基于防治德城區(qū)地面沉降控制深層地下水開(kāi)采的模擬研究

馬書(shū)濤，張文靜，蓋廣民，馮　靜，邢立亭

(1.山東省德州市水文局，山東 德州 253016；2. 濟(jì)南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

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基于防治德城區(qū)地面沉降控制深層地下水開(kāi)采的模擬研究

馬書(shū)濤1，張文靜2，蓋廣民1，馮靜1，邢立亭2

(1.山東省德州市水文局，山東 德州 253016；2. 濟(jì)南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

山東省德州市德城區(qū)由于地下水的大量開(kāi)采，形成了大規(guī)模的地下水降落漏斗，地面沉降問(wèn)題尤為突出。采用回歸分析方法，從單井開(kāi)采量、區(qū)域總開(kāi)采量、不同深度開(kāi)采等方面分析深層地下水開(kāi)采與地面沉降的關(guān)系，全面分析深層地下水開(kāi)采和地面沉降之間的關(guān)系，結(jié)果表明兩者的線性趨勢(shì)顯著，由此得出地面沉降主要是由深層地下水開(kāi)采量導(dǎo)致的。為控制地面沉降，采用水量均衡法方法計(jì)算城區(qū)深層地下水開(kāi)采量應(yīng)小于47 945 m3/d，該結(jié)果為后續(xù)的地面沉降防治工作提供了明確方向和理論基礎(chǔ)，使得防治工作更具針對(duì)性。

降落漏斗；地面沉降；超量開(kāi)采；相關(guān)關(guān)系；模型預(yù)測(cè)

地面沉降是指由于自然因素或人類工程活動(dòng)引發(fā)的地下松散巖層固結(jié)壓縮并導(dǎo)致一定區(qū)域范圍內(nèi)地面高程降低的緩慢的地質(zhì)災(zāi)害[1]。它會(huì)造成房屋開(kāi)裂、道路排水困難、河道防洪能力低下，除此之外，還會(huì)引發(fā)管道、鐵路安全隱患[2]。造成地面沉降的因素多種多樣，其中，超采深層地下水是本區(qū)最主要的原因[3]。

國(guó)外研究地面沉降有比較久遠(yuǎn)的歷史，1891年墨西哥城最早記錄地面沉降現(xiàn)象[4,5]。1936年，J.A.Guevas發(fā)表了《墨西哥城的地面沉降問(wèn)題》，以及英國(guó)的T.E.Longfied發(fā)表《倫敦地面沉降》論文后，地面沉降現(xiàn)象才開(kāi)始受到廣泛的關(guān)注[6]。地面沉降研究成果最多的國(guó)家主要是美國(guó)和日本。左藤邦明編寫(xiě)了“地面沉降的基礎(chǔ)理論”[12]。1991年，Leake. S. A提出了模擬區(qū)域地下水流模型的垂直壓密的新程序[7]。2005年-2010年，地面沉降研究持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展，其成果在2010年10月在墨西哥召開(kāi)的“第八屆國(guó)際地面沉降學(xué)術(shù)研討會(huì)”上得到了較為全面的展示[8]。在國(guó)內(nèi)，上海市、天津市對(duì)地面沉降研究最為系統(tǒng)[9]。1964年5月，上海召開(kāi)了“上海地面沉降專業(yè)會(huì)議”。1980年，全國(guó)地面沉降學(xué)術(shù)討論會(huì)在上海召開(kāi)，上海市的地面沉降的研究結(jié)果和控沉措施為國(guó)內(nèi)外地面沉降的研究和控制提供了很好的范例。1990年，天津召開(kāi)的全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害地面變形學(xué)術(shù)討論會(huì)取得了一些研究成果[10-13]。

在以往的研究中，一般采用回歸分析的方法尋找兩者的相關(guān)性，并算出相關(guān)系數(shù)確定適合的回歸方程。經(jīng)過(guò)初步分析，本文主要選擇線性回歸分析的方法從不同的角度來(lái)分析深層地下水開(kāi)采與地面沉降的關(guān)系。地面沉降對(duì)城市的影響較為多樣而且嚴(yán)重，做好對(duì)地面沉降監(jiān)控、治理和預(yù)防是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)[14]，這對(duì)珍貴資源的合理利用、生態(tài)環(huán)境的有效保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)健康發(fā)展都有很大的幫助[13]。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)為德州市德城區(qū)，面積539 km2，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。多年平均氣溫為13.8℃，多年平均降水量為594 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 038.2 mm。

