（水文学及水资源专业论文）三门峡铝土矿地下水数值模拟.pdf

摘要 摘要 在众多矿山设计和开采中，地下水突涌问题一直是需要重点解决的安全问 题。三门峡铝土矿区地质构造及水文地质条件复杂，对未来采矿会产生较大的 影响，尤其是位于铝土矿层之下的寒武一奥陶灰岩岩溶裂隙含水层，分布广、 厚度大，岩溶裂隙较发育，具有承压性，很有可能在“天窗”部位、隔水层薄 弱部位及断裂破碎、裂隙发育部位，以突水形式进入矿坑，水量大且不易疏干， 给矿山开采造成重大威胁。因此，非常有必要对该含水系统的的水文地质特性 进行更为精确的评价，为铝土矿安全开采及地下水防治提供可靠的依据。 本文在深化认识矿区断裂构造、岩溶发育对地下水富集与运移影响的基础 上，以段村一雷沟寒武一奥陶系灰岩岩溶裂隙含水系统为研究对象，面积约 1 5 6 k m 2 ，对其水文地质条件进行概化，建立地下水流数学模型，采用v i s u a l m o d f l o w 有限差分方法模拟地下水位和涌水量，并结合抽水试验地下水位观测资 料和p e s t 自动拟合程序对该模型进行校正和参数反演，以确认其准确性与可靠 度。最唇，利用校正后的数学模型预测井下采矿设计水平地下水疏干的水位和 矿区涌水量变化。 研究表明矿区由西至东构造形态从简单到复杂，岩溶发育程度变强，形成 地下水的补给、径流、排泄带，尤其沿北涧河下洪阳两侧断层和岩溶特别发育， 成为强径流带，富水性较大。数值模拟结果显示矿区岩溶系统在自然条件下地 下水资源呈正均衡，均衡差为2 4 6 5 5 8 1 m 3 d ，但段村一雷沟矿段内地下水呈负均 衡，造成局部水位呈下降趋势，变化幅度不大，0 5 1 0 m ：人工开采量占总排 泄量的6 6 0 4 ，成为地下水排泄的主要方式；大气降水占总补给量的8 8 7 ； 在段村4 2 0 m 一雷沟3 3 0 m 的疏干水平下，丰水年的正常涌水量为2 7 9 3 0 m 3 d ，最 大涌水量为3 4 0 7 5 m 3 d ；平水年的正常涌水量为2 2 6 7 8 m 3 d ，最大涌水量为 2 8 5 4 8 m 3 d ：枯水年的正常涌水量为1 7 4 0 9 m 3 d ，最大涌水量为2 2 6 3 2 m 3 d ，与其 他计算方法相比更符合实际。通过本次研究为矿山开采制订地下水疏排方案提 供了可靠支持，同时也利于促进研究区多种水资源的综合利用。在理论和实践 上都具有重大的意义。 关键字：三门峡铝土矿，地下水，数值模拟，疏二t ：排水，涌水景 a b s t r a c t a b s t r a c t d u r i n gt h ed e s i g na n de x p l o i t a t i o no fal a r g en u m b e ro fm i n e s ，g r o u n d w a t e r g u s h i n gh a sa l w a y sb e e nak e ys e c u r i t yi s s u e c o n s i d e r i n gt h ec o m p l i c a t e dg e o l o g i c s 仇l c t u r ea n dh y d r o g e o l o g i cc o n d i t i o n si nd u a n c u n l e i g o ub a u x i t ea r e a ，s a n m e n x i a ， as i g n i f i c a n tt h r e a tw i l lb eb r o u g h tt ot h em i n i n g ，e s p e c i a l l yw i t ht h ek a r s t f r a c t u r e a q u i f e ro fc a m b r i a n - o r d o v i c i a nl i m e s t o n eu n d e rt h eb a u x i t el a y e r ，o faw i d e d i s t r i b u t i o n ，ah u g et h i c k n e s sa n dd e v e l o p e dk a r s tf r a c t u r e ，i nw h i c hm a s so fw a t e r w i l lp o s s i b l yb u r s ti n t ot h em i n el a y e rt h r o u g h ”m a r r i a g e ”p o s i t i o n s ，o rw e a k l o c a t i o n si nt h ei m p e r m e a b l el a y e ro rs o m eb r o k e nf r a c t u r es i t e s t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt om a k eam o r ea c c u r a t ea s s e s s m e n to fh y d r o