上海市第四承压含水层变形特征研究

上海市自1968年调整开采层次以后,第四承压含水层逐渐成为地下水主要开采层次,历史上曾因过度开采利用地下水而成为主要的压缩土层。本文依据上海市长期的地下水位和地面沉降监测资料,总结了第四承压含水层在不同水位变化条件下的变形特征,同时根据压缩试验资料,对第四承压含水层变形机理探讨,为合理开发利用地下水资源提供理论依据。     

常州地区含水层系统土层压缩变形特征研究

根据近十几年来分层标和含水层水位观测资料分析了常州地区土层压缩变形特征,表明承压含水砂层中的压缩变形不容忽视,且含水砂层的压缩变形与弱透水层的粘土、粉质粘土相似,均表现出明显的变形滞后现象.为此从水位与时间关系、土层变形与时间关系和水位与变形关系出发,结合室内试验方法,通过选取常州地区含水层系统中第一、二、三承压含水层以及二、三承压含水层间弱透水层和第三承压含水层下覆弱透水层的原状土样,采用单轴侧限压缩试验,分析了常州地区砂土和粉质粘土的次固结（蠕变）特性.试验结果表明常州地区不论是粉质粘土还是砂土,均存在一定的次固结变形,从而启示我们该地区地面沉降模拟中应同时考虑含水砂层的蠕变特性.     

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。     

上海市第四承压含水层应力-应变分析

上海市区完善的监测网络系统地记录了在第四承压含水层地下水资源开发过程中，其地下水位变化、土层压缩变形的历史。随着第四承压含水层开采量的增加，总体上地下水位呈不断下降、土层压缩变形逐年增大的趋势，并具有明显的非线性特征。第四承压含水层随地下水位降低、有效应力的增加，经历了弹性→弹塑性→塑性的变形历程，反映出地下水位（应力）状态对含水层的变形速率及相态具明显的制约作用。不同的地下水位（应力）状态下，第四含水层表现出不同的变形相态和应力-应变形迹，由弹塑性进入塑性变形时所对应的年度最低水位是含水层变形的“临界水位”。上海地区第四承压含水层的临界水位约的在-28～-32m。     

地下水控采条件下上海土层变形特征研究

根据上海地区分层标和水位孔的实测资料,分析了2001~2012年间地下水控采条件下地下水位变化及土层变形特征。上海地区潜水层和第一承压含水层水位基本保持不变,第二至第五承压含水层水位都呈现出明显的回升趋势。三个软土层仍在发生压缩变形,其中第三软土层随着水位的回升变形得到了控制,部分地区已出现回弹趋势。在水位全面回升情况下,第一到第四承压含水层表现为明显的塑性和蠕变变形,当水位持续回升时土层仍有沉降,且变形滞后于水位变化;而第五承压含水层主要以弹性变形为主,当水位不断回升时,含水砂层也随之持续回弹,滞后不明显。将上海地区近年来含水层与水位变化关系归纳出四种模式。砂性土单向蠕变试验的结果表明,双屈服流变模型可以较好地反映砂土蠕变变形特征。     

基于层间位移协调的承压水降压引起土层变形分析

承压水降压引起的地面沉降由含水层、弱透水层和潜水层的变形组成。当承压层降压时间短、弱透水层固结变形较小时,可以假设弱透水层为严格的隔水层。采用层状弹性体系理论,基于位移协调条件分别建立了单井抽水以及第三类基坑工程降水（隔水帷幕插入降水含水层）引起的土层变形分析模型,与数值模拟和现场抽水试验结果的对比,验证了文中方法的正确性。研究结果表明,上覆土层弹性参数变化对地表变形的影响可以忽略;抽水井附近的土层变形呈现“上小下大”特点,一定距离以外含水层与地面沉降大致相等,根据承压含水层降深要求,可估算出基坑外的水位降深。     

