GMS 在姑山铁矿东南区排土场地下水渗流场的应用初探.pdf

GMS在姑山铁矿东南区排土场地下水 渗流场的应用初探 李超群 1 朱国荣 1 高元宝 2 1. 南京大学地球科学系 南京市 210093 2.姑山矿业有限公司 安徽 马鞍山 243000 提要 该文应用G MS中的MODFLOW的模型概念法模拟地下水分布,介绍了该方法在排土场求解的一般过 程。并以姑山铁矿东南区排土场为例模拟地下水渗流,为该排土场稳定性评价和后期研究提供重要依据。 关键词 G MS 概念模型法 排土场 稳定流 Preliminary Application of GMS in Simulation of Groundwater Seepage Flowing Field in Dumping Site in Southeast of Gushan Iron Mine Li Chaoqun 1 Zhu Guorong 1 Gao Yuanbao 2 1.Department of earth science ,Nanjing Unviersity 2. Gushan Iron Mining Lcd. Co. Abstract the paper used G MS software in simulating distribution of groundwater , explained general pro2 cess of computation in dumping site. Take a dumping site at southeast part of Gushan iron mine to simu2 late the seepage of underground water and the important evidences can be provided for stability uation and lateron research. Keywords G MS;conceptual model approach;dumping site ;steady flow 作者简介李超群,女,1978年生,硕士研究生,主要从事水文及水 资源方面的研究。 收稿日期2003 - 11 - 10 1 引言 在排土场的稳定性评价中,地下水是必须考 虑的重要因素。要定量地评价它在排土工程中的 作用和影响,首要任务是弄清内排土场形成后地 下水的分布。然而,由于人力和物力的限制,在大 多数情况下,我们只能得到有限的地下水位观测 资料,因此,用数值方法模拟地下水的分布就成为 一种较好的替代手段。 美国国防部的地下水模拟软件G MSGround2 water Modeling System是进行数据模拟的一个很好 的图形用户环境。G MS提供了用于进行位置特 性描述、 模型概念化、 二维和三维有限差分、 网格 及栅格生成、 二维和三维统计先进的图形视算化 工具,G MS支持多种模型,并提供与FEMWATER、 MODFLOW和MT3D等软件的完整接口。G MS可 作为MODFLOW的前处理器和后处理器,即由 G MS产生的数据输入到MODFLOW中处理,在 MODFLOW中生成的数据再输入到G MS中进行处 理。本文尝试将G MS中的MODFLOW模型中的 模型概念化方法应用于姑山铁矿东南区内排土场 地下水渗流模拟。 2 应用GMS中MODFLOW概念模型方 法求解的一般过程 211 利用GMS中的GIS工具架构概念模型 建立概念模型,首先导入利用世界坐标表示 的研究区数字图像作为背景图,在背景图上应用 G MS的地图控制模块Map提供的GIS工具来确定 研究区的位置、 模型边界、 地层相关的参数及其它 模拟相关的数据。一个完整的概念模型包括几个 覆盖层,一层用于定义河流、 井之类的源汇项,一 层用于定义补给区域,其他的层则用于定义各地 层的渗透系数对应的区域。 概念模型中还可以包括GIS数据,如用于定 62 勘 察 科 学 技 术 2004年第2期 义地层标高的一系列散点数据。G MS提供插值 等特殊的工具,来操作这些地层标高数据。在模 型平面离散化的过程中,在有井点或是集中抽水 及排水的地方可以自定义或是自动生成细分网 格。自定义生成细分网格,通过规定剖分网格的 最大单元值和基本单元值来完成。自动生成细分 网格,则是通过选择需要细分的区域,在预定的剖 分单元数目下自动完成。 212 排土场渗透系数的确定 一般地,在排土场中计算地下水位分布所涉 及的主要参数是排土场各层的渗透系数水平方 向的Kh及垂直方向的Kv和降水入渗补给系数。 渗透系数的测定一般采用室内实验,根据排 土场散体块度分布研究结果进行散体试样的制 备,使粒级分布尽量模拟不同的现场散体结构。 