g e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h ec a m b r i a n - o r d o v i c i a nl i m e s t o n ek a r s t f r a c t u r ea q u i f e rt op r o v i d ear e l i a b l ed a t a b a s i st op r e v e n t eg r o u n d w a t e rg u s h i n ga n de n s u r es a f em i n i n g a c c o r d i n gt ot h ei m p a c to ff a u l ts t r u c t u r e a n dk a r s td i s t r i b u t i o nt ot h e e n r i c h m e n ta n dm i g r a t i o no fg r o u n d w a t e ri nt h es t u d ya r e a ，t h eh y d r o g e o l o g i c c o n c e p t u a lm o d e lo fk a r s t f r a c t u r ea q u i f e rs y s t e mo fc a m b r i a n - - o r d o v i r i a np e r i o d l i m e s t o n ei sg e n e r a l i z e d ，w i t ht h em o d e la r e ao f15 6k m 2i nd u a n c u n - l e i g o u ，a n dt h e n u m e r i c a lm o d e lo fg r o u n d w a t e rf l o wi se s t a b l i s h e du s i n gf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o do f v i s u a lm o d f l o wt os i m u l a t e g r o u n d w a t e r l e v e la n d d i s c h a r g e ，w h i c h t h e m a t h e m a t i c a lm o d e li sc o r r e c t e da n dp a r a m e t e r sw e r ei n v e r s e dc o m b i n i n gw i t h o b s e r v a t i o nv a l u eo fg r o u n d w a t e rl e v e la n dt h ea u t o m a t i cf i tp r o c e d u r eo fp e s t , a n d t h e nu s et h ec o r r e c t e dm o d e la n dp a r a m e t e r st op r e d i c tt h eg r o u n d w a t e rl e v e la n d m i n ed i s c h a r g ec h a n g e sa td i f f e r e n tp r e c i p i t a t i o nr e c h a r g e s t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h eg e o l o g i cs t r u c t u r eg e t sm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d ， w i t hm u c hs t r o n g e rk a s td e v e l o p m e n tf r o mw e s tt oe a s ti nt h em i n i n ga r e a ，c a u s i n ga b e l to fr e c h a r g e ，r u n o f fa n dd i s c h a r g ez o n e ；s i n c et h ef a u l ta n dk a r s td e v e l o p p a r t i c u l a r l yw e l la l o n gb e i j i a n h et ox i a h o n g y a n gs i d e s ，t h e r eo c c u r sas t r o n g - r u n o f f z o n ew i t hg o o dw a t e re n r i c h m e n t b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，g r o u n d w a t e r r e s o u r