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。     

北京平原周边基岩水和地表水的水化学及同位素分析

利用北京市平原周边基岩水和地表水样品中的T值和Cl-含量对大气降水的输入进行了定量估计。研究结果表明全部样品均为热核爆炸后的补给输入,Cl-≤6.8mg/L的水样为北京平原区近工业化前(距今约150～200a)的输入值,6.8～20mg/L为北京地区区域大气轻微污染条件下的Cl-输入值。通过对2H和18O同位素的关系研究,认为北京平原区的高程效应远比大陆效应显著,并且提供了一张北京平原区地下水研究用的比对样板。     

北京昌平地区地下水地球化学

利用在北京昌平地区采集的地下水样品的同位素和水化学特征,对昌平地区的地下水补给特征进行了分析。通过对样品的分组和讨论认为:第三组样品为当地大气降水垂向入渗水体的特征;第一组样品为下覆基岩向上覆第四系含水层的顶托补给,这股基岩水可能出自碳酸盐岩含水层;第二组样品存在几种可能的补给特征;第四组样品中3件为大气降水垂直入渗补给,另1件为混合样品。研究表明,昌平地区第四系含水层地下水分布及其补给方式情况各异,实际上说明了半干旱地区山前倾斜平原地区地下水分布的复杂性。     

气压对观测井水位的影响及校正方法

地下水监测能为有效管理地下水资源提供重要信息。大气压力对观测井水位有着重要影响,正确地分析这种影响可以有效判别地下水的流向,判断含水层的性质、识别井筒存储效应（well bore storage effects）和井薄壁效应(well skin effects), 计算包气带中空气的扩散度等。随着现代化监测仪器的推广使用,高质量的监测数据为分析气压对观测井水位的影响提供了基础和保障。系统分析了不同类型含水层中井水位对大气压力的响应模式,并对校正气压对水位影响的方法进行了分析和讨论。最后,以北京平原区两口监测井为例,运用多元回归反卷积方法分析了气压对井水位的影响,并对井水位进行校正。结果表明该方法能有效地分析和校正观测井水位中的气压影响。     

时间序列分析法在地下水水位预测中的应用

联合模型是能够应用于地下水水位预测的一种时间序列分析法,它由趋势函数、周期函数和自相关函数组成。本文结合北京市地下水监测资料进行了趋势性、周期性和自相关性分析,详细讨论了联合模型在地下水水位预测中的应用。     

北京市平原区中深层地下水位动态浅析

根据北京市的水文地质条件,阐述了中深层地下水位的变化趋势及降落漏斗的形成和演化。由于中深层地下水是生活和工业用水的主要水源,它的补给条件差,80％靠浅层水的越流补给。长期地下水监测资料表明,因不合理开采,已造成水位过度下降,漏斗面积不断扩大,局部水质恶化等环境地质问题。提出了相应防治措施,严格控制地下水资源开采,与地表水联合调度。     

华北平原地下水位驱动下的地面沉降现状与研究展望

华北平原年地面沉降量大于50 mm的严重区面积超过全国总量的80%,防治形势严峻,需要开展有针对性的研究,为有效防控地面沉降提供科学依据。华北平原建立了较完善的地面沉降监测网络,基本掌握了地面沉降现状及演化规律,但受华北平原含水层系统影响因素复杂与时空变化大等因素制约,对地下水位变化驱动下的土层变形特征及其机制研究迄今仍比较薄弱,限制了对地面沉降发展趋势的科学研判和预测预警。在总结国内外地面沉降研究进展、基于高时空分辨率监测数据分析华北平原地面沉降现状和发展趋势的基础上,提出了地下水位变化影响下的地面沉降研究方向。目前,华北平原地面沉降出现减缓态势,天津、沧州、衡水等重点城市主城区地面沉降得到有效控制,但华北平原尤其是河北平原地面沉降总体上仍然处于较快发展阶段,主要原因是农业灌区地下水开采得不到有效控制。未来华北平原地面沉降研究应聚焦地面沉降机理和预测预警、地下水位回升驱动下的土层变形规律及其对环境的影响、地面沉降区地下水资源属性及地热开发与地面沉降关系等方面。     

基于地热钻孔资料探讨北京黄庄-高丽营断裂的构造活动特征

根据地热深井的地层资料,绘制了横穿黄庄-高丽营断裂带的地质剖面图,对断裂带的深部构造特点进行了探讨。结合已有研究成果分析,发现黄庄-高丽营断裂曾经至少有过4次正、逆构造转换,具有反复震荡性。认为断裂的成因是区域板块开裂,后由于板块间的水平运动方向多次转变,形成拉张与挤压的反复转变,不断产生上盘的下降及逆冲运动,而呈现出构造活动的反复震荡特征,分析认为其断裂形成时代约在1.6～1.4亿年间的晚侏罗世(J_3)。后来岩体的活动产生局部挤压和抬升,使得南、北两端上盘活动受限,产生掀斜抬升现象;而中段断块的活动自由度相对更大,根据水准监测当前中段上盘平均每年下降3 mm左右。结合构造特征及历史地震结果分析,认为应当注重对断裂带两侧板块的水平运移状况加以监测。