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。      

天津市地下水流-地面沉降耦合模型

天津市平原区地面沉降主要由地下水大量开采引起,影响范围广、危害大,已成为天津市主要的环境地质问题。分析了研究区的水文地质条件,结合地下水开发利用状况,将研究区概化为6个含水层组,地下水流考虑三维非稳定流,地面沉降选用一维固结压缩模型,运用地下水流模型Modflow 2005和地面沉降模拟模块 Sub,建立了天津市平原区地下水流-地面沉降数值耦合模型,模型面积为1.1×10⁴ km²,利用1998-2008年地下水位等值线、过程线、地面沉降过程线等资料对模型进行了识别。模拟期的地下水均衡分析表明,在多年开采条件下,越流补给、压缩释水、侧向边界流入分别占深层含水层补给量的41.84％、32.15％和24.17％。将调试后的模型应用于南水北调实施后地下水控采条件下的地面沉降趋势预测,显示出停采或减少地下水的开采,有利于减缓地面沉降下降速度,且表现出开采层位越往下,地面沉降恢复难度越大的变化趋势。     

天津市地下水开采对地面沉降影响的多元回归分析

地下水的过量开采是天津市引起地面沉降的主要原因。因此天津市提出了“压缩地下水开采量”、“地下水人工回灌”、“调整地下水开采层次”等控制地面沉降的3大技术措施。经过多年的努力,控制地面沉降效果明显。如何解决地下水开发与控制地面沉降的关系,更好的贯彻这3大技术措施,是该文编写的初衷。即在开采同样地下水量的情况下,如何使地面沉降量最小;或在地面沉降量容许的情况下,如何开采最大量的地下水。压缩地下水开采量是治理地面沉降的根本措施,亦即如何压缩采水量或调整开采层次会达到最好效果。论文对天津市某区各个地下水开采层的多年累计开采量、累计沉降量进行数据统计分析,建立了该地区累计沉降量及各个地下水开采层的多元相关方程。在此基础上,分析了各个地下水开采层对地面沉降影响的相关程度。以此为该区控制地面沉降的提供依据。     

地下水非稳定运动的数学模型及应用

上海市区大量开采地下水所引起的水头下降是导至地面沉降的主要原因。为此水头预报及限制在一定水头条件下的最大可能开采量,将是控制地面沉降工作的一个主要课题。在有动态资料的老水源地,选用地下水非稳定运动方程的基本解——源函数,进行简化,近似,从而得到的数学模型,可以用来进行较大面积的中长期的水头预报。经对上海市区第二、三承压含水层的几年试算,证明模型是合理的,可行的。此外还利用此模型对第二承压含水层的开采井的合理布局也进行了计算。在控制地面沉降的条件下也能得到较好的结果。     

太原市地面沉降初探

本文通过分析太原市地质、水文地质条件，地下水开采状况及地面沉降特点，对太原市地面沉降的原因，现象进行了初步探讨。指出太原市地面沉降主要由于过量开采地下水引起，并就此提出了控制太原市地面沉降的措施。     

江苏沿海地区地面沉降影响因素及防控对策

通过对江苏沿海地区地面沉降现状、地质背景及人类活动的分析,阐述了影响沿海地区地面沉降发生和发展的主要因素。研究表明,地下水过量开采是控制区域地面沉降发生和发展的主要因素,水文地质条件的不同导致了南北地面沉降发生和发展的差异;主采含水层和相邻弱透水的固结压缩是沉降的主要来源。以地面沉降风险评价为核心,综合地下水水位变化趋势、工后沉降、滩涂区固结沉降,划分了地面沉降控制区,并根据主要沉降诱因分类分级提出防控对策。     

陈仓区地下水源地扩大开采可行性研究

本文在分析陈仓区地下水开采现状和水文地质条件的基础上,建立了水文地质概念模型,选用了承压水二维非稳定流数学模型进行描述,采用无越流的无界承压含水层干扰井群法求解该数学模型。     

鞍山市区地面沉降的机理分析

鞍山市区地面沉降是近年发现由于抽取地下水引产地面沉降地区,结合区内的环境工程地质及地质条件,通过研究1987～1994年间的分布特征及其演化趋势,初步认为鞍山市区地面沉降除了主要起因于过量开采地下水导致水位持续快速降低外,新构造运动、第四系结构与地面沉降也有密切关系.     

济宁市地下水与地面沉降三维有限元模拟

在分析济宁市水文地质条件的基础上 ,对引起地面沉降诸因素进行了分析 ,并建立了地面沉降量与地下水位变幅之间的相关关系。集中过量开采地下水是引起济宁市地面沉降的主要原因。在此基础上 ,建立了准三维地下水流模型和一维地面沉降模型。通过水力联系建立地下水与地面沉降耦合数值模型 ,运用有限元法对地下水渗流场和地面沉降量进行模拟 ,并对 2 0 0 0年和 2 0 10年地面沉降进行了预测     

鞍山市区地面沉降的机理分析

鞍山市区地面沉降是近年发现由于抽取地下水引产地面沉降地区，结合区内的环境工程地质及地质条件，通过研究1987～1994年间的分布特征及其演化趋势，初步认为鞍山市区地面沉降除了主要起因于过量开采地下水导致水位持续快速降低外，新构造运动、第四系结构与地面沉降也有密切关系。     

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.     