c e si nt h ew h o l es t u d ya r e aa r ei nap o s i t i v ee q u i l i b r i u m ，w i t ht h ed i f f e r e n c eo f 2 4 6 5 5 8 1 m 3 di nt h en a t u r a lc o n d i t i o n ，w h i l et h ep a r to fd u a n e u n - l e i g o um i n ea r ei n t h en e g a t i v ee q u i l i b r i u m ，c a u s i n ga p a r t i a ld e c l i n et ow a t e rl e v e lw i t has m a l lc h a n g e a b s t r a c t r a t ef r o m0 5 mt olo m ；t h ea r t i f i c i a le x p l o i t a t i o nv o l u m er e a c h e s6 6 0 4p e r c e n to ft h e t o t a ld i s c h a r g e ，b e c o m i n gt h em a i nf o r mo fg r o u n dw a t e rd i s c h a r g e ，a n dt h e p r e c i p i t a t i o ni sa b o u t8 8 7p e r c e n to ft h et o t a ls u p p l yc a p a c i t y f r o md u n c u nt o l e i g o u ，t h ed r a i n a g el e v e li sb e t w e e n4 2 0 ma n d3 3 0 m ，w i t hn o r m a lm i n ed i s c h a r g eo f 2 7 9 3 0 m 3 d ，a n dt h el a r g e s to f3 4 0 7 5 m 3 di nw e ty e a r s ，w h i l ei tt u r n so u t2 2 6 7 8 m 3 d a n d2 8 5 4 8 m 3 dd e f m i t e l yf o rt l l en o r m a ld i s c h a r g ea n dt h el a r g e s td i s c h a r g ei nn o r m a l y e a r s ，a sw e l la s 17 4 0 9 m 3 da n d2 2 6 3 2 m 3 di nd r yy e a r s c o m p a r e dw i t ho t h e r c a l c u l a t i o nm e t h o d s t h en u m e r i c a lm e t h o di sm u c hm o r ea p r r o p r i a t e t h ea v a i l a b l e b a s i sa r ep r o v i d e df o rm i n i n gs a f e t ya n dw a t e rp r e v e n t i o n ，p r o m o t t i n gb e a e r i n t e g r a t e du t i l i z a t i o no fg r o u n d w a t e ri nt h em i l l ea r e am e a n w h i l e k e yw o r d s ：s a n m e n x i ab a u x i t e ，g r o u n d w a t e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d r a i n a g e ， d i s c h a r g e 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 博莉 。哆年2 月谚日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：闻铆 学位论文作者签名： 蛳 年文月a 扩日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 第1 章引言 第1 章引言 1 1 研究背景与目的 河南省铝土矿资源十分丰富，主要分布在三门峡一郑州一平顶山之间的三 角地带，面积约1 8 x 1 0 4 k m 2 1 1 。截止2 0 0 3 年底，豫西已发现大一中型铝土矿6 0 余处，小型矿床( 点) 百余处，查明资源量4 5 x 1 0 8 t ，保有储量3 8 6 x 1 0 8 t ，经济储 量数亿吨，富铝资源居全国第一位【2 1 。其中，三门峡地区铝土矿是豫西一带最主 要的铝土矿资源，在三门峡市及其所辖的陕县和渑池县境内已发现大小铝土矿 矿床( 点) 2 0 余处，总资源储量约为2 8 x 1 0 9 t 。