數(shù)值法在卡莫亞礦區(qū)水源地地下水補(bǔ)給資源量計(jì)算中的應(yīng)用

李淼清，鄔 立，李貴仁

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

數(shù)值法在卡莫亞礦區(qū)水源地地下水補(bǔ)給資源量計(jì)算中的應(yīng)用

李淼清，鄔 立，李貴仁

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

卡莫亞礦區(qū)位于剛果(金)東南部的加丹加高原，區(qū)域水資源比較匱乏，為解決礦山供水問題，尋找滿足礦山正常生產(chǎn)用水的供水水源地，在對礦區(qū)水源地水文地質(zhì)條件綜合分析的基礎(chǔ)上，分別采用斷面法及數(shù)值法對供水水源地地下水資源進(jìn)行評價(jià)。重點(diǎn)對數(shù)值法進(jìn)行詳細(xì)論述，通過對邊界條件、含水層及地下水流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行概化，建立水源地的水文地質(zhì)概念模型，運(yùn)用Visual MODFLOW數(shù)值模擬軟件建立地下水?dāng)?shù)值模擬模型，通過均衡分析計(jì)算，最終計(jì)算獲得區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給資源量為13 551.89 m3/d。與采用斷面法計(jì)算的結(jié)果13 328.81 m3/d相比較，兩種方法計(jì)算結(jié)果基本吻合，而數(shù)值法在計(jì)算過程紅充分運(yùn)用了群孔抽水資料進(jìn)行模型識(shí)別，結(jié)果相對合理，因此計(jì)算結(jié)果以數(shù)值法為準(zhǔn)。

Visual MODFOW；地下水補(bǔ)給資源量；卡莫亞礦區(qū)；水均衡分析

卡莫亞礦區(qū)位于剛果(金)東南部的加丹加高原，由于水資源比較匱乏，礦區(qū)的正常生產(chǎn)活動(dòng)已受到一定的影響，為徹底解決礦山的供水問題，擬在礦區(qū)范圍內(nèi)尋找滿足礦山正常生產(chǎn)用水的供水水源地[1]。本文在對水源地的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，采用斷面法及數(shù)值法對供水水源地的地下水資源進(jìn)行了評價(jià)，計(jì)算出水源地的補(bǔ)給資源量，為礦區(qū)未來的供水方向提供了依據(jù)。數(shù)值法采用Visual MODFLOW軟件進(jìn)行三維數(shù)值模型的建立，該軟件是在整合MODFLOW軟件模塊的基礎(chǔ)上應(yīng)用可視化技術(shù)開發(fā)研制，無縫集成了MODFLOW-2000、WinPEST、MT3D、MODPATH等軟件[2-4]。

1 研究區(qū)概況

卡莫亞銅鈷礦區(qū)位于剛果(金)加丹加省坎博韋鎮(zhèn)，與著名的“坎博韋銅鈷礦選廠”相鄰，交通較為便利。礦區(qū)至利卡西(Likasi)市區(qū)距離約25 km，由碎石公路相連；礦區(qū)南東方向距離加丹加省省會(huì)盧本巴希市(Lubumbashi)約130 km，利卡西市至盧本巴希市有100 km較好的公路。

工作區(qū)處于剛果(金)東南部的加丹加高原，海拔標(biāo)高在1 375～1 560 m之間，地理環(huán)境隸屬加丹加高原上的低矮丘陵區(qū)，山巒起伏不大，總體呈南西高、北東低之勢。礦區(qū)所在地屬熱帶草原氣候，年均氣溫為27℃，氣候溫和。按年降雨量分旱、雨兩季：5月至9月為旱季，降雨量極少；10月至翌年4月為雨季，大雨乃至暴雨不斷。

區(qū)內(nèi)出露的地層主要是第四系(Q)及中元古界加丹加群的孔德龍古組(K)、羅安組(R)，由新到老依次為第四系、孔德龍古組(K)、羅安組(R)。第四系主要為沖洪積及殘坡積物，巖性多為粘性土、角礫以及砂礫石等，多分布在地勢低洼的溝谷地帶、坡麓及平緩的山坡等處，厚度一般0～12 m左右?？椎慢埞沤M(K)地層為區(qū)域范圍出露的主要地層，在礦區(qū)的北側(cè)大面積出露，另外坎博韋推覆體下亦為本組地層，出露的巖性主要為砂礫巖及淺紫紅色條帶狀粉砂巖。羅安組(R)是本區(qū)及區(qū)域最主要的含礦層位，為一套碎屑巖-泥質(zhì)巖-碳酸鹽巖組合的沉積建造。

