． [ 3 ] 肖攀 ， 何 风 ， 潘欢迎 ， 等． 基于 V i s u a l Mo d fl o w的 矿坑 涌 水量模拟预测评价—— 以湖南道县 后江桥 铁锰铅锌 矿 为例 [ J ] ． 工程勘察 ， 2 0 1 1 ， 3 9 ( 3 ) ： 4 5— 4 9 ， 9 5 ． [ 4 ]刘佩贵 ， 束 龙仓 ， 王雪 ， 等． 矿坑排水 对地下 水水 源地供 水安全影响分析 [ J ] ． 水文 ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 5 ) ： 5 5— 5 7 ． [ 5 ]薛 禹群 ． 地 下水 动 力学 [ M] ． 2版． 北 京 ： 地 质 出版社 ， l 9 97． [ 6 ]孙讷正． 地下水 流 的数学 模型 和数 值方 法 [ M] ． 北京 ： 地质 出版社 ， 1 9 8 1 ． [ 7 ]郑红梅 ， 刘明柱． V i s u a l M o d fl o w在天津市地下水数 值模 拟 中的应用 [ J ] ． 华北水利水 电学院学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 2 ) ： 8 — 1 1． [ 8 ]H a l f o r d K J ， Y o b b i D ． E s t i m a t i n g h y d r a u l i c p r o p e r t i e s u s i n g a mo v i n g — mo d e l a p p r o a c h a n d m u l t i p l e a q u i f e r t e s t s [ J ] ． Gr o u n d w a t e r ， 2 0 0 6， 4 4 ( 2) ： 2 8 4—2 9 1 ． Nume r i c a l S i mul a t i o n o f I n flu e n c e o f M i ne Dr a i na g e o n Gr o und wa t e r So u r c e Fi e l d Q U j i ． h o n g ， L I Z h i ． y a n ， T A N G S h u — p i n g ，L V X i a o ． f a n ，Y A N G L i ( 1 ． No r t h C h i n a Un i v e r s i t y o f Wa t e r Re s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o we r ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 5，Ch i n a ； 2 ． NO． 2 I n s t i t u t e o f G e o — e n v i r o n me n t S u r v e y o f He n a n ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 5 3，C h i n a ) Abs t r a c t：Th e s e we r d r a i na g e i n mi ni n g c e rta i n l y wi l l l e a d t o t h e c h a n g e o f g r o u nd wa t e r r e c h a r g e，r u no f f a nd d i s c h a r g e i n t h e r e g i o n a l g r o un d wa t e r s y s t e m ，a n d f u r t h e r c a us e t he e n v i r o n me n t a l g e o l o g i c a l p r o b l e ms s u c h a s g r o u nd wa t e r r e c e s s i o n a n d wa t e r r e s o u r c e e x ha us — t i o n a r o u n d ．A c c o r d i n g t o t h e g e o l o g i c s t r u c t u r e a n d h y d r o — g e o l o g i c a l c o n d i t i o n o f t h e D u a n c u n — L e i g o u Mi n ! n g i n S a n m e n x i a C i t y ，t h e hy d r o — g e o l o g i c mo de l o f a qu i f e r s y s t e m i s g e n e r a l i z e d，t h e n u me r i c a l mo d e l o f g r o u nd wa t e r flo w i s e s t a b l i s he d，a nd t h e n f i ni t e d i f f e r e nc e me t ho d o f MODFLOW i s u s e d t o a n a l y z e a n d e va l u a t e t he i n flue n c e o f mi n e d r a i na g e o n g r o u n dwa t e r s o ur c e a r e a ．Th e r e s ul t s s ho w t he mi ni n g wi l l ha v e g r e a t e f f e c t s o n g r o u n dwa t e r s o u r c e a r e a，whi c h a r e t he mo s t o n t he c e n t r a l r e g i o n f o r g r o u nd wa t e r s o u r c e a r e a，whi l e t h e l e s s o n t he we s t e r n a nd e a s t e r n．I f mi n e d r a i na g e i s f o r 1 3 y e a r s ，t h e No． 1 1 we l l a n d No． 1 4 we l l o f g r o u n dwa t e r s o ur c e a r e a i n Du— a n c u n— Le i g o u Mi ni ng wi l l b e s c r a p pe d，bu t t h e No ．2B we l l wi l l wo r k no r ma l l y．I f mi n e d r a i na g e i s f o r 21 y e a r s，t h e No ．2B we l l wi l l a l s o be s c r a p pe d． Ke y wor ds：mi n e d r a i n a g e；g r o u nd wa t e r s o u r c e fie l d；i mp a c t a s s e s s me nt ；MODFLOW ( 责任编辑 ： 陈海 涛)