江苏松散沉积层地区地下水资源评价模型发展趋势

江苏松散沉积层厚度大、结构复杂、容易发生固结压缩,地下水可采资源量评价具有较大的不确定性,容易造成重复或缺失,地下水的过量开采又容易引发地面沉降地质灾害。针对以上问题,提出了地下水资源评价的地下水渗流三维数学模型及其地下水渗流与地面沉降耦合模型。地下水渗流三维数学模型可以将整个松散沉积层作为一个统一的水文地质体进行计算,对不同水力性质的含水层同时进行刻画描述,克服了以往二维或准三维模型将各含水层之间的粘性土层概化为越流层给评价结果带来的重复或缺失。地下水渗流与地面沉降耦合模型可以结合地面沉降环境控制,评价出地下水的可采资源量,尤其是以比奥固结理论为基础,考虑了土体的非线性特征及土的渗透性随应力状态的动态变化的全耦合模型,使评价结果更趋科学、合理。     

吴江盛泽地区建筑荷载和地下水开采对地面沉降的影响

为了准确分析建筑荷载和地下水开采对地面沉降的影响,为吴江盛泽地区科学防控地面沉降提供决策依据,基于比奥固结和地下水渗流理论,建立了建筑荷载和地下水开采与地面沉降三维全耦合有限元数值模型,分别模拟预测了在建筑荷载单独作用、地下水开采单独作用及建筑荷载和地下水开采叠加作用三种情况下,2015-09-01—2030-08-31盛泽地区逐年地面沉降变化趋势。结果表明,建筑荷载对盛泽地区地面沉降的影响大于地下水开采。第Ⅰ黏性土弱含水层和第I承压含水层分别为建筑荷载和地下水开采单独作用下的主压缩层,单层压缩量占比分别为43.04%和54.06%;第Ⅰ承压含水层及其上覆第Ⅰ黏性土弱含水层是二者叠加作用引发土体变形的主压缩层,其压缩量之和占总压缩量的71.30%。建筑荷载和地下水开采单独作用下引发的地面沉降量的线性叠加之和大于二者叠加作用下引发的地面沉降量,建筑荷载和地下水开采叠加作用引发的地面沉降具有耦合效应。     

苏锡常地区含水层结构和地下水位的虚拟表达

由于三维地质结构模型和地下水面(包括潜水水面和承压水水面)模型开展地面沉降机理研究的重要基础,因此,本次利用Visual C 和OpenGL(Open Graphics Library)将苏州—无锡—常州(简称苏锡常)地区第四系含水层结构和地下水位形态进行三维虚拟表达,创建了酷似于实际情况的地下水赋存环境(三维地质结构模型),并在该环境中添加了各含水层的水位线。研究者可交互操作于该虚拟环境,并能够直观形象地了解研究区内的水文地质情况(各地层间的空间分布及岩性特征、含水层间的补给关系及地下水位的动态过程等),从而获得身临其境的感受,为进行地面沉降机理研究提供一个基础性的辅助方法。     

Review: Regional land subsidence accompanying groundwater extraction

The extraction of groundwater can generate land subsidence by causing the compaction of susceptible aquifer systems, typically unconsolidated alluvial or basin-fill aquifer systems comprising aquifers and aquitards. Various ground-based and remotely sensed methods are used to measure and map subsidence. Many areas of subsidence caused by groundwater pumping have been identified and monitored, and corrective measures to slow or halt subsidence have been devised. Two principal means are used to mitigate subsidence caused by groundwater withdrawal??reduction of groundwater withdrawal, and artificial recharge. Analysis and simulation of aquifer-system compaction follow from the basic relations between head, stress, compressibility, and groundwater flow and are addressed primarily using two approaches??one based on conventional groundwater flow theory and one based on linear poroelasticity theory. Research and development to improve the assessment and analysis of aquifer-system compaction, the accompanying subsidence and potential ground ruptures are needed in the topic areas of the hydromechanical behavior of aquitards, the role of horizontal deformation, the application of differential synthetic aperture radar interferometry, and the regional-scale simulation of coupled groundwater flow and aquifer-system deformation to support resource management and hazard mitigation measures.     

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。      

高层建筑物荷载与地下水开采叠加作用下的地面沉降特征

在地下水开采和高层建筑荷载叠加作用下,城市地面沉降分布愈加复杂.以天津塘沽地区为例,考虑到土体在固结沉降中的平衡条件、弹性本构条件、变形协调条件和水流连续条件,以比奥固结理论为基础,建立了高层建筑荷载和地下水开采叠加作用下三维地面沉降模型,采用有限元方法进行了数值计算.结果表明,高层建筑物的附加荷载作用在其建成后的3～...     

含水层压密引起其特征参数变化的实验

水文地质参数在含水层压密过程中不断变化,这是诸多地面沉降模型实际应用中的难点之一。就含水层压密对水文地质参数的影响开展了初步的实验,结果表明,压密前后含水层的渗透系数和给水度发生了较大的变化。其中：渗透系数随模拟含水层介质压密过程的变化几乎呈线性的减小趋势,线性拟合决定系数为0.959 2~0.997 1;给水度随着含水层的压实而表现出下降的趋势较为复杂,随介质类型的不同而有差异。渗透系数和给水度的下降速度在不同介质中也有一定的差异。在本研究的实验模型尺度下,给水度和渗透系数呈现一定的线性正相关关系,一次线性相关函数斜率为0.001 3~0.005 1,截距为0.011 6~0.038 1,基本相近且在相同数量级。