基于Visual Modflow 的榆神矿区矿坑涌水量预测研究

管隆垚

（陕西省环境科学研究院，陕西 西安610103）

1 概述

榆神矿区是我国“十三五”规划的重要煤炭开采区，然而榆神矿区开采区煤炭开采已引起的地下水资源减少和地面沉降等问题，为了指导整个规划区的煤炭合理开采和水资源- 生态环境保护，开展研究区矿坑涌水量阈值研究显得尤为重要。

榆神矿区位于陕西省神木县、榆阳区境内，西、北以陕蒙边界为界，南部以孟家湾勘查区南部边界和榆林市边界为界，东北与神北新民矿区临接，东经109°15′～110°45′，北纬38°00′～39°15′，面积约5265Km2。研究区区位于鄂尔多斯高原的东南，毛乌素沙漠与陕北黄土高原的接壤地带，主要地貌单元有风沙地貌、黄土地貌及河谷地貌三种类型。区内主要分为榆溪河流域和秃尾河流域，少部分属于窟野河流域，都属于黄河水系。较大的湖泊红碱淖，面积约67km2，平均水深6～7m，最深20m，水质微咸。

图1

研究区根据开采现状和勘察现状主要划分四个规划区：一、二期规划区目前已达到开采阶段，二期部分地区已勘察结束；三期规划区已达到详细勘察阶段，各井田涌水量已作出预测分析；四期规划区大部分区域处于普查阶段，个别区域处于找煤阶段。

2 研究区煤- 水- 生态环境关系

由于区域内表层多为砂层及渗透性较强的地层，降水入渗作用强烈，使得本区域内地下水资源较丰富。研究区内垂向分层为：上层为表生生态环境，地下水赋存与中部，每层分布于最底层，从而形成生态环境脆弱区-- 水资源赋存区—煤炭资源赋存区三位一体的空间格局。煤炭的开采促进了区域经济的发展，良好的生态环境和丰富的水资源也是经济发展的重要保障。然而，研究区煤炭的开采已造成地下水位下降和地面沉降等地质环境问题，对工农业生产和生活初步造成了影响。因此，正确分析三者之间的关系是煤炭开采区保护水资源和生态环境的前提条件。

2.1 含水层- 煤层关系

研究区富水性较好的含水岩组是萨拉乌苏组，该含水层水质较好，是该地区内主要的生活水源，也是该地区主要的表生生态水源，同时是采煤过程中的主要的含水层[1]。研究区内，含水层与煤层关系总体上为含水层在上，下覆煤层，水煤关系剖面图如图2 所示。

2.2 水- 生态环境关系

本区属于半干旱地区，生态环境容易受到破坏，地下水动态水位与表生生态环境的联系十分紧密。生态环境对地下水的依赖作用十分显著。区域内河流基流量变化量与相应流域地下水位埋深变化量之间的关系主要表现为：地下水位埋藏较浅时，河边的水力梯度较大，地下水对给河水的补给量也较大，河流基流量较大，反之亦然。

区内另一环境问题为盐渍化。滩地地下水位埋深较浅，盐渍化程度较重，而区域内盐碱地面积占滩地总面积的10%。区内滩地土壤盐碱化程度可分为水平和垂直两种现象。横向上，滩地边至滩地中心随着地下水位埋深逐渐减小，由正常滩地逐渐渐转变为轻度盐碱地、中度盐碱地和重度盐碱地；垂向上，由于蒸发的影响，土壤中易溶盐的成分由下至上含量逐渐增加，碳酸盐含量逐渐减少[2]。

2.3 煤炭开采与生态环境关系

图2 含水层- 煤层关系图

在煤炭开采过程中，目前大部分采用少支撑、不回填的开采方式，这种开采方式对当地的生态环境破坏严重，一般形成了采空区，容易造成塌陷，破坏了含水层水力联系，导致地下水大量流失。煤炭开发对地下水的影响主要有地下水位下降、泉流量衰减、水质恶化、形成地裂缝及地面塌陷、天然植被出现退化，发育不良等现象。

3 水文地质概念模型和数学模型

3.1 水文地质条件

研究区主要地下水资源赋存于萨拉乌苏组含水层和烧变岩含水层里。萨拉乌苏组含水层的岩性主要以细砂和中砂为主，厚度有明显差异，该含水层水位埋藏较浅。烧变岩地下水的来源主要靠南部沙层潜水的侧向补给，排泄则以下降泉的形式排泄，故泉水出露较多。

