城市地下水環(huán)境場(chǎng)變異與土結(jié)構(gòu)相互作用的理論分析

孔洲(山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

0 引言

城市區(qū)域的地下水以及巖土結(jié)構(gòu)的研究以及管理是城市地質(zhì)環(huán)境治理的最主要因素，也是防治城市地質(zhì)災(zāi)害的要素。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及社會(huì)的進(jìn)步，高層建的建設(shè)對(duì)地下地質(zhì)環(huán)境的變化產(chǎn)生較多的影響，巖土的表部特征、巖土結(jié)構(gòu)都影響了地下水的結(jié)構(gòu)以及環(huán)境場(chǎng)，從不同的角度進(jìn)行地下水環(huán)境的研究以及圖結(jié)構(gòu)相互作用的分析，強(qiáng)化治理水平，讓城市建設(shè)更加科學(xué)、可持續(xù)。

1 城市地下水動(dòng)力廠變異對(duì)巖土結(jié)構(gòu)的影響

城市地下水的動(dòng)力場(chǎng)變異是影響城市巖土結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的方式。城市地下水下降引起地面水位以及孔隙水壓的變化會(huì)間接地改變巖土的孔隙特點(diǎn)，土壤之間的顆粒應(yīng)力傳播也會(huì)發(fā)生變化。地下水的動(dòng)力條件發(fā)生改變巖土結(jié)構(gòu)在段時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生顆粒充足、碰撞、沉積、流失以及孔隙壓力收縮的情況，最終會(huì)引發(fā)城市地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，嚴(yán)重的時(shí)候甚至?xí)鸬刭|(zhì)災(zāi)害和環(huán)境地質(zhì)效應(yīng)的變化。

地下水在城市內(nèi)存在過(guò)度采集的情況，會(huì)形成大面積的區(qū)域性降落漏斗，發(fā)生粘性土釋水以及含水層、滯水層的壓縮現(xiàn)象，進(jìn)一步便會(huì)導(dǎo)致地面發(fā)生沉降的情況，大面積的負(fù)荷形變和低層水平位移，都會(huì)間接地引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。地下水的楔入作用和冰楔作用對(duì)地下水周邊的巖土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的壓力，巖土體裂因?yàn)槭艿降耐饨鐗毫Ρ容^大很容易引發(fā)崩塌和滑坡的新鄉(xiāng)。在黃土結(jié)構(gòu)的城區(qū)內(nèi)，就地下水的楔入作用會(huì)讓土粒之間的接觸效力減少，最終讓巖土之間的大孔性特征發(fā)生變化，黃土因?yàn)榻a(chǎn)生了沉陷現(xiàn)象，最終引發(fā)黃土濕陷的現(xiàn)象。

影響城市地下水動(dòng)力場(chǎng)變異的原因主要有兩種：

一種是地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)內(nèi)外動(dòng)力變化情況受到各種自然因素錯(cuò)綜影響，地下水的賦存的外在地形環(huán)境變化最終讓城市地下環(huán)境的水環(huán)境以及土壤性質(zhì)都受到較多的影響。

一種是城市人類(lèi)工程在建設(shè)以及開(kāi)采的過(guò)程中過(guò)度使用資源，外在的人為作用給地質(zhì)環(huán)境造成了一定的負(fù)荷，地下水與巖土結(jié)構(gòu)之間作用互相滲透、互相影響，最終造成城市地下水的動(dòng)力廠變異。

2 城市地下水化學(xué)場(chǎng)變異對(duì)沿途結(jié)構(gòu)的影響

城市區(qū)域的地下水化學(xué)性質(zhì)活潑易于發(fā)生變化，城市地下水涵蓋了地下水、地表水以及大氣水，三類(lèi)水資源循環(huán)擾動(dòng)，天然的成分正在逐漸減少，人類(lèi)生活的各類(lèi)污染物質(zhì)逐步流入到地下水系統(tǒng)中，造成城市巖土機(jī)率增大，加之地下水的影響很容易發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

城市地下水的組成成分較為復(fù)雜，不同類(lèi)型的地下水有不同的原始化學(xué)反應(yīng)條件，在化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中與周?chē)膸r土以及介質(zhì)發(fā)生不同的反應(yīng)，包括溶濾作用、混合作用、濃縮作用以及生物化學(xué)作用。城市地下水增加了大氣降水使得土壤中的水礦化度提高，滲透水中的有機(jī)質(zhì)氧化消耗溶解氧，使得地下結(jié)構(gòu)中的二氧化碳含量提升，城市土壤中植被的種植會(huì)分泌出大量的有機(jī)酸，有機(jī)酸溶解巖土中的礦物成分融入地下水中會(huì)改變地下水的pH 值和化學(xué)成分，而土壤中植被根部分泌的二氧化碳酒也會(huì)降低土壤的pH 值，酒促進(jìn)許多礦物質(zhì)融入到水中，一旦化學(xué)平衡被打破，地下水的化學(xué)成分也會(huì)發(fā)生較大的改變。

