上海市地下水环境容量评价及其在地下水资源管理中的应用

通过在分析上海市地下水环境特征及地下水资源开发利用产生的环境问题,依据地下水位及地面沉降多年监测数据,确定了地下水位及地面沉降控制指标,并对地下水环境容量模型计算结果进行评价,在将其地下水资源管理应用中,取得较好成效。     

海河流域沉降区地下水资源承载力评价指标体系

海河流域大部分地区资源性缺水,历史上过度开采地下水导致了一系列的地质环境灾害,尤其是流域东部天津地区的地面沉降问题,是经济社会发展和地下水资源承载力不相协调调的具体表现。在有效进行地下水资源管理来防治地面沉降的过程中,面临的首要问题之一就是地下水资源承载力的评估。探讨了此前天津地区地下水环境容量指标在地下水资源承载力评价中的局限性,并提出“土水比”评价指标,构建“土水比”指标体系。     

海河平原地下水资源可持续利用前景评价

本文通过综合分析海河平原地下水资源盈余量以及建立典型三级区平原开采系数与地下水水位下降速率、地面沉降速率的关系,分析了各三级区平原依靠环境容量可扩大开采量,根据疏干时限性评价指标对海河平原地下水的开采潜力进行了评价,客观展现了维持现状开采条件下研究区地下水资源可持续利用的暗淡前景。     

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。      

上海地面沉降管理对策与法制建设

地面沉降是上海地区最主要的地质灾害类型,对上海市经济建设与可持续发展造成了较为明显的影响。解放后．上海市不断探寻科学有效的地面沉降防治措施。1965年,通过大规模压缩地下水开采、开展地下水人工回灌、调整地下水开采层次等措施,有效的控制了地面沉降的发展。但随着改革开放和经济建设的发展,地下水的开发利用规模不断加大,上世纪90年代末以来,地面沉降又呈现出微量增长的态势,为此,“十五”期间,上海市进一步采取措施,开展地下水专门回灌工作,并针对工程建设对地面沉降影响开展研究,进一步拓展了地面沉降研究领域并加强了地面沉降防治管理。要使地面沉降防治工作得到全社会的重视,没有相关的法律法规是难以实现的,“上海市地面沉降防治管理办法”的正式出台,标志着地面沉降防治工作将有法可依,将进一步规范地面沉降防治与管理工作。本文将结合“上海市地面沉降防治管理办法”,回顾上海市地面沉降防治管理措施开展所取得的效果,并对进一步加强地面沉降管理与法制建设提出建议。     

上海地面沉降研究的过去、现在与未来——资源与环境的对立、统一

地面沉降是我国东部沿海平原地区城市化进程中资源与环境由对立走向统一的焦点之一。上海市区地面沉降系统的监测、研究与防治工作起步较早,所取得的成果与经验需要认真的总结与深刻反思。本文仅对其中的部分现象与问题提出了个人意见。 上海市地下水与地面沉降的动态监测已四十年,对地面沉降规律、机理与防治措施的研究取得显著的成果。现在,上海市地     

地下水环境容量初探——以济南泉域为例

分析了水环境容量的内涵和地下水资源开发利用产生的环境效应,探讨了地下水环境容量的概念,认为地下水环境容量是用来表征一定目标约束下,地下水系统对自然或人类活动影响所能承受能力的最大阙值,其评价指标可采用地下水临界水位、可持续开采量、TDS、水温、纳污能力等单项指标或多项综合指标。以济南泉域为例,采用地下水位与泉流量作为济南泉域岩溶地下水环境容量的阙值,论证了地下水环境容量的动态可变性。最后指出了地下水环境容量研究的发展趋势。     

天津地面沉降区地下水资源超采和涵养恢复阈值的讨论

天津市地面沉降属于典型的水资源短缺型地面沉降,发育范围广,沉降程度高,灾害损失大,有效防治天津市地面沉降的主要手段是严格控制地下水资源超采、涵养恢复地下水含水系统。从地下水流动系统和地面沉降的发育特点出发,综合分析讨论,认为天津沉降区整体上地下水已经超采,仅研究小区域地下水是否超采,存在“以小论大”的误区,宜以水文地质单元为单位来开展超采情况评价,地下水资源实现有效涵养恢复的阈值是要求地下水位恢复至地面沉降临界水位以上。     