研究區(qū)位于由黃河沖積形成的平原內(nèi)，地形開(kāi)闊平坦，地勢(shì)整體上在東西方向上呈山字形的。區(qū)內(nèi)以河灘高地、緩平坡地、緩平洼地、和背河槽狀洼地等地貌形式為主。本區(qū)位于新生代斷陷盆地，從中生代開(kāi)始，由于山體運(yùn)動(dòng)而逐漸降低，沉積了巨厚的新生界，自下而上主要分為古近系、新近系和第四系[15](見(jiàn)圖1)。

圖1　研究區(qū)等水位線圖

本區(qū)屬于黃河下游沖積平原區(qū)，260 m以上沉積物為第四系沖積、湖積、海積相沉積，土層巖性多為粉土、粉質(zhì)粘土及細(xì)砂、粉砂、粉細(xì)砂，分布特征主要受沉積環(huán)境影響，其天然含水量、孔隙比、壓縮性均較大；260～1 300 m沉積物為明化鎮(zhèn)組沖積、沖湖積相沉積，土層巖性主要為粉土、粉質(zhì)粘土及細(xì)砂、中細(xì)砂，具有上細(xì)下粗的特點(diǎn)，其天然含水量、孔隙比、壓縮性相對(duì)較小。區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于第四系與新近系明化鎮(zhèn)組松散沉積空隙裂縫中。受沉積環(huán)境影響，區(qū)內(nèi)含水層在平面上呈條帶狀分布，剖面上含水層表現(xiàn)為獨(dú)立的凸鏡體鑲嵌于壓縮層內(nèi)，同一含水層組內(nèi)部一般不存在完全的隔水層，僅有粘土、亞粘土層等構(gòu)成相對(duì)隔水層，含水層通過(guò)“天窗”或相對(duì)隔水層越流產(chǎn)生水力聯(lián)系。

圖2　水文地質(zhì)模型示意圖

綜合區(qū)內(nèi)地層的各項(xiàng)水文地質(zhì)條件將880 m以淺的地層劃分為八個(gè)含水層、九個(gè)壓縮層和一個(gè)表土層。并將第三～第八承壓含水巖組概化為兩個(gè)含水層組(見(jiàn)圖2)，其中埋深300～500 m以上為第Ⅲ含水層組，埋深500～800 m為第Ⅳ含水層組，中間為一越流層。根據(jù)德城區(qū)深層地下水的實(shí)際開(kāi)采情況，確定所研究的含水層組主要以第Ⅲ含水層組為主。

2　深層地下水開(kāi)采與地面沉降關(guān)系研究

本文主要從單井開(kāi)采量與其附近地面沉降的關(guān)系、總開(kāi)采量與單點(diǎn)地面沉降的關(guān)系、不同深度開(kāi)采與地面沉降的關(guān)系三方面入手，利用線性回歸的方法研究深層地下水開(kāi)采與地下水位的相關(guān)關(guān)系、地下水位與地面沉降的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而得出深層地下水開(kāi)采與地面沉降的相關(guān)關(guān)系。

2.1單井開(kāi)采量與其附近地面沉降關(guān)系

開(kāi)采量選取位于沉降中心區(qū)附近的K21井開(kāi)采量。該井位于德城區(qū)陳莊鄉(xiāng)李莊，建于1980年，井深400 m，取水段為第Ⅲ含水層組。而沉降量選擇離該開(kāi)采井最近的D91監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其開(kāi)采量與地面高程的關(guān)系如圖3所示。

圖3　K21井開(kāi)采量與地面高程相關(guān)關(guān)系圖

由圖3可知，位于中心沉降區(qū)附近的k21深井開(kāi)采量與地面高程的關(guān)系為：

y=-0.023 6x+21.723

隨著該深井開(kāi)采量的增加，地面高程不斷降低，即沉降量不斷增加(沉降量等于地面高程差)，每增加單位開(kāi)采量，沉降量平均增加約23.6 mm。

2.2總開(kāi)采量與單點(diǎn)地面沉降關(guān)系

開(kāi)采量選擇整個(gè)德城區(qū)的總開(kāi)采量，沉降量仍選擇D91監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，開(kāi)采量與地面高程的關(guān)系如圖4所示。

圖4　德城區(qū)總開(kāi)采量與單點(diǎn)地面高程相關(guān)關(guān)系圖

由圖4可知，總開(kāi)采量與單點(diǎn)地面高程的關(guān)系為：

y=-8.1×10-5x+21.360

隨著總開(kāi)采量的增加，地面高程降低，即沉降量增加(沉降量等于地面高程差)但相比該地區(qū)的單井開(kāi)采量而言，總開(kāi)采量對(duì)該地區(qū)沉降的影響不大(這要考慮到該地區(qū)深井開(kāi)采量在總開(kāi)采量中所占的比重)，每增加單位總開(kāi)采量，沉降量平均增加0.081 0 mm。

