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经 验 交 流 Visual MODFLOW 在露天矿地下水模拟中的应用 * 马从安 1 李克民 1 石磊 2 赵守鹏 1 夏仲远 1 1. 中国矿业大学矿业工程学院， 江苏 徐州 221116;2. 大庆油田有限责任公司， 黑龙江 大庆 163453 摘要 用 Visual MODFLOW 建立了某露天矿地下水数值模型， 运用其跟踪模拟 MODPATH 子模块及溶质运移模拟 MT3D 子模块对该露天矿地下水的水质点示踪和三维污染羽进行了模拟， 模拟结果有助于识别该矿露天开采对地 下水污染的污染源及污染途径， 为预测露天矿开采期间地下水位及水质的变化， 采用的监测与预保护措施提供了决策 依据。 关键词 露天矿; 地下水模拟; 污染物运移;MODFLOW APPLICATION OF VISUAL MODFLOW IN SIMULATION OF AN OPENCAST MINE UNDERGROUND WATER Ma Congan1Li Kemin1Shi Lei2Zhao Shoupeng1Xia Zhongyuan1 1. School of Mines， China University of Mining ＆ Technology， Xuzhou 221116， China; 2. Petro China Daqing Oilfeld，Daqing 163453， China AbstractThe Visual MODFLOW was used for modeling the particle trace of the underground water in an opencast mine. Its sub model MODPATH and contaminant transport model were also used to simulate pathlines and the position of particles. The results were very useful to identify the contaminant sources and contaminant transport pathway. They provided the decision support for predicting the change in the underground water level and water quality，and also provided basis for selecting monitoring system and protecting measures. Keywordsopencast mine;underground water simulation;contaminant transport;MODFLOW * 国家科技重大专项项目 2008ZX05055 。 0引言 露天开采把地壳深部的岩层完全暴露于地表， 通 过地表径流等作用将一些有毒有害物溶于水中汇入 江湖， 且通过渗透对土壤和地下水体造成污染。一些 地下水位较高的矿区， 常对矿坑突水进行疏干排放， 不仅破坏了地下储水结构， 而且造成了矿区及周围区 域水资源严重浪费和短缺。此外， 露天采场内基岩裸 露， 使流入坑内的地下水遭到污染， 大量排放含有高 浓度固体悬浮物及有害杂质的矿坑水， 也给周围水系 和土壤造成了污染 ［ 1］。 印度 Orissa 地区 Sukinda 铬露天矿在开采过程 中， 其排土场中出现了铬元素和其他有毒元素的渗 漏， 尤其在季风性雨季期间， 引起地下水的污染 ［ 2］。 文献［ 3］ 根据淋溶实验结果及相关资料研究得到海 州露天矿开采后的岩质边坡对地下水水质的影响时 间 20 ～ 25 年。广东茂名油页岩露天矿的南、 北排土 场总面积达6. 07 km2， 其物质组成主要包括露天采矿 剥土、 矿渣 含油不高的油页岩碎片、 质量不高的褐 煤 和炼油废渣等， 含有机质、 黄铁矿、 油、 芳烃、 硫及 某些金属元素等， 这些有害物质随降雨淋滤渗入地下 污染地下水， 使地下水 pH 值偏低， 总铁、 耗氧量、 硫 酸根、 锰和氨氮等组分含量偏高 ［ 4］。因此， 为分析露 天矿开采可能对地下水造成的污染并提出相应的预 保护措施， 积极开展地下水数值模拟研究意义重大。 地下水数值模拟常采用有限元和有限差方法， 但 大多是针对孔隙介质进行模拟。薛禹群等采用多尺 度有限元方法研究水文地质参数渐变的流场变化规 律 ［ 5］。但对于矿山而言， 含水介质的各向异性明显， 这就需要采用先进的模拟手段对计算方法不断改进， 以准确地模拟地下水流场的分布和涌水量的变化。 