李淼清，邬 立，李贵仁

(华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050021)

数值法在卡莫亚矿区水源地地下水补给资源量计算中的应用

李淼清，邬 立，李贵仁

(华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050021)

卡莫亚矿区位于刚果(金)东南部的加丹加高原，区域水资源比较匮乏，为解决矿山供水问题，寻找满足矿山正常生产用水的供水水源地，在对矿区水源地水文地质条件综合分析的基础上，分别采用断面法及数值法对供水水源地地下水资源进行评价。重点对数值法进行详细论述，通过对边界条件、含水层及地下水流动状态进行概化，建立水源地的水文地质概念模型，运用Visual MODFLOW数值模拟软件建立地下水数值模拟模型，通过均衡分析计算，最终计算获得区内地下水补给资源量为13 551.89 m3/d。与采用断面法计算的结果13 328.81 m3/d相比较，两种方法计算结果基本吻合，而数值法在计算过程红充分运用了群孔抽水资料进行模型识别，结果相对合理，因此计算结果以数值法为准。

Visual MODFOW；地下水补给资源量；卡莫亚矿区；水均衡分析

卡莫亚矿区位于刚果(金)东南部的加丹加高原，由于水资源比较匮乏，矿区的正常生产活动已受到一定的影响，为彻底解决矿山的供水问题，拟在矿区范围内寻找满足矿山正常生产用水的供水水源地[1]。本文在对水源地的地质、水文地质条件进行综合分析的基础上，采用断面法及数值法对供水水源地的地下水资源进行了评价，计算出水源地的补给资源量，为矿区未来的供水方向提供了依据。数值法采用Visual MODFLOW软件进行三维数值模型的建立，该软件是在整合MODFLOW软件模块的基础上应用可视化技术开发研制，无缝集成了MODFLOW-2000、WinPEST、MT3D、MODPATH等软件[2-4]。

1 研究区概况

卡莫亚铜钴矿区位于刚果(金)加丹加省坎博韦镇，与著名的“坎博韦铜钴矿选厂”相邻，交通较为便利。矿区至利卡西(Likasi)市区距离约25 km，由碎石公路相连；矿区南东方向距离加丹加省省会卢本巴希市(Lubumbashi)约130 km，利卡西市至卢本巴希市有100 km较好的公路。

工作区处于刚果(金)东南部的加丹加高原，海拔标高在1 375～1 560 m之间，地理环境隶属加丹加高原上的低矮丘陵区，山峦起伏不大，总体呈南西高、北东低之势。矿区所在地属热带草原气候，年均气温为27℃，气候温和。按年降雨量分旱、雨两季：5月至9月为旱季，降雨量极少；10月至翌年4月为雨季，大雨乃至暴雨不断。

区内出露的地层主要是第四系(Q)及中元古界加丹加群的孔德龙古组(K)、罗安组(R)，由新到老依次为第四系、孔德龙古组(K)、罗安组(R)。第四系主要为冲洪积及残坡积物，岩性多为粘性土、角砾以及砂砾石等，多分布在地势低洼的沟谷地带、坡麓及平缓的山坡等处，厚度一般0～12 m左右。孔德龙古组(K)地层为区域范围出露的主要地层，在矿区的北侧大面积出露，另外坎博韦推覆体下亦为本组地层，出露的岩性主要为砂砾岩及浅紫红色条带状粉砂岩。罗安组(R)是本区及区域最主要的含矿层位，为一套碎屑岩-泥质岩-碳酸盐岩组合的沉积建造。

矿区内分布着多个含水层，岩性结构差异导致含水层透水性强弱不均一。在垂向上，含水层强弱相间，但由于区内构造发育，岩层破碎，弱含水层也具有一定的透水性，各含水层之间存在水力联系，含水层间水位未发生明显变化，含水层整体为潜水含水层，各含水层构成一个统一的地下含水系统。从矿区整体空间上来看，表现为内强外弱的总体特征，大气降水入渗补给为地下水重要充水来源，内部R2矿山段为地下水储存和运移通道，其中R2.3(CMN)岩溶裂隙含水层、R2.1(RSC、RSF)岩溶裂隙含水层为主要含水层。

2 水文地质概念模型

2.1 计算区域

计算区边界基本与卡莫亚和坎博韦两大矿区边界吻合，具体为西部边界为西南矿体、西矿体外缘，接近西侧分水岭；南部边界为两矿区南侧分水岭；东部边界为坎博韦矿东缘，处于东侧分水岭上；北部边界为两矿罗安组与孔德龙古组地层交界处，地势向东北逐渐降低；整个计算区为区域内一个半封闭的次级水文地质单元。