礦區(qū)內(nèi)分布著多個(gè)含水層，巖性結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致含水層透水性強(qiáng)弱不均一。在垂向上，含水層強(qiáng)弱相間，但由于區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，巖層破碎，弱含水層也具有一定的透水性，各含水層之間存在水力聯(lián)系，含水層間水位未發(fā)生明顯變化，含水層整體為潛水含水層，各含水層構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的地下含水系統(tǒng)。從礦區(qū)整體空間上來看，表現(xiàn)為內(nèi)強(qiáng)外弱的總體特征，大氣降水入滲補(bǔ)給為地下水重要充水來源，內(nèi)部R2礦山段為地下水儲(chǔ)存和運(yùn)移通道，其中R2.3(CMN)巖溶裂隙含水層、R2.1(RSC、RSF)巖溶裂隙含水層為主要含水層。

2 水文地質(zhì)概念模型

2.1 計(jì)算區(qū)域

計(jì)算區(qū)邊界基本與卡莫亞和坎博韋兩大礦區(qū)邊界吻合，具體為西部邊界為西南礦體、西礦體外緣，接近西側(cè)分水嶺；南部邊界為兩礦區(qū)南側(cè)分水嶺；東部邊界為坎博韋礦東緣，處于東側(cè)分水嶺上；北部邊界為兩礦羅安組與孔德龍古組地層交界處，地勢向東北逐漸降低；整個(gè)計(jì)算區(qū)為區(qū)域內(nèi)一個(gè)半封閉的次級水文地質(zhì)單元。

2.2 含水層概化

區(qū)內(nèi)含水層巖組具有很強(qiáng)的不均一性，垂向和水平向上強(qiáng)弱含水層呈相間分布。區(qū)內(nèi)主要含水層組為羅安組第二亞組下段R2.1、上段R2.3、羅安組第四亞組下段R4.1以及部分構(gòu)造破碎帶Br，巖性主要為白云巖、硅化白云巖；弱含水層主要為羅安組第二亞組中段R2.2、羅安組第一亞組R1、羅安組第四亞組上段R4.2、上孔德龍古組下段Ks1.3及部分構(gòu)造破碎帶，巖性主要為頁巖、砂巖、粉砂巖、礫巖、完整的白云巖；各含水層之間存在水力聯(lián)系，總體為潛水含水層，局部承壓。綜上所述，將含水層概化為非均質(zhì)潛水含水層。

2.3 邊界條件概化

卡莫亞礦區(qū)西部、北部邊界為上孔德龍古組弱含水層，概化為弱透水Ⅱ類邊界；卡莫亞礦南部和坎博韋礦東部邊界恰位于分水嶺上，概化為零流量邊界；上邊界為大氣降水補(bǔ)給邊界，下邊界為上孔德龍古組弱含水層，概化為弱透水Ⅱ類邊界。

3 斷面法計(jì)算地下水補(bǔ)給資源量

3.1 均衡區(qū)范圍

東界為坎博韋鎮(zhèn)東側(cè)地表分水嶺附近，南界為礦區(qū)南部地表分水嶺附近山脊一線，西界為西南礦體西南側(cè)山脊-西礦體山脊-生活營區(qū)一線，北界為北礦體北側(cè)邊界孔德龍古組地層一線；面積約12.18 km2。

3.2 地下水補(bǔ)給量計(jì)算

在現(xiàn)狀條件下勘探區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給來源有：南側(cè)、東側(cè)為地表分水嶺，地下水無側(cè)向補(bǔ)給，北側(cè)、西側(cè)為透水性較弱的孔德龍古組弱含水層，側(cè)向補(bǔ)給量較小，勘探區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給來源為大氣降水的垂向入滲補(bǔ)給。

計(jì)算公式：

Q補(bǔ)=Q降+Q東+Q西+Q南+Q北

(1)

式中：Q補(bǔ)為地下水補(bǔ)給資源量(m3/d)；Q降為區(qū)內(nèi)降水垂向補(bǔ)給資源量(m3/d)；Q東為東側(cè)側(cè)向徑流補(bǔ)給資源量(m3/d)；Q南為南側(cè)側(cè)向徑流補(bǔ)給資源量(m3/d)；Q西為西側(cè)側(cè)向徑流補(bǔ)給資源量(m3/d)；Q北為北側(cè)側(cè)向徑流補(bǔ)給資源量(m3/d)。由于東側(cè)和南側(cè)均為地表分水嶺，無地下水側(cè)向補(bǔ)給資源量，因此

