基于GMS应用的开采区地下水模拟的研究进展

王 帅，何少林，苑宏英，纪冬丽，齐志斌

(1.北京中陆咨询有限公司，北京 100089；2.国家油页岩生态环境分中心，北京 100089；3.天津城建大学环境与市政工程学院，天津 300384；4天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384)

地下水是水资源的重要组成部分，在我国很多地区，地下水是最为重要的供水水源，占到了全国总供水量的1/5[1]。随着经济的不断发展，人类对于地下资源的需求量不断攀升，其开采量日益扩大，开采活动对开采区内的地下水造成了巨大的影响。包括开采的资源泄露到地下水中造成地下水水质污染，开采过程中由于地下结构等改变造成地下水水流场的变化，矿区用水耗费的巨量水资源以及开采过程中地下水涌水都会造成地下水水量减少，使地下水环境进一步恶化。

由于地下水自我恢复能力较弱，一旦受到影响，将难以更新和恢复，会对生态环境造成严重影响，直接对人类本身及生产活动造成危害。因此要解决由于开采活动引起的地下水问题，探清地下水富水性、建立地下水模型等是解决这一系列问题的先决条件。

1 GMS地下水模拟软件及其建模方法

近年来随着科学技术的发展，数值法越来越成为解决地下水问题的重要方法，数值模拟技术以其方便、灵活和高效的特点受到广大水文地质工作者的欢迎。国内外科技工作者开发了一批数值模拟软件，并不断推广，带来了数值模拟软件的大范围应用[2]。

地下水模拟系统(Groundwater Modeling System，简称GMS)，是美国地调局开发出的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软件。其综合了MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、

SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有的地下水模型的基础上开发的一个综合性的、用于地下水模拟的图形界面软件[3]。GMS将这些分析代码集成在一个图形用户界面下，使得不同的数值模型之间可以共享信息。所以GMS是面向对象编程技术、GIS空间分析、图形处理技术与地下水数值模拟专业模型相结合的产物[4]。

一般而言，采用GMS软件建立确定性模型有三种方法：网格法、概念模型法和Soilds方法[5]。

1.1 网格法建模

网格法是一种最简单、最基本的建模方法，对于水文地质条件比较简单、研究区面积比较小的模型，网格法也是一种有效的方法。但因为需要数据极多且操作繁琐等诸多不便，网格法一般结合在别的方法(如概念模型)中联合建模。

1.2 概念法建模

GMS与其它地下水数值模拟软件相比，最显著的特点是基于概念模型方法建模。GMS包含一个Map模块，这个模块提供了简单的GIS工具，用于创建模拟区的概念模型—coverage图层。用户可以在此上进行所需要的后续操作。此方法应用较广，对开采区地下水可以很好地模拟。

1.3 Soilds法建模

当水文地质条件相当复杂时时，GMS提供了一个Soilds模块用于组建地层的三维结构，一旦建立了地层的Soilds模型，就定义了地层的空间结构，即数值模型中含水层的顶底板标高，也就可以任意切割并三维显示地层剖面。

此三种方法中，网格法适用于面积小、水文地质条件简单的地下水流问题，概念法适用于大范围的地下水流建模，Soild法适用于钻孔资料丰富、面积小的地区建模。

2 基于GMS应用的地下水环境影响模拟的研究

2.1 地下含水层及水场模型建立

在进行地下水环境模拟时，首要的任务就是在分析当地水文地质条件的基础上，根据不同的建模方法选择不同的模块进行模型的建立，之后再根据不同的开采方案等对地下水各项如开采量，污染运移等进行预测，从而为地下水资源合理开发利用提供科学依据。

贾瑞亮[6]通过GMS软件中的Soild、2D Scatter Point、TINS模块等对地层赋值，建立含水层结构模型。通过模拟得出的三维含水层结构模型具有空间可视化、剖面切割随意化以及真实、准确等特点，为地下水数值模拟工作确定参数分区及参数初值奠定了基础；Fereshteh Valivand[7]利用GMS中MODFLOW建立乌拉圭平原地下水3D定量模型并与实际相比较，其模型精度较高，该模型对后续研究硝酸盐对该地区地下水环境的影响奠定了基础。

