MODFLOW水流数值模型在矿山环境影响评价中的应用

原杰辉

（煤炭工业太原设计研究院， 山西 太原 030001）

经验交流

MODFLOW水流数值模型在矿山环境影响评价中的应用

原杰辉

（煤炭工业太原设计研究院， 山西 太原 030001）

以某铁矿为例，通过对MODFLOW在矿山开发活动中的应用进行研究，对研究区矿山开采疏排矿坑水过程进行了水流数值模拟，预测矿山开采活动对周边地下水环境的影响，并结合矿区水文地质条件提出矿区开发过程中针对水环境保护可采取的保护措施，旨在对类似矿山开发对水环境的影响分析工作起到一定参考作用。

MODFLOW 数值模拟 环境保护 水资源

MODFLOW是现今世界范围内应用最广泛的地下水流模拟程序，国内引进应用也很多，在矿山防治水方面具有广泛的应用[1-2]。MODFLOW模拟地下水的方法，是用多层的长方形网格刻画三维含水层系统，输入含水层参数，然后对每个单元格建立非稳定流的有限差分方程进行数值求解[3]。Visual MODFLOW作为其前后数据处理的软件，可以在Windows系统中运行，是目前较主流的MODFLOW运行载体。

研究区地处吕梁山脉东麓的狐偃山一带，属中低山区。区内沟谷切割，地貌类型复杂，地表大部分被第四系黄土覆盖，植被发育、荆棘丛生。矿区地势总体南高北低，海拔高度在（+1694～+1918）m之间，研究区内相对高差达到224m。区内温差大、蒸发强烈、日照时间长，矿区及矿床水文地质条件较为复杂。

1 研究区地质与水文地质条件简介

研究区处于狐偃山勘探区东南分水岭北侧，区内植被覆盖茂盛，沟谷中基岩裸露，地形高差相对较大。区域出露地层有：奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系和新生界。地质构造方面位于上白泉椭圆形不规则环形构造的南部，南岔背斜（轴向NNW－SSE）南段的东翼，矿区内岩层倾斜130°～250°，倾角0°～10°，沿层面有波状起伏现象。本矿区以北地表零星出露有二长斑岩，自上而下可见二长斑岩脉顺层侵入于太原组内、斑状二长岩侵入于奥陶系中统峰峰组地层中，此外奥陶系中统上马家沟组二段下尚见有霓辉二长斑岩侵入。

矿区内共圈出隐伏磁铁矿体5个：1、2号矿体赋存于奥陶系中统峰峰组与（巨）斑状二长岩的接触带上，属热液－接触交代矽卡岩型磁铁矿；3、4号矿体赋存于本溪组底部的山西式铁矿或铁铝岩岩体层位；28号矿体赋存于上马家沟三段的大理岩构造裂隙中，属充填交代型磁铁矿。

根据地下水的赋存条件和水力特征，区内地下水含水层主要为：松散岩类孔隙水、碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙水和碳酸盐岩岩溶水。地下水的补给主要为大气降水沿各类岩层的风化带下渗。矿区范围内全部被第四系黄土覆盖，基岩含水层隐伏发育于第四系黄土层之下。矿床产于分水岭地段，矿床周边冲沟发育，地形有利于自然排泄。据上白泉矿区普查地质报告资料，当地岩溶水位标高为1 410m，部分矿体位于岩溶水位以下，具有较高的静水压力。

2 地下水流数值模型的建立

2.1 建立水文地质概念模型

铁矿开采对矿体涉及的石炭二叠系碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙水含水层、奥陶系碳酸盐岩岩溶水含水层、侵入岩风化裂隙水含水层造成疏排影响。根据地质资料，矿体以上并没有发育连续稳定的含水层，多为浅部基岩风化裂隙发育后形成的分散含水层。评价将其假设为具有统一水力联系的浅部基岩风化裂隙水含水层，作为评价的目标含水层[4]。

根据研究区地下水流向整体上自南向北的现状，取目标含水层地下水流场南侧上游地表分水岭作为南边界；结合地形取流场下游1.7～2.1 km作为北边界。这两个边界均处理为二类流量边界。模拟区东、西边界均取地形高点连线圈定，处理为流量为零通量的隔水边界。

评价区目标含水层地下水流从空间上假设以水平运动为主，地下水系统符合质量守恒定律和能量守恒定律：未开采阶段，目标含水层在水平方向上接受南侧地下水径流补给，在垂直方向上接受降水入渗补给，模型内部整体上向北方向径流，在模型北边界处向下游方向排泄。开采阶段，模型于采区抽水形成降落漏斗，目标含水层水平方向接受上游及周边地下水径流补给，在垂直方向上接受降水入渗补给，模型内部局部向降落漏斗中心方向径流，以矿坑水的形式排泄。由于目标含水层地下水位埋藏整体相对较深，不考虑蒸发排泄。

2.2 建立MODFLOW水流数值模型

将1：50 000的铁矿地形图导入模型作为计算模拟区的剖分底图，模型识别区域南北长约6.8 km，东西长约7.3 km。将模型区在水平方向上剖分为100×100的微小单元格，在垂直方向上按水文地质概念模型设计层次剖分。

选择初始水位校核为模型识别与参数校正阶段，将水文地质调查和抽水试验得到的水文地质参数、边界条件、水头初始条件作为模型调参的初始值，运行计算模型，将实测水位和计算水位进行拟合分析，如果计算水位与实测水位相差很大，则根据参数变化范围和实际水位差值，重新给定一组参数，再迭代计算，直至二者拟合较好为止。

