（市政工程专业论文）阜阳市承压水流系统模拟与地面沉降预测.pdf

阜阳市承压水流系统模拟与地面沉降预测 摘要 因过量抽取承压含水层中的水引起的地面沉降问题，逐渐成为全球普遍关注的问 题，目前也是国内外学者的研究热点，其地质灾害具有发展缓慢、持续时间长、影响 范围广、破坏巨大，防治难度大等特点。阜阳市所在区域新生界松散地层厚约 5 0 0 一- 6 0 0 m ，发育有三套含水层组和两套分布于含水层组之间的弱透水层组，其中，中 层和下层的孔隙承压水是开采目的层；持续高强度的开采，引起承压水水位的大幅度 持续下降，使得由粘性土层组成的弱透水层组产生固结，进而在大面积范围内诱发了 严重的地面沉降。 在进行地面沉降模拟时，必须对含水层中地下水流场变化进行模拟；而要 模拟含水层中地下水流场的变化，又不可忽略相邻粘性土层固结而产生的“压 密释水 ；由于产生固结的粘性土层中的地下水流是非d a r c y 流，要对该层的地 下水渗流过程进行模拟，目前还难以实现。为此，提出建立固结量与压密释水 量的关系方程，通过分区的固结量与压密释水量关系方程，利用分步计算方法， 将粘性土层的太沙基一维固结方程与含水层中的拟三维渗流方程实现间接的耦 合。 利用1 9 9 6 年1 月至2 0 0 7 年1 2 月的水位测验数据和地面沉降中心的实测沉降 量，对间接耦合模型进行了识别与检验；计算结果表明，区域水位等值线以及 代表性观测孔中地下水水位过程拟合精度较好，中心点地面沉降累积量计算值 与实测值误差小于3 。利用识别检验后的耦合模型，对阜阳未来8 年中心地面 沉降在开采量不变和开采量减少为8 0 的情况下进行预测，2 0 1 5 年阜阳中心地 面沉降累积量分别1 7 8 0 2 m m 和1 7 1 5 4 m m 。 关键词：承压水流系统；压密释水；地面沉降；间接耦合 c o n f i n e dg r o u n d w a t e rs i m u l a t i o na n d l a n ds u b s i d e n c ep r e d i t i o ni nf u y a n gc i t y a b s t r a c t l a n ds u b s i d e n c ec a u s e db yo v e re x p l o i t a t i o no fe o n f i n e dg r o u n d w a t e rh a sb e c o m ea g l o b a li s s u e i t sa l s oac u r r e n tr e s e a r c hf o c u s ea th o m ea n da b r o a d ，t h eg e o l o g i c a ld i s a s t e r h a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w e rd e v e l o p m e n t ，l o n gt i m e ，e x t e n s i v ei n f l u e n c e ，e n o r m o u s d e s t r u c t i o na n dd i f f i c u l tc o n t r 0 1 c e n o z o i cl o o s eb e di nf u y a n ga r e ai sa b o u t5 0 0 m - 6 0 0 m ， t h e r ea r et h r e ea q u i f e rs y s t e m sa n dt w ow e a k e np e r m e a b l ea q u i f e rs y s t e m sb e t w e e nt h e s e a q u i f e rs y s t e m s ，a m o n gw h i c ht h em i d d e e pa n dt h ed e e pc o n f i n e da q u i f e rs y s t e m sa r e e x p l o i t a t i o nb e d s n l ec o n t i n u o u sh i g hs t r e n g t he x p l o i t a t i o nl e a d st ol a r g es c a l ed r o p so f w a t e rt a b l ec o n t i n u a l l ya n dc o n s o l i d a t i o ni na d j a c e n ta q u i f e r ，t h e ni n d u c e ss e r i o u sl a n d s u b s i d e n c ei nl a r g es c a l ea r e a s d u r i n gs i m u l a t i o no nl a n ds u b s i d e n c e ，t h eg r o u n d w a t e rf l o wc h a n g ei nt h ea