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。     

求解地面沉降预测模型参数的逆问题

地下流体的抽取所引起的地面沉降的预测依赖于所选理论模型中参数的量化。本文所建立的逆问题模型中涉及到压缩承压含水系统中5个控制地面沉降的参数：压缩弱透水层的垂向水力传导系数K＇、塑性贮水率S＇skv和弹性贮水率S＇ske、含水层的贮水率S＇S和弱透水层的前期最大固结压力p＇max0。逆问题模型由Newton-Raphson调整算法和Helm有限差分一维固结模型构成（COMPAC）,其中固结模型可用其他模型替代。文中用一个理想压缩承压含水系统对该逆问题模型进行检验,检验结果显示该模型能求解出理想压缩承压含水系统的K＇、S＇skv、S＇ske、S＇S和p＇max0的近似值,其中p＇max0和S＇skv是控制计算沉降量的两个最主要的参数。每个监测点计算压缩量的平均相对误差为7.8%,该误差仅由调整算法产生。该逆问题模型应用于上海F9地面沉降监测点上部承压含水系统参数的求解和变形量的预测,所求解出的K＇、S＇skv、S＇ske、S＇S和p＇max0的近似值分别为8.58×10-4 m/a、3.50×10-4 1/m、6.39×10-6 1/m、1.19×10-5 1/m和-2.50m、每个观测点计算压缩量的平均相对误差为13.7%。误差的来源除了调整算法外,还包括地下水位、压缩变形的观测误差以及模型概化所产生的误差。     

应力历史对弱透水层参数影响试验研究

弱透水层储存的地下水是地下水资源的重要组成部分,弱透水层水文地质参数对地下水资源管理与评价以及地面沉降等具有重要意义。通过室内试验对定降深条件下弱透水层水流运移规律进行了研究,并探讨了弱透水层释水过程中的变形规律和释水规律。试验结果表明,在相邻含水层定降深条件下,弱透水层固结变形滞后于相邻含水层的降深变化,且变形速度逐渐变小并趋于零。基于室内试验,利用配线法求得弱透水层不同应力状态下的水文地质参数,对比分析,大变形和小变形试验中土层的渗透系数变化不大,但贮水率明显变小,土层的固结系数变大。因此,土层的应力历史对土层的渗透系数影响不大,而对贮水率有较大的影响。     

上海市承压含水层系统应力-应变特征及地面沉降防治对策

1990年以来，上海市地下水开采与人工回灌格局发生了较大的变化。承压含水层地下水位变化与压缩变形均表现为新的特点与发展趋势。通过对上海中心城区含水层系统的应力一应变特点分析，总结了承压含水层随地下水位下降所表现出的弹性一弹塑性一塑性变形的演化规律。上海中心城区第Ⅱ、Ⅲ承压含水层总体上处于地下水开采与人工回灌的平衡状态，表现为弹性变形；而第Ⅳ、Ⅴ承压含水层由于地下水位目前已严重低于其“临界水位”，表现为持续压缩的塑性变形。目前，第Ⅳ承压含水层对中心城区地面沉降贡献率已达到了49．3％，西部华漕地区第Ⅴ承压含水层变形的贡献率为46．7％。针对各承压含水层不同的变形特点，提出了地下水资源管理与地面沉降防治对策。     

