南水北调前后北京平原区地下水和地面沉降演变特征

超量开采地下水引发的地面沉降已成为制约北京区域社会经济可持续发展的重要因素之一。2014年12月,南水北调中线工程正式通水,每年向北京输水超过10×108 m3,改变了北京供水格局,也为地下水压采、涵养及控制地面沉降创造了条件。本文利用多种监测数据,分析南水进京前后,北京平原区地下水和地面沉降的变化;研究不同水位变化模式下不同岩性及深度土层的变形特征;计算土层不同变形阶段的弹性和非弹性储水率;并对黏性土层产生较大残余变形和滞后变形的原因进行了探讨。结果表明：① 2015～2020年,平原区大部分地区第一至第四含水层组地下水位逐渐上升,地面沉降呈减缓的趋势。② 第二和第三压缩层组是沉降主要贡献层,除平各庄和榆垡站外,其余各站第三压缩层组沉降占比逐渐增大,沉降主控层有向深部转移的规律。③ 平原区北部和东部,第二和第三压缩层组对应的地下水位由降转升。在水位下降阶段,土层呈塑性和蠕变变形;水位上升阶段,土层以塑性变形为主,部分时间出现弹性变形,具有黏弹塑性。平原区南部,地下水位始终持续下降,土层变形始终呈塑性和蠕变变形。含水砂层则主要呈弹性变形。④ 土层变形的不同阶段,弹性和非弹性储水率并不是恒定的,随着地下水位下降,储水率呈减小的趋势。⑤ 黏性土层存在较大残余变形和变形滞后的原因,一是非弹性储水率大于弹性储水率,二是黏性土层的弱渗透性。     

北京平原区现阶段主要沉降层位与土层变形特征

超量开采地下水引发的地面沉降已成为北京平原区最主要的地质灾害之一.精准识别现阶段地面沉降主要贡献层位,查明不同水位变化模式下土层变形特征,对实现地面沉降精准防控,建立合适的地下水-地面沉降模型具有重要意义.本文根据北京市7个地面沉降监测站内分层标和水位近十几年观测资料,对不同深度土层沉降变化特征和主要沉降层位进行了精准...     

地下水位变化模式下含水砂层变形特征及上海地面沉降特征分析

土体变形特征与其经历的应力状态有关。由于抽灌水位置和水量的变化,同一土层中不同时期的地下水位可以呈现不同的变化模式,土层表现出不同的变形特征。论文根据上海1400多个水位孔近40a的水位观测资料和各土层的变形资料,从土层变形角度将地下水位的变化方式划分为5种模式。分析了每种地下水位变化模式下土层的变形特征,并进一步分析了上海地面沉降在时间和空间上的特征。分析结果表明:地下水位的变化模式对上海土层的变形有显著影响。同一土层在不同的水位变化模式下可表现为弹性、弹塑性或粘弹塑性的变形特征;地面沉降与地下水开采量、地下水开采层次与主要沉降层具有密切的关系,开采地下水是上海地面沉降的主要原因;与现阶段含水层的水位变化模式相联系,第四承压含水层是上海最近几年来地面沉降的主要沉降层。     

冲洪积平原地面沉降特征及主控因素——以北京平原为例

北京由于长期过量开采地下水,相继引发了一系列地质环境问题,其中地面沉降问题尤为突出。回顾了北京地面沉降发展历史,从平面和垂向上分析了地面沉降特征,在此基础上对北京冲洪积平原区沉降的主控因素进行了研究。结果表明:(1)平面上,沉降分为南、北2个大区,7个沉降中心。北区已由多个单独沉降中心区扩展成一个大区域,南区北扩明显;(2)垂向上,南区第一压缩层为沉降主贡献层,沉降占比42%,浅部地层沉降速率减小,深部地层沉降速率增加。土体变形特征为塑性变形,包含蠕变变形;北区第二压缩层为沉降主贡献层,沉降占比65%,浅部沉降量值很小且波动平缓,深部沉降量相对较大。土体变形特征为浅部以弹性变形为主,深部以塑性变形为主,包含蠕变变形;(3)沉降受构造作用及基底格架控制,北东方向受冲洪积扇上部单一砂卵砾石的地层条件控制扩展范围有限,沉降整体向北西、南东方向扩张;(4)地层结构决定沉降平面和垂向分布特征,尤其北部冲洪积与南部湖相沉积的差异,是产生深浅部地层沉降贡献率不同的重要因素;(5)地下水开采仍是沉降产生的主因,地下水漏斗的扩展和沉降中心的分布高度吻合,主要沉降层地下水位下降速率与沉降速率成正比。     