q u i f e r m u s tb ec o n s i d e r e d w h e n s i m u l a t i n gg r o u n d w a t e rf l o wc h a n g e i n a q u i f e r ，t h e “c o m p r e s s i o n r e l e a s i n gw a t e r r e l e a s i n gf r o ma d j a c e n tc l a yl a y e rc a nn o tb ei g n o r e d a t p r e s e n t ，s i m u l a t i o no fs e e p a g ei sd i f f i c u l tt oc o m et r u eb e c a u s et h eg r o u n d w a t e rf l o wi n c l a yl a y e ri sn o tf i tt ot h ed a r c yf l o w t h e r e f o r e ，t h er e l a t i o n s h i pe q u a t i o nb e t w e e n c o m p r e s s i o n r e l e a s i n gw a t e r a n dz o n e dc o n s o l i d a t i o nv o l u m ei se s t a b l i s h e d ，a n ds t e p c o m p u t a t i o n a lm e t h o di su s e df o rc o m p u t a t i o n t h e n ，t h eo n e - d i m e n s i o n a lc o n s o l i d a t i o n a n dt h r e e d i m e n s i o n a lf l o we q u a t i o n sa c h i e v ei n d i r e c tc o u p l i n g t h em o n i t o r i n gd a t ao fw a t e rl e v e la n dt h em e a s u r e dd a t ao fl a n ds u b s i d e n c ef r o m j a n u a r yi n19 9 6t od e c e m b e ri n2 0 0 7a r eu s e df o rm o d e li d e n t i f y i n g n l er e s u l ts h o w st h a t w a t e rl e v e li s o l i n ea n dg r o u n d w a t e rl e v e lp r o c e s so f r e p r e s e n t a t i v eo b s e r v a t i o nw e l l sh a v eh i 曲 f i t t i n ga c c u r a c y ；t h ee r r o rb e t w e e nc a l c u l a t e dc u m u l a t eq u a n t i t ya n dm e a s u r e dv a l u ei sl e s s t h a n3 a sar e s u l t ，t h en e x te i g h ty e a r so fl a n ds u b s i d e n c ec u m u l a t eq u a n t i t yi nf u y a n g c i t ya r ef o r e c a s t e du n d e rt w oe x p l o i t a t i o nc o n d i t i o n sb yu s i n gt h ei d e n t i f i e dc o u p l e d m o d e l n l ep r e d i c t i v ev a l u e sa r e17 8 0 2 m ma n d1715 4 m mr e s p e c t i v e l yw h e nt h eq u a n t i t yo f g r o u n d w a t e re x p l o i t a t i o na r eu n c h a n g e da n dr e d u c e dt o8 0 o fm a i n t e n a n c eq u a n t i t y k e yw o r d s ：c o n f i n e dg r o u n d w a t e rs y s t e m ；c o m p r e s s i o n r e l e a s i n gw a t e r ；l a n d s u b s i d e n c e ；i n d i r e c tc o u p l e d 插图清单 图1 - 1 技术路线图1 0 图2 - 1 阜阳市多年平均气象要素图1 1 图2 - 2 阜阳市地下水等水位线分布图1 8 图2 - 3 阜阳市中心地面沉降量与承压水水位埋深、开采量关系图1 9 图2 - 4 阜阳市地面沉降等值线图2 0 图2 - 5 阜阳市地面沉降与开采关系2 1 图2 6 超固结土固结曲线2 3 图3 - 1 单向固结问题示意图3 1 图3 - 2 算法节点流程图3 7 图3 - 3 单一压缩土层示意图3 8 图3 4 多层压缩土层示意图3 9 图4 - 1 研究区水文地质概念模型4 0 图4 - 2 模拟区域范围示意图4 1 图4 - 3 研究区平面网格剖分图4 2 图4 - 4 研究区垂向网格剖分图4 2 图4 - 5 模拟区域井点布置示意图4 3 图4 - 62 0 0 7 年末计算水位与观测水位散点图4 4 图4 7f b g 6 0 6 观测井水位计算值与观测值对比曲线4 4 图4 - 8f b l 2 0 4 观测井水位计算值与观测值对比曲线4 5 图4 - 9f c 2 0 7 观测井水位计算值与观测值对比曲线4 5 图4 - 1 01 4 4 2 - c 观测井水位计算值与观测值对比曲线4 5 图4 - 1 1 第二含水层参数分区4 6 图4 - 1 2 第三含水层参数分区4 6 图4 - 1 3 主要压缩层物理力学性质指标4 7 图4 - 1 4 沉降分区图，4 7 图4 1 5 沉降体积量的简化计算示意5 l 图4 - 1 6 中心累计沉降量随时间变化5 l 图4 - 1 71 9 9 6 年1 月- - 2 0 0 7 年1 2 月阜阳市地面沉降等值线图5 2 插表清单 表2 - 1 阜阳市中、深层地下水历年开采量统计表1 7 表2 - 2 部分地面沉降监测点沉降量变化情况一览表1 9 表2 - 3 地面沉降坡度一览表2 0 表2 - 4 井点变形情况一览表2 5 表4 - i 观测井情况一览表4 3 表4 2 第二含水层参数分区取值表4 6 表4 - 3 第三含水层参数分区取值表4 6 表4 4 工程地质参数表4 7 表4 5 分区区域面积4 8 表4 6 沉降中心沉降量统计4 8 表4 7 第一粘性土层沉降量统计4 9 表4 - 8 第二粘性土层沉降量统计5 0 表4 9 中心最大沉降量预测5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金月巴工些太堂或其他教育机构的学位或证书而使i i 过i i 材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 签字日期：口7 学位论文版权使用授权书 年年月8 日 本学位论文作者完全了解金月巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月曼工些太堂可 以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 日 导师签名： j 7 如管 签字日期。听年吵月彦日 电话：侈淞侈游弓 邮编： 致谢 本文的研究工作是在陶月赞教授的悉心指导下完成的。论文的选题、构思、 资料的收集和修改，陶老师给予了我非常细心的指导。在接近三年的研究生学 习期间，他在学习和生活各方面给予我无私的帮助和鼓励，为我最终j i i 页n 完成 论文倾注了大量的精力和心血。他严谨的治学态度，渊博的知识，开阔的视野， 敏锐的思维，宽厚的为人做事风格，深深的影响着我，让我受益匪浅，激励我 不断进步。在此特向陶老师致以最诚挚的谢意和崇高的敬意! 感谢学院所有老师在我研究生期间的关心和帮助。 感谢师姐姚梅，师兄曹彭强、叶栋成，同门蒋玲、杨杰、殷玉忠、黄金书、 汪凯举以及师弟师妹们，正是由于他们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难 和疑惑，直至本文的顺利完成。 另外，我还要由衷的感谢我的父母和亲朋。十八年寒窗苦读，有我的辛勤 付出，更有他们的支持和理解，才能使我顺利的走到今天。 最后，衷心感谢评阅我硕士论文和出席论文答辩会的各位专家和老师，感 谢他们在百忙中给予我的指导。 作者：汪佳 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 国内外地面沉降概述 地面沉降是由于地下支撑物的移动导致的地面标高损失【l 】。从广义的地面 沉降概念而言，地面沉降是指在自然和人为因素作用下，由于地壳表层土体压 缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象【2 】，也是一种对资源利用、 环境保护、经济发展、城市建设和人民生活构成威胁的地质灾害。同时，地面 沉降具有成生缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等 特点。 造成地面沉降的因素有很多，可以归纳为自然因素和人为因素两大类。自然因素 主要包括：海平面变化、构造下沉、地震、火山活动、气候变化、地应力变化及土体 自然固结等，因此，地面沉降应是地质历史时期普遍存在的现象。