地下水数值模拟模拟软件 Visual MODFLOW 是由美 89 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 国地质调查局 USGS开发的计算机程序， 是国际上 流行的地下水资源评价和预测的三维可视化标准专 业软件， 具有仿真度高、 方便灵活等特点 ［ 6- 10］。该软 件由加拿大 Waterloo 公司生产， 是应用有限差方法进 行地下水流数值模拟计算较为成熟的软件。它具有 地下 水 流 模 拟 MODFLOW 、示 踪 剂 跟 踪 模 拟 MODPATH 、 溶质运移模拟 MT3D 等功能。武强 等 ［ 11］利用 Visual MODFLOW 建立了淮北地下水数值 模拟模型。文献［ 12］ 用 Visual MODFLOW 建立地下 水模型观测矿山生产期和闭坑期的水资源情况。目 的是了解地下水动态变化及潜在污染物浓度的变化， 从而降低或避免负面影响。 1MODFLOW 模型的理论基础 MODFLOW 是一个三维有限差分地下水流动模 型， 它基于式 1 所示的基本方程  x Kxx h  [] x  y Kyy h  [] y  z Kzz h  [] z － W Ss h t 1 式 1 中Kxx， Kyy， Kzz为沿 x， y， z 坐标轴方向的水力 传导率; h 是水头; W 是在非平衡状态下通过均质、 各 向同性土壤介质单位体积的流量， 表示地下水的源和 汇;Ss表示多孔介质的贮水系数;t 是时间 。 对三维稳定流动， MODPATH 的质量平衡方程可 用有效孔隙率和渗流流速表示， 见式 2  nVx x  nVy y  nVz z W 2 式 2 中Vx， Vy， Vz表示线性流动流速矢量在各坐标 轴方向的分量; n 是含水层有效孔隙率， ; W 表示由 含水层内部单位体积源和汇产生的水量; 污染物运移模型 MT3D 的基本方程见式 3 c t  x i Dij c x [] i －  x i ViC qi P CsΣRk 3 式 3中C 表示溶于水中的地下水污染物浓度;t 是时间; xi表示沿坐标轴各方向的距离; Dij表示水力 扩散系数;Vi表示地下水渗流速度;qi表示源和汇的 单位流量;Cs表示源和汇的浓度;P 表示含水层孔隙 率， ;ΣRk表示化学反应项。 2某露天矿地下水数值模拟模型 2. 1矿区自然地理 矿区地形、 地貌为丘陵斜坡和河谷平原， 构造简 单。本区四周地势属于低山区， 区内为低缓丘陵地 带， 在地形地貌上与外围差异明显， 区内地势北东高， 南西低， 海拔标高为230 ～ 350 m， 相对高差120 m。矿 区交通比较发达。 矿区 为 寒 温 带 大 陆 季 风 气 候。年 平 均 气 温 3. 7 ℃ ， 一月份气温最低， 平均气温 － 17. 7 ℃ ， 最低 气温 － 30. 3 ℃ ， 七月份气温最高， 平均气温22. 6 ℃ ， 最高气温29. 7 ℃ ， 年平均无霜期 132 d， 年平均冻结 期220 d。季节性冻土深度1. 20 ～ 1. 60 m， 最大冻土 深度1. 91 m。由于受季风气候的影响， 本区冬季多西 北风， 夏季多东南风、 东北风， 春季多西南风， 风力较 强， 平均风速2. 5 m/s， 最大风速20 m/s。多年平均降 水 量 538 mm，68 月 份 降 水 占 全 年 降 水 量 的 58. 33 ， 多 年 平 均 蒸 发 量 1 250 mm，相 对 湿 度 65. 80 。 2. 2水文地质特征 研究区内主要河流为五林河， 呈北东向流经本区 中部， 向西南注入牡丹江， 最大洪峰流量101 m3/s。 其余支流均为季节性溪流， 流量小。地下水来源以大 气降水为主， 岩石富水性与地形、 地貌、 岩石性质和地 质构造等因素有关， 水文地质条件为中等。矿区矿层 位于当地侵蚀基准面以下， 直接充水含水层为第四系 砂砾石含水层和碎屑岩孔隙含水层， 富水性中等至 强， 地下水补给条件好， 五林河与第四系含水层有一 定的水力联系。矿区内存在 3 类含水岩组 1 第四系砂砾石含水层。主要分布于五林河河 谷平原， 地下水类型为潜水， 分布于河谷两侧， 局部上 覆 5 ～ 7 m厚的黏土， 含水层厚度 7. 70 ～ 16. 60 m。含 水层主要由砾砂、 粗砂和中细砂组成， 地下水埋深 1. 90 ～ 2. 30 m， 水力性质为潜水， 富水性强， 渗透系数 6. 685 ～ 12. 241 m/d。 2 碎屑岩孔隙含水层。分布于勘探区全区， 含 水层厚度 35. 25 ～ 53. 80 m， 主要由粉细砂岩、 含砾粗 砂岩和油页岩组成， 水位埋深 0. 40 ～ 2. 10 m， 地下水 类型 为 承 压 水， 富 水 性 中 等， 渗 透 系 数 1. 112 ～ 1. 864 m/d， 透水性较好。 3 岩浆岩风化裂隙含水层。主要为花岗岩， 含 水层厚度 19. 70 ～ 30. 20 m， 地下水主要富集在浅部 风化裂隙中， 根据柳 Y129 号孔、 柳 Y133 号孔声波时 差和 视 密 度 曲 线 分 析， 三 孔 花 岗 岩 厚 度 在 14. 