2.3不同深度開(kāi)采與地面沉降關(guān)系

考慮到不同壓縮層的固結(jié)系數(shù)不同，對(duì)不同深度含水層組的開(kāi)采引發(fā)的地面沉降量有可能不同。為進(jìn)一步了解其中的關(guān)系，選取德城區(qū)不同深度開(kāi)采量與地面沉降量做分析，其相關(guān)關(guān)系如圖5所示。

因此地面沉降量與不同深度開(kāi)采的關(guān)系為：

第Ⅲ含水層組：

y=-0.216 5x+266.2

第Ⅳ含水層組：

y=-1.130 6x+1961.1

第Ⅲ含水層組中地面沉降量與開(kāi)采量關(guān)系的相關(guān)系數(shù)為0.776 9，兩者相關(guān)性較好，在第Ⅳ含水層組中，相關(guān)系數(shù)為0.698 6，較第Ⅲ含水層組稍差。由上圖可知，第Ⅲ含水層組的開(kāi)采量較大，由于對(duì)第Ⅳ含水層組的開(kāi)采，減輕了地面沉降情況。

圖5　德城區(qū)不同深度開(kāi)采與地面沉降量相關(guān)關(guān)系圖

3　地面沉降防治

3.1地面沉降模型及預(yù)測(cè)

1)地下水位預(yù)測(cè)模型

利用Theis公式，把各年開(kāi)采量產(chǎn)生的降深，按疊加原理疊加起來(lái)，就得到開(kāi)當(dāng)采量變化時(shí)相應(yīng)的水位降深。

時(shí)刻經(jīng)歷若干個(gè)開(kāi)采量后所產(chǎn)生的總水位降深為

式中：設(shè)t0=0，相應(yīng)的Q0=0；s為降深(m)；Q為開(kāi)采量(m3/d)；T為導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)；t為時(shí)間(a)；r為計(jì)算點(diǎn)到抽水井的距離(m)；S為含水層貯水系數(shù)。

2)地面沉降預(yù)測(cè)模型

鑒于本區(qū)抽水區(qū)域較大，可壓縮土層厚度相比之下要小的多，而且粘土層中常夾有薄層砂，它對(duì)粘土的側(cè)向變形起了阻礙作用，目前情況下第三～五壓縮層粘土的二次固結(jié)不十分明顯。因此，對(duì)于粘土層的抽水固結(jié)問(wèn)題，可作為一維滲透壓固結(jié)考慮，適合Terzaghi一維固結(jié)模型。

按一維固結(jié)理論的總應(yīng)力法計(jì)算土層最終變形量：

Δp=Δh·rw

式中：S∞為土層最終變形量(m)；av為壓縮系數(shù)(kPa-1)；e0為初始孔隙比；Δp為水位變化施加于土層的附加荷載(kPa)；H為計(jì)算土層厚度(m)；Δh為t1-t2時(shí)刻含水層的水位變幅(m)；rw為水的重度(kN/m3)。

3)預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)地面沉降嚴(yán)重性由高到低，綜合區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件，在宏觀上將研究區(qū)分為Ⅰ沉降中心區(qū)、Ⅱ沉降發(fā)展區(qū)和Ⅲ沉降邊緣區(qū)。并在各個(gè)研究區(qū)內(nèi)選取具有代表性的點(diǎn)分析預(yù)測(cè)。

由圖6可得，德城區(qū)內(nèi)三種級(jí)別的沉降區(qū)在現(xiàn)狀開(kāi)采條件下地面沉降量均呈增加的趨勢(shì)。中心沉降區(qū)和發(fā)展沉降區(qū)較邊緣沉降區(qū)沉降量增加明顯，而中心區(qū)仍處于增加最快的狀態(tài)，到2020年，最大沉降量超過(guò)1 800 mm。因此，解決該地區(qū)的地面沉降是一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)。

圖6　德城區(qū)地面沉降預(yù)測(cè)圖

3.2地面沉降防治措施

1)控制深層地下水開(kāi)采量

采取規(guī)劃開(kāi)采、分質(zhì)供水和實(shí)現(xiàn)污水資源化等措施。均衡區(qū)在開(kāi)采條件下地下水資源的均衡方程式為：

式中：K為滲透系數(shù)(m/d)；M*B為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e(m2)；F為均衡區(qū)面積(m2)；I為水力梯度；h2為均衡區(qū)均衡時(shí)段末平均埋深(m)；h1為均衡區(qū)均衡時(shí)段初平均埋深(m)。