2.2 含水层概化

区内含水层岩组具有很强的不均一性，垂向和水平向上强弱含水层呈相间分布。区内主要含水层组为罗安组第二亚组下段R2.1、上段R2.3、罗安组第四亚组下段R4.1以及部分构造破碎带Br，岩性主要为白云岩、硅化白云岩；弱含水层主要为罗安组第二亚组中段R2.2、罗安组第一亚组R1、罗安组第四亚组上段R4.2、上孔德龙古组下段Ks1.3及部分构造破碎带，岩性主要为页岩、砂岩、粉砂岩、砾岩、完整的白云岩；各含水层之间存在水力联系，总体为潜水含水层，局部承压。综上所述，将含水层概化为非均质潜水含水层。

2.3 边界条件概化

卡莫亚矿区西部、北部边界为上孔德龙古组弱含水层，概化为弱透水Ⅱ类边界；卡莫亚矿南部和坎博韦矿东部边界恰位于分水岭上，概化为零流量边界；上边界为大气降水补给边界，下边界为上孔德龙古组弱含水层，概化为弱透水Ⅱ类边界。

3 断面法计算地下水补给资源量

3.1 均衡区范围

东界为坎博韦镇东侧地表分水岭附近，南界为矿区南部地表分水岭附近山脊一线，西界为西南矿体西南侧山脊-西矿体山脊-生活营区一线，北界为北矿体北侧边界孔德龙古组地层一线；面积约12.18 km2。

3.2 地下水补给量计算

在现状条件下勘探区内地下水的补给来源有：南侧、东侧为地表分水岭，地下水无侧向补给，北侧、西侧为透水性较弱的孔德龙古组弱含水层，侧向补给量较小，勘探区内地下水的主要补给来源为大气降水的垂向入渗补给。

计算公式：

Q补=Q降+Q东+Q西+Q南+Q北

(1)

式中：Q补为地下水补给资源量(m3/d)；Q降为区内降水垂向补给资源量(m3/d)；Q东为东侧侧向径流补给资源量(m3/d)；Q南为南侧侧向径流补给资源量(m3/d)；Q西为西侧侧向径流补给资源量(m3/d)；Q北为北侧侧向径流补给资源量(m3/d)。由于东侧和南侧均为地表分水岭，无地下水侧向补给资源量，因此

Q东=0，Q南=0。

区内西侧、北侧为孔德龙古组地下水补给边界，根据Darcy公式计算其侧向排泄量，选择矿区东部地下水等水位线图上的1390m地下水位等势线作为计算断面，地下水径流量按下式计算：

(2)

式中：Q径为通过计算断面的天然地下水径流量(m3/d)；Ki为第i 个断面含水层渗透系数(m/d)；Ii为第i个断面地下水平均水力坡度(%)；Mi为第i个断面含水层厚度(m)；Li为第i个断面长度(m)。

由此可计算出，Q北=2 606.67 m3/d，Q西=673.64 m3/d。

勘探区内降水量较大，且区内冲沟较发育，多见罗安组含水层出露地表，溶蚀裂隙发育，有利于降水入渗补给下部含水层，因此其降水补给资源量计算如下：

Q降=A*α*W

(3)

式中：Q降为地下水补给资源量(m3/d)；A为均衡区面积，取值12.18×106m2；α为降水入渗系数，参考刚果(金)其他类似矿区，取值0.25；W为区内日平均降水量，区内年平均降水量为1 197.9 mm，则日平均降水量为0.003 3 m；由此可计算出Q降=10 048.50 m3/d

综上可计算出勘探区地下水补给量为：Q补=13 328.81 m3/d。

4 数值法计算地下水补给资源量

4.1 数学模型

根据前述水文地质条件分析，数学模型为：

(4)

4.2 数值模型

4.2.1 空间离散

采用有限差分法对物理模型进行矩形剖分，模型范围(261250，290750)～(266250，293500)，对地层分界线、抽水孔、观测孔附近进行加密处理，共剖分成78行、158列、25层。共计78×158×25=308 100个单元格[5]。

4.2.2 水文地质参数的选取

通过对研究区地层岩性、地质构造、钻孔岩芯采取率、抽水试验以及地下水水位恢复试验等资料的分析，将模拟区划分为24个水文地质参数分区(表1、图1、图2)。

4.2.3 初始流场

根据群孔抽水试验前的钻孔地下水位观测资料，绘制初始流场。

表1 数值模拟水文地质参数分区表

图1 渗透性和给水度参数分区图(1 336 m高程)

