基于长序列观测的地面沉降防控水位识别及其指示意义

2014年南水进京后北京逐步开展地下水回补工作,区域地面沉降逐年缓减,部分地区开始出现回弹。面对北京地区地面沉降开始出现的新变化,科学合理地开展地面沉降防控,精准识别地面沉降防控水位,判别其指示意义显得尤为重要。以天竺地面沉降监测站分层水位与沉降长序列观测资料揭示地面沉降防控临界点与控沉水位,利用交叉小波变换和皮尔逊相关分析等方法,定量研究不同时间段水位变幅与土体周期变化。结果表明：(1)研究区第二、第三和第四含水层控沉水位分别为-14.30 m、-17.31 m和-10.12 m,水位变幅达1.73 m、3.07 m和5.03 m;(2)分层水位与土层形变共振关系周期结果和皮尔逊相关系数验证了地面沉降临界水位时间节点为2019年6月和7月以及2020年10月;(3)区域上结合临界水位变幅时间节点和水位变幅等参数,计算出区域分层储变量为97.11×10⁴ m³、96.57×10⁴ m³和92.95×10⁴ m³。研究结果可为北京乃至全国地面沉降防控和地下水...     

海河流域典型区地下水回补适宜性评价

大清河流域是海河流域地下水超采最为突出的地区,为了解决地下水超采问题,本研究开展了流域内山区-平原一体化地下水回补适宜性评价。选取地下水位埋深、渗透系数、距离南水北调中线干渠距离、距离水库距离、降水入渗系数、有效储水空间、坡度和地表高程构建GIS-AHP决策模型得到研究区回补适宜性分区图,并使用数值模拟评估回补效果。研究表明：回补适宜区主要分布在拒马河、青龙河、唐河、磁河的近山前河段,占总评价区域的4.5%;同时,根据回补适宜评价结果对河道分段精细化补水,能大大减缓地下水储变量下降速度,回补最佳。因此,基于GIS与数值模拟结合的流域地下水回补适宜评价,有助于大幅提高区内水资源利用效率,提供最优超采治理方案。     

长江三角洲南部地面沉降与地裂缝

过量开采地下水导致长江三角洲南部产生严重的地面沉降和地裂缝,造成巨大的经济损失。地面沉降和地裂缝的发生和发展在时空上与地下水开采具有密切联系,在地下水开采高峰期,地面沉降速率明显增加,在地下水位稳定期和回升期,地面沉降速率显著减小,甚至出现少量回弹。平面上,地面沉降分布形态与主采层地下水位分布形态具有很强的关联性;垂向上,地面沉降分布形态与沉降层、主采层及土层的厚度、压缩性等有关,弱透水层和含水层都可能成为主要沉降层。开采地下水条件下土层的变形与其经历的地下水位变化过程有关,不仅弱透水层存在塑性和粘塑性变形,在一定水位变化条件下含水砂层也存在塑性和粘塑性变形。地面沉降是地表下所有受影响土层的变形之和,为了控制地面沉降和地裂缝的发展,应限制地下水的开采量,尤其是避免出现地下水位低于土层历史上曾经达到的最低水位。     

地面沉降对高速铁路的影响分析

北京平原区快速发展的地面沉降对高速铁路的发展构成了威胁,地面沉降与过量开采地下水造成的水位下降关系密切,为此有针对性地开展基于高速铁路的地下水动态与地面沉降相关关系研究对于高铁安全运行意义重大,特别是对于制定高铁沿线地下水开采方案、地面沉降减缓措施和工程措施至关重要。基于其对高速铁路的影响模式,本文将地面沉降分为区域沉降和局部沉降两种类型。针对区域沉降,利用Logistic方程,使用天竺、望京及王四营分层地面沉降和地下水位数据,构建了不同层位地下水水位变化与地面沉降之间的相关关系模型,通过ABAQUS计算局部地区,对于6m高路堤和15m CFG桩处理深度的地基而言,当渗透系数k=2m／d,距离线路边缘25m处浅层地下水下降10m将产生约61—85mm的沉降。     