在开采区方面：Zhang, Longqiang[8]提出了GMS矿区三维可视化地质模型，并分析研究了矿区水文地质结构的三维空间组合特征，通过模拟结果与现实观测数据对比验证了其模型对矿区今后开采具有一定理论研究意义。杜斌[9]等采用GMS中Soild、TIN、boreholes模块，利用地质剖面图补充虚拟钻孔方法在湖北某矿区建立某矿区含水层结构模型。通过对比钻孔数据进行建模，虚拟钻孔建模过程中其钻孔数据更贴切软件，避免造成孔位插值错误并更贴合实际。冯运鱼[10]以Soild、TIN、borehole模块依靠丰富的钻孔数据建立了模拟区的三维地质图，向读者展示了建模详细过程，并通过工程后期实际开挖进行了地层对比，来验证了其模型的精准度。陈松[11]以宿南矿区地质条件和钻孔资料为基础，建立了三维地质结构模型以描述含、隔水层状态及时空分布，为后续地下水径流场地时空变化，水源识别模型等铺垫了基础。吕禹[12]以Soild建立三维地质模型并用MOFFLOW进行含水层概化建立地下水数值模型，并通过对观测孔反馈数据进行模型验证达到合理模型精度。Andrés González-Quirós[13]以某退役矿井为例，以地下水回弹现象为基础对地下山系统及水流模型进行建立，为评估流动状态、评估物理定律在矿山某些区域适用性提供了参考，其模型也为扩展更复杂的瞬态、水回弹和溶质运移奠定了基础。

因此，在获得研究区资料的基础上，利用GMS建立地下水含水层以及地下水流场比起传统数学建模方法更加精准、具有更强大的可视性、且操作更灵活，为开采区后续工作如地下水开发管理、生态环境问题评价、油气田开发工程等一系列奠定坚实的基础，也为实现经济与生态环境的双赢提供了有力的依据。

2.2 地下水资源模拟

开采区资源开采对地下水的影响是一个动态且持续变化的过程。其开采容易引起采动破坏、矿井排水和含水层疏干等现象，使地下水原有的补径排平衡状态被破坏，地下水循环关系发生变化，因此使得地下水系统变得愈发复杂。因此地下水动态变化的研究刻不容缓，这将有利于矿井安全生产和地下水资源的合理利用。

张福然[14]利用GMS中的MODFLOW模块，建立了地下水含水层水文地质概念模型及数学数学模型，并模拟了地下水开采强度与地下水水位的变化关系，对后续开采活动提供了数据支持；Fariba Alaviani[15]建立非承压水层的地下水模型并利用粒子群优化算法与模型联动建立的仿真优化模型并对其精度及应用型进行了评价。Ebtehal Sayed 、Taheri Tizro与Mahtab?Zamanirad[16-18]等均通过GMS建立伊朗局部地区的气候与地下水模型并进行地下水资源的补给与排泄，通过模拟结果进行人为干涉以减少水资源的浪费、海水入侵与土地沙漠化等不良影响。

在开采区方面：于雯琪、朱云国、李慧杰、王浪[19-22]均通过模拟煤矿开采项目中，对矿区的地下水水流模拟进行模型的建立，并且对于在矿区服役及退役一定时间内的地下水流场以及地下水资源的影响，并通过实际勘测对后续生产作出指导意义；苗世超[23]在巍山煤矿系上伏含水层地下水数值模拟中，发现其开采活动对于地下水水位影响较大，会危及开采安全，并提出了控制隔水层高度等安全建议；Xin Wang[24]计划在煤矿空采区建立地下水库以补充开采水源，利用GMS建立地下水场模型并分别以软件预测与蒙特卡洛分析法(一种利用随机数进行计算的方法)计算出地下水渗漏和补给情况，表明了该开采区可以建立地下水库；葛璐婷[25]在评价高松矿区地下水经济损失时，利用GMS模拟出矿区地下水的潜水位空间分布，并间接计算对应区域的影响率从而得出地下水影响对生态系统的经济损失。

可以看出，开采区对地下水资源影响较大，会造成或多或少的地下水水位下降，在开采区区域形成了地下水水位降落漏斗，开采目标层局部含水层由承压状态转为潜水状态。因此需要GMS软件进行模型的建立并模拟水位标高以监测地下水。

2.3 地下水溶质运移模拟

在开采区开采时，管道、钻井等液体迁移时的泄露，以及开采过程中遇较大孔隙、溶洞等导致污染因子进入地下水体造成地下水水质的变化，都可通过GMS软件建立地下水场模型并进行溶质在一定时间内的运移模拟，通过模拟结果来确定其扩散影响范围以及对生产和生活造成的的危害。

孟勤宪[26]等模拟页岩气钻采过程的潜水含水层水流场和溶质运移情况中得出不同工况下，氯、石油类及COD等污染物在模拟期内的渗透扩散均在可控范围内，并对接下来工程的地下水环境防治进行了预测与建议；钱程[27]等模拟某气田开采过程中石油类污染物扩散途径及其影响范围，其污染因子石油类污染物在预测期内扩散范围不大，不会对周边造成影响；朱阁[28]在富县油气田项目中，利用MODFLOW等模块建立了地下水流场模型，通过模拟得出了污染扩散范围及影响，对后续生态保护作出指导建议；白杰[29]模拟某矿区松散层孔隙水污染地下水环境造成的影响时，测算污染物硫酸盐在规定范围内1 300 d才会运移出水文地质单元，并根据结果对矿区的溢散点进行重点监测；李小川[30]模拟某铜尾矿库硫酸盐、重金属铜、铬等在服役期内的扩散情况中发现会影响周围居民取水用水安全，针对范围提出了相应防渗措施；颜萍[31]模拟云南保山某尾矿库硫酸盐污染扩散中模拟发现在规定时间内其会扩散到相邻地下水、包括莫家河等在内的地表水，说明扩散并不止限于单一水文单位。王婷婷[32]对于杭锦旗气田开采对于地下水的污染，提出了水平井、污水处理厂等措施，在其基础上建立了水质模型并进行模拟，得出该资源的开采不会对取水及邻近水源造成污染。