北京温榆河冲洪积扇地面沉降特征及机理研究

北京区域地面沉降呈快速发展趋势,局部最大形变速率超过13cm/a,严重威胁城市安全。掌握地下水开采条件下的分层地面沉降特征,是定量揭示地面沉降机理和缓解沉降灾害的前提。以北京最大的地面沉降区温榆河冲洪积扇地区的八仙庄沉降区为研究对象,分析了该地区地下水开采、地下水位动态特征与分层压缩量的关系,基于分层沉降数据得出该地区土体释水形变以浅部地层、深部地层的弹性形变以及中深部地层的弹塑性形变为主,并从地层条件、固结历史和物理力学性质方面对压缩特性的影响因素进行了分析,得出以地面沉降为约束条件的地下水开采主要调控层分布。     

华北平原典型地段地面沉降演化特征与机理研究

华北平原是世界上最大的地下水系统之一,地面沉降问题突出。由于沉积环境变化多样、地质条件差异性显著和人类开采活动强烈,使得该地区地面沉降成因机理复杂。本文采用卫星对地观测技术与传统手段相结合,监测地面沉降灾变过程,分析华北平原地面沉降发展历史和现状。结合应力-应变图解法及土工实验研究地面沉降差异性特征及滞后变形成因机理。取得了以下关键认识:(1)华北平原地面沉降空间分布差异性明显,沉降主要分布在平原区第四纪沉积凹陷,呈现东西分带、南北分段特点。地面沉降空间发展部分受到北东向和北西向构造控制。在沧县隆起区,地面沉降也比较发育,主要原因是沧县隆起在第四纪时期构造运动相对不活跃,沉积了较厚的第四系;存在与构造走向一致的3期古河道,该地区赋存丰富的地下水资源并被大量开采。(2)地面沉降发生发展与地下水开采历史密切相关,沉降主要压缩贡献层随地下水开采层位变化而变化。北京平原100 m以深地层对地面沉降贡献呈增加趋势。天津平原目前地面沉降的主要贡献层来自300 m以下地层。(3)气候干旱导致地下水补给量减少,同时增加了地下水的开采,因而是引起地面沉降的重要间接驱动因素。高层建筑荷载、基坑降排水、地热开采对地面沉降的影响应引起足够重视。(4)地面沉降具有很强的滞后性,最大滞后时间可达25年。除了渗透固结成因以外,土体蠕变是另外一个重要原因。更新世地层在不同荷载下,蠕变特征明显。沧县隆起晚更新世地层次固结可达到总变形28.3%。(5)土的物理性质、地下水位变化模式对土层变形特征具有重要影响。不同埋深地层在地下水位变化条件下的变形特征存在较大的差异(弹性、黏弹性、黏弹塑性)。浅部含水组呈现以弹性为主的变形特征。     

基于DFOS的排灌水条件下土体变形响应模型试验研究

黏土层和砂土层交替变化的多层土体在强烈开采地下水作用下极易产生压密固结而引发地面沉降灾害。本文针对含水层释水引起地面沉降问题,研制了地面沉降试验装置,进行了排灌水条件下含水层系统的沉降及回弹试验。采用分布式光纤感测技术对土体内部应变分布及含水率变化进行耦合监测,并分析了各分层对水位变化的响应特征。结果表明:黏土层和砂土层均表现出了排水压缩和灌水回弹特点,黏土层变形较砂土层明显。各层变形与含水率变化具有良好的对应关系,表现为砂土层变形和含水率变化基本同步,而黏土层变形略微滞后于含水率变化。黏性土压缩曲线具有明显的分段特征,排水时当含水率低于液限后迅速减小,黏土层压缩速率明显加快;回灌时当含水率高于液限后,回弹速率明显加快。试验结果对研究地面沉降机理、评价地面沉降潜力及地下水利用具有重要意义。     

苏锡常地区孔隙Ⅱ承压水开采条件与水、土应力平衡探讨

基于水、土应力平衡观点，获得了对Ⅱ承压水过量开采发生地面沉降和可开采资源的认识，但平衡条件尚有模糊性，认为承压水一开采就产生水、土应力失衡。其分析研究在含水层弹性释放量上，未分天然状态土体自重压缩和开采至水、土应力失衡互动时含水层压缩弹性释放量，这就导致水、土应力平衡条件认识上的模糊性。通过土体压缩曲线与地面沉降发生曲线变化特征，结合苏州市城市规划区东部郭巷Ⅱ承压水开采过程中水位与地面沉降同步监测资料研究，论述苏锡常地区Ⅱ承压水具高压强，有一个天然动态下水、土应力平衡面，Ⅱ承压水开采其顶板以上土体不同厚度区，按天然状态水、土应力平衡面以上水压力控制开采，不会发生地面沉降。这一问题的深化有助于地面沉降机理研究和承压水可开采资源评价及开采利用条件的认识，为超采区划定和沿江及高水位地区由封井转入按水、土应力平衡开采提供了理论依据。     