在这些矿床中，a 1 2 0 3 与s i 0 2 含量 比值( a s ) 7 的富铝土矿所占各矿区铝资源储量的比例为1 9 2 - 8 3 7 ，一 般为2 6 0 - - - 6 5 4 ，铝土矿资源非常丰富【3 1 。 1 1 1 课题来源 段村一雷沟铝土矿区位于三门峡渑池县境内，是中国铝业公司拟建的现代 化标志性矿山。矿床铝土矿资源储量大，矿体连续性好，矿石质量高，是目前 中国铝业公司拥有的重要铝土矿资源，但该矿区水文地质条件较为复杂，给开 采带来了很大的隐患。为调整中国铝业公司北方地区氧化铝生产企业资源供应 结构，缓解资源供应紧张状况，中国铝业公司决定对该资源进行开发建设，并 于2 0 0 5 年、2 0 0 6 年委托长沙有色冶金设计研究院分别完成了矿山总体规划和可 行性研究。考虑到矿山防治水工程具有较大的技术难度，为确保矿山防治水技 术先进、可行、经济、合理，中国铝业股份有限公司又设立了专门课题进行科 技攻关，并与长沙有色冶金设计研究院、同济大学共同签订了段村一雷沟铝 土矿地下开采防治水技术研究技术开发委托合同。在这个课题中，同济大学 负责研究三门峡铝土矿区地下水数值模拟与计算。 1 1 2 铝土矿地下开采现状及前景 三门峡地区矿体赋存条件不太复杂，矿岩稳固性属于中等，从目前的保有 储量来看，1 0 年内不会出现小型矿体的减少和资源枯竭，但住3 - - - 5 年内由露天 转入地下开采的小矿山将逐渐增多，它预示着地方矿i jj 开采难度的增大和生产 成本的提高。如何尽可能降低开采成本和减少矿石损失贫化是小犁铝土矿地 第1 章引言 下开采的技术问题和必须尽快解决的问题。 三门峡地区铝土矿地下开采具有巨大的开发前景和重要的开采价值，但开 采技术尚未完善，生产成本高，安全系数小，矿石回采率低，采场结构参数偏 小。因此，需要有关专家学者尽快研究可行技术，保证该区铝土矿的安全开采， 从而充分利用有限的资源，造福人类【3 ，4 】。 1 1 3 国内外矿山防治水技术 地下水是矿山开采的最大隐患。我国矿山水文地质条件复杂多样，在开采 过程中经常会遇到各种地下水害，其表现形式主要有矿坑突( 涌) 水、破坏水 资源、地面塌陷、泥石流等【5 l 在众多地下水害中，绝大部分是由于涌水问题引起的。突( 涌) 水是指在 矿山开采和地下工程掘进过程中，因采掘改变了岩体与水的压力平衡状态，在 适宜条件下水沿孔隙、层面、裂隙、断层、岩溶洞穴和管道等各种通道或顶底 板薄弱部位大量突入，造成灾害。因此j 许多矿山因水量大、效益差而被迫关 闭或缓建( 如叶花香铜矿、业庄铁矿) ；也有因防治水难度大而迟迟得不到开采( 如 城门山铜硫矿) ；更有因发生重大水害事故而导致人员、财产的重大损失( 如南丹 拉甲坡矿、顾家台铁矿) 。然而涌水灾害发生的时间以及部位一般都难以预测， 且其随机性很强、施工场地空间有限，所以使涌水问题的处理难上加难。这一 切使得地下水防治技术成为合理采矿的关键牲问题f 6 7 1 。 在我国一铝士矿传统采用露天开采，但随着浅部资源的减少和隐伏矿床的 逐步探明，铝土矿开采正逐步转入地下。因此，铝土矿地下开采在国内尚处于 起步阶段，已有的矿井规模不大。涉及的防治水问题还不严重，可以借鉴的经 验和成果也不多，主要有山东王村铝土矿、田庄铝土矿、贵州小山坝铝土矿等。 但是在铁矿、煤矿等其它类型矿山开采方面则有长期的实践，可借鉴的防治水 经验、教训和研究成果也较多，如北沼河铁矿在复杂的水文地质条件下进行的 矿床疏干、广东石菜铜矿、河南义马煤矿防治水等。 国外铝土矿地下开采已有几十年的经验，在防治水技术研究和实施上相对 比较成熟，可借鉴的经验有俄罗斯北乌拉尔铝土矿大水矿区治水、匈牙利尼拉 德铝土矿、巴空尼的排水井和费耶尔的峰井和巷道疏干矿床技术等【s 】。 第1 章引言 1 1 4 研究目的与意义 三门峡铝土矿区水文地质条件及地质构造形态复杂，断层破碎带以及构造 复合部位岩溶发育，多富集岩溶地下水，极有可能成为铝土矿开采的突水易发 部位。因此，如何科学合理地解决地下水突涌问题成了三门峡铝土矿地下开采 能否顺利进行的关键。 那么，我们需要在深化认识矿区地质及水文地质条件的基础上，对地下安 全采矿影响最大的寒武一奥陶系灰岩岩溶裂隙含水系统作为研究对象进行数值 模拟与计算，查明其富水程度并预测矿坑涌水量，从而为矿区防治水工程技术 设计提供基础资料和数据依据，同时也利于合理解决矿区疏、供结合问题，促 进研究区多种水资源的综合利用以便更好地可持续发展，在理论和实践上都具 有重大的意义【9 1 。 1 2 研究现状 1 2 1 前期研究成果 ( 1 ) 1 9 7 0 年8 月河南省革委建委地质公司地质二队进入段村矿区( 段村一 雷沟矿区西段) 以铁为主进行综合普查，同年1 1 月转入详查，1 9 7 1 年6 月结束 评价工作，7 月提交了河南省渑池县段村铁铝矿区详查报告。获得铁矿储量 2 6 8 x 1 0 4 t ，其中工业储量2 1 1 0 4 t ，远景储量1 5 5 x 1 0 4 t ，尚难利用储量9 2 x 1 0 4 t ； 获铝土矿资源储量7 6 7 x 1 0 4 t 。 