南水北调前后北京平原区地下水和地面沉降演变特征

超量开采地下水引发的地面沉降已成为制约北京区域社会经济可持续发展的重要因素之一。2014年12月,南水北调中线工程正式通水,每年向北京输水超过10×108 m3,改变了北京供水格局,也为地下水压采、涵养及控制地面沉降创造了条件。本文利用多种监测数据,分析南水进京前后,北京平原区地下水和地面沉降的变化;研究不同水位变化模式下不同岩性及深度土层的变形特征;计算土层不同变形阶段的弹性和非弹性储水率;并对黏性土层产生较大残余变形和滞后变形的原因进行了探讨。结果表明：① 2015～2020年,平原区大部分地区第一至第四含水层组地下水位逐渐上升,地面沉降呈减缓的趋势。② 第二和第三压缩层组是沉降主要贡献层,除平各庄和榆垡站外,其余各站第三压缩层组沉降占比逐渐增大,沉降主控层有向深部转移的规律。③ 平原区北部和东部,第二和第三压缩层组对应的地下水位由降转升。在水位下降阶段,土层呈塑性和蠕变变形;水位上升阶段,土层以塑性变形为主,部分时间出现弹性变形,具有黏弹塑性。平原区南部,地下水位始终持续下降,土层变形始终呈塑性和蠕变变形。含水砂层则主要呈弹性变形。④ 土层变形的不同阶段,弹性和非弹性储水率并不是恒定的,随着地下水位下降,储水率呈减小的趋势。⑤ 黏性土层存在较大残余变形和变形滞后的原因,一是非弹性储水率大于弹性储水率,二是黏性土层的弱渗透性。     

短时空基线PS-InSAR在北京地面沉降监测中的应用

短时空基线PS-InSAR采用同时控制时间基线和垂直基线的方法,在一定程度上避免了时空失相关问题。文中采用短时空基线PS-InSAR的方法监测北京区域地面沉降,分析了区域地面沉降中的时间序列演化特征,以及抽取地下水、断裂带对地面沉降的影响。结果发现时间序列上的地面沉降存在明显的季节性变化特征,抽取地下水作为导致地面沉降的主要原因,在一定程度上还取决于断裂带的影响,地面沉降中心区域并没有完全与地下水漏斗吻合,这可能与可压缩土层的厚度有关。     

地面沉降对含水层参数及给水能力的影响研究

地面沉降主要由深层地下水开采造成,含水层的压缩释水是深层地下水开采量主要构成来源,同时随其压缩变形孔隙比减小造成储水系数、渗透系数的减小,对弱透水层非弹性释水量、越流补给量造成影响。地面沉降过程中的水文地质参数非线性变化及对承压含水层系统的反馈作用也成为水文地质领域的前沿问题。为对地下水开采量、沉降量、地质参数变化以及给水能力变化之间的关系做一个较为定量定性的探究,以含水层压缩过程中的物理机制为依据,并基于沧州地区深层承压含水层的地下水位变化过程和水文地质参数,采用数学手段构建储水系数和渗透系数变化的一维非线性沉降模型。模拟结果显示随承压水头下降,储水系数最高可减小77%,含水层系统的给水能力和储水能力会随压缩变形减小50%甚至更多。研究成果为深入认识水文地质参数与应力变化相关关系、科学评价承压含水层地下水储水调节能力有重要借鉴意义。     

简述地面沉降的研究进展

分析引起地面沉降的人为因素和自然因素,综述抽取地下水、开采石油和水溶性气体及建筑荷载诱发地面沉降的三种机制.介绍全球定位系统、地下水位自动监测、合成孔径雷达干涉测量、分层标与自动监测四种地面沉降监测技术的特点、发展及应用.概述地面沉降预测和灾害损失评估研究及其治理进展的状况.     

三维区域地面沉降数值模拟

由于地裂缝研究及地表变形监测技术（例如GPS,InSAR等）的快速发展,抽取地下水引起的地层水平位移受到关注。传统区域地面沉降模型虽然求解快速但不能模拟水平位移;比奥模型虽然能够模拟土体的三维变形,但模型求解的计算量较大,较少应用于大尺度的区域地面沉降数值模拟。为解决以上问题,推导了解耦三维地面沉降数学模型,模型推导过程显示：比奥模型假设法向总应力和不变,则可简化为解耦三维地面沉降模型;解耦三维地面沉降模型假设土体仅有垂向一维变形,则可简化为传统区域地面沉降模型。同时通过数值试验验证了解耦三维地面沉降模型可以作为比奥模型的替代模型和传统区域地面沉降模型的改进模型,用来模拟抽取地下水引起的三维区域地面沉降。     

徐州大屯中心区地面沉降机理分析与危险性评价

地面沉降已经成为世界主要的环境地质灾害,过量抽取地下水是地面沉降主要的诱发因素.徐州大屯中心区从1976年开始观测地面沉降,1988年建立了地面沉降观测系统,观测数据显示2006年累积沉降量达到873mm.本文以该地区20多年的地下水位观测、地面沉降观测资料为基础,在地理信息系统软件ArcGIS支持下,分析了该地区地面沉降发展演化及沉降机理,并根据累积沉降量进行了危险性评价.     