通过以上研究可以发现，GMS软件对于矿区、开采区等地的地下水溶质运移模拟具有良好的应用，通过不同的水文地质条件建立当地的概念模型，并可以根据污染因子的供给时间、污染时间、污染强度以及模拟扩散范围、扩散距离和扩散效果图，以此结果进行下一步对地下水污染预防与治理进行指导性的意见。

2.4 矿坑涌水量模拟

矿坑涌水量是指矿山开拓与开采过程中，单位时间内涌入矿坑(包括井、巷和开采系统)的水量。它是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标之一，关系到矿山的生产安全与成本，对矿床的经济技术评价有很大的影响；并且也是设计与开采部门选择开采方案、开采方法，制订防止疏干措施，设计水仓、排水系统与设备的主要依据。因此，在生产建设中，动态预测评价矿坑涌水量在不同空间和时间上的变化趋势则显得尤其重要。

薛瑞[33]在某金矿矿区进行动态模拟时，正常生产中的涌水量对第四系含水层水位及地下水流场的影响明显，在矿区内形成了降落漏斗，并建议分区开采等安全生产的建议；赵研[34]以抚顺西露天矿为研究区，对矿区的涌水量作出预测，并以模拟结果结合实际工况设定了相应数量的水平井及竖直井疏水，使矿坑不会有水溢出，得以安全规范的进行生产活动；冯翔、姚曹节[35-36]分别以不同矿区为例，对比了软件建模预测涌水量与“大井法”计算涌水量，发现误差在合理范围之内，证明了软件建模的精度可靠性并且二者可相互验证；Longqing Shi[37]针对焦家金矿进行服役期内的矿井涌水预测并得出不同开采水平以及开采年限增加，矿井涌水量逐渐增加。复合了矿井涌水及地下水流场和断层发育情况对于矿区突水危险性进行了综合的评价。韩忠[38]模拟焦家控矿构造带矿坑涌水量，对比不同矿区深度的涌水量，并且发现总体用水量在一固定值上下波动，根据该值可以进行疏干排水方案的建立。值得一提的是，作者采用了MODFLOW模块中的barrier 障碍边界，其在处理控矿构造阻水带对地下水水平流的阻碍作用方面模拟效果良好。通过矿坑涌水量拟合校正，提高模型预测的准确性。袁涵[39]对疆北某矿区进行涌水量模拟，分别利用GMS中Soild、modflow模块构建模型，对于不同情况的采掘次序及进程和大井法等方案进行预测与实际比较，通过比较得出其模型在不同方案的精准度较好。李有光[40]通过GMS中Modflow以及河流子程序包来模拟野猪江矿冲沟，通过挖空单元体来模拟窿道的分布和开采后的空间变化，其计算结果用来预测开采时期的涌水量，并且通过预测发现其开挖方式可自然排泄无需人工排水。

运用GMS软件对研究区进行模型建立，直观的反映了地层富水情况，并根据不同研究区情况进行矿坑涌水量的模拟，其结果无论与实际值或其他计算方法相差无几，说明该软件可以完美的胜任这一工作，为矿井的安全生产提供合理的依据，也为后续疏干排水方案提供了数据支持。

3 结语

通过以上人员的研究结果，可以直观看到GMS软件对于开采区的地下水问题如对地下水流场、水量、水质的影响等方面有非常多的应用，也为开采区后续实际工作提供了数据支持。随着科技的发展以及软件的更新，GMS所能应用的地下水问题将会愈发广泛，对我国地下水面临的问题给予强力的支持。但是基于GMS目前所开发的程度，其还具有以下几点不足需要使用者注意：

(1)GMS的操作无法做到失误操作之后还原，所以在模拟过程中需要及时保存进度。

(2)GMS需要海量的水文地质数据，包括但不限于在建立水文地质结构模型中，对数据要求较高，对钻孔的数量、分布情况、深度都有较高的要求，实际中往往难以达到，在该区域研究尚未成熟时，其模型精度往往不足。

(3)GMS以及一系列以MODFLOW模块为基础建模的过程都存在着对混合井流量模拟精度不足，在实际应用中需要注意。