00， 20. 50， 25. 20 m处密度和强度增大， 说明强风化裂隙 带厚 度 为 14. 00 ～ 25. 20 m， 地 下 水 埋 深 2. 40 ～ 4. 50 m， 地下水类型为承压水， 富水性弱， 渗透系数 99 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 0. 007 ～ 0. 017 m/d， 透水性弱。 2. 3设定模型及模型网格 选用有限差分法的网格中心节点对研究区进行 剖分离散以建立数值模型， 模型范围内主要包括首采 区、 内排土场、 部分外排土场及五林河。 2. 4定义地层和层面插值 根据勘探区钻孔数据分析得到采区的地层数据， 形成地面及各含水层的顶底板高程数据文件， 使用 Surfer7 进行层面插值生成* . GRD 格式文件， 导入 MODFLOW 中。Visual MODFLOW 也可以直接利用 Excel 数据进行层面插值。含水层划分网格图参见 图 1。 图 1含水层划分网格 2. 5确定稳态的地下水水位、 含水层渗透系数及贮 水系数 根据勘探钻孔地下水位埋深资料， 确定模型的初 始地下水水位。根据抽水试验得到含水层渗透系数 的分布得到该露天矿首采区含水层渗透系数及存贮 参数见表 1。 表 1含水层渗透系数分布 含水层 渗透系数 / m s － 1 存贮参数 KxKyKz贮水率 Ss给水度 Sy 有效孔隙度总孔隙度 第四系砂砾石含水层1. 2 10 － 4 1. 2 10 － 4 1 10 － 5 1 10 － 5 0. 20. 150. 3 碎屑岩孔隙含水层1. 7 10 － 5 1. 7 10 － 5 1. 7 10 － 6 1 10 － 5 0. 20. 150. 3 岩浆岩风化裂隙含水层1. 4 10 － 7 1. 4 10 － 7 1. 4 10 － 8 1 10 － 5 0. 20. 150. 3 2. 6水质点示踪 在 Visual MODFLOW 中， 水质点示踪可划分为向 前和向后 2 种方法。所谓向前示踪就是指将一定数 量的示踪水质点定义在地下水系统补给区，水质点 由补给区示踪移动至排泄区， 而向后示踪则是将一定 数量的示踪水质点定义在地下水系统排泄区或排泄 点， 水质点由排泄区或排泄点反向示踪追溯到补给区 后停止。因此，水质点向后示踪最后停止的位置， 就是矿坑突水点的补给水源位置。示踪流线图可以 平面和剖面两种方式展示， MODPATH 模块所显示的 示踪流线是三维立体的。Visual MODFLOW 的流线 示踪功能对于我国露天矿坑水防治工作具有非常重 要的实用价值， 特别是向后示踪技术，它可以直接被 运用示踪矿坑涌 突水点的补给水源和补给通道， 帮助现场工程技术人员准确判断突水水源和通道， 及 时分析和了解矿坑充水条件， 并可计算出从地下水补 给区渗流至突水点所经历的时间。粒子示踪示意图 见图 2。 2. 7地下水污染分析 露天采场内基岩裸露， 使流入坑内的地表水或地 下水遭到污染， 排土场的废石在淋溶作用下， 通过表 土或岩层裂隙污染地下水。MT3D 是地下水污染物 迁移模拟的国际通用软件， 广泛应用于地下水污染与 修复的研 究， 与 美 国 地 质 调 查 局 的 地 下 水 流 模 型 MODFLOW 衔接， 同步发展。近年来模拟功能有许多 新的进展， 包括处理非均质介质的能力， 与多组分地 球化学反应的耦合， 对变密度条件的考虑， 模拟地下 水年龄与地热传导的功能等。 用 Visual MODFLOW 建立地下水污染运移模型， 模拟矿坑废水和排土场淋溶污染在地下水中的运移 规律， MODFLOW 输出的迹线图可以分析污染物迁移 路径和范围， MT3D 模拟三维污染羽提供形象直观的 污染分析。参见图 3 和图 4。 001 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 图 2粒子示踪示意 图 3污染运移平面图 3结论 本文利用 Visual MODFLOW 对某露天矿建立了 数值模型， 运用跟踪模拟 MODPATH 模块、 溶质运 移模拟 MT3D 模块对该露天矿的水质点示踪和三 维污染羽进行了模拟， 该模拟研究有助于识别该矿露 天开采对分析地下水污染的污染源及污染途径， 预测 露天矿生产期、 闭坑期和恢复期地下水位及水质的变 化， 并采用相应的监测方法与预保护措施起到辅助决 策作用。 图 4三维污染运移图 参考文献 ［1 ］ 马从安， 才庆祥， 王启瑞. 露天矿生产与生态重建理论及应用 ［M］ . 徐州 中国矿业大学出版社， 2009. ［2 ］ Ratnakar Dhakate，Singh V S，Hodlur G K. 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