經(jīng)計(jì)算，均衡區(qū)開(kāi)采條件下地下水資源的允許開(kāi)采量為47 945 m3/d。

2)人工回灌深層地下水

回灌位置選擇工作區(qū)西南部回灌條件良好區(qū)和中部回灌條件較好區(qū)，選取南水北調(diào)的長(zhǎng)江水和黃河水，利用閑置井，并采用平均布井法布置，進(jìn)行人工回灌(見(jiàn)圖7)。

圖7　開(kāi)采井與回灌井位置示意圖

3)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)

定期進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，監(jiān)測(cè)地下水開(kāi)釆量、地下水位、地下水壓力、地下水水質(zhì)及回灌量等，根據(jù)沉降預(yù)測(cè)模型實(shí)施沉降發(fā)展預(yù)報(bào)。

4)加強(qiáng)工程建設(shè)

硫?qū)Ш拥朗蛊鋾惩?，興建排洪排澇相關(guān)工程，墊高建設(shè)場(chǎng)所并適當(dāng)?shù)卦黾拥叵鹿芫W(wǎng)強(qiáng)度等。做好搞好規(guī)劃工作，盡量讓開(kāi)一些較容易受沉降威脅和干擾的擴(kuò)建工程。

4　結(jié)語(yǔ)

(1)利用線性回歸分析方法，對(duì)研究區(qū)深層地下水開(kāi)采與地面沉降量關(guān)系進(jìn)行研究，符合沉降

量隨著開(kāi)采量的增加而增加的趨勢(shì)。其中，單井開(kāi)采量與其附近地面沉降情況相關(guān)關(guān)系明顯，具體可求，可充分利用此關(guān)系進(jìn)行后續(xù)的地面防治工作。相比之下，全區(qū)總開(kāi)采量和區(qū)內(nèi)某一點(diǎn)地面沉降量相關(guān)性不如前者，也在整體上反映出深層地下水開(kāi)采對(duì)地面沉降的影響。最后，由于不同壓縮層的固結(jié)系數(shù)不同，導(dǎo)致對(duì)不同深度地下水開(kāi)采對(duì)地面沉降量的貢獻(xiàn)也不同，特別是2000年以后，對(duì)第Ⅳ含水層的開(kāi)發(fā)利用使得地面沉降情況大大減輕。

(2)建立地面沉降預(yù)測(cè)模型。利用模型預(yù)測(cè)現(xiàn)狀開(kāi)采條件下，到2020年位深層沉降中心區(qū)的國(guó)棉廠一帶，地面累計(jì)沉降量達(dá)1 822.44 mm，沉降量大于1 000 mm的地區(qū)占工作區(qū)的26%，城區(qū)基本被700 mm等沉降線圈閉。

(3)根據(jù)區(qū)內(nèi)地面沉降發(fā)生的程度、分布范圍和發(fā)展變化趨勢(shì)，相應(yīng)的采取控制開(kāi)采量、人工回灌、監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、加強(qiáng)工程建設(shè)等措施。

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Simulation Study Based on Prevention of Land Subsidence and Control of Deep Groundwater Exploitation in Decheng County

MA Shu-tao1，ZHANG Wen-jing2，GAI Guang-min1，F(xiàn)ENGJing1，XING Li-ting2

(1.Dezhou Municipal Bureau of hydrology，Dezhou 253016, Shandong；2．College of resources and environment, University of Jinan，Jinan 250022, Shandong)

Due to the excessive mining of groundwater in Decheng county of Dezhou city, a large-scale groundwater drawdown funnel has formed, and the land subsidence problem is more serious. In order to control ground subsidence, it is necessary to strengthen the relevant research. By regression analysis method, this paper analysis the relationship between the single well exploitation quantity, the region's exploitation quantity, different depth mining and the land subsidence, and roundly analyzes the relationship between deep groundwater exploitation and ground subsidence. The result show that they has a linear trend notably. Conclusion: land subsidence is mainly caused by the deep groundwater exploitation. For land subsidence control, the method of linear regression analysis is took to calculate the deep groundwater exploitation quantity in in Decheng county, which should be less than 47945 m3/d. The result for the follow-up work of prevention and control of ground subsidence provides a clear direction and theoretical basis, and make the work more targeted.

Cone of depression；Land subsidence；Excessive exploitation；Correlation；Model prediction

2016-03-21

馬書(shū)濤(1975-)，男，山東禹城人，工程師，主要從事水文水資源監(jiān)測(cè)與研究。

P641.8

A

1004-1184(2016)04-0034-03