由于人類(lèi)的外部活動(dòng)干擾給地下水的化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)以及生物性質(zhì)發(fā)生變化，造成地下水的化學(xué)場(chǎng)都發(fā)生變異，尤其是城市的地下水是一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)工程，影響因素眾多，主要的化學(xué)場(chǎng)變化因素有以下幾點(diǎn)：

第一，地下水中的二氧化碳分壓不斷提高，空氣中的二氧化碳含量隨著生態(tài)環(huán)境的改善而不斷加強(qiáng)，例如溫室效應(yīng)、冰川熔化導(dǎo)致咸水內(nèi)流進(jìn)入到地下水系統(tǒng)，給原有的淡水體系化學(xué)場(chǎng)造成影響，水內(nèi)二氧化碳含量的增加造成鈣、鎂等難溶解的巖土結(jié)構(gòu)物質(zhì)都融入到地下水系統(tǒng)內(nèi)，造成地下水硬度增加。

第二，地下水中的氫離子、硫離子的濃度不斷提高。大量的塑料制品在土壤結(jié)構(gòu)中的掩埋以及分解都給生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定帶來(lái)較大的壓力，尤其是二氧化硫的增加引發(fā)酸雨現(xiàn)象使得地下水內(nèi)的氫離子和二氧化硫的濃度都大大增加，地下水中各項(xiàng)酸性離子的增加對(duì)巖土中的方解石、白云石產(chǎn)生腐蝕作用，使其被化學(xué)反應(yīng)引發(fā)地下水中的鈣離子以及鎂離子含量增加，可見(jiàn)，地下水的化學(xué)場(chǎng)發(fā)生改變給巖土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成了較大的影響。

第三，城市日常的建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞和影響是比較嚴(yán)重的，農(nóng)業(yè)上大量使用化肥、農(nóng)藥給地下水造成了較為嚴(yán)重的污染，工業(yè)廢水處理不當(dāng)導(dǎo)致有毒物質(zhì)以及重金屬流入到地下水系統(tǒng)內(nèi)，造成地下水的化學(xué)成分變得非常復(fù)雜，例如地下水內(nèi)氯離子的濃度提升與日益嚴(yán)重的生活污染嚴(yán)重有緊密地關(guān)系，污染物的地下水化學(xué)成分變得非常復(fù)雜，給周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境帶來(lái)了較大的負(fù)擔(dān)。

地下水動(dòng)力場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)變異因素綜合在一起會(huì)改變地下水的壓力、水位、徑流條件、滲流路徑、方向以及速度，二者影響因素是互聯(lián)互通的，兩場(chǎng)之間的變異對(duì)水土介質(zhì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的影響也是更加復(fù)雜、多層次的，最終會(huì)影響整個(gè)地下生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及平衡性，加劇水土化學(xué)作用，發(fā)生相應(yīng)的巖土力學(xué)效應(yīng)，需要重點(diǎn)做改善和影響效果的跟進(jìn)，確保地下水系統(tǒng)在城市底部可以穩(wěn)定運(yùn)行。

3 城市地下水物理變異對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響

地下水的物理性質(zhì)也會(huì)因?yàn)閯?dòng)力場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)的變化發(fā)生改變，地下水對(duì)巖土結(jié)構(gòu)的物理作用也具有一定的影響效應(yīng)。城市地下水對(duì)土體有潤(rùn)滑、軟化以及泥化的作用，地下水的物理變異和動(dòng)力條件的改變會(huì)在直接接觸土壤的時(shí)候產(chǎn)生較多的影響，包括水賦存給地質(zhì)條件變遷產(chǎn)生影響，間接地引發(fā)地震、滑坡以及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

城市地下水在與土體不連續(xù)邊界的時(shí)候產(chǎn)生阻力作用，隨著物理性質(zhì)的變遷地下水對(duì)土壤的摩阻力減小，在不連續(xù)面上剪應(yīng)力效力增強(qiáng)，誘發(fā)土體發(fā)生剪切運(yùn)動(dòng)，使得土體的摩擦力減小，土壤內(nèi)的粘粒效果不能發(fā)揮出來(lái)，此時(shí)會(huì)大大降低地下水都周邊土壤結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑作用。