上海地面沉降风险评价及防治管理区建设研究

在阐述地面沉降风险基本内涵及特征基础上,以上海市为例,详细介绍了地面沉降风险评价的工作流程、评价指标及评价方法。以地面沉降风险评价结果为基础,结合上海目前地面沉降防治工作体系,将地面沉降风险管理与地面沉降防治管理主体相结合,提出了＂十二五＂期间上海地面沉降风险管理区建设方案。     

控制上海市地面沉降研究规划设想“在低水头下寻求动态平衡的方法”

一、控制上海市地面沉降研究工作现状及存在问题上海市“控沉”研究工作经过十多年各方面协同努力,使市区地面沉降得到了基本控制。但是以往工作中过于强调了“过量”抽汲地下水是造成市区地面沉降的主要因素。并把人工回灌作为“控沉”的唯一手段。     

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。     

Sustainable development and utilization of groundwater resources considering land subsidence in Suzhou,China

Suzhou is located at the lower reaches of the Yangtze River in southeastern Jiangsu, China. It is part of the Su-Xi-Chang area including Suzhou, Wuxi and Changzhou. As one of the most developed areas in China, this region has suffered from severe land subsidence caused by extensive groundwater exploitation since 1980s. The land subsidence was controlled by prohibition of groundwater exploration in the past several years. However, the surface water pollution prompted a new task of how to sustainably utilize the groundwater resource, especially to satisfy the emergency demands of water supply. In this paper, we took Suzhou as a representative case to discuss how to develop groundwater resources while controlling the land subsidence. The relationship between the deformation and the groundwater level was analyzed, with focus on the deformation features after the period of groundwater exploitation ban. The results confirmed the conclusion by Shi et al. (2007, 2008a): even in the period of rising groundwater level, same units may manifest different deformation characteristics, such as elasticity, elasto-plasticity, and visco-elasto-plasticity, at different locations of the cone of depression. A land subsidence model that couples a 3-D groundwater model and a 1-D deformation model was developed to simulate the groundwater level and deformation. A high-resolution local grid (child model) for Suzhou was built based on the regional land subsidence model of Su-Xi-Chang area by Wu et al. (2009). The model was used for a number of predictive scenarios up to the year of 2012 to examine how to develop sustainable use of groundwater resources under the conditions of land subsidence control. Our results indicated that about 3.08 × 10⁷ m³/a groundwater could be provided as emergency and standby water source while meeting the land subsidence control target of 10 mm/a.     

基于地面沉降控制的区域性松散沉积层地下水可采资源规划评价

为了满足区域性松散沉积层地区地面沉降的防控要求,规划评价地下水的可采资源量,根据渗流理论和土力学理论,建立了地下水三维非稳定渗流与地面沉降耦合数学模型,并考虑了含水层孔隙度、渗透系数、储水率随含水层发生固结沉降的变化特征。采用三维有限元数值分析方法,以江苏省南通市地下水开采为例,基于地面沉降的控制要求,规划评价出了各乡镇各含水层的地下水可采资源量。结果表明：地下水开采布局科学规划后,总的可采资源量为17 870.56×10⁴ m³/a,较现状开采量10 902.32×10⁴ m³/a有较大幅度的增加。地下水三维变参数非稳定流与地面沉降耦合模型可以更加精确地刻画三维水文地质体的特征,更加符合实际情况。     

天津平原地面沉降条件下的深层地下水资源组成

根据天津平原地面沉降监测结果，采用水量均衡法，计算出深层地下水开采量中，浅层地下水越流补给量占38.2％，粘土性压密释水量占41．3％，弹性释水量占5．6％，侧向流入量占14．9％。在控制地面沉降的条件下，深层地下水持续利用的对策是调整开采三维布局，适度开发利用浅层地下水对深层地下水的越流补给。     

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。     

开采浅层地下水对地面沉降影响的探讨

苏锡常地区由于长期过量开采深层地下水，已诱发了严重的地面沉降灾害。为此，江苏省政府下达了在2005年全面禁采深层地下水的文件。为解决用水问题，许多专家、学者建议开采利用浅层地下水。在苏锡常地区开采浅层地下水是否会同样诱发严重的地面沉降问题，是目前争议的焦点。文章详述了苏锡常地区水文地质条件及地面沉降现状，确定了地面沉降的各种影响因素，分析对比了浅层地下水与深层地下水在开采条件下所能引起的地面沉降量，说明采用合理的开采工艺开发利用浅层地下水不会诱发严重的地面沉降。     

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。      

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。