基于小波分析的济南西郊地下水位对降雨响应机制研究

降雨是地下水的主要补给来源,准确掌握地下水位对降雨的响应机制对地下水资源的科学管理具有重要意义。文章利用济南市西郊2010—2019年月降水资料及第四系和岩溶地下水月水位资料进行季节特征统计及小波分析,结果表明：①济南市秋季地下水位最高,第四系和岩溶平均水位分别为30.28 m和29.74 m;春季地下水位最低,第四系和岩溶平均水位分别为29.44 m和28.78 m;②连续小波变换分析得出降雨的主震荡周期为0.98~1.17 a,第四系地下水的主震荡周期为0.73~1.16 a和1.17~1.74 a,岩溶地下水的主震荡周期为0.87~1.09 a和0.46~1.23 a,主震荡周期并不完全一致,反映出济南市西郊地下水动态不仅受降雨的影响,同时还受人类活动等其它因素的影响;③交叉小波变换分析表明降雨与地下水位的主共振周期均为1 a左右;第四系和岩溶含水层水位动态分别落后于降雨144.14 d和172.62 d,两者仅相差28.48 d,水力联系较为密切。以上结论说明,济南市西郊地下水动态对降雨的响应是显著和稳定的。     

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。     

雄安新区地下水水位与降水及北太平洋指数的小波分析

基于1991—2016年雄安新区4个地下水监测孔的长时间序列水位数据、降水数据及北太平洋指数（North.Pacific.Index,NPI）,采用连续小波、交叉小波变换等方法,分析了三者的周期性变化及其之间的相互关系。结果表明:（1）雄安新区地下水水位、降水与NPI的主波动周期及各序列间共振周期均为1.a。（2）丰水年的地下水水位时滞小于全时段的地下水水位时滞,高降水量对潜水-承压水水位时滞的影响大于对承压水的影响。（3）地下水水位对NPI的时滞大于对降水的时滞;在丰水年,地下水水位对NPI的响应更快;地下水对降水和NPI的响应速度,明确反映了研究区地下水水位动态变化的主要气候影响因素是降水。     

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。     

济南泉域地下水位动态及其对降水响应的交叉小波分析

利用1988—2009年济南泉域8个地下水位动态观测点不同时段观测资料及1998—2009年降水数据,采用连续小波变换、交叉小波变换方法对济南泉域地下水位动态的多时间尺度特征、相互关系及其对降水的响应进行了分析。结果表明:①济南泉域地下水位动态存在显著的0.82～1.16 a的主振荡周期,低频部分仅在部分年份存在1.95～3.09 a的振荡周期;②含水岩组富水性对地下水位动态存在影响,研究区主径流方向上弱富水性地段地下水位动态时滞较强富水性地段长,强富水性地段4个观测孔地下水位波动时序基本一致;③地下水位动态对降水的响应滞后明显,为73.06～134.42 d,总体表现为地下水径流路径越长,响应越滞后;④基于地下水位动态与基于降水—地下水位动态交叉小波变换得到的观测点对水位动态的滞后时间多数一致,同一径流路径上局部点对滞后时间之和与全局点对有很好的对应关系。交叉小波分析可定量评价泉域地下水位动态及其与降水的相关关系。     

三江平原建三江地下水位下降区地面形变监测、评估与预测

三江平原地下水开采量随着水稻种植规模快速扩张而大幅增加, 2021年水位相对1980年下降5~12 m, 是否因此引发地面形变甚至地面沉降成为社会关注的问题。采用二等水准测量方法和比拟法, 分析研究了三江平原建三江垦区地下水位降落漏斗地面形变现状与发展趋势及危险性。研究表明, 研究区50个二等水准测量点2019-2021年连续3期测量数据对比发现, 地表垂向形变量整体较小(最大-18.00 mm, 平均变化速率-4.6 mm/a)。预测到2040年, 地下水位降落漏斗中心水位埋深由2021年的19.88 m降至25 m左右, 考虑到研究区"上粘下砂"的二元岩性结构, 地下水位下降疏干的地层位于浅上部且厚度有限, 地面沉降量仍较小, 地质灾害发育程度弱、危险性小。本研究不仅回应了社会关切, 也为进一步开展相关研究奠定了基础。     

基于分层监测的北京天竺地面沉降、地下水位与孔隙水压力变化规律

为揭示天竺地面沉降监测站102 m以浅地层分层沉降规律,对天竺分层监测数据进行了分析。研究发现：①地面沉降主要发生在粘性土层,地面沉降发育情况与粘性土含量成正比,粘性土层在有效应力持续增大的作用下被压缩。②季节性变化特征方面,在一个水文年内,地面沉降所表现出的季节性形变特征与地下水位动态变化趋势有较高的相关性,丰水期地面沉降速率减缓,枯水期地面沉降速率明显增大。③不同深度土层变形量及其在总沉降量中比重构成的变化与相应的含水层水位变化幅度密切相关,现阶段北京地面沉降区浅部土体压缩减缓,中深部土体多以较快的速度持续压缩。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; 天竺站浅部水流从第Ⅰ粉土层向第Ⅰ中砂层越流,中部水流从第Ⅱ细砂层向第Ⅱ粘土层越流,深部水流从第Ⅲ粉质粘性土层向第Ⅱ细砂层越流。     

