地下水开采与地面沉降控制三维全耦合模型研究

针对第四纪松散沉积层中地下水开采所引起的地面沉降问题,以比奥固结理论为基础,考虑到土体的非线性特征及土体的渗透性随应力状态的动态变化,引入邓肯-张非线性模型和渗透率动态模型,将地下水渗流场和土体应力场耦合起来,并以吴江市浅层地下水开采为例,建立了浅层地下水开采与地面沉降三维全耦合数值模型。在对模型进行校正、识别的基础上,以微承压含水层未来10 a内地下水位埋深不低于含水层顶板、地面沉降量不超过50 mm为约束条件,预测了吴江市各镇的地下水可采资源量合计为1 203.59×10⁴m³/a。     

丰沛平原区地下水开采利用现状及潜在水源地分析

通过总结丰沛平原区水文地质条件和特征,对该区地下水开采利用现状及潜在水源地进行分析,计算了华栖隆起区岩溶水可利用资源量,探讨裂隙岩溶水利用的可行性。研究表明: 丰沛平原区地下水主采层位为中上更新统孔隙含水层和新近系—下更新统孔隙含水层,已形成丰县城关—孙楼—常店和沛县—龙固2个大型超采漏斗区,总面积超过750 km²,引发了大面积地面沉降; 华栖隆起区为裂隙岩溶水的富水地段,总可采资源量为667.51万m³/a,可作为潜在水源地进一步开展地下水勘查评价工作; 裂隙岩溶水过量开采可能引发地面沉降、岩溶地面塌陷等地质灾害,后期应对裂隙岩溶水开采情况进行长期监测,合理开发利用水资源。华栖隆起区岩溶水距离城区近,水量大,水质好,开发难度小,具有可观的经济价值。     

丰沛平原区地下水开采利用现状及潜在水源地分析

通过总结丰沛平原区水文地质条件和特征,对该区地下水开采利用现状及潜在水源地进行分析,计算了华栖隆起区岩溶水可利用资源量,探讨裂隙岩溶水利用的可行性。研究表明: 丰沛平原区地下水主采层位为中上更新统孔隙含水层和新近系—下更新统孔隙含水层,已形成丰县城关—孙楼—常店和沛县—龙固2个大型超采漏斗区,总面积超过750 km²,引发了大面积地面沉降; 华栖隆起区为裂隙岩溶水的富水地段,总可采资源量为667.51万m³/a,可作为潜在水源地进一步开展地下水勘查评价工作; 裂隙岩溶水过量开采可能引发地面沉降、岩溶地面塌陷等地质灾害,后期应对裂隙岩溶水开采情况进行长期监测,合理开发利用水资源。华栖隆起区岩溶水距离城区近,水量大,水质好,开发难度小,具有可观的经济价值。     

油田地热资源评价研究新进展

油田地热资源评价和开发利用一直是我国陆上沉积盆地内中-低温水热型地热资源研究的重点工作。本文介绍了油田地热资源评价的基本思路和评价方法,并以大庆油田、华北油田和辽河油田为例,通过地温场研究、热储特征分析、岩石热物性测试,按照新建立的油田地热资源评价分级体系,重新评价了油田区的地热资源量。3大油田区11个层系地质资源总量为10 934×10¹⁸ J,地热水资源量为86 607×10⁸ m³,其中,可采水资源量为19 322×10⁸ m³,可采地热能资源为425×10¹⁸ J。根据油田采出水和综合利用等5种开发利用方式,评估了油田地热能开发潜力,为我国地热资源评价和油田地热规模化开发奠定了基础。     

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。     

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。     

开采状态下河北平原孔隙热储地热水资源的构成——以辛集集中开采区为例

地热水属于承压水,其储存量包括容积储存量和弹性储存量两部分,当水位处于含水层顶板以上时,已开采出的地热水只能是弹性储存量。在河北平原区进行区域地热资源评价时,地热水可开采量按照开采系数法、解析法等不同方法计算,与弹性储存量存在巨大差距。为研究地热水开采资源的构成并更加准确评价集中开采区地热水的可开采量,采用地下水均衡法对辛集集中开采区地热水开采资源量进行了计算,结果显示: 侧向补给量为126×10⁴ m³,占开采资源量的60.9%; 越流补给量为19.7×10⁴ m³,占开采资源量的9.55%; 弹性释水量为33.1×10⁴ m³,占开采资源量的16.1%; 弱透水层压密释水量为27.4×10⁴ m³,占开采资源量的13.3%。研究结果说明,集中开采区地热水的开采资源量不仅仅来自于热储层的弹性释水量,还包括侧向补给量、越流补给量和弱透水层的压密释水量。研究成果对于科学合理地开发地热资源、更好地遏制和缓解地热水开采引发的地质环境问题具有一定意义。     