研究区内地下水主要补给来源为大气降水和农用灌溉回归水；西北侧来自内蒙古方向的侧向地下径流补给；红碱淖地区主要受大气降水、地表水以及潜水补给。地表水与地下水分水岭基本一致，主要表现为集中向榆溪河与秃尾河汇集。区域内地下水排泄主要有蒸发排泄、向河流排泄、人工开采等方式。

3.2 边界条件

模拟区地下水总体由四周向河流汇流；BC、DE 段地下水等水位线基本与边界垂直，可概化为隔水边界；AE 段有来自内蒙方向的地下水侧向径流补给可概化第二类流量边界；取榆溪河西南部与秃尾河东南部，定为流量边界。模型区域的上层为潜水面，在该层上主要有降水入渗、潜水蒸发、农灌水回归补给、人工开采等垂向水量交换作用，概化为潜水面边界；模型底面为侏罗系砂泥岩，可概化为隔水边界。据此将研究区地下水流概化为非均质各向同性三维非稳定流（图3）。

图3 水文地质概念模型

3.3 地下水流数学模型

由以上水文地质概念模型可以建立本研究区地下水流数值模型为：

式中，Ω——榆神矿区模拟区域；

H——榆神矿区单元格内水头（m）；

K——含水层的渗透系数（m/d）；

Ss——储水率（1/m）；

μ——给水度；

W——外界补给排泄量（补给为正，排泄为负）（m3/d·m2）；

Q——开采强度（m2/d）；

4 地下水流数值模拟模型

4.1 水均衡法计算水资源量

榆神矿区补给资源量主要为降水入渗补给量8.04108m3/a；侧向径流补给量0.23×108m3/a；灌溉水回归补给量0.05×108m3/a。区内排泄资源量主要为潜水蒸发排泄量3.09×108m3/a；河川排泄量4.75108m3/a；地下水开采量0.31×108m3/a。

4.2 计算域剖分

数学模型的计算求解主要运用visual Modflow 软件中的计算模块[3]。模拟面积共5265Km2，根据含水层分布特征，将模拟区在垂向上主要分为3 层，平面上按ΔX=ΔY=1000m 的网格剖分。

4.3 模型识别与验证

以各种源汇项和动态资料为依据，将2005 年的地下水流场作为模型识别期的初始流场（如图4-1），将2005 年10 月10日—2006 年8 月10 日模拟区的地下水动态观测数据和源汇数据对模型进行识别。利用识别的参数选用2015 年12 月25 日—2016 年4 月30 日的动态和源汇项资料对模型进行验证。

图4-1 潜水初始流场图图

图4-2 模型识别期间典型观测孔水位拟合曲线图

图4-3 模型验证期间典型观测孔水位拟合曲线图

5 榆神矿区矿坑涌水量阈值研究

煤炭开采过程中，围岩中的地下水向矿井渗漏，导致原有水均衡被打破，这样使富水性较好的含水层的发生越流或增加越流量[4]。为在模型中设置这一越流过程，可以根据模拟区内矿井投产的时间和该区域的水文地质条件，在主要含水岩层设置排水井，并设置矿井的开采时间。由此，当排水量较小时，造成矿井涌水过大，流场不稳定；而排水量与矿井涌水量相当时，此时排出的水量即为矿井水，流场趋于稳定；排水量大于矿井涌水量时，矿井水在一定时间内被疏干，此时排水井停止运行。因此计算矿井涌水量的关键点在于设置的排水井能够保证流场的稳定性。

模型识别期与验证期的边界条件和性质保持一致，而降水量和蒸发量的分配按该区域的多年平均值输入该模型。

经过调试和运行后，含水层的流场趋于稳定且模型运行至20 年末时刻，以此时刻模型计算水均衡中涌水量作为矿坑涌水量最终阈值。20 年模拟期内矿坑涌水量为15680.07×104m3/a，其中一、二期规划区为8205.09×104m3/a，三、四期规划区分别为3139.43×104m3/a、4335.55×104m3/a。

图5 不同时期地下水流场图与降深图

6 结论

6.1 榆神矿区含水层、煤层与生态环境空间结构为：生态环境在上部，含水层在中部，煤层在底部；三者相互联系，相互影响，矿坑涌水量阈值研究可为三者合理开发利用提供技术参考。

6.2 根据已有水文地质资料，确定各源汇项水资源量，运用MODFLOW 建立榆神矿区地下水流模拟模型。通过分析实测流场图与计算流场图拟合程度以及动态观测孔实际水位与计算水位拟合程度确定最终模型。

6.3 煤炭开采15 年-20 年之间为降深场稳定时期，以20年末时刻模型计算涌水量值作为矿坑涌水量阈值。根据煤炭开采设计排水量模拟预测矿坑涌水量阈值为42.96×104m3/d。