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。     

冲洪积平原地面沉降特征及主控因素——以北京平原为例

北京由于长期过量开采地下水,相继引发了一系列地质环境问题,其中地面沉降问题尤为突出。回顾了北京地面沉降发展历史,从平面和垂向上分析了地面沉降特征,在此基础上对北京冲洪积平原区沉降的主控因素进行了研究。结果表明:(1)平面上,沉降分为南、北2个大区,7个沉降中心。北区已由多个单独沉降中心区扩展成一个大区域,南区北扩明显;(2)垂向上,南区第一压缩层为沉降主贡献层,沉降占比42%,浅部地层沉降速率减小,深部地层沉降速率增加。土体变形特征为塑性变形,包含蠕变变形;北区第二压缩层为沉降主贡献层,沉降占比65%,浅部沉降量值很小且波动平缓,深部沉降量相对较大。土体变形特征为浅部以弹性变形为主,深部以塑性变形为主,包含蠕变变形;(3)沉降受构造作用及基底格架控制,北东方向受冲洪积扇上部单一砂卵砾石的地层条件控制扩展范围有限,沉降整体向北西、南东方向扩张;(4)地层结构决定沉降平面和垂向分布特征,尤其北部冲洪积与南部湖相沉积的差异,是产生深浅部地层沉降贡献率不同的重要因素;(5)地下水开采仍是沉降产生的主因,地下水漏斗的扩展和沉降中心的分布高度吻合,主要沉降层地下水位下降速率与沉降速率成正比。     

北京地面沉降分层监测动态变化特征

北京地面沉降目前正处于一个快速发展阶段。本文利用天竺站、望京站和王四营站2005~2012年分层标监测数据分析了年沉降量、不同深度土层变形量及其在总沉降量中百分比构成的多年变化特征,并结合分层地下水位动态变化,对三个站地面沉降多年变化所表现出来的异同点进行了阐述。结果显示:60m以浅地层年沉降量小且波动也小,100m以深地层是主要的压缩层位;不同深度土层变形量及其在总沉降量中比重构成的变化与相应的含水层水位变化幅度密切相关。在无法禁采的情况下,采取一定的限采控采措施使地下水位小幅回升或约束地下水位的下降幅度,将有利于地面沉降的减缓。     

对"用调整地下水开采层次方法控制地面沉降"的质疑

据不完全统计,至今我国已有90余个城市和地区相继发生不同程度的地面沉降,长江、黄河、珠江三角洲、华北平原、松辽平原及沿海许多地区,地面沉降正在发生和发展之中,尤其以上海为中心的长江三角洲及以天津为中心的华北平原,成为我国两片最大的沉降地区。地面沉降对这些地区社会和经济的可持续发展带来严重影响。几十年来,这些地区一直将“调整地下水开采层次”作为控制地面沉降措施之一。该文章认为“调整地下水开采层次”并非一种理想的控沉措施,不仅值得商榷,甚至为应该被否定的控沉措施。依据：①一般情况下,随深度增加,地层的压缩性会渐下;但是开采同量的地下水,其水位下降的速率及幅度深部含水组比浅部含水组要大的多,两者引起的沉降量不会有明显的差别;②从地下水开采资源组成与地面沉降关系分析,含水层深度越深,其中的压密释水量所占的比例也越大,造成的地面沉降也越严重;③地层的物理力学性质及固结状态,随深度的增加,也不完全是越来越好。     

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。     

苏锡常地区深层地下水禁采后土层变形特征分析

为了控制苏锡常地区的地面沉降,2000年开始该区实行了深层地下水的禁采。基于近10年来监测数据,对比分析了禁采前后地质环境要素的变化规律,重点剖析禁采后地下水回升条件下的土层变形特征。数据分析结果显示,禁采以来,以主采层第Ⅱ承压含水层为代表的地下水位逐步回升,自2000年至2009年,40m埋深水位降落漏斗面积由近4000km2缩小至1200km2。地面沉降的发展速率也出现不同程度的减缓,至2008年,大于5mm/a 的沉降区面积已缩减到1200km2。研究区土层的变形特征表现出明显的差异性。苏州北部沿江地区和中部地区地面沉降出现了明显回弹,土层表现为弹性变形特征。而位于地下水位漏斗和沉降漏斗中心附近的土层表现出沉降的迟滞性,即使在禁采后水位回升的情况下土层仍表现为持续沉降或微沉。研究结果为后续区域地面沉降模型中土层沉降模型的合理选择提供依据。     