人为因素主要 包括：开采地下流体资源( 油、气、水) ，开采地下固体矿产( 金属矿、煤、盐 岩等) 以及由工程建造而产生的地表、地下荷载。通常所说和所研究的地面沉降 都是指人为因素产牛的地面沉降。尽管地面沉降成因复杂，学术界还是得到公认 的结论p j ：地壳运动导致的地面沉降有可能存在，但沉降速率很小；地面静、 动荷载引起的地面沉降仅在局部地段内存在；由于抽汲地下流体，而引起松散 层内液压降低，是导致区域整体性沉降的主要原因。 地面沉降现象很早就为史书所记载，自十九世纪末以来，世界各地均发生 过不同程度的地面沉降现象。根据现有文献资料表明，最早记录地面沉降现象 的时间是18 9 1 年在中美洲的墨西哥城，其次18 9 8 年在日本新泻发现，但由于 沉降量不大，危害性还不明显，未没引起人们的重视，当时普遍将其成因归结 为地壳升降运动。直到二十世纪三十年代，在一些世界主要沿海城市，如日本 的东京和大阪、美国的长滩市等，地面沉降发展严重，又经常遭到风暴潮的袭 击，使地面沉降区域成为严重的灾害区域，严重威胁到人类生存环境和生命财 产的安全，从而迫使学术界对地面沉降逐步开展研究。尤其是二十世纪下半叶， 世界上累计已有5 0 多个国家和地区发生地面沉降，较为严重的国家有美国、日 本、墨西哥、意大利、泰国和中国等【4 j 。 我国最早于1 9 2 1 年在上海市区发现地面沉降现象，进入二十世纪八十年代 以来，随着社会经济的快速发展，地下水开采规模不断扩大，很多地方相继出 现了地面沉降现象。至今我国共有9 0 多个城市或地区( 包括台湾) 有地面沉降 现象【5 j 。从地域分布来看，我国地面沉降主要分布在下列地区：1 ) 长江三角洲， 包括上海、苏锡常( 苏州、无锡、常州地区) 、嘉兴、湖州等地：2 ) 黄淮海平 原和松嫩平原，如天津、衡水、沧州、安阳、哈尔滨和大庆；3 ) 东南沿海平原， 如宁波、湛江、台北等地；4 ) 河谷平原和山间盆地，如西安、太原、大同。从 地质角度看，我国地面沉降主要分布在三角洲和滨海平原、冲洪积平原和内陆 盆地等三种地貌类型地区【6 1 。 迫于地面沉降问题的严重性，联合国科教文组织( u n e s c o ) 与国际水文 科学协会已分别在1 9 6 9 、1 9 7 6 、1 9 8 4 、1 9 9 1 、1 9 9 6 、2 0 0 0 和2 0 0 5 年在日本的 东京、美国的阿纳海姆、意大利威尼斯、美国的休斯顿、荷兰的海牙、意大利 的拉韦纳和中国的上海召开了七届的国际地面沉降学术会议，并出版了会议论 文集。1 9 3 2 年，l o n g f i e d t e 发表的伦敦沉降，拉开了地面沉降研究的序幕； 直到1 9 3 6 年，j a g u e v a s 发表墨西哥城的地面沉降问题一文后，地面沉降 才引起国际社会的广泛关注。p o l a n d j f 在1 9 5 6 年论述了由于开采地下水引起 地面沉降现象；日本学者宫部直已在19 5 6 年发表的论地面沉降一文中指 出，地面沉降很难认为是必然由自然原因引起的；而日本资源调查会于19 6 4 年提出，地面沉降是由于强烈抽汲地下水引起的，完全是人为原因造成的灾害。 p o l a n d j f 和d a i v i s g h 于l9 6 9 年发表了这一领域的重要文献由于抽汲地下 流体而引起的地面沉降并指出【_ 7 】：“由于抽汲地下水而引起的地层压密是 地面沉降的地质环境；抽水是地面沉降的外部引发原因”。h e l m d c 在19 7 5 年 指出，水文地质学家的一个重要课题是如何预测地面沉降。p o l a n d j f 于1 9 8 4 年主编的因抽汲地下水而引起的地面沉降研究指南一书，已成为指导性科 技专著。 我国的地面沉降研究始于二十世纪六十年代的上海市，现已发展到许多大 中城市和经济发展地区。由于地面沉降己成为一种严重的环境地质问题，影响和制 约着当地国民经济的可持续发展。2 0 0 2 年1 0 月1 日时任副总理的温家宝曾批示“超采 地下水造成地面沉降在许多地方呈加剧趋势，已给经济建设和人民生活带来大的损失 和危害，并成为影响生态环境和可持续发展的一个重大问题，必须引起足够重视并采 取综合措施加以解决”。为了探索地面沉降机理和防治，我国分别于19 6 4 、19 8 0 、 1 9 8 8 、1 9 9 0 和1 9 9 8 年在上海和天津召开了五届全国性地面沉降学术研讨会， 交流成果，总结经验，推动了我国地面沉降工作的进展。 目前，有关地面沉降的研究课题已经从最初的实验室内的模型和模拟试验研究过 渡为地面沉降与地下水资源可持续开发、自然沉降与人为沉降的区别地面沉降潜在热 点预测，尤其是沿海低地地区新的监测技术以及控制和预测地面沉降的先进数学模型 笙【8 ，9 1 1 to 1 1 2 问题的提出 地面沉降是世界性的环境地质问题，一直是国内外的研究热点。阜阳市作为典型 的地面沉降城市，近年来集中超采地下水造成区域地下水位持续下降，形成大范围降 落漏斗，造成了不同区域内的地面沉降，并产生了一定程度的经济损失，其地质灾害 具有发展缓慢、破坏巨大，治理难度大等特点。 2 基于此，安徽省地质调查院根据国家地质大调查要求，成立了安徽省阜阳市地 面沉降调查项目。