CN103226732B - 一种基于gms的矿区不同开采中段的地下水渗流场预测方法 - Google Patents
一种基于gms的矿区不同开采中段的地下水渗流场预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于GMS的矿区不同开采中段的地下水渗流场预测方法，通过分析研究区域的水文地质条件，概化边界条件和含水体，分析地下水迳流条件，确定各源汇项系数。采用GMS对模拟区域进行有限差分网格划分，依据观测井水位确定其初始水头，依据抽水试验和已有资料确定各模拟分区的水文参数，分析区域内源汇项的水文模块类型，结合已确定的源汇项系数在相应的水文地质图层中赋值，进而获得不同开采中段的渗透系数分区图。基于GMS建立矿区地下水渗流场预测模型，利用观测数据调整模型的水文参数。最后结合不同开采中段的排水量进行模拟，获得不同开采中段的地下水渗流场。该方法操作方便、三维可视化功能优良、结果可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于GMS的矿区不同开采中段的地下水渗流场预测方法。
背景技术
地下岩层含水量大小对地下矿开采的安全和采矿方案的选择起着重大的影响，而由于采矿疏干地下水形成的地下水降落漏斗可能形成地表塌陷，因此地下水渗流场的预测对矿山防治水方案的确定和采矿方案的选择起了很大的影响。传统的地下渗流场预测模型缺乏精确的定量分析，大多为二维预测模型，可视化功能不强，不能形成不同深度地层的三维地下水渗流场预测，地下矿开采是一个在三维空间进行的工业活动，不同的开采中段其岩石性质、地下水分布状况和矿产的开采中段不同，其疏干强度也不同，因此传统二维预测模型对矿山决定整体防治水方案和采矿方案参考意义不大，急需提出一种能够精确预测矿区不同开采强度下的地下水渗流场方法。
发明内容
本发明提供一种基于GMS的矿区不同开采中段的地下水渗流场预测方法，其的目的在于，克服现有技术的不足，利用GMS软件建立待测矿区的地质模型，操作简单，获得准确、可靠的预测结果，同时具备优良的三维可视化效果，能直观预测各种开采强度下的地下水渗流场动态变化趋势。
一种基于GMS的矿区不同开采中段的地下水渗流场预测方法，包括以下步骤：
步骤1：获取数据；
首先，根据待测矿区的地质条件确定矿区的边界条件、潜水层、含水体的空间形态和富水性分区，及地下岩层的分布状况；对待测矿区进行水文监测网观测和抽水试验获取待测矿区的大气降雨量、田间灌溉量、河流流量、分区蒸发量和分区内抽水井抽水量，依据水文地质标准手册，获取待测矿区地下水的补给项系数和排泄项系数；
所述地质条件包括待测矿区的历史地质数据，即为地下岩层的分布，隔水层、含水层及潜水层的水文特性；采用物探技术和抽水试验获得待测矿区的边界、潜水层、含水层及隔水层的富水性分区和空间形态，以及地下岩层分布状况；
所述待测矿区地下水的补给项系数包括大气降雨入渗补给系数、田间灌溉入渗补给系数、河流入渗补给系数、侧向补给系数；
所述待测矿区地下水的排泄项系数包括蒸发排泄系数、开采排泄系数及侧向流出排泄系数；
步骤2：通过地质勘探获得的待测矿区的高程数据和钻孔数据导入GMS软件形成的待测矿区的地质模型，对待测矿区地质模型中的矿区进行有限差分网格划分，获得地质剖面信息；其中，划分水平上采用等距剖分，划分垂直上依据地层高度进行剖分；
步骤3：将地质剖面资料、钻孔数据和待测矿区的采空区大小的数据导入3DMINE软件建立3DMINE待测矿区的地层模型，依据设计的矿井各个开采中段深度对地层模型划分，得到地层模型的剖面信息，将剖面信息导入至GMS的Map模块来划分待测矿区的地质模型，得到待计算的模拟分区；
步骤4：利用待测矿区水文观测网历年监测的观测矿井水位数据，通过空间插值获取待测矿区地质模型的初始水头；利用步骤1获得的待测矿区的潜水层、含水层的空间形态和富水性分区以及地下岩层的分布状况，依据已有的抽水试验和岩性实验的Dupuit公式获得步骤3中得到的模拟分区的渗透系数、给水度和单位储水系数；