2001-2020年上海市地面沉降灾害经济损失评估

地面沉降是加速潮灾、涝灾等自然灾害的风险源.由于上海市市政建设和高层建筑的建设以及周边地区继续抽取地下水的影响,地面沉降趋势仍在继续.这使上海市在未来必将遭受地面沉降灾害所产生的巨大经济损失.分析了上海市未来地面沉降灾害产生经济损失的可能性、损失程度等.通过对影响未来地面沉降灾害经济损失不确定因素的分析,运用统计方法评估了2001-2020年间上海市地面沉降灾害风险的经济损失.经评估,2001-2020年上海区地面沉降灾害风险经济损失总额为245.7亿元.     

地下水开采引发的地面沉降易发性区划及控制措施

北京市地下水严重过量开采,造成了地下水位大幅下降,引发了大面积的地面沉降.为避免更大范围的地面沉降,本文通过选取粘土层厚度、地下水水位下降速率、地下水开采量三个影响因素,根据各自影响程度确定影响因子权重,利用GIS叠加方法开展地面沉降易发性分区.结合南水北调水资源配置提出地面沉降防控对策,为地下水开采布局优化及地面沉降防治提供科学依据.     

超采地下水对地面沉降的影响

本文旨在研究大量抽取地下水对地面沉降影响的问题,列举很多这类问题的具体实例,同时指出很多位于沿海一带和过度使用地下水的城市中,除地面沉降以外还发生了海水淹没城区的灾害。在分析塔林和莫斯科市抽取地下水的工作经验基础上,对地表严重下沉和喀斯特-潜蚀灾害的发育进行评估。对首先通过减少地下水开采预防地面沉降的现有经验进行简要描述。     

基于地下水渗流方程的三维地面沉降模型

针对地下水抽取引起的大面积地面沉降的问题,提出了一种计算方法。该方法基于饱和与不饱和岩土介质中地下水渗流理论,计算出三维状态下的大面积地面沉降。提出的方法被结合到地下水渗流的三维有限元法分析中,计算时考虑了地层的可压缩性,并被用来分析软土的固结,将该法与太沙基理论及固结试验的结果进行比较,结果表明其误差小于2 %。该法还被用来分析单井抽取承压地下水引起的周围地基的沉降及承压水层由于挡水板的阻断作用而引起的下游侧的地基的沉降。     

唐山沿海地区地面沉降渗流固结耦合模拟研究

唐山沿海地区经济在迅速发展,沿海地区城市化规模在扩大,地下水开采量增大,地面沉降加剧.文中分析了唐山沿海地区的水文地质条件,概化为3个含水层、3个弱透水层,共6个压缩层.建立了三维地下水流和垂向一维压缩完全耦合模型.采用25a的观测资料校正模型,计算值与实测值拟合较好,模型具有较高的仿真性和适用性.预测了10a末的地面沉降;当地下水以现有开采量开采时,沉降中心累计达1192.3mm, 10a沉降352.3mm,沉降速率为35.23mma-1;当地下水的开采量在现有开采量的基础上增加10%时,沉降中心累计达1260.8mm, 10a沉降420.8mm,沉降速率为42.08mma-1; 当地下水的开采量在现有开采量的基础上减小10%时,沉降中心累计达1088.7mm, 10a沉降247.9mm,沉降速率为24.79mma-1.增大10%的地下水开采量, 10a地面沉降量增加68.5mm;减少10%的地下水开采量, 10a地面沉降量减少104.4mm.因此,控制地下水开采量是控制地面沉降的有效方法.     

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。     

渗透性水平向各向异性导致椭圆形地面沉降漏斗的一个性质

水平向渗透系数各向异性会导致抽水产生的水位降深等值线呈现椭圆形,进而产生椭圆形地面沉降漏斗,这种椭圆形地面沉降漏斗的现象在现实中广泛存在。渗透系数均质各向同性的圆形地面沉降漏斗中,地面某点沉降值s与该点至漏斗中心的距离r之间符合s- 线性关系,渗透性水平向各向异性导致的椭圆形地面沉降漏斗也具有s- 线性关系规律。应用地下水动力学相关理论,经过理论推导,得出了椭圆形地面沉降漏斗各径向线上半对数线性关系式 中常数项 、 与径向线方位角θ之间的函数关系式,即 、 与 或 的平方呈正比,该函数关系式得到中国、美国和印度共6个区域性地面沉降漏斗实例的有力验证。对公式验证回归所得的12个相关系数中,1个为87.19%,其余11个都在90%以上。以上渗透性水平向各向异性导致的区域性椭圆形地面沉降漏斗的性质,公式简单实用,可方便应用于椭圆形地面沉降漏斗中非监测点的沉降值推测,利于全面了解椭圆形沉降漏斗信息,具有广泛应用价值。     

Land subsidence caused by groundwater exploitation in the Hangzhou-Jiaxing-Huzhou Plain, China