天津地热资源评价与综合研究

以4 000 m以浅的主要热储层为研究对象,通过总结天津地热资源特征及勘查现状,利用热储法结合水均衡法和数值耦合优化管理模型计算天津市主要热储层30 a热流体可采资源量及可采热量。结果表明: 到2045年底,热储法结合水均衡法计算的热流体可采资源量和可采热量分别为27.012×10¹⁸ m³和47.0×10¹⁶ J; 数值耦合优化管理模型计算的热流体可采资源量和可采热量分别为26.6×10¹⁸ m³和49.74×10¹⁶ J; 2种方法计算结果基本一致。该计算结果可为天津市地热资源合理开发及科学管理提供依据。     

平顶山市中深层地下水开发利用及保护规划研究

平顶山市中深层地下水系指平原区埋藏于上部浅层地下水含水层之下,具有一定承压性的地下水,是平顶山市重要的饮用水水源。通过对平顶山中深层地下水资源及其开发利用情况进行评价,进行中深层地下水开发利用与地下水资源保护分区,提出中深层地下水调节控制方案及保护建议。结果认为：(1)研究区按富水性划分为Ⅰ区(含Ⅰ₁～Ⅰ₅等5个评价单元)和Ⅱ区(含Ⅱ₁～Ⅱ₁₁等11个评价单元)2个大区、16个评价单元,中深层地下水可开采资源量为4 833.58×10⁴ m³/a。(2)在多年平均条件下,全区中深层地下水开采系数为0.80,处于采补基本平衡状态。有开采潜力区主要分布在Ⅰ₅、Ⅱ₂、Ⅱ₃、Ⅱ₆、Ⅱ₇、Ⅱ₈、Ⅱ₉、Ⅱ₁₀区,该区域远离城区,人口密度较小,用水需求相对较小,可采资源量较大,开采潜力较大;采补基...     

雄安新区地热资源潜力评价

分析地热资源的形成、准确评估地热资源量是实现雄安新区地热资源可持续开发利用、推进碳中和的重要途径之一.本文通过研究雄安新区26口地热勘探井及水质分析、试采试验等数据,对地热田内馆陶组、寒武系、蓟县系雾迷山组、高于庄组热储的空间分布范围及热储特征进行了分析,采用可采系数法和采灌均衡法评价了雄安新区地热资源量.结果表明,采灌均衡法计算的可采资源量和热量远大于开采系数法.采灌均衡法更贴近实际开发条件,且可靠性经过了比拟法验证.采灌均衡条件下全区地热流体可开采资源量为401.77×10⁶ m³/a,地热流体可开采热量为1 013.2×10¹⁴ J/a,折合标准煤346.99×10⁴ t/a.以上研究可优化新区地热资源区划,推动“碳达峰、碳中和”目标实现.     

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。     

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.      

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。     

Groundwater system division and compilation of Groundwater Resources Map of Asia

Based on landform, climate, river system, geological structure and hydrogeological structure and from the perspective of systematology, the groundwater system of Asia can be divided into 36 secondary groundwater systems under 11 primary ones by the intercontinental scale. A scientific evaluation of groundwater resources in Asia can be secured using water balance method and runoff modulus method through water circulating analysis and feature study of groundwater system on the basis of groundwater system division of Asia. With natural recharge(runoff) modulus(10~4m~3/km~2·a), the total amount of water resources and those available for exploitation of primary groundwater system can be evaluated-continuous aquifers in plains and basins contain 242.465× 10~9 m~3/a of water, 169.725× 10~9 m~3/a of which is recoverable; discrete aquifers contain 186.695× 10~9 m~3/a, 130.686× 10~9 m~3/a of which is available for exploitation; other scattered aquifers contain 38.614× 10~9 m~3/a, 27.029× 10~9 m~3/a of which could be exploited. In total, there is 467.774× 10~9 m~3/a of groundwater with 327.440× 10~9 m~3/a recoverable. The groundwater map of Asia is compiled according to groundwater system division, evaluation of the total amount and aquifer types to reflect the macro features of groundwater resources in Asia, laying a scientific foundation for exploitation and management of water resources here and for avoiding disputes over groundwater resources and environment among Asian countries.     