。 ( 2 ) 1 9 7 8 年河南冶金地质勘探公司六队进入段村矿段进行勘查工作，作了 较为详细的地质资料整理工作。 、 ( 3 ) 1 9 8 2 - - 一1 9 8 6 年煤炭工业部水源开发队，在本区( 南坻坞洪阳) 开展 供水勘查工作，主要任务是对“仁村水源地”岩溶地下水资源进行评价，并对该水 源地日取2 x 1 0 4 m 3 地下水资源的保证条件加以论证。1 9 8 6 年6 月该单位正式提 交了河南省义马矿区f 村勘探区供水水源初勘( 最终) 报告。 ( 4 ) 1 9 8 6 年河南省有色金属地矿局五队，在该区开展过电测深工作。同期 煤炭工业部水源开发队在仁村至洪阳一带开展水源地勘杏工作。 ( 5 ) 1 9 9 9 年4 月2 0 0 0 年6 月，河南省有色金属地质勘杏总院开展了段 村一雷沟矿区铝七矿勘杳工作( 以段村矿段为主) 。对矿床开采技术条件、水文地 质条件、工程地质条件进行了初步评价，并进行了矿床技术经济概略评价。 3 第1 章引言 ( 6 ) 2 0 0 3 年8 月6 日，河南省地质矿产开发局第一地质调查队提交了河 南省渑池县段村铁铝详查区中东部铝土矿资源储量核查报告，估算铝土矿资源 储量6 4 0 2 4 x1 0 4 t ，其中保有资源储量4 5 1 6 4 x1 0 4 t 。该区采用的边界品位工业指 标为a 1 2 0 1 3 之4 0 、a s _ _ 2 6 。 ( 7 ) 2 0 0 4 年3 月 2 0 0 6 年1 1 月，中国铝业股份有限公司矿业分公司与郑 州豫源地矿勘查技术服务有限公司按照矿区水文地质工程地质规范国标 g b l 2 7 1 9 - - - 9 1 和固体矿产地质勘探规范总则g b r r1 3 9 0 8 - - 2 0 0 2 中的规定， 开展矿区水文地质、工程地质勘查工作。并于2 0 0 6 年9 月提交河南省渑池县 段村一雷沟矿区水文、工程地质勘探报告。完成水文、工程地质钻探7 4 9 6 1 3 m ； 单孔抽水试验1 4 个，多孔2 组，群孔1 组( 卣1 5 个观测孔组成) ，民井4 个； l 5 万区域水文地质修测7 5 6 k m z ；1 1 万矿区水文地质测绘5 0 k m 2 ；1 1 万矿区工 程、环境地质测绘5 0 k m 2 。 ( 8 ) 2 0 0 6 年1 月 2 0 0 7 年2 月，中国铝业股份有限公司矿业分公司和郑 州豫源地矿勘查技术服务有限公司在2 0 0 3 年7 月w 2 0 0 5 年底普查、详查工作基 础上，开展了野外勘探，累计完成钻探进尺1 1 4 3 3 9 7 0 m ，化学分析采样及测试 3 9 9 8 个。并于2 0 0 7 年2 月提交河南省渑池县段村毳i 轫旷区铝土矿勘探报告。 段村一雷沟矿区水文地质、工程地质与铝土矿勘探报告是本次研究的主要 依据，而现场调查、室内试验与测试结果也为研究提供了很大的帮助。 1 2 2 矿区主要特征 对以往的地质及水文地质工作进行总结得到段村一雷沟矿区特征主要表现 在以下几方面： ( 1 ) 矿区属海湾泻湖相沉积型铝土矿矿床，全区为单一巨大矿体，呈北西 一南东向延伸。矿区登记面积1 3 8 5 k m 2 ，有效面积8 5 0 k m 2 ，分为段村、雷沟两 个矿段。段村矿段长6 0 7 5 m ，宽3 0 0 - 1 0 0 0 m ，平均厚度3 9 9 m ：雷沟矿段长7 6 9 5 m ， 宽3 0 0 - - - 1 0 0 0 m ，平均厚度3 9 4 m 。矿体埋深0 9 0 - 4 7 0 3 8 m ，平均1 2 7 3l m ，属 缓倾斜薄矿体，开采方式以坑采为主。 ( 2 ) 矿区属低山丘陵地形，西高东低，南北高中间低。在 x 域内，南坻坞 海拔标高7 6 7 6 0 m ，一卜洪阳北标高3 7 3 1 0 m ，最大相对高差3 9 4 5 0 m 。北涧河由 西向东于矿区中偏北穿过，石河于矿区东部穿过，两条河在矿区段均为季节性 河流。 4 第1 章引言 ( 3 ) 矿区水系发育，地形有利于自然排水，大部分矿体位于侵蚀基准面以 下，矿层底板以下为寒武奥陶系灰岩含水层，雷沟矿段矿体又受北涧河直接威 胁，矿坑涌水量计算值较大，民采矿井多，且多充水，矿区水文地质条件由西 向东，逐渐由中等类型过渡到复杂类型，工程地质条件中等复杂。 ( 4 ) 影响矿区未来地下开采的主要充水水源有地下水、地表水、老窿水和 大气降水。其中，位于矿体下的寒武一奥陶系灰岩含水层水压大、富水性强、 含水性极不均一，是威胁矿床开采的最大隐患【1 0 1 。 1 2 3 存在的主要问题 由于矿区地质及水文地质条件复杂，地下水防治技术难度大，而我们对矿 区水文地质的研究工作又不够，这对本课题的研究加大了难度。在研究过程电 主要存在以下问题： 一 ( 1 ) 水文地质勘探和研究深度不够 矿区水文地质工作起步晚，水文地质勘探和研究深度不够，缺少一些必要 的基础资料，如地质边界、降水空间分布、水位观测资料等。 ( 2 ) 对矿床底板灰岩含水层的勘查和研究程度不足 没有查明各含水层的空间分布，这直接影响了疏干工程的设计。