Hangzhou-Jiaxing-Huzhou Plain in northern Zhejiang Province, located between the Yangtze and Qiantang Rivers, is one of the regions where economic development is most rapid in China. Geological and hydrogeological surveys reveal a multi-layered aquifer system beneath the plain, which includes Holocene phreatic water layers and Pleistocene confined aquifers. Based on the historical records of groundwater extraction, groundwater levels, and ground settlement from 1964 to 2000, it is shown that ground subsidence has resulted from the continuously increasing extraction of groundwater from deep confined aquifers, and that the evolution of land subsidence can be characterized by a multifractal model. Based on this model, a set of empirical power-law relations have been established between: the land subsidence velocity and the annual groundwater extraction; groundwater drawdown and the annual land subsidence velocity; and the amount of land subsidence and the associated area of land. A set of indices are proposed for evaluating dynamic evolution of groundwater exploitation and land subsidence for the Hang-Jia-Hu Plain, from which the critical degree of evolution of land subsidence in the near future can be estimated using data on groundwater exploitation and water level changes.

Land subsidence in Tianjin,China

Land subsidence has been affecting Tianjin for the past 50 years. It leads to comprehensive detrimental effects on society, the economy and natural environment. Overpumping of groundwater is the main cause. In 2008, the maximum cumulative subsidence reached 3.22 m and the total affected area nearly 8,000 km². The subsidence reached its most critical state in the early 1980s when it occurred at a rate as high as 110 mm/year. At the same time, groundwater extraction had also reached a maximum of 1,200 million m³. By importing the Luan River to Tianjin and restricting exploitation of groundwater, hydraulic heads gradually recovered after 1986 in all aquifers, and this has continued to the present in the second aquifer. The subsidence rate in urban areas dropped to 10–15 mm/year. The area of groundwater extraction expanded to the suburban area with economic growth in the 1990s, and it was shifted to the third and fourth aquifers. At present, with a subsidence rate of 30–40 mm/year, four new suburban subsidence centers have been formed. Several measures were adopted to mitigate and prevent land subsidence disasters. These included restricting groundwater exploitation, groundwater injection, prohibiting use in the specific zone, a pricing policy for water resources, advocating water-saving technology, and strict enforcement of groundwater laws. Although the subsidence area is still increasing slowly, the subsidence rate is being controlled.     

上海市承压含水层系统应力-应变特征及地面沉降防治对策

1990年以来，上海市地下水开采与人工回灌格局发生了较大的变化。承压含水层地下水位变化与压缩变形均表现为新的特点与发展趋势。通过对上海中心城区含水层系统的应力一应变特点分析，总结了承压含水层随地下水位下降所表现出的弹性一弹塑性一塑性变形的演化规律。上海中心城区第Ⅱ、Ⅲ承压含水层总体上处于地下水开采与人工回灌的平衡状态，表现为弹性变形；而第Ⅳ、Ⅴ承压含水层由于地下水位目前已严重低于其“临界水位”，表现为持续压缩的塑性变形。目前，第Ⅳ承压含水层对中心城区地面沉降贡献率已达到了49．3％，西部华漕地区第Ⅴ承压含水层变形的贡献率为46．7％。针对各承压含水层不同的变形特点，提出了地下水资源管理与地面沉降防治对策。     

上海市城市化进程引起的地面沉降因素分析

20世纪90年代上海中心城区的地面沉降在地下水开采量没有增加的情况下出现了新一轮的增长。与此同时,上海进行了大规模的城市化建设。通过对中心城区地面沉降量与工程建设进行相关性分析发现,近年来中心城区的地面沉降量与工程建设具有相关性。目前城市化建设引起地面沉降的现象已受到关注,但尚缺乏对城市化进程引起地面沉降机制的系统研究。针对上海市城市化进程引起地面沉降的因素进行分析探讨,城市化进程引起的沉降包括建筑物荷载及交通荷载等外荷载引起的沉降,基坑开挖、降水及隧道施工等工程施工引起的土体压缩,以及隧道渗漏,周边地区对地下水补给量的减小,地下构筑物挡水效应等引起的地下水位持续下降而诱发的沉降     

地面沉降对高速铁路的影响分析

北京平原区快速发展的地面沉降对高速铁路的发展构成了威胁,地面沉降与过量开采地下水造成的水位下降关系密切,为此有针对性地开展基于高速铁路的地下水动态与地面沉降相关关系研究对于高铁安全运行意义重大,特别是对于制定高铁沿线地下水开采方案、地面沉降减缓措施和工程措施至关重要。基于其对高速铁路的影响模式,本文将地面沉降分为区域沉降和局部沉降两种类型。针对区域沉降,利用Logistic方程,使用天竺、望京及王四营分层地面沉降和地下水位数据,构建了不同层位地下水水位变化与地面沉降之间的相关关系模型,通过ABAQUS计算局部地区,对于6m高路堤和15m CFG桩处理深度的地基而言,当渗透系数k=2m／d,距离线路边缘25m处浅层地下水下降10m将产生约61—85mm的沉降。     

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。