地下水對(duì)土體的軟化和泥化作用主要表現(xiàn)在影響土體結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)，土體結(jié)構(gòu)面中的充填物含水量隨著外界環(huán)境的改變不斷變化，物理性質(zhì)發(fā)生從固態(tài)向塑態(tài)直至液態(tài)弱化的變化，地下水的結(jié)晶膠結(jié)作用對(duì)土體性質(zhì)從強(qiáng)化向軟化轉(zhuǎn)變，最終削弱了土壤顆粒之間的連接效應(yīng)，降低了土體抗剪強(qiáng)度，使得土壤之間的小顆粒水膜變厚，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)生改變，地下水對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的軟化和泥化作用也就大大降低。

4 城市地下水生物場(chǎng)變異對(duì)土體結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)于城市地下水內(nèi)含有的生物種類(lèi)，隨著生態(tài)環(huán)境的日益復(fù)雜，城市地下水內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性也大大增強(qiáng)，地下水內(nèi)含有的生物對(duì)于城市巖土地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響也是很多的，水土之間的影響是相互的，也是長(zhǎng)期的。隨著地下水生態(tài)環(huán)境的改變，生物廢物以及工業(yè)廢水等不同污染物造成地下水內(nèi)的生物很容易發(fā)生突變的現(xiàn)象，地下水生物場(chǎng)的變化也造成地下巖土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到影響。

城市地下水的生物場(chǎng)變異主要是城市人類(lèi)生活不合理活動(dòng)造成的，包括對(duì)地下水的過(guò)度開(kāi)采、巖土體開(kāi)挖運(yùn)搬、地表處理、工業(yè)三廢處理不斷給以及生活垃圾處理不合理等生態(tài)問(wèn)題都會(huì)造成地下水以及巖土表面的生物存在變異的情況，影響城市地下水生物場(chǎng)發(fā)生變異的因素主要有：

首先，隨著城市建設(shè)而產(chǎn)生的許多不合理建設(shè)行為給地質(zhì)環(huán)境帶來(lái)了較多的壓力，例如水體富營(yíng)養(yǎng)化、地下水污染等問(wèn)題都給地下水生物變異創(chuàng)造了促進(jìn)條件，直接或間接地造成生物場(chǎng)變異，產(chǎn)生正效應(yīng)以及負(fù)效應(yīng)對(duì)地下的巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

其次，工業(yè)三廢以及溫室氣體的排放造成溫室效應(yīng)和氣候變強(qiáng)，對(duì)地下土體以及地下水中微生物的生長(zhǎng)環(huán)境造成了改變，間接地導(dǎo)致了水體內(nèi)生物變異。廢水廢氣在其中的不科學(xué)處理也讓整個(gè)城市的生態(tài)系統(tǒng)遭受污染，生態(tài)平衡受到影響，環(huán)境條件的改變給微生物群種大量繁殖造成影響，同時(shí)也會(huì)讓不相適應(yīng)的種群在不健全的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)被抑制，甚至是被淘汰，在一定程度上減少了微生物種類(lèi)的豐富性，讓水體結(jié)構(gòu)以及巖土結(jié)構(gòu)的生物性能都發(fā)生了改變，穩(wěn)定性也受到了影響。

最后，城市建設(shè)給地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、流動(dòng)都產(chǎn)生了影響，地下水入滲、補(bǔ)給、水力聯(lián)系造成地下水水力狀態(tài)受到影響，加速地下水的污染進(jìn)程，水環(huán)境變異出現(xiàn)遷移，造成微生物分布狀態(tài)發(fā)生改變。受到這些因素的影響，地下巖土結(jié)構(gòu)總孔隙度、孔隙數(shù)量以及分布發(fā)生改變，土壤中的微生物活性以及分布發(fā)生了變化，通氣以及透水的情況都受到影響，加速了對(duì)巖土結(jié)構(gòu)的破壞，也讓土壤結(jié)構(gòu)內(nèi)的生物活性發(fā)生了較大的改變。

5 結(jié)語(yǔ)

城市的地下水系統(tǒng)是城市地質(zhì)環(huán)境中最為活躍以及變化最快的要素，是地質(zhì)環(huán)境研究以及地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的過(guò)程中最重要的部分，隨著城市建設(shè)的加深以及加快，地下水系統(tǒng)發(fā)生了較多的改變，包括動(dòng)力場(chǎng)變異、化學(xué)場(chǎng)變異、物理場(chǎng)變異以及生物場(chǎng)的變異，不同的變化給城市的地質(zhì)巖土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較多的影響，本文分析了城市地下水不同的變異對(duì)周邊土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，深度研究地下水與巖土結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，科學(xué)利用二者之間的關(guān)系優(yōu)化改善城市的地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定以及平衡，最終對(duì)我國(guó)社會(huì)的和諧長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。