Q東=0，Q南=0。

區(qū)內(nèi)西側(cè)、北側(cè)為孔德龍古組地下水補(bǔ)給邊界，根據(jù)Darcy公式計(jì)算其側(cè)向排泄量，選擇礦區(qū)東部地下水等水位線圖上的1390m地下水位等勢線作為計(jì)算斷面，地下水徑流量按下式計(jì)算：

(2)

式中：Q徑為通過計(jì)算斷面的天然地下水徑流量(m3/d)；Ki為第i 個(gè)斷面含水層滲透系數(shù)(m/d)；Ii為第i個(gè)斷面地下水平均水力坡度(%)；Mi為第i個(gè)斷面含水層厚度(m)；Li為第i個(gè)斷面長度(m)。

由此可計(jì)算出，Q北=2 606.67 m3/d，Q西=673.64 m3/d。

勘探區(qū)內(nèi)降水量較大，且區(qū)內(nèi)沖溝較發(fā)育，多見羅安組含水層出露地表，溶蝕裂隙發(fā)育，有利于降水入滲補(bǔ)給下部含水層，因此其降水補(bǔ)給資源量計(jì)算如下：

Q降=A*α*W

(3)

式中：Q降為地下水補(bǔ)給資源量(m3/d)；A為均衡區(qū)面積，取值12.18×106m2；α為降水入滲系數(shù)，參考剛果(金)其他類似礦區(qū)，取值0.25；W為區(qū)內(nèi)日平均降水量，區(qū)內(nèi)年平均降水量為1 197.9 mm，則日平均降水量為0.003 3 m；由此可計(jì)算出Q降=10 048.50 m3/d

綜上可計(jì)算出勘探區(qū)地下水補(bǔ)給量為：Q補(bǔ)=13 328.81 m3/d。

4 數(shù)值法計(jì)算地下水補(bǔ)給資源量

4.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)前述水文地質(zhì)條件分析，數(shù)學(xué)模型為：

(4)

4.2 數(shù)值模型

4.2.1 空間離散

采用有限差分法對物理模型進(jìn)行矩形剖分，模型范圍(261250，290750)～(266250，293500)，對地層分界線、抽水孔、觀測孔附近進(jìn)行加密處理，共剖分成78行、158列、25層。共計(jì)78×158×25=308 100個(gè)單元格[5]。

4.2.2 水文地質(zhì)參數(shù)的選取

通過對研究區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、鉆孔巖芯采取率、抽水試驗(yàn)以及地下水水位恢復(fù)試驗(yàn)等資料的分析，將模擬區(qū)劃分為24個(gè)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)(表1、圖1、圖2)。

4.2.3 初始流場

根據(jù)群孔抽水試驗(yàn)前的鉆孔地下水位觀測資料，繪制初始流場。

表1 數(shù)值模擬水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)表

圖1 滲透性和給水度參數(shù)分區(qū)圖(1 336 m高程)

4.2.4 模型識(shí)別

利用模型反演求參的方法，對模型的初始流場、水文地質(zhì)參數(shù)初始值和邊界條件進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別的主要依據(jù)是將抽水試驗(yàn)階段各觀測孔水位觀測數(shù)據(jù)作為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行參數(shù)的反演識(shí)別。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整初始參數(shù)，通過對各觀測孔水位模擬值與地下水流場實(shí)際觀測值的擬合，獲得各區(qū)較為合理的水文地質(zhì)參數(shù)，作為地下水天然資源量計(jì)算和未來水源地運(yùn)行預(yù)測的基礎(chǔ)。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，地下水位動(dòng)態(tài)曲線擬合結(jié)果較好，令人較為滿意。擬合出的較合理的水文地質(zhì)參數(shù)如表2所示，地下水位動(dòng)態(tài)曲線擬合結(jié)果見圖3、圖4。

圖2 滲透性和給水度參數(shù)分區(qū)圖(Y=291 905剖面)

圖3 西區(qū)各孔水位擬合曲線圖

圖4 東區(qū)各孔水位擬合曲線圖

ZOneKx[m/d]Ky[m/d]Kz[m/d]Sy1234567891011121314151617181920212223240．0150．0150．00150．10110．10．10550．50．15220．10．15550．50．20110．10．102．52．50．250．10101010．200．010．010．010．053．53．50．350．100．10．10．010．101．51．50．150．100．0010．0010．0070．05220．20．15220．20．15880．80．15110．10．150．50．50．050．050．50．50．050．050．10．10．010．10440．40．10440．40．05110．10．10110．10．05