沧州市地面沉降灾害预测预警

为了准确模拟评价沧州市地下水开采对地面沉降的影响,为沧州市政规划和地下水资源管理提供决策依据,基于比奥固结理论,建立了地下水开采与地面沉降三维全耦合数学模型。在对模型进行识别和校正的基础上,模拟预测了在地下水现状开采情况下,从2010年12月31日至2025年12月31日逐年的地面沉降变化趋势,并根据地面沉降速率对地面沉降进行了地质灾害预警分区。结果表明,到2025年12月31日,沧州市累计最大地面沉降量为466.82 mm,最小地面沉降量为241.54 mm,大部分地区为四级预警区和五级预警区,仅肃宁县为三级预警区。     

高层建筑引发地面沉降模拟预测三维流固全耦合模型

为了准确预测由高层建筑引发土体应力场和渗流场变化而导致的地面沉降,以比奥固结理论为基础,结合土体非线性流变理论,将比奥固结理论中的本构关系拓展到黏弹塑性,并考虑了土体孔隙度、渗透系数及变形参数随有效应力的动态变化关系。以河北省沧州市为例,建立了沧州市高层建筑荷载、地下水渗流与土体变形三维流固全耦合数学模型。在对模型进行识别、验证的基础上,模拟预测了沧州市在地下水停采、仅存在高层建筑荷载的影响下,从2010年12月底到2025年12月底逐年的各含水层组地下水流场变化特征和地面沉降发展趋势。结果表明：沧州市由高层建筑荷载引发的最大地面沉降量为40.57 mm,最大地面沉降速率为2.7 mm/a,位于沧州市区。     

土体自重固结压缩对地面沉降影响研究

以南通市为例,建立了土体自重固结压缩、地下水开采与地面沉降三维全耦合模型.在对模型进行识别、验证的基础上,模拟预测了南通市在地下水停止开采,仅在土体自重固结压缩影响下,自2010年12月31日-2025年12月31日各含水层组地下水流场变化和地面沉降的发展趋势.结果表明,在此期间,南通市由土体自重固结压缩引起的最大地面沉降量为2.42 mm,最大地面沉降速率为0.16 mm/a,土体白重固结压缩对南通市地面沉降的影响极为有限.     

锡山市西部地区地下水资源计算模型研究

从地下水运动均衡原理的角度分析了锡山市西部地区第Ⅱ承压含水层天然和现状开采条件下的地下水均衡要素,揭示了该地区地下水开采与地面沉降的关系,其中现状开采条件下的75%～80%的开采量来自于粘性土层的压密释水量;同时,根据地面沉降的发生机理剖析地面沉降严重发育地区忽略地面沉降影响因子建立的地下水资源计算模型中存在的问题,提出了地下水可开采资源合理的计算方法,并对考虑地面沉降影响因子的地下水资源计算模型的可实现性进行了分析。     

华北平原深层地下水超采程度计算与分析

华北平原深层地下水的超采已引起了一系列的环境地质问题。为了从区域上认识深层地下水的超采情况以及由此引发的环境地质问题,分别以地下水开采潜力系数(深层地下水可利用量/现状开采量)、地面沉降量、多年平均水位下降速率为指标对地下水超采情况进行了计算和分析。结果表明,不同方法的计算结果具有一定的一致性。从区域上来看,深层地下水总体上处于超采状态,已无开采潜力。地下水开采程度指标采用以2003年为现状年的开采量,因此更多反映的是开采程度现状。利用地面沉降和多年平均水位下降速率计算的超采结果更多地反映了深层地下水开采历史所产生的环境地质问题。