上海市地下水位大幅抬升条件下土层变形特征分析

过去对地下水位持续下降条件的地面沉降研究较多,但对水位大幅持续抬升过程中的地面沉降研究较少。本文根据 上海大量地面沉降、水位观测和钻孔资料,系统分析上海市90年代末以来地下水位大幅抬升条件下各土层的变形特征。自 1998年以来,上海市通过大幅压缩开采量、回灌地下水等措施使第二、三、四和五承压含水层水位分别平均抬升2.1 m, 3.6 m, 12.4 m, 12.7 m。水位的抬升使上海市地面沉降平均速率由1998年的12.2 mm/a减小到2011年的1.83 mm/a,减少85%。 通过对27组分层标数据分析发现：现阶段主要压缩层位在第一、二软土层,年沉降速率为2~4 mm/a;而第二含水层以下土 层已经有少量回弹。在水位持续大幅抬升过程中,本文总结了两种变形特征：1） 变形和水位变化基本同步,残余变形量非 常小,变形可概化为线弹性变形,这种变形主要发生在第一、二、三和五承压含水层、第五和六弱透水层;2） 压缩速率逐 渐减小,无明显持续回弹趋势,有较大残余压缩量且存在变形滞后现象,变形可概化为弹塑性变形,这种变形主要发生在 地第二、三和四弱透水层。第四承压含水层变形较复杂,两种变形特征都有。其中较大残余变形量主要由塑性贮水率比弹 性贮水率大2个数量级引起;变形滞后主要由弱透水层中超孔隙水压力消散较慢引起。本文研究成果对于掌握水位抬升过 程中土层变形方式、发生发展机理、预测未来地面沉降及地下水科学管理和资源评价具有重要意义。     

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。     

上海地下水流场变化及其对地面沉降发展的影响

地下水开采导致的水位下降是含水层系统流场变化的关键,也是地面沉降形成与发展的重要因素。上海目前深部含水层开采日趋集中水位持续降低,浅部含水层大规模工程降：水以及邻省地下水开采等,使地下水渗流场出现新的变化,并对地面沉降控制造成不利影响。切实加强地下水管理,严格控制地下水位,是深化地面沉降有效防治的重要环节。     

桂林会仙岩溶湿地水位动态特征及水文生态效应

会仙湿地是我国最大的岩溶湿地,具有重要的生态环境功能。近年来湿地面积萎缩、退化趋势显著,生态环境逐步恶化。从湿地水文过程的角度,基于野外定点监测数据,运用统计学方法研究了会仙湿地年季水位分布特征及其对降水的响应过程,分析了湿地内地下水与地表水的转换关系,并进一步讨论了湿地水位波动对生态环境的影响。结果表明:会仙湿地地表、地下水位存在显著的空间差异性,两者均对降水响应迅速,多峰多谷特征显著。湿地中部地表水位较边缘区稳定,各区地表水域相互贯通;地下水位变化受地势、降水、岩溶发育及第四系厚度等因素影响,表现出与地表水相似的变化特征,但其水位变幅自补给到排泄区逐渐降低。区内地表、地下水转换频繁、水力联系紧密,湿地地下水常年以一稳定强度补给地表水,是会仙湿地重要的补给水源。Pearson相关性分析表明,湿地地表水位与水体电导率呈显著负相关（R=-0.780 8）,水位下降期间水体营养盐浓度增高,可能诱发水体富营养化;而湿地地下水位与浅层土壤含水量的相关性不显著,对湿地生境的扰动较小。      

广州金沙洲岩溶区地下水位变化与地面塌陷及地面沉降关系探讨

金沙洲可溶性灰岩分布面积广,岩溶洞隙发育,洞隙及地下水的连通性强,上覆第四系松散土体中软土广泛分布,客观存在岩溶地面塌陷及地面沉降的地质环境条件。2007年4月起,受某高铁隧道施工抽排地下水的影响,金沙洲地下水出现异常波动,引发了地面塌陷及地面沉降。文章根据监测数据,经对比分析结果表明,区内岩溶地面塌陷及地面沉降受控于地下水位的变化,地下水位波动至基岩面附近时,是地面塌陷较活跃的时期,地面沉降与地下水位变化呈正向相关。文章进一步对地面沉降与地下水位变化关系的机理进行了探讨,认为目前地下水位尚未恢复正常的区域仍存在地面塌陷及地面沉降的隐患。     