寒武一奥二 陶系地层分层标准含糊，底板标高缺乏，对该层富水性的评估及地质模型的概 化造成了一定的影响。 s ( 3 ) 水文地质条件复杂 区内断裂构造复杂，岩溶发育程度不一，对寒武一奥陶系灰岩岩溶地下水 的分布与运移造成了很大的影响，且矿区上部接受北涧河和石河的渗漏补给， 使得水文地质条件变得更加复杂。 ( 4 ) 国内尚无水文地质条件复杂的铝土矿开采防治水成功经验可借鉴。 1 3 地下水数值模拟及涌水量预测研究进展 1 3 1 矿坑涌水量预测方法 二十世纪六十年代以前涌水营的估测方法主要根据钻探、物探、水化学等 资料来确定围岩地下水分布规律以及赋存情况，查明主要的导水断层、节理密 集带，采用水均衡法、水文地质比拟法以及一些解析法来估算涌水量的大小， 第1 章引言 其中以地下水动力学为基础的解析方法比较常用。这一时期所做的主要工作有 m u s k a t ( 1 9 3 7 ) 首次提出了利用解析方法求解地下水流问题的一系列解析解，后有 h a n t u s h 及j a c o b ( 1 9 5 5 ) 扩展了解析法的概念用来处理弱透水层的越流补给含水 层的水量，利用地下水动力学的方法来预测涌水量。 随着计算机技术的迅速发展，数值方法在计算地下水流运动方面得到了很 大的发展，主要为有限元法、有限差分法、边界元法等方法，对于解析方法难 以解决的非稳定流问题，数值方法可以很好地模拟，因而被广泛地用于涌水位 置的查明以及涌水量的准确估计。数值方法是由斯托尔曼( 1 9 5 6 ) 在1 9 6 5 年引入 地下水动力学的，并且他提出了对承压水进行数值模拟确定渗透系数的方法； k l u t e ( 1 9 6 5 ) 等人用一种迭代数值方法求解非线性水流问题；l i a k p o u l o s ( 1 9 6 5 ) 把 隐式交替方向法用于通过孔隙介质的水和空气的一维流问题，并假定与流体压 强和含水层相关的参数以及渗透系数和压强相关的函数是已经确定的，使问题 大大简化；鲁宾( 1 9 6 8 ) 将迭代隐式交替方向法用于水平入渗及渠道渗漏量研究中 的非稳定状态不饱和流；e s h e a 及l o n f f e n b a u g h ( 1 9 6 5 ) 采用高斯消元法来求解一 个均质各向同性水层中水流的基本二维非线性二阶偏微分方程的有限差分近似 解；m e i r i ( 1 9 8 5 ) 基于地下水非稳定流理论，运用有限单元法，提出地下水自由流 动的计算模型。h e u e r ( 1 9 9 5 ) 根据钻孔水压力试验，运用半经验公式法预测隧道 涌水量】。 历经半个多世纪的发展，涌水量预测方法虽然有了很大的发展，但是目前 仍然没有非常成熟和公认的计算公式，因而成为水文地质领域一个需要解决的 难题。关于这方面的研究还需要今后科研工作者的不断努力。目前常用的几种 涌水量预测方法的原理和特点如下：。 ( 1 ) 地下水动力学法 地下水动力学法又称解析法，是根据地下水动力学原理用数学解析的方法 对给定边界条件和初始条件下的地下水运动建立解析式，而达到预测涌水量的 目的。在地下水运动学中有以裘布衣公式( 1 8 7 5 ) 为代表的稳定流理论和以泰斯公 式( 1 9 3 5 ) 为代表的非稳定流理论。根据这两大理论学者们研究i l j 了许多涌水量预 测的经验公式。 a 、最大涌水量计算公式 大岛洋志公式： 6 第l 章引言 q 0 = 三等 m d 铁路勘察规范中的经验公式： q o = 0 0 2 5 5 + 1 9 2 2 4 k h 式中：g 。单位长度可能最大涌水量( 所3 d ) ； k 岩体渗透系数( m d ) 日含水层中原始静水位到底板的距离( m ) ； q o 一西过含水体地段的最大涌水量( m 3 d ) ； d 隧道横截面积的等价圆直径( m ) ； 三隧道的长度( m ) 。 b 、稳定涌水量公式 铁路勘测规范中经验公式【1 2 】： q o = k h ( o 6 7 6 0 0 6 k ) 式中：吼单位长度可能稳定涌水量( m 3 d ) ； h 含水层中原始静水位到底板的高程( m ) 。 裘布依理论公式： ， q ：职业 r y r 式中：k 岩体渗透系数( m 3 d ) ： 日垌底以上潜水含水层厚度( m ) ； h 洞内排水沟假设水深( m ) ； 尺。隧洞涌水地段的引用补给半径( m ) ； ，洞深横截面宽度的一半( m ) ； 三隧洞通过含水体的长度( m ) ； q 隧洞的稳定涌水量( m 3 d ) o 潜水非完整式水平坑道法计算公式： ，、 k b 9 2 了 二 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 第1 章引言 式中：q 水平坑道涌水量( m 3 d ) ； k 岩体渗透系数( 朋d ) ； b 水平坑道的长度( m ) ； 足、尺，坑道在补给方向和排泄方向上的影响宽度或为坑道至补给边 界、排水边界之距离( m ) ； s 水平坑道的水位降深( m ) ； ，坑道底部到隔水底板的距离( m ) ； b 坑道底部的宽度( m ) ； 凰一 、给边界潜水面水位与坑道底板之间的距离( m ) ； 日，排泄边界潜水面水位与坑道底板之间的距离( m ) 。 ( 2 ) 水均衡法： 水均衡法是根据水均衡原理，查明工程施工期水均衡各收入、支出部分之 间的关系进而获得施工段的涌水量。水均衡法能给出任意条件下进入施工地段 总的“可能涌水量”而不能用来计算单独区域的涌水量。当施工地段地下水的形成 条件较简单时，采用水均衡法可以得到良好的效果，但是在解决这个问题时遇 到了一个困难，就是天然条件下的水均衡关系在工程施工过程中常常遭受强烈 的破坏。水均衡法虽然有种种不足，但它有一个最大的特点，就是能在查明有 保证的根本补给来源的情况下，确定研究区域的极限涌水量值。因此在补给源 有限时，它可以作为核对其它方法计算结果的一种补充性计算方法【1 3 】。 ( 3 ) 数值方法 ， 上世纪八十年代以来，数值方法被越来越多的用到地下水流运动模拟的各 个方面，从二维渗流数值模拟，发展到三维渗流的数值模拟，以及现在非常流 行的运用一些可视化软件进行模拟，如m o d f l o w 、f e f l o w 等，都是很有用的可 视化软件，这些软件操作界面简单，人性化，功能强大，对地下水流问题、溶 质运移问题、水均衡问题等地下水运动相关的许多方面都有特定的模块进行处 理，是研究地下水问题的有用工具【1 4 】。涌水量预测也是其中很重要的一个方面， 复杂水文地质条件地区的涌水量预测就可以利用这些软件来进行。数值方法是 根据一个工程实际问题，依据该地区具体的水文地质条件，首先将研究区概化 为一个水文地质概念模犁，然后再从水文地质概念模犁概化为物理模型，迸一 步用数学模型来表示，在得到数学模型以后，可以用一系列的有限差分线性方 程组或者是有限元方程组来表示，并求解得到数学方程的解，那也就得到了该 8 第1 章引言 地区的水头分布等反映地下水运动要素的各种参数，再现了现实的地下水流系 统，进而可以预测涌水量 1 5 , 1 6 】。 此外，用神经网络方法来计算涌水量也越来越受到诸多学者的关注【1 7 1 8 】。 1 3 2 地下水数值模拟发展历史 随着人们对地下水流运动机理的不断认识，描述地下水流动系统的模拟经 历了一个由简到繁的过程。1 9 世纪中叶到2 0 世纪初，地下水数值模拟研究刚起 步，地下水开发利用规模较小，开采量小于天然补给量，人们采用稳定流模型 ( j d u p u i t ，1 8 6 3 ) 亥0 画地下水的运动。1 8 8 6 年，f h a n m 首先把高等数学应用到地 下水运动理论中来，包括引进等势面和流线、应用拉普拉斯方程和镜像法。2 0 世纪3 0 年代，地下水开采规模日益增大，地下水流动呈现出不稳定性，非稳定 流模型问世( c v t h e i s ，1 9 3 5 ) 。到了2 0 世纪5 0 年代，随着深层承压水的开发利 用，越流模型被用来解决多层含水层的越流问题f c e j a c b o ，m h a n t u s h ，1 9 6 5 ) 。 这一时期，b o bb e n n e t t 和h e r bs k i b i t z k e 提出了从整个含水层系统研究地下水流 的方法，突破了以往只从单井角度考虑的模式：至此，地下水流模型从单层稳 定流模型发展到多层越流动态模型，但是对含水层内部结和不规则边界条件的 研究仍无明显进展【l9 ，2 0 】。 ， 一静 2 0 世纪6 0 年代以来，数值计算方法在水文地质学中的应用及电子计算机技 术的推广使用，使一些复杂的地下水流的模拟成为可能，在水文地质概念型中 更多地保留了实际地下水系统的自然特性。此阶段是数值模型迅速发展时期， 先后出现t - - 维流( 剖面) 模型、准三维流模型、三维流模型、耦合模型等。国外 9 0 年代先后建立了几个主要模型，例如美国休斯顿模型( r b r a v o ( 美国) ) ，墨西哥 城模型( a r i v e r a ( 法国) ) ，意大利拉文那区域地下水流模( g g a m b o l a t i ( 意大利) ) ， 日本大鳄平原模型( k d a i t o ( 日本) ) 等，都属于三维流模型或准三维流模型【2 1 1 。 我国地下水数值模拟起步较晚，开始于2 0 世纪7 0 年代，但经过3 0 多年数 学工作者( 肖树铁、谢春红、孙纳正、陈明佑、杨天行等) 和水文地质工作者( 林 学钰、朱学愚、薛禹群、陈崇希等) 以及科研院所的共同努力，现已接近或达国 际水平。1 9 9 5 年，石立波介绍了平原区浅层地下水系统模拟模型，突出垂向交 换，并将垂向补排量作为地下水位的函数；同时，用随机方法模拟模型的边界 条件，还考虑了大气降水、地表水、地下水三水之间的转化关系。2 0 0 0 年，周 念清等就利用m o d f l o w 对宿迁市的地下水资源进行调杏和评价，对全区的地 9 第1 章引言 下水位和水量进行模拟和预报，并在此基础上制定合理的开采方案，通过对开 采量的优化和合理分配，在获得最大开采量的同时，有效地控制降落漏斗区水 位的下降，为地下水资源的合理开发利用提供了依据【2 2 1 。但我国地下水数值模 拟仍存在着诸多问题，主要表现在以下三点： ( 1 ) 与欧美先进国家相比仍有很大差距，而且某些领域在8 0 年代末、9 0 年代初曾一度缩小的差距现在又开始拉大了。