4.2.4 模型识别

利用模型反演求参的方法，对模型的初始流场、水文地质参数初始值和边界条件进行识别，识别的主要依据是将抽水试验阶段各观测孔水位观测数据作为目标函数，进行参数的反演识别。经过反复调整初始参数，通过对各观测孔水位模拟值与地下水流场实际观测值的拟合，获得各区较为合理的水文地质参数，作为地下水天然资源量计算和未来水源地运行预测的基础。经过反复调试，地下水位动态曲线拟合结果较好，令人较为满意。拟合出的较合理的水文地质参数如表2所示，地下水位动态曲线拟合结果见图3、图4。

图2 渗透性和给水度参数分区图(Y=291 905剖面)

图3 西区各孔水位拟合曲线图

图4 东区各孔水位拟合曲线图

ZOneKx[m/d]Ky[m/d]Kz[m/d]Sy1234567891011121314151617181920212223240．0150．0150．00150．10110．10．10550．50．15220．10．15550．50．20110．10．102．52．50．250．10101010．200．010．010．010．053．53．50．350．100．10．10．010．101．51．50．150．100．0010．0010．0070．05220．20．15220．20．15880．80．15110．10．150．50．50．050．050．50．50．050．050．10．10．010．10440．40．10440．40．05110．10．10110．10．05

4.3 地下水补给量计算

在模型中建立均衡区，均衡区范围为模型计算区域，将模型中DCK01、DCK02井抽水量设置为零，计算现有状态下均衡区内地下水补给资源量。经计算，地下水补给资源量为13 551.89 m3/d，天然状态下地下水资源均衡量差为-5 648.11 m3/d，已处于超采状态。均衡区内地下水资源量如表3所示。

表3 水源地天然状态下地下水资源均衡量表 m3/d

5 结语

(1)在水文地质条件分析的基础上，建立矿区水文地质概念模型，模型概化合理，边界清晰，构成了一个相对独立的水文地质单元。单元内主要含水层为R2.3、R2.1和R4岩溶裂隙含水层组，含水层间具有较好的水力联系，地下水运动以水平运动为主。地下水补给以大气降水入渗补给为主，侧向径流补给为辅，地下水排泄主要为人工开采。

(2)地下水资源计算以断面法为基础，以数值法为重点，不同方法的计算结果相互对比、验证，更能客观地反映地下水资源量。按断面法计算，地下水补给资源量为13 328.81 m3/d；按数值法计算，地下水补给资源量为13 551.89 m3/d。两种方法计算结果基本吻合，而数值法在计算过程红充分运用群孔抽水资料进行模型识别，结果相对合理，因此计算结果以数值法为准，水源地地下水补给资源量为13 551.89 m3/d。

[1]华北有色工程勘察院有限公司.刚果(金)加丹加省卡莫亚铜钴矿区供水水文地质勘探报告[R].石家庄:华北有色工程勘察院有限公司.2014.11.

[2]李贵仁，赵珍，陈植华．数值模拟在反演矿区水文地质条件中的应用[J]．水文地质工程地质.2013.40(2)：19-23．

[3]王庆永，贾忠华．Visual MODFLOW及其在地下水模拟中的应用[J]．水资源与水工程学报.2007.18(5)：90-92．

[4]李贵仁，赵珍，陈植华．复杂岩溶矿区疏干条件下的地下水数值模拟—以福建省马坑铁矿为例[J]．中国岩溶.2012.31(4)：382-387．

[5]冯更辰，郝俊杰，谭俊．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.2011.30(3)：271-276．

Application of Numerical Method in Calculating the Amount of Groundwater Recharge Resources at Water Source Area of Mining Area

LI Miao-qing，WU Li，LI Gui-ren

(Huabei Nonferrous Engineering Investigation Institute Co Ltd,Hebei Shijiazhuang 050021)

The Karmo mining area is located in the Katanga Plateau in the southeastern part of the Congo (DRC), and water resources are scarce in this region. In order to solve the problem of water supply, and look for the source area for water supply which can satisfy the normal usage of water, based on the comprehensive analysis of water and geological conditions in this region, the groundwater resources at the water supply area are evaluated by cross-section method and numerical method respectively. This paper focuses on the numerical method, the concept model of hydrogeological geology is established through the generalization of boundary conditions, aquifer and flowing status of groundwater, and then uses Visual MODFLOW numerical simulation software to establish the groundwater numerical simulation model. After the equilibrium analysis and calculation, the amount of groundwater recharge resources in the area is 13 551.89 m3/d. Compared with the results calculated by the cross-section method 13 328.81 m3/ d, the results of the two methods are basically consistent, but numerical method fully uses the hole pumping data for model identification in the calculation process, the result is relatively reasonable, so the results should be from the numerical method.

Visual MODFOW；the amount of groundwater recharge resources; the Karmo mining area; water equilibrium analysis

2017-04-07

李淼清(1978-)，男，湖南平江人，高级工程师，主要从事水文地质方面工作。

P641.4+3

B

1004-1184(2017)04-0036-04