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。     

天津市汉沽区深层地下水演变研究

根据天津市汉沽区地下水历史资料,分析区域地下水开采量、水位埋深、地面沉降变化及它们之间的联系等。发现汉沽区地下水处于长期超采状态,地下水位也呈逐年下降趋势,地面不断下沉,地下水的过量开采是引起地面沉降和水位持续下降的主要原因。通过建立汉沽区地下水流-地面沉降模型,设定三个水平年地下水开采方案,预测未来地下水位埋深及地面沉降变化。预测表明,随着地下水开采量的消减,地下水位逐步上升,地面下沉趋势可得到遏制。     

黄土灌溉区域地面沉降InSAR监测结果分析

合成孔径雷达是近年发展起来的一种空间对地观测技术,目前已被广泛应用于获取地表信息及地表形变。地面沉降形变缓慢且影响范围大,已成为国内外城市主要地质灾害。研究区域位于泾河南岸下游,距陕西省西安市约50km。通过选取覆盖泾阳南塬黄土灌溉区的11景X波段Terra SAR数据,采用短基线集技术(SBAS-InSAR技术)进行地面沉降监测。结果表明泾阳南塬灌溉区具有两个地面沉降区域,其在121天内沿剖线累计形变分别达到了6.4cm和2.7cm。经对地面沉降区域相关的水井分布情况的实地调查,分析了形变中心形变速率和附近水井地下水水位高程资料,发现地面沉降由灌溉引起合成孔径雷达是近年发展起来的一种空间对地观测技术,目前已被广泛应用于获取地表信息及地表形变。地面沉降形变缓慢且影响范围大,已成为国内外城市主要地质灾害。研究区域位于泾河南岸下游,距陕西省西安市约50km。通过选取覆盖泾阳南塬黄土灌溉区的11景X波段Terra SAR数据,采用短基线集技术(SBAS-InSAR技术)进行地面沉降监测。结果表明泾阳南塬灌溉区具有两个地面沉降区域,其在121天内沿剖线累计形变分别达到了6.4cm和2.7cm。经对地面沉降区域相关的水井分布情况的实地调查,分析了形变中心形变速率和附近水井地下水水位高程资料,发现地面沉降由灌溉引起。     

北京地区基于不同地面沉降阈值的地下水位控制分析

城市地面沉降是对城市规划建设、经济发展和人民生活构成威胁的地质灾害。为了探究地下水位与地面沉降的关系,本文对北京顺义地区天竺地面沉降监测站多年分层地面沉降及对应含水层组地下水位监测数据进行统计分析,建立了该地区基于累计沉降量与含水层组水位标高、水位变幅及水位波动的多元回归模型,并对所建立的回归方程进行了检验,研究分层地面沉降与地下水位变化的定量关系,并结合《全国地面沉降防治规划(2011—2020)》中北京市的控沉目标,设置该地区不同地面沉降速率控制阈值,计算得到各层位达到控制阈值时所对应的地下水位,为下一步合理调整地下水开采层位,开展地面沉降防控工作提供科学依据。     