上海地面沉降管控分区沉降特征及地下水采灌对比研究

上海自1921年发现地面沉降,至今已经100年历史。上海采取压缩地下水开采和进行地下水人工回灌等措施,使地面沉降得到有效控制。尤其21世纪上海市进入微量沉降阶段。地面沉降速度显著减小,地面沉降防治进入分区管控的新阶段。本文从上海市防治分区角度出发,对2001～2017年间上海地面沉降变化特征及其与地下水采灌关系进行分析研究。结果表明上海地面沉降量总体呈减小趋势,地面沉降防治效果显著。地面沉降量变化趋势与深部土体变形量变化趋势大抵相同,2001～2008年间各防治区地面沉降量大幅减小,2009～2017年间减小速率较平缓。2001～2008年间,重点防治区地面沉降量相比次重点及一般防治区年均沉降量差值约10mm,2009～2017年间差值减至约3mm,重点防治区地面沉降防治效果相对更明显。重点防治区在2001～2017年间地面沉降虽然减缓但持续发展,而次重点和一般防治区则在2009年后由地面沉降转变为地面回弹。各防治区深部土体在2009年左右开始回弹,浅部土体年压缩量变化不大且几乎不回弹或微量回弹。2001～2017年间上海各防治区地面沉降量及深部土体变形量变化趋势与净抽水量变化整体响应良好,压缩开采、增大回灌能有效防治地面沉降灾害。2009年后深部含水层开始回弹,之后随着净抽水量继续减小回弹变化缓慢;除一般防治区外其它防治区回弹量在3mm内轻微波动。人工回灌对于增大深部土体回弹的效果不明显。     

北京东部地区地面沉降发育特征分析

结合区域地质背景条件,利用水准测量、分层标地层变形、地下水位动态等监测数据,对北京东部地区地面沉降的发育特征与发展变化规律进行了分析研究。该区域的地面沉降与地下水开采具有显著相关性,深部地层仍是沉降的主要贡献层位;沉降中心地下水具有明显的分层变化规律,深层承压水明显的水位降落漏斗,直接导致深部地层沉降压缩最为显著;地面沉降的区域分布、沉降速率变化与地下水降落漏斗具有一定的时空相关性;南水北调的稳定供水,有效缓解了北京地面沉降快速发展的趋势。     

北京地面沉降机理研究初探

本文对北京市平原区含水岩组和压缩层进行了划分。通过天竺地区两个不同深度土层压缩固结试验,及地面沉降站分层标和地下水位2005年具体监测数据分析,得出了相关结论。     

基于时序InSAR和GPS技术的北京平原区地表三维形变场特征

文中采用InSAR与GPS技术相结合,获取了北京平原区时序地表三维形变场信息,分析了其分布特征与演化规律.研究表明:(1)北京平原区在抽水引发的第四系附加应力场作用下,地表呈现出显著的三维变形特征,以垂向变形为主,并辅以水平向位移.(2)平原区地面沉降主要集中在东部、北部和南部等地,存在多个沉降中心,总体呈减缓的趋势....     

地层形变与地下水位分层监测数据的交叉小波分析

地面沉降通常由于地下水的超采而引发,其发生发展相对于地下水位的变化具有一定滞后性。如何获取准确的地面沉降滞后时间一直是地面沉降研究的重要课题。基于北京平各庄地面沉降监测站2008—2018年地面沉降和地下水位长时间序列的分层监测数据,采用Mann-Kendall趋势检验、连续小波变换、交叉小波变换等方法,分析了不同层位地层形变对地下水位动态的滞后特征。结果表明:中–深层承压水具有1 a左右的主震荡周期,潜水和浅部承压水在大部分时域无显著周期;深部严重沉降层的形变量具有1 a左右的主震荡周期,地下水位与形变量共振周期显著,地层由浅到深形变时滞分别为(16.58±8.91)、(7.16±7.09)和(9.66±6.62) d;浅部弱沉降层中,埋深在32~63 m地层形变量具有1 a左右的主震荡周期,与中层承压水存在显著共振周期,形变时滞为(32.02±9.67) d,其他地层形变量与地下水位无显著周期及相关性。研究成果为构建地面沉降精细化模型、提高地面沉降预测精度以及研究更有效的地面沉降防控措施提供了新的技术思路。      