4.3 地下水補(bǔ)給量計(jì)算

在模型中建立均衡區(qū)，均衡區(qū)范圍為模型計(jì)算區(qū)域，將模型中DCK01、DCK02井抽水量設(shè)置為零，計(jì)算現(xiàn)有狀態(tài)下均衡區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給資源量。經(jīng)計(jì)算，地下水補(bǔ)給資源量為13 551.89 m3/d，天然狀態(tài)下地下水資源均衡量差為-5 648.11 m3/d，已處于超采狀態(tài)。均衡區(qū)內(nèi)地下水資源量如表3所示。

表3 水源地天然狀態(tài)下地下水資源均衡量表 m3/d

5 結(jié)語

(1)在水文地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，建立礦區(qū)水文地質(zhì)概念模型，模型概化合理，邊界清晰，構(gòu)成了一個(gè)相對獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。單元內(nèi)主要含水層為R2.3、R2.1和R4巖溶裂隙含水層組，含水層間具有較好的水力聯(lián)系，地下水運(yùn)動(dòng)以水平運(yùn)動(dòng)為主。地下水補(bǔ)給以大氣降水入滲補(bǔ)給為主，側(cè)向徑流補(bǔ)給為輔，地下水排泄主要為人工開采。

(2)地下水資源計(jì)算以斷面法為基礎(chǔ)，以數(shù)值法為重點(diǎn)，不同方法的計(jì)算結(jié)果相互對比、驗(yàn)證，更能客觀地反映地下水資源量。按斷面法計(jì)算，地下水補(bǔ)給資源量為13 328.81 m3/d；按數(shù)值法計(jì)算，地下水補(bǔ)給資源量為13 551.89 m3/d。兩種方法計(jì)算結(jié)果基本吻合，而數(shù)值法在計(jì)算過程紅充分運(yùn)用群孔抽水資料進(jìn)行模型識(shí)別，結(jié)果相對合理，因此計(jì)算結(jié)果以數(shù)值法為準(zhǔn)，水源地地下水補(bǔ)給資源量為13 551.89 m3/d。

[1]華北有色工程勘察院有限公司.剛果(金)加丹加省卡莫亞銅鈷礦區(qū)供水水文地質(zhì)勘探報(bào)告[R].石家莊:華北有色工程勘察院有限公司.2014.11.

[2]李貴仁，趙珍，陳植華．?dāng)?shù)值模擬在反演礦區(qū)水文地質(zhì)條件中的應(yīng)用[J]．水文地質(zhì)工程地質(zhì).2013.40(2)：19-23．

[3]王慶永，賈忠華．Visual MODFLOW及其在地下水模擬中的應(yīng)用[J]．水資源與水工程學(xué)報(bào).2007.18(5)：90-92．

[4]李貴仁，趙珍，陳植華．復(fù)雜巖溶礦區(qū)疏干條件下的地下水?dāng)?shù)值模擬—以福建省馬坑鐵礦為例[J]．中國巖溶.2012.31(4)：382-387．

[5]馮更辰，郝俊杰，譚?。甐isual MODFLOW模型在白澗鐵礦區(qū)礦井涌水量預(yù)測中的應(yīng)用[J]．中國巖溶.2011.30(3)：271-276．

Application of Numerical Method in Calculating the Amount of Groundwater Recharge Resources at Water Source Area of Mining Area

LI Miao-qing，WU Li，LI Gui-ren

(Huabei Nonferrous Engineering Investigation Institute Co Ltd,Hebei Shijiazhuang 050021)

The Karmo mining area is located in the Katanga Plateau in the southeastern part of the Congo (DRC), and water resources are scarce in this region. In order to solve the problem of water supply, and look for the source area for water supply which can satisfy the normal usage of water, based on the comprehensive analysis of water and geological conditions in this region, the groundwater resources at the water supply area are evaluated by cross-section method and numerical method respectively. This paper focuses on the numerical method, the concept model of hydrogeological geology is established through the generalization of boundary conditions, aquifer and flowing status of groundwater, and then uses Visual MODFLOW numerical simulation software to establish the groundwater numerical simulation model. After the equilibrium analysis and calculation, the amount of groundwater recharge resources in the area is 13 551.89 m3/d. Compared with the results calculated by the cross-section method 13 328.81 m3/ d, the results of the two methods are basically consistent, but numerical method fully uses the hole pumping data for model identification in the calculation process, the result is relatively reasonable, so the results should be from the numerical method.

Visual MODFOW；the amount of groundwater recharge resources; the Karmo mining area; water equilibrium analysis

2017-04-07

李淼清(1978-)，男，湖南平江人，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)方面工作。

P641.4+3

B

1004-1184(2017)04-0036-04