步骤5：在GMS中建立待测矿区地质模型的边界条件和源汇项图层、入渗补给图层和蒸发图层，将补给项和排泄项中的侧向补给系数、河流入渗补给系数、开采排泄系数和侧向流出排泄系数在边界条件和源汇项图层中赋值，将大气降雨入渗补给系数和田间灌溉入渗补给系数在入渗补给图层中赋值，将蒸发排泄系数在蒸发图层中赋值；获得已赋值的待测矿区的地下水渗流场的预测模型；
利用GMS软件，从已经赋值的待测矿区的地下水渗流场的预测模型计算得到各模拟分区的渗透系数、给水度及单位储水系数；
步骤6：遵循分区水均衡原则，对比待测矿区地下水渗流场预测模型中各观测点的计算水头与实测水头，采用GMS自带的参数反演模块PEST基于实测水头值对计算水头值自动迭代运算，反求待测矿区的地下水渗流场的预测模型中各模拟分区的渗透系数、单位储水系数和给水度，通过GMS软件自带的自动调用参数的方式，对待测矿区的地下水渗流场的预测模型的渗流系数、单位储水系数及给水度进行校正，获得最终的待测矿区的地下水渗流场的预测模型；
步骤7：结合不同开采中段的疏干强度值，对待测矿区的地下水渗流场的预测模型进行数值模拟，获得不同开采中段的待测矿区的地下水渗流场。
将疏干强度值以井模块的形式加入到待测矿区的地下水渗流场预测模型中进行模拟，获得不同开采中段的地下水渗流规律，所述井模块的排水量即等于疏干强度值。
有益效果
本发明提供一种基于GMS的矿区不同开采中段的地下水渗流场预测方法，依据实际的地质情况和实际的补给项和排泄项系数，分析边界和含水体的概化、地下水的迳流条件；依据观测井水位数据的空间插值、抽水试验资料、各种岩性的经验值和待测矿区的水位地质的实际情况获得地质模型的计算初始水头条件和模拟分区的渗透系数、给水度及单位储水系数；利用数学模型各观测点的计算水头与实测水头进行对比，反求相关水文地质参数，通过调试和优选获得校正后的模型的渗流系数、单位储水系数、给水度3种参数。本预测方法是充分基于实际情况和实际资料的情况下对地下水渗流场经行时空的预测，可靠性高。本发明充分利用3DMINE在建立矿区地层模型的优势和GMS软件在对地下水文地质的模拟和预测的准确与先进，来建立矿区地下水渗流场预测模型，以有限差分法来进行计算，模型预测准确、可靠。
附图说明
图1是待测矿区的边界条件概化和含水岩体富水性分区图；
图2是待测矿区的GMS有限差分网格地质模型；
图3是利用3DMINE建立的待测矿区的三维地层模型；
图4待测矿区的边界条件和源汇项图层；
图5待测矿区的入渗补给图层；
图6待测矿区的蒸发图层；
图7待测矿区的在开采中段为-180m下的渗流系数分区；
图8待测矿区的在开采中段为-180m地下的渗流预测结果图；
图9整个待测矿区的地下水渗流场预测结果三维图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
以某矿区为例，采用本发明提出的一种基于GMS的矿区不同开采中段的地下水渗流场预测方法，对该矿区在不同开采中段下的地下水渗流场进行预测，具体步骤如下：
步骤1：首先，利用MODFLOW软件中的Recharge模块，根据待测矿区的地质条件确定矿区的边界条件、潜水层、含水体的空间形态和富水性分区，及地下岩层的分布状况，底边界为隔水边界，侧边界为变流量边界，利用达西定律来计算各边界流量；如图1所示，图1中光滑线条的图形边界表示补给边界，画斜杠边界线条为红色部分表示隔水边界，图1中富水性分区是依据D2孔抽水试验及措施井排水情况，并结合各时期的勘探资料、帷幕试验、优化试验、帷幕施工实际揭露的地质情况、渗透系数、帷幕位置进行综合考虑，将整个计算分区划分为9个分区，用数字1-9表示，具有相同数字的不同分区，表示这些分区的富水性相同，不同数字表示不同的富水性分区；数字10和13代表流进分区内的河流，数字11和12代表河流10的支流，数字14、15、16、17、18及23代表以前矿山防治水二期帷幕注浆，数字19、20、21及22代表以前矿区防治水的一期帷幕注浆。对待测矿区进行水文监测网观测和抽水试验获取待测矿区的大气降雨量、田间灌溉量、河流流量、分区蒸发量和分区内抽水井抽水量，依据水文地质标准手册，获取待测矿区地下水的补给项系数和排泄项系数；
