含水层特性对矿山关闭后地下水恢复预测中监测点优化布局与监测时长的影响研究

本研究针对矿山关闭后地下水恢复预测的不确定性难题，通过FEFLOW构建合成地下水模型，结合线性不确定性分析(FOSM)和数据价值分析(DW)，系统评估了含水层水力特性(K)、监测点空间布局及监测时长对预测精度的影响。研究发现恢复期监测半径随水力扩散性呈非线性扩展，提出"近场-远场"动态监测策略，为矿山闭坑后水资源管理提供了量化决策工具。

　　

矿山开采活动往往需要大规模的地下水疏干，当矿坑延伸至地下水位以下时，会形成半径达数公里的降落漏斗。尽管矿山关闭后停止抽水，含水层恢复可能持续数百年，这对闭坑后的土地利用规划和生态系统保护构成重大挑战。当前矿山监测数据多集中于矿坑附近，而远场数据匮乏导致长期恢复预测存在显著不确定性。更复杂的是，断层、岩墙等地质构造或地表水体等水文特征会显著改变恢复动态，但这些因素在传统监测网络设计中常被忽视。

为破解这一难题，研究人员采用FEFLOW 8.0构建了100km×100km的合成地下水模型，模拟沉积含水层中露天矿的预采矿、疏干和闭坑后三个阶段。通过PEST++GLM计算参数敏感性，结合pyEMU库实施线性不确定性分析(FOSM)和数据价值分析(DW)，量化了不同空间位置水力传导系数(K)对预测不确定性的贡献。研究设置基案例（均质含水层）、岩墙案例（西侧15km处低渗透屏障K=10^-8 m/d）和河流案例（西侧15km处定水头边界）三种情景，通过195,390个虚拟观测点数据，系统评估了监测点布局和监测时长对矿坑中心及外围水位预测的影响。

关键技术方法包括：1) 基于有限元软件FEFLOW构建二维非承压含水层模型，采用70,438个三角形单元模拟20口抽水井（5,000 m³/d）的20年疏干和100年恢复过程；2) 设置2,927个导水系数(K)试点和1,503个水位观测点构建监测网络；3) 应用First-Order Second-Moment (FOSM)方法量化参数不确定性向预测空间的传递；4) 通过不确定性方差减少(UVR)指标评估不同监测方案的数据价值。

研究结果揭示：

1. 含水层特性对预测的影响
   基案例显示，矿坑中心水位预测的50%不确定性降低所需调查半径从疏干期末(30年)的1.4km扩展到闭坑后100年(130年)的13.9km。恢复期的半径扩展速度是疏干期的5倍，表明远场水力特性对长期预测至关重要。

2. 监测布局与时长的优化
   矿坑中心预测显示，仅依靠疏干期数据(0年恢复监测)可使不确定性降低66%，而增加10年恢复监测提升至78%，100年监测可达完全确定。值得注意的是，监测价值随距离呈双阶段衰减：5-10km区间价值下降最快，基案例中25km以远监测点对闭坑前数据无贡献。

3. 水文地质特征的调控作用
   岩墙案例中，西侧屏障导致恢复延迟，闭坑100年后残余降深达2.7m(基案例1.9m)，此时东侧监测点价值高于基案例。河流案例则因定水头补给使西侧监测价值显著提升，但使东侧25km以远监测价值归零。

4. 外围预测点的特殊性
   当预测点位于矿坑外围时，岩墙案例显示监测价值集中在矿坑-预测点连线区域，而河流案例则呈现沿补给方向的扇形扩展。北侧预测点受水文特征影响最小，保持径向对称的价值分布。

这项研究创新性地量化了矿山生命周期不同阶段监测数据的边际效益，揭示了"近场主导疏干期，远场关键恢复期"的动态规律。实践意义上，为适应性监测网络设计提供了量化依据：在疏干阶段应加密矿坑周边监测，而闭坑后需逐步向远场扩展，特别要关注已知水文地质边界的联动区域。理论层面，首次明确了恢复期半径调查范围与水力扩散性的时变关系，修正了传统抽水试验半径公式在恢复场景的适用性。

研究也存在若干局限：均质各向同性假设简化了实际含水层异质性，未考虑垂向流和非饱和带过程，且开放矿坑蒸发效应未纳入模型。未来研究可结合Data Space Inversion (DSI)等先进方法处理更复杂地质场景。这些发现为《Journal of Hydrology》关注的"人类活动-水文系统"相互作用研究提供了新范式，特别对澳大利亚Pilbara等干旱区矿山的水资源可持续管理具有直接指导价值。