北京平原区地面沉降分布特征及影响因素

地面沉降是北京平原区主要地质灾害之一。文中采用永久散射体差分干涉测量(PS-InSAR)技术获取平原区地面沉降空间分布特征,基于GIS空间分析平台,将多种地面沉降影响因素分别与PS-InSAR获取的地面沉降场形变信息进行耦合研究,查明地面沉降与多种影响因素之间的响应关系。研究发现:(1)北京市地面沉降发育较为严重的地区主要出现在平原区东部、北部以及南部等地,存在多个沉降中心,最大沉降速率达到152mm/a,区域不均匀沉降现象明显,并且有连成一片的趋势。(2)地面沉降分布具有明显的构造控制特性,沉降区多位于几大活动断裂交接部位的沉积凹陷地区,与第四纪沉积凹陷十分吻合。地面沉降的发展趋势与活动断裂的走向具有明显的对应关系,在有活动断裂通过的区域,地面沉降剖面线上表现出明显的转折或突变,断裂两侧区域不均匀沉降十分明显。(3)地面沉降分层沉降量与对应层位上黏性土占比呈正比例关系,其空间分布特征及变化趋势与平原区的地层结构及可压缩黏性土层厚度具有很好的一致性,沉降范围整体由北西向的单一结构区向南东方向的多层结构区扩张。沉降速率大于50 mm/a的沉降区大多分布在黏性土层厚度大于100 m的地区,几大沉降中心与黏性土层厚度较大地区吻合较好。(4)第二承压含水层(顶底板埋深100~180 m)地下水开采对地面沉降影响最大,沉降中心与该层位地下水位降落漏斗区高度吻合,是地面沉降的主要贡献层位。     

开采沉陷土体变形与孔隙水压相互作用研究进展

本文通过实验、实测和理论分析研究了开采沉陷土体变形与孔隙水压力之间的相互作用,结果表明,随着开采的进行,土体的应力变形发生变化造成了超静孔隙水压力的产生和消散,反映在土体变形上出现随开采时间延续而发展的附加压缩和膨胀变形,这种压缩或膨胀在土体的不同部位相互叠加,有时还叠加了底部含水层水位下降引起的地面下沉。这些结果揭示了厚松散含水层地区开采沉陷特殊性的机理,对开采沉陷预测及水体下采煤具有重要意义。     

Influence of South to North Water Transfer on groundwater dynamic change in Beijing plain

Beijing is a city of severe water shortage. The groundwater plays a key role in the water supply. However, the groundwater level has been gradually descending due to extensive pumping in consecutive drought years. How to satisfy the water demand and recover the groundwater level is an urgent work. With the implementation of the South to North Water Transfer Project, an opportunity has been provided for restoration of groundwater under over exploitation. On the basis of hydrogeology conditions of the Beijing plain, as well as the high-performance parallel computing platforms, a groundwater flow numerical model was established. And dynamic monitoring data of groundwater levels were used to calibrate the numerical model. The calculation results fit well with the measured data in the calibrated model. Therefore, the calibrated model can be used to predict the dynamic change of groundwater levels in the Beijing plain. The results show that several obvious depression cones of groundwater have been formed because of the rapid decline of groundwater levels in the Beijing plain in recent years. After the implementation of the South to North Water Transfer project and due to the restrictions on groundwater exploitation, the area of cone of depression will be reduced to different degrees, the central water level of depression cone will increase, and some cones of depression around wellhead will disappear. It is a benefit to relieve water shortage and control the development of land subsidence and the deterioration of the ecological environment.     

淮南采煤沉陷区积水来源的氢氧稳定同位素证据

淮南是我国东部重要的能源基地,由于长期地下采煤,地表形成大面积的采煤沉陷区并积水,造成严重地质灾害。针对于此,部分学者提出利用采煤沉陷区建立"平原水库"解决周边地区干旱年份农田缺水问题的设想。然而,一方面,由于煤层上覆几百米厚的新生代沉积,采煤塌陷形成的沉陷裂隙是否沟通了不同含水层之间的水力联系,并因此改变了这个地区的地下水系统,成为区域水资源评价需要了解的一个重要科学问题;另一方面,建立"平原水库"需要有稳定的补给水源,采煤形成的沉陷裂隙如果沟通了地下不同深度含水层的水力联系,是否使地下水成为塌陷区除降雨外的重要补给来源,这就成为评价"平原水库"水资源潜力的重要参考依据。氢氧稳定同位素是示踪天然水体水来源的重要手段,笔者在淮南矿区采集了旱季和雨季的浅层地下水、河水、雨水、沉陷区的积水等不同水体的水样23件,分析了其氢氧稳定同位素组成并与深层地下水进行对比。结果表明:雨季和旱季,该地区采煤沉陷区积水的氢氧稳定同位素组成都非常接近大气降水的氢氧稳定同位素组成,而与深层地下水的氢氧稳定同位素组成相差较大,说明采煤沉陷区的积水来源主要是大气降水补给。采煤沉陷区的沉陷裂隙贯穿了整个新生代地层,使地表水发生下渗与在深部与深层地下水发生不同程度的混合,而深层地下水尚不是"平原水库"的稳定补给源。