根据渗透实验结果,计算时对不同的排土场部位 选用相适应的渗透系数值。 213 计算水头分布 对MODFLOW数据进行初始化。MODFLOW 默认的模拟状态为稳定流,若是进行非稳定流模 拟,则要对基本子程序包和计算单元间渗流子程 序包进行定义。接着把应用GIS工具建立的概念 模型转化为MODFLOW数值模型,再对各层标高 和初始水头数据进行插值,建立离散化的三维模 型,并进行模型检验。MODFLOW数值模型中采 用的有限差分计算方法一般情况下选择格点中心 法。在格点中心法中,含水层在平面上由两组正 交的平行线剖为一系列单元,这些平行线构成计 算单元的边界。 运行MODFLOW数值模型,进行三维稳定流 计算,得出水头分布。 3 应用实例 姑山铁矿地处长江中下游平原的芜湖盆地北 部,青山河乃本区主要水系,由南向北跨越东部主 矿体上盘。河堤系粘性土堤,下覆第四系洪积冲 积层。矿山露天采矿,现已成为一直径约1000m , 最低高程为- 88m的矿坑,其年生产能力为100 万吨。采场东南区实施内排,意味着事实上的局 部闭坑。东南区内排土场包括该区- 82～10m 分为十二个台阶的露天采坑。最高堆置标高 44m ,台阶高度与强采区各分层实际形成的台阶 高度及地表东南排土场各分层实际堆高一致,分 别为10～12m。排土场总容积1981610 4m3 ,内 排土场最高标高堆至10m。 311 模型的边界大小、 平面离散及水文地质边界 条件 计算模型的大小在平面上必须覆盖整个排土 场区域,垂向上取到基岩的一定深度。东部边界 的防渗墙部分,视为隔水边界;东南边界受青山河 水的影响,为定水头边界;排土场坡脚可作为下游 排泄点,为定水头边界;其余都为变水头边界。集 中排水的地方作为出水点处理。模型的水文地质 条件见图1。 图1 模型的水文地质条件 平面离散,在集中排水的两个出水点的地方 进行细分,选择自定义剖分的方式,本模型以5m 5m为基本单元大小,最大单元不超过20m 20m ,剖分为1677个网格,其中有效单元格为1252 个参与计算的为有效单元。见图2。 图2 模型有效的平面网格剖分 312 排土场渗流场计算的参数取值 研究分析的材料涉及排土场散体和地基岩层, 根据现场情况,将排土场散体物料各层分别近似为 722004年第2期 勘 察 科 学 技 术 等效均质介质。排土场散体物料渗透试验结果见 表1。 表1 排土场散体物料的渗透系数 土料 粒径级配Π 55～10 10～2020～4040～60 渗透系数 Π m d - 1 细料5130757211 中料29121427182514 粗料0316384345814 注粒径单位为mm 计算时根据不同的排土场部位选取相近的渗 透系数值。 313 MODFLOW模型计算的地下水位分布及模 拟结果 由于计算的模型是三维的,垂向上按照排土 场的渗透性的差异,可分为3层,须事先确定每一 层的顶面高程和底面高程,可结合剖面图和平面 图读取成G MS所规定格式的文件,导入模型并利 用G MS所提供的插值工具插值得到三维模型。 垂向上离散时,按模拟区域的高度默认等分剖为 3层。 初始水头的确定是利用钻孔中地下水位的资 料,通过模型插值得到的。利用G MS提供的便捷 工具对插值后的数据进行校正。运行模型,并进 行自动检验。 模型模拟的地下水位分布见图3。 通过比较模拟区域的地下水位与地形,发现 在远离防渗墙的地方,它们之间具有较大相似性, 随地形的起伏而相应的变化,但地下水位变化的 幅度小于地形,这符合自然界中地下水的分布规 律;但在防渗墙附近,地下水位发生较大的变化, 在其外侧,地下水等水头线较密集,在其内侧,地 下水等水头线较稀,这是防渗墙在起作用。这些 都从侧面说明模拟的结果是符合实际情况的,模 拟结果可作为排土场稳定性评价和后期研究的重 要依据。 图3 模型模拟的地下水位分布 4 结 论 由于G MS的丰富内涵和灵活的模块式结构, 既真实反映客观规律,又合理简化计算工作,过程 简单,可视性好,具有很强的实用性。特别是利用 G MS中MODFLOW的模型概念化方法,比传统的 利用MODFLOW的网格方法更为简便。通过在姑 山铁矿东南区排土场地下水渗流场的成功应用, G MS可以较好地模拟排土场地下水位的分布,为 排土场稳定性研究提供了依据。由于工程实际所 用的手段和地下水试验方面的资料不够完备,本 文只能作一些简化处理。这方面的不足只有在今 后的应用中去进一步补充。 参考文献 1 丁继红,周德亮,马生忠 1 国外地下水模拟软件的发展 现状与趋势.勘察科学技术,2002 ,1 37～42 2 周玉新.排土场渗流及其有限元分析.金属矿山, 1996 ,1 12～15 82 勘 察 科 学 技 术 2004年第2期