所述地质条件包括待测矿区的历史地质数据，即为地下岩层的分布，隔水层、含水层及潜水层的水文特性；采用物探技术和抽水试验获得待测矿区的边界、潜水层、含水层及隔水层的富水性分区和空间形态，以及地下岩层分布状况；
所述待测矿区地下水的补给项系数包括大气降雨入渗补给系数、田间灌溉入渗补给系数、河流入渗补给系数及侧向补给系数；
所述待测矿区地下水的排泄项系数包括蒸发排泄系数、开采排泄系数及侧向流出排泄系数；
步骤2：通过地质勘探获得的待测矿区的高程数据和钻孔数据导入GMS软件形成的待测矿区的地质模型，对待测矿区地质模型中的矿区进行有限差分网格划分，获得地质剖面信息；其中，划分水平方向上采用100×100网格数的等距剖分，划分垂直方向上依据地层高度进行剖分；获得的待测矿区的GMS有限差分网格地质模型如图2所示，图2中的红色线条表示二期的帷幕注浆工程；
步骤3：将地质剖面资料、钻孔数据和待测矿区的采空区大小的数据导入3DMINE软件建立3DMINE待测矿区的地层模型，如图3所示；依据设计的矿井各个开采中段深度对地层模型划分，得到地层模型的剖面信息，将剖面信息导入至GMS的Map模块来划分待测矿区的地质模型，得到待计算的模拟分区；本实例中的开采深度为-120m、-180m、-270m和-380m；
步骤4：利用待测矿区水文观测网历年监测的观测矿井水位数据，通过空间插值获取待测矿区地质模型的初始水头；利用步骤1获得的待测矿区的潜水层、含水层的空间形态和富水性分区以及地下岩层的分布状况，依据已有的抽水试验和岩性实验的Dupuit公式获得步骤3中得到的模拟分区的渗透系数、给水度和单位储水系数；如表1和表2所示，表1中Kx、Ky及Kz分别表示待测矿区中1-9号分区在x、y及z方向的渗透系数，表2中SS和Sy表示待测矿区中1-9号分区的给水度和储水系数；
表1各模拟分区渗透系数K初值表（单位：m/d）
表2各模拟分区给水度及储水系数值初值表
步骤5：在GMS中建立待测矿区地质模型的边界条件和源汇项图层、入渗补给图层和蒸发图层，将补给项和排泄项中的侧向补给系数、河流入渗补给系数、开采排泄系数和侧向流出排泄系数在边界条件和源汇项图层中赋值，将大气降雨入渗补给系数和田间灌溉入渗补给系数在入渗补给图层中赋值，将蒸发排泄系数在蒸发图层中赋值；获得已赋值的待测矿区的地下水渗流场的预测模型；
源汇项图层如图4所示，图中红色代表民用抽水井，蓝色线条代表河流；
入渗补给图层如图5所示，图中线条代表入渗补给分区参数分区界线；
蒸发图层如图6所示，图中线条代表蒸发分区参数分区界线图层；
利用GMS软件，从已经赋值的待测矿区的地下水渗流场的预测模型计算得到各模拟分区的渗透系数、给水度及单位储水系数；即可获取待测矿区在开采中段为-180m的渗流系数分区，如图7所示；
步骤6：遵循分区水均衡原则，对比待测矿区地下水渗流场预测模型中各观测点的计算水头与实测水头，采用GMS自带的参数反演模块PEST基于实测水头值对计算水头值自动迭代运算，反求待测矿区的地下水渗流场的预测模型中各模拟分区的渗透系数、单位储水系数和给水度，通过GMS软件自带的自动调用参数的方式，对待测矿区的地下水渗流场的预测模型的渗流系数、单位储水系数及给水度进行校正，获得最终的待测矿区的地下水渗流场的预测模型；表3为某观测点的计算水头和实测水头对比数据；
表3某观测点的计算水头和实测水头对比数据
步骤7：结合不同开采中段的疏干强度值，对待测矿区的地下水渗流场的预测模型进行数值模拟，获得不同开采中段的待测矿区的地下水渗流场。
对地下开采井下正常涌水量进行预测，根据预测的结果，获得不同开采强度的疏干强度值。结合地下水渗流场模型进行模拟，获得开采中段为-180m的地下水渗流规律，如图8所示，图中光滑的曲线即为等水位线，在开采排水集中的分区，即图中的东南方，出现大的降落漏斗，表明地下水过度开采对地下水造成严重破坏；
将各开采中段的渗流规律图层进行三维叠加，即可获得待测矿区的地下水渗流规律三维图如图9所示，形成了四个开采中段（-120m、-180m、-270m和-380m）所在地层平面的渗流场，依据地质高程，将四个开采中段（-120m、-180m、-270m和-380m）所在地层平面的渗流场在空间上叠加，即形成四个开采中段下的矿区渗流场，图中的光滑的曲线即为等水位线，由于地下开采抽水，形成了两个明显的降落漏斗分区。