Regional land subsidence simulation in Su-Xi-Chang area and Shanghai City, China

Su-Xi-Chang area and Shanghai City, located in the south of Yangtze Delta, China, has subsided due to groundwater overpumping. Because of the regional scale of the groundwater exploitation, cone of depression and land subsidence at present, Su-Xi-Chang area and Shanghai City are treated as a single area for land subsidence study to avoid the uncertainty of boundary condition due to the regionalism. The characteristics of aquifer system compaction are complex because of the difference in the types, compositions and structures of the soils that the hydrostratigraphic units are composed of, and in the histories of groundwater level change the hydrostratigraphic units have experienced. Considering the fact that different hydrostratigraphic units have different kinds of deformation and that an identical unit may also present different deformation characteristics, such as elasticity, elasto-plasticity, and visco-elasto-plasticity, at different sites of the cone of depression or in different periods, corresponding constitutive laws have been adopted. This avoids the shortcomings of the previous research that the same constitutive law was adopted in all the hydrostratigraphic units during the entire time period. A coupled flow and subsidence model, which includes a three-dimensional flow model with variable coefficients and a one-dimensional (vertical) subsidence model, is built according to the complicated hydrological condition in the region. The simulation model is calibrated using observed data, which include compression of individual strata from groups of extensometers and groundwater levels from observation wells from 1995 to 2002. The model reproduced that the primary subsidence layer in Shanghai shifts from the shallow aquitard to the fourth confined aquifer because of the groundwater yield variations and the change of exploitation aquifers. However the third aquitard was the primary subsidence layer in Su-Xi-Chang area and the compaction deformation of the sandy aquifers was remarkable. The simulation results could provide some reasonable advice about groundwater exploitation in the future.     

基于DFOS的苏州第四纪沉积层变形及地面沉降监测分析

苏州地区广泛分布松散第四纪沉积物,大量抽取地下水导致了苏州大范围的地面沉降,严重影响了该区经济发展。本文在苏州盛泽200m钻孔内安装了分布式感测光纤,采用BOTDR及FBG等分布式光纤感测技术(DFOS),对第四纪沉积层压缩及地面沉降进行了长期的监测分析。分析结果表明:苏州盛泽地区第四纪土层可分为3个含水层(Af)及4个弱透水层(Ad),现阶段含水层压缩已不明显,主要压缩层为与抽水含水层相邻的两个隔水层,且与抽水含水层距离越近的部位压缩越明显; 第四纪沉积层的变形与抽水含水层孔隙水压变化基本一致,呈现出夏季压缩,冬季略回弹的趋势,并且存在滞后现象; 定义压缩度为各层累计压缩量与其自身厚度的比值,即每米压缩量。各土层沉降趋势可用压缩度判断,对于黏土隔水层沉降程度Ad2 Ad3 Ad4 Ad1,对于含水砂层,Af2为主要变形层,Af1及Af3变形基本稳定。DFOS技术为研究地面沉降机理,评价土层压缩变形潜力提供了十分先进的监测手段。     

Land subsidence and earth fissures due to groundwater withdrawal in the Southern Yangtse Delta,China

Excessive extraction of groundwater has caused severe land subsidence and earth fissures in the Southern Yangtse Delta, China. Based on field data, the temporal and spatial distribution of land subsidence is investigated and the causes for earth fissures are analyzed. The areal distribution of the land subsidence is closely related to the cones of depression in the main exploited aquifers. The compaction of a hydrostratigraphic unit depends on its mechanical behavior, thickness, compressibility, and the piezometric level changing. The primary subsidence layers in Shanghai have been the first aquitard before 1990 and the third confined aquifer since then. But the second aquitard unit was the primary subsidence layer in Changzhou. Earth fissures, trending in several directions, occurred in the Husu tectonic zone. They were mainly caused by differential subsidence and horizontal displacement that resulted from tensile stress and shear stress in units. The majority of fissures in the study area are tensile.     

黄河三角洲地下水动态变化及其与地面沉降的关系

为了分析黄河三角洲地下水动态及其与地面沉降的关系, 利用多年地下水和地面沉降监测数据, 发现黄河三角洲广饶县和东营区的地下水动态变化剧烈且地面沉降严重, 含水层多处于超采状态, 浅、深层地下水降落漏斗先后出现.深层地下水降落漏斗中心水位下降速度达2~3m/a.近年来, 东营和广饶地面沉降漏斗中心沉降量和速率分别为155.1mm、28.2mm/a和356.0mm、64.7mm/a.借助GIS技术及数理统计法, 发现深层地下水降落漏斗与沉降漏斗空间耦合良好, 深层地下水位与地面高程呈线性正相关, 相关系数为0.92, 深层地下水过度开采已成为影响沉降的最根本因素.井灌区第三粘性压缩层成为地面沉降主要贡献层, 且深层地下水降落漏斗中心的地下水位已低于第三承压含水层临界水位, 沉降趋于严重.      