通过调参计算，实际水位和计算水位等值线的水位拟合小于0.5m的绝对误差占已知水位的85%以上，拟合结果较好，表明所建的模型、对水文地质条件的概化、边界条件的确定都与研究区域实际情况吻合较好，因此，校正后的模型可以满足预测评价的要求。

3 地下水流数值模拟预测与分析

根据矿区开拓布置，开发利用方案根据矿体分布及赋存形态、地表地形地质，确定采用主竖井开拓系统，主竖井开拓、斜风井回风，对矿区内1、2、4号矿体进行开采，在模型中将矿山开采期间产生的矿坑涌水视为稳定连续的抽水过程，模拟阶段依开采顺序在开采水平内设置抽水孔，将正常涌水量以抽水井的形式排泄出去。

模拟预测结果显示，矿山开采后，形成以拟采矿体中底板较低点（1、2矿体底板）为中心的地下水位降水漏斗，漏斗中心位于1、2号矿体底板低点附近，最大水位降深约为42.72m，往周边方向水位降深逐渐变小。地下水位受影响面积约为1.79 km2。

根据预测结果，分析本研究区内矿山开采对地下水的影响具有如下特点。

1）矿山开采过程中，地下水降落漏斗随时间由小变大，直至一定时间段后补排平衡达到稳定；同一时间节点内地下水降深随着与矿体距离增大而减小，结合矿体等高线可以看出矿体周边地下水位降至最低开采高度之下。

2）随着开采矿体的转移，抽水位置发生变化，地下水降落幅度与影响范围随之变化。

3）铁矿开采对地下水位的影响主要是抽排矿坑水造成的地下水位下降，其下降中心为开采矿体位置，在水平方向上影响矿体周边地下水位，本矿开采时段内矿体及周边地下水位整体出现下降。

4）在矿体开采结束后，受影响区域内地下水位在降落漏斗中心转移后缓慢上升。由于区域降水量较小、水资源不丰富，且基岩风化裂隙水含水层渗透性较差、富水性很弱，水资源更新补给缓慢，矿区范围地下水位恢复速度缓慢。

4 提出水环境影响保护措施

4.1 开采期间涵养水土，及时进行生态恢复

开采矿体使矿区及周边地区地下水位下降，加剧水土流失，建议开采时一方面要严格实施分区开采，另一方面及时进行水土保持工作，涵养水土，降低铁矿开采对浅部地下水资源和生态环境的影响。

4.2 建立地下水观测网系统

结合观测区地质、水文地质条件，建立地下水动态观测网，以掌握地下水位动态变化规律，有效预测疏干涌水量，指导疏干工作。若实际开发中造成区域地下水水位严重下降，建设单位应及时组织水文地质专家查找原因，针对性地制定工程防止措施和配套补救措施，对可能造成的不良影响给以经济补偿，并根据项目可能诱发的环境水文地质问题制定相应的监测方案。

4.3 对水资源综合利用

本矿开采对矿体围岩含水层的破坏不可避免，该部分水资源主要以矿坑水的方式产生，排水均进入矿坑水处理站经混凝、沉淀、过滤处理工艺处理后尽量寻求回用途径，减少矿坑水排放。

4.4 制订供水预案

以预测结果为基础，针对受影响范围内的饮用水井，制订由矿方提供水源和供水的预案，结合地下水动态观测系统，一旦发现居民用水受到影响，立即启动供水预案，保障居民用水不受影响。

5 结语

文章通过对MODFLOW在矿山开发活动中的应用进行研究，对研究区矿山开采疏排矿坑水过程进行了水流数值模拟，预测矿山开采活动对周边地下水环境的影响，据此提出环境影响防范措施，对于类似矿山开发对水环境的影响分析工作具有一定参考作用。

[1] 冯更辰，郝俊杰，谭俊，等.Visual Modflow模型在白涧铁矿区矿井涌水量预测中的应用[J].中国岩溶，2011（3）：271-277.

[2] 王润堂.石硐沟银多金属矿床水文地质条件分析[J].甘肃冶金，2008（2）：24-26.

[3] 王庆永，贾忠华，刘晓峰，等.VisualMODFLOW及其在地下水模拟中的应用[J].水资源与水工程学报，2007（5）：90-92.

[4] 薛禹群，谢春红.地下水数值模拟[M].北京：科学出版社，2007.

App lication of MODFLOW Flow Numerical M odel in M ine Environmental Im pact Assessment

Yuan Jiehui
（Taiyuan Design and Research Institute of Coal Industry,Taiyuan Shanxi 030001）

Taking an iron mine as example,based on the research of the application of MODFLOW in mine development activities,the flow numerical simulation of drainage process ofmine drainage is conducted to predict the impact of mining activities on surrounding groundwater environment.Combined with the hydrogeological conditions,this paper puts forward protectivemeasures for water environment in developing process of themine so as to provide reference for the analysis of the impactofmine developmenton water environment.

MODFLOW;numerical simulation;environmental protection;water resources

P641.7

A

1672-1152（2017）05-0127-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.48

2017-10-23

原杰辉（1985—），男，硕士研究生，毕业于吉林大学，工程师，主要从事环境影响评价和水资源论证方面的工作。

（编辑：王瑾）