Characterization of land subsidence induced by groundwater withdrawals in Su-Xi-Chang area, China

Su-Xi-Chang area is one of the typical regions in China which suffers from severe land subsidence. Various tools of field monitoring were integrated to study the characteristics and mechanisms of land subsidence in this region. The occurrence and the development of the land subsidence in this region are strongly related to the groundwater pumping both in time and space. The main consolidation layers are the soft mud layers; however, the compressibility of the confined sandy layers should not be ignored. The second and third confined aquifers contributed more than 30% of total subsidence. Meanwhile, irrecoverable deformations were also observed in the sandy layers. Different sandy layers deform diversely under different stress conditions. Some have the elastic feature. But the soil strata, including both sandy layers and clayey layers, located in the center of the groundwater level depression cone exhibited obvious viscous mechanical behavior which caused the common lag phenomenon. The sand composition (mingled with small clay particles or interbeds) and sand rheology are the two main reasons for the lag phenomena in sandy layers. A series of laboratory tests for modeling the effective stress changes due to groundwater withdrawals, were conducted to investigate the mechanism of the lag phenomenon. Based on the test results, the relationship of stress–strain–time for saturated sands is obtained; and it could be expressed as power functions. The results also showed that the compression of the sandy layers was time dependent, and its deformation could be remarkable. When establishing land subsidence model, the deformation for the similar soil formation could be elastic, visco-elastic and even visco-elastic–plastic, because of the different groundwater level fluctuation experienced.     

北京平原区现阶段主要沉降层位与土层变形特征

超量开采地下水引发的地面沉降已成为北京平原区最主要的地质灾害之一.精准识别现阶段地面沉降主要贡献层位,查明不同水位变化模式下土层变形特征,对实现地面沉降精准防控,建立合适的地下水-地面沉降模型具有重要意义.本文根据北京市7个地面沉降监测站内分层标和水位近十几年观测资料,对不同深度土层沉降变化特征和主要沉降层位进行了精准...     

浅层地下水人工回灌应用于上海市工程性地面沉降防治的试验研究

上海地面沉降主要由过量开采地下水资源和大规模工程建设等因素共同影响,工程性地面沉降引起的地面沉降漏斗严重影响了周边地区生命线工程的建设及运营安全。通过开展试验研究,将深部承压含水层中应用成熟的地下水人工回灌技术引入浅部含水层中,但由于浅部含水层砂层结构及水动力条件与深部含水层差异较大,回灌工艺及方法也存在差异。本次试验工作中,改进了地下水人工回灌工艺流程,并通过同步地面形变监测分析了浅层地下水人工回灌对控制地面沉降的作用效果。结合上海地区实际地层特征以及各种回灌工艺的实际效果,评价了浅层地下水人工回灌技术在防治工程型地面沉降中推广应用的可行性及适用性。     

Dewatering induced subsidence during excavation in a Shanghai soft deposit

Foundation dewatering has become a major cause of land subsidence in Shanghai. The burial depth of foundations in relation to geotechnical construction works is less than 75 m, and the corresponding groundwater includes phreatic, low-pressure artesian, and the first confined aquifers. Based on the geological and hydrogeological conditions beneath Shanghai, methods of dewatering may be divided into three modes and further five patterns according to the insertion depth of the dewatering-retaining system. The most common dewatering mode aims to reduce the water pressure in the confined aquifer by setting the dewatering wells inside the pit, whilst the retaining walls are buried in the confined aquifer and partially cut off the confined aquifer layer. To predict the settlement due to foundation dewatering, numerical models are generally adopted, which are similar to those used to predict land subsidence induced by regional groundwater withdrawal; however, since foundation dewatering is conducted along with the setting of retaining walls and foundation pit excavation, which differs from regional groundwater withdrawal, interactions between the retaining wall-dewatering well, the dewatering-excavation, and dewatering-recharge are important factors affecting the analytical model. Since the grading of the shallow soil layers is different, stratified settlement characteristics of the shallow soil strata and seepage erosion, which results in additional deformation, need to be given particular consideration.     

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。     

天津市地面沉降数值模拟研究

地面沉降是天津市的主要环境地质问题。造成天津市地面沉降的原因很多,但主要原因是大量开采地下水。本文重点研究开采地下水条件下的地面沉降数学模型及模拟,为控制地面沉降提供科学依据。通过对第四系的水文地质条件分析,建立第四系的水文地质概念模型和地层压缩概念模型,并建立相应的准三维水流数学模型和一维地层压缩数学模型,两者通过含水层水头和弱透水层粘性土中孔隙水头的内在联系耦合在一起。利用以往系列水位数据和沉降数据对模型进行标定,模型基本上反映了天津市地面沉降的实际情况。