地下水渗流与地面沉降耦合模拟

为了准确模拟由地下水开采导致渗流场和应力场发生变化而引起的地面沉降问题,根据Terzaghi有效应力原理,建立了地下水三维渗流与一维垂向固结的地下水渗流与地面沉降耦合数值模拟模型和以比奥固结理论为基础,并结合土体非线性流变理论,将土体本构关系推广到粘弹塑性,同时考虑土体力学参数及水力参数的动态变化关系的地下水渗流与地面沉降三维全耦合数值模拟模型.通过对比分析,结果表明:基于Terzaghi有效应力原理建立的地下水三维渗流与一维垂向固结地下水渗流与地面沉降耦合数值模拟模型模拟所得地面沉降与地下水位呈现出同步变化的趋势,并且当地下水位逐步回升至初始水位时,地面沉降也逐步回升到初始的零沉降状态.而以比奥固结为基础建立的地下水渗流与地面沉降三维全耦合数值模拟模型模拟所得的地面沉降变化趋势滞后于地下水位的变化趋势,并且当地下水位逐步回升至初始水位时,地面沉降虽也逐步得到回升,但回不到初始的零沉降状态,存在一个永久的残余沉降量.在土体参数变化方面,土体的孔隙度、渗透系数及泊松比均呈现先减小后增大的变化趋势,而弹性模量则呈现先增大后减小的变化趋势,与地面沉降的变化相对应.      

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。     

北京地面沉降区土体变形特征

因过量开采地下水而引发的地面沉降问题已成为北京平原区最主要的地质灾害。北京地面沉降监测网络从2002年开始建设,到2008年底已经基本覆盖整个平原区。本文基于地面沉降分层标和地下水位监测资料,从土体变形与水位随时间的变化、土体变形和水位的关系出发,分析了不同岩性、不同深度土体在不同的水位变化模式下的压缩变形特征,最终将土体在水位变化下的变形特征概括为5类。结果表明:现阶段北京地面沉降区浅部土体压缩减缓,中深部土体和深部土体多以较快的速度持续压缩。砂层以弹性变形为主;不同埋深的粘性土体存在弹性变形、塑性变形和蠕变变形,具有显著的粘弹塑性。     

京沪高速铁路沿线地面沉降与地下水位变化关系探讨

文章选择京沪高速铁路沿线的北京、廊坊、天津、沧州、德州等几个沉降中心的监测数据及研究资料,对比分析发现地面沉降发展与地下水位变化密切相关,依此建立了地面沉降与地下水位变化的经验关系,进一步分析预测了华北平原各主要沉降区地面沉降发展趋势。结果表明:北京地区地面沉降变化与水位变化线性相关明显,地面沉降对地下水位变化反应较灵敏,无明显临界水位;廊坊、天津及沧州地区显示指数相关,有较明显的临界水位,沉降过程存在初期缓慢沉降和快速沉降两个阶段;德州市在监测时段内显示二次函数相关,可能存在临界水位,但不如天津至沧州地区明显。各主要沉降区除天津市区地面沉降已经得到有效控制外,随着地下水资源的不断超采,过量消耗深层地下水储量,其它沉降区的地面沉降将持续发展,地面沉降灾害问题也必将日趋严重。     

济宁市地面沉降初步分析

通过分析济宁市地面沉降的特点和区域地质背景,认为济宁地面沉降主要是由于集中超采地下水引起局部地段的沉降。本文着重分析了济宁市地面沉降与地下水开采量、地下水位、水位变幅之间的关系,对该区地面沉降的现象、机理进行了初步探讨,并提出了控制济宁市地面沉降的简要措施。     

以控制地面沉降为约束的地下水资源评价——以上海地区为例

以上海市区第V承压含水层(埋深约350m )以上的整个第四系松散沉积层为研究体,将上海地下水系统作为一个完整且不可分割的系统来研究。由于开采地下水资源引起地下水系统内部物质能量变化,因而产生一系列的环境地质问题(如地面沉降、地下水位下降、资源开采条件恶化等)。根据研究区地下水系统特征和已有的研究程度,在技术方法和途径上,着重研究上海地区第四系含水层结构、水文地质工程地质条件,建立水文地质工程地质概念模型; 在此基础上建立以地下水资源开采量最大、水位降幅及地面沉降较小、社会经济效益较好为目标的地下水拟三维渗流一维地面沉降的评价与管理模型,并为我国大中城市(特别是在诸如开采地下水引起的地面沉降问题的地区)的地下水资源评价与管理提供可借鉴的经验和方法。      

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。