最显著的表现在于：近二十年来 国外随机理论迅速地应用于地下水中污染物运移等领域的研究，并取得了一批 突破性的成果( d a g a n , 1 9 8 9 ；g e l h a r ，1 9 9 3 ；c u s h i l l a n ，1 9 9 7 ) ，从而改变了人们 对化学物质在地下水中运移、弥散的传统认识。 ( 2 ) 基础理论的实验研究重视不够，近年来又出现了轻视具体地质条件研 究，过多依赖模拟技术的苗头。没有一流的实验研究，很难在基础理论上有所 突破；得不到实验验证的理论也很难进一步发展。实验研究又存在投资大、研 究周期比较长、不易出成果的问题。 ( 3 ) 模型建了很多，但效果如何少有人问津。据国际地下水模拟中心主任 e v e nd e rh e i j d e l 9 8 5 年的统计，模型总数( 不包括中国在内) 是3 9 9 个。我国已有 多少? 难以统计。也许已经超过这个数字了【2 3 1 。 目前最常用的数值模拟方法是有限单元法和有限差分法。有限单元法 ( f e m ) 根据原理的差异可细分为里茨有限元法、迦辽金有限元法和均衡有限 元法，尽管存在原理上韵差异，各种有限元法最终获得的水头方程组却是一样 的；有限差分法( f d m ) 是日前用于地下水研究的诸方法中数学原理最简单的 一种，根据解题思想的差别可进一步分为显式差分方法、隐式差分方法、交替 方向隐式差分方法等。根据不同的方法，国外编制了不同的数值模拟软件，主 要有加拿大w a t e r l o o 水文地质公司的v i s u a lm o d f l o w 、德国w a s y 水资源规 划和系统研究所的f e f l o w 、美国b r i g h a my o u n g 大学环境模型系统试验室的 g m s 等【2 4 2 5 1 。这些国际专业地下水软件，将计算程序和显示特定图形( 如等水位 线、流速矢量场、流线、含水层结构、参数分区) 的程序有机结合在一起，凭借 计算机的可视化效果，把地下水模拟中涉及与产生的数字信息转变为直观的、 易于被研究人员理解的信息，可进行交互分析，从中发现一些通常数字信息表 现不明了的问题，从而提高工作效率，取得更多的研究成果。其中，在这方面 比较成熟的软件是德国w a s y 的有限单己软件f e f l o w ，但是其代码是非公开的， 软件价格昂贵：目前应用最为普遍的足美国地质调查局( u s g s ) 的有限差分法 l o 第1 章引言 软件m o d f l o w 。自从它问世以来，已经在全美甚至在全世界范围内，在科研、 生产、环境保护、城乡发展规划、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的 应用。因为它代表了未来地下水流数值模型发展大趋势，有很强的实用性，更 为重要的是，u s g s 的程序代码是公开的、免费的，不存在版权问题【2 6 】。 m o d f l o w 的一个最为显著特点就是它采用了模块化结构( m o d u l a r s t r u c t u r e ) ，包括一个主程序( m a i np r o g r a m ) 和若干个相对独立的子程序包 ( p a c k a g e ) 。每个子程序中有数个模块( m o d u l e ) ，每个模块用以完成数值模拟的一 部分。例如“河流子程序包”用来模拟河流对含水层的影响；“井流子程序包”用来 模拟抽水井和注水井对含水层的影响。用户可以根据实际工作需要选用其中某 些相关的子程序包对地下水进行数值模拟。从辨证的角度来说，任何事物的发 展都不能一次至臻完美，需要有一个经过不断补充、修改和完善的过程，而一 m o d f l o w 这种模块化结构使得其程序易于理解、便于操作、修改以至添加新 的子程序包。事实上，m o d f l o w 问世以来，已经有许多新的子程序包被开发 出来，用来解决一些原来m o d f l o w 不能解决的问题，例如用来模拟抽水引起 地面沉降的子程序包( l e a k e 和p r u d i c ，1 9 9 8 ) ，用来模拟水平流动障碍( h o r i z o n t a l f l o w b a r - r i e r ) 的子程序包( h s i e h 和f r e c k l e t o n ，1 9 9 3 ) 等。这些新子程序的加入， 极大地提高了m o d f l o w 的应用范围。据统计，自1 9 9 2 年底以来，美国地质 调查局运行的2 2 种有关地下水流水量水质数值模拟计算的程序中，m o d f l o w 约占总应用次数的4 1 。5 6 ，这还不包括附属于它m o d f l o w p 和m o d p a t h ， 而其它的绝大多数模型的使用率都不超过5 。o ，可以说m o d f l o w 具有绝对 的权威性。如今，m o d f l o w 不但被广大的水文地质工作者所接受，而且已被 其政府部门所认同。运用m o d f l o w 的计算结果，在大量有关地下水资源超量 开采、地下水污染等诉讼案件中，甚