经过与实际工程数据对比，发现预测结果误差较小，结果准确可靠。但是，在本发明的技术领域内，只要具备基本知识，就可以对本发明的实施方式进行改进。在本发明中对实质性技术方案提出了专利保护，其申请保护范围应包括具有上述技术特征的一切变化方式。
上例所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (2)
1.一种基于GMS的矿区的不同开采中段地下水渗流场变化预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取数据；
首先，根据待测矿区的地质条件确定矿区的边界条件、潜水层、含水体的空间形态和富水性分区，及地下岩层的分布状况；对待测矿区进行水文监测网观测和抽水试验，获取待测矿区的大气降雨量、田间灌溉量、河流流量、分区蒸发量和分区内抽水井抽水量，依据水文地质标准手册，获取待测矿区地下水的补给项系数和排泄项系数；
所述地质条件包括待测矿区的历史地质数据，即为地下岩层的分布，隔水层、含水层及潜水层的水文特性；采用物探技术和抽水试验获得待测矿区的边界、潜水层、含水层及隔水层的富水性分区和空间形态，以及地下岩层分布状况；
所述待测矿区地下水的补给项系数包括大气降雨入渗补给系数、田间灌溉入渗补给系数、河流入渗补给系数和侧向补给系数；
所述待测矿区地下水的排泄项系数包括蒸发排泄系数、开采排泄系数及侧向流出排泄系数；
步骤2：通过地质勘探获得的待测矿区的高程数据和钻孔数据导入GMS软件形成的待测矿区的地质模型，对待测矿区地质模型中的矿区进行有限差分网格划分，获得地质剖面信息；其中，水平方向上采用等距剖分，垂直方向上依据地层高度进行剖分；
步骤3：将地质剖面资料、钻孔数据和待测矿区的采空区大小的数据导入3DMINE软件建立3DMINE待测矿区的地层模型，依据设计的矿井各个开采中段深度对地层模型划分，得到地层模型的剖面信息，将剖面信息导入至GMS的Map模块来划分待测矿区的地质模型，得到待计算的模拟分区；
所述依据设计的矿井各个开采中段深度对地层模型划分，是指将不同的开采中段深度依次代入地层模型，得到每个开采中段深度对应的具体地层模型；
步骤4：利用待测矿区水文观测网历年监测的观测矿井水位数据，通过空间插值获取待测矿区地质模型的初始水头；利用步骤1获得的待测矿区的潜水层、含水层的空间形态和富水性分区以及地下岩层的分布状况，依据已有的抽水试验和岩性实验的Dupuit公式获得步骤3中得到的模拟分区的渗透系数、给水度和单位储水系数；
步骤5：在GMS中建立待测矿区地质模型的边界条件和源汇项图层、入渗补给图层和蒸发图层，将补给项和排泄项中的侧向补给系数、河流入渗补给系数、开采排泄系数和侧向流出排泄系数在边界条件和源汇项图层中赋值，将大气降雨入渗补给系数和田间灌溉入渗补给系数在入渗补给图层中赋值，将蒸发排泄系数在蒸发图层中赋值；获得已赋值的待测矿区的地下水渗流场的预测模型；
利用GMS软件，从已经赋值的待测矿区的地下水渗流场的预测模型计算得到各模拟分区的渗透系数、给水度及单位储水系数；
步骤6：遵循区域水均衡原则，对比待测矿区地下水渗流场预测模型中各观测点的计算水头与实测水头，采用GMS自带的参数反演模块PEST基于实测水头值对计算水头值自动迭代运算，反求待测矿区的地下水渗流场的预测模型中各模拟分区的渗透系数、单位储水系数和给水度，通过GMS软件自带的自动调用参数的方式，对待测矿区的地下水渗流场的预测模型的渗流系数、单位储水系数及给水度进行校正，获得最终的待测矿区的地下水渗流场的预测模型；
步骤7：结合不同开采中段的疏干强度值，对待测矿区的地下水渗流场的预测模型进行数值模拟，获得不同开采中段的待测矿区的地下水渗流场。
2.如权利要求1所述的基于GMS的矿区的不同开采中段地下水渗流场变化预测方法，其特征在于：将疏干强度值以井模块的形式加入到待测矿区的地下水渗流场预测模型中进行模拟，获得不同开采中段的地下水渗流规律，所述井模块的排水量即等于疏干强度值。
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