Characteristics of aquifer system deformation in the Southern Yangtse Delta, China

Excessive groundwater pumpage has caused regional cones of depression and severe land subsidence in the Southern Yangtse Delta, China. The characteristics of aquifer system compaction are complex because of the difference in the types, compositions and structures of the soils that the hydrostratigraphic units are composed of, and in the histories of groundwater level change the hydrostratigraphic units have experienced. Based on the data measured from extensometer groups and observation wells, the characteristics of deformation for individual hydrostratigraphic units are analyzed. The results show that different hydrostratigraphic units have different kinds of deformation and that an identical unit may also present different deformation characteristics, such as elasticity, elasto-plasticity, and visco-elasto-plasticity, at different sites of the cone of depression or in different periods. If the groundwater level rises continuously and remains constant later, the aquifers and the aquitard units that consist of hard clay primarily exhibit elastic behaviour, but the aquitard units that consist of soft clay deform plastically and by creep and exhibit visco-elasto-plastic behaviour. If the groundwater level falls but is much higher than the previous lowest value, aquifers and aquitards consisting of hard clay exhibit elasto-plastic behaviour. If the groundwater level falls below the previous lowest value, aquifers and aquitards consisting of hard clay deform plastically and by creep and exhibit visco-elasto-plastic behaviour.     

地面沉降对含水层参数及给水能力的影响研究

地面沉降主要由深层地下水开采造成,含水层的压缩释水是深层地下水开采量主要构成来源,同时随其压缩变形孔隙比减小造成储水系数、渗透系数的减小,对弱透水层非弹性释水量、越流补给量造成影响。地面沉降过程中的水文地质参数非线性变化及对承压含水层系统的反馈作用也成为水文地质领域的前沿问题。为对地下水开采量、沉降量、地质参数变化以及给水能力变化之间的关系做一个较为定量定性的探究,以含水层压缩过程中的物理机制为依据,并基于沧州地区深层承压含水层的地下水位变化过程和水文地质参数,采用数学手段构建储水系数和渗透系数变化的一维非线性沉降模型。模拟结果显示随承压水头下降,储水系数最高可减小77%,含水层系统的给水能力和储水能力会随压缩变形减小50%甚至更多。研究成果为深入认识水文地质参数与应力变化相关关系、科学评价承压含水层地下水储水调节能力有重要借鉴意义。     

连云港徐圩地面沉降BOTDR监测与评价

连云港市位于苏北沿海地区,地面沉降灾害面积较大,多地沉降速率超过20 mm/a,徐圩的沉降现状尤为严重。为了能够对徐圩地区的地面沉降进行精细化观测,文章采用BOTDR分布式光纤感测技术,对徐圩镇127 m深的钻孔地层进行了两年多的全断面精细化监测。结果表明:徐圩镇共有四个承压含水层组,I-1隔水层和I-2隔水层土体沉降量分别占总沉降量的70.29 %、24.59 %,抽水层的土体最大沉降量仅占比1.38 %。I-1隔水层和I-2隔水层的地层岩性包括淤泥质黏土（L2）、亚黏土（L3）、亚砂土夹粉砂（L4）,总厚度为44 m,由于抽水过程中隔水层向含水层失水,导致该隔水层土体固结压缩。同时,工程建设附加荷载对地面沉降的影响也不可忽视。徐圩地区现阶段的沉降仍在继续发生,但沉降速率有减小的趋势。BOTDR技术可有效获取地面沉降钻孔全断面的土层变形分布信息,为地面沉降评价提供了一种精细化的分布式监测手段。