阜阳市地面沉降模拟与预测系统开发研究是该项目的一个子 课题，本论文即是该课题的丰要研究内容。 1 1 3 问题的研究目的及意义 随着阜阳工农业牛产的建设发展及人口的增加，需水量急剧增加，地下水开采量 和程度也迅速提高。近年来集中超采地下水造成地下水位持续下降，形成大范围降落 漏斗。地面沉降虽是一种缓变的地质灾害，经过多年的发展目前已直接或间接地给阜 阳市的城市建设和经济发展造成了一定的危害，主要表现为：破坏水利设施，减低防 洪标准，加重洪涝灾害，破坏市政及供排水设施，破坏道路、桥梁、建筑物及测量控 制网等【10 1 。 为此，探索地下水资源可持续开采量，建立地面沉降网络和防治体系和合理的模 型，对地下水开采可能引起的地面沉降的大小和分布进行预测，然后，在此基础上寻 找地下水位与地面沉降之间的定量关系，指导地下水资源开采行为，为制定合理的地 下水开采规划提供可信的理论依据，这对于促进阜阳经济发展、自然资源开发利用与 地质生态环境保护三者间的协调发展统一具有十分重要意义。这是关系到阜阳地区可 持续发展的重要内容，地面沉降的研究和治理将对区域经济持续快速健康地发展具有 重要意义，同时也是贯彻“人口、经济、社会、环境和资源相互协调，和谐发展”的具 体体现，具有重要的理论意义和应用价值。 1 2 地面沉降模型研究现状 地面沉降模型是地面沉降研究的重要内容，国外的研究起步较早，尤其是美国地 调局于上世纪8 0 年代开发m o d f l o w ( m o d u l a rt h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ed i f f e r e n c e g r o u n dw a t e rf l o wm o d e l ) 以来，确定性模型的数值解法取得突破性进展，使地面沉 降模拟和预测由科研转入实用阶段。随着确定性模型模拟和预测精度的不断提高，相 继出现了g m s ( g r o u n d w a t e rm o d e l i n gs y s t e m ) 、v i s u a lm o d f l o w 、p m w i n ( p r o c e s s i n gm o d f l o wf o rw i n d o w s ) 等成熟商业软件。我国地面沉降模拟工作也开展了 1 0 多年了，系统研究主要有上海、天津。上海先后建立了三个模型：早期上海地质矿 产所与比利时合作开展地面沉降研究，于1 9 8 9 年完成了我国第一个地面沉降模型【l ， 1 9 9 5 年地矿部水文地质工程研究所等在此基础上又提出了“地下水水量一水位一沉降 联合数学模型”【l 到，2 0 世纪末上海市地质调查研究酣1 3 】完成第三个模型。天津的模型 在1 9 9 5 年由天津地质环境监测站在英国专家的帮助下建立，完成了天津地面沉降模 型【1 4 】。此外，陈崇希等对苏州【1 5 】、方鹏飞等对太原 16 1 、崔亚莉等对北京【1 7 】、朱国荣 等对山东鹏山【l8 1 、吴振祥等对福州9 】的地面沉降分别进行过有益的探索，但由于地下 水、地面沉降实测资料的缺乏和模型的不完善，因此难以真正实施。 以地下流体开采为主因的地面沉降模拟和预测始终是地面沉降研究的热点，由于 3 地面沉降过程包含了影响其变化的各种确定性因素和随机因素的信息，因此大至可分 为两类：一类是确定性模型，即基于机理研究以及有效应力原理的土水模型，包括解 析法和数值模拟法。另一类为随机统计模型，即数理统计方法，包括回归模型、生命 旋回模型、神经网络模型等。 1 2 1 确定性模型 确定性模型是由地下水运动微分方程、控制方程、初始条件和边界条件构成的数 学模型。地面沉降是土层中孔隙水承担的孔隙水压力和土骨架承担的有效应力发生变 化的结果【2 。处于平衡状态的含水系统，当地下水被抽出后，孔隙水压力减小，原先 的土、水平衡状态被破坏，有效应力发生变化，土体产生变形【2 1 1 。 地面沉降是土水相互作用、土体内部应力发生变化的外在表现，它与土的变形特 性和水的渗流情况密切相关1 2 2 2 3 】。因此，地面沉降的数学模型研究一般都包括地下水 渗流模型和土体变形模型两大部分 2 4 1 ，不同的地下水渗流模型和土体变形模型的组合 就形成了不同的确定性模型。 1 2 1 1 地下水渗流模型 地下水渗流模型要求能再现地下水结构和流动特征的能力，能真实地刻画实际地 下水系统中发生的物理过程，如抽水、注水引起的系统内水压力的变化情况。地下水 渗流模型常用的是主要有下列几种： ( 1 ) 经验模型 该类模型根据多年累积水位、水量资料，采用回归分析方法得出水位与水量之间 的关系，并据以描述所研究区域地下水流动的渗流场。该类模型的优点是直观、简洁、 计算方便，但需要大量的水位、水量观测资料【2 5 1 。 ( 2 ) 二维渗流模型 分为两种：一种是将目的含水层的上、下部粘土、亚粘土层视为不透水层，含水 层中的地下水仅在水平面内作二维渗流运动。这样只能分析含水层内的孔隙水压力变 化，并根据与粘土、亚粘土层相邻的上下含水层内的孔隙水压力的变化来估算粘土、 亚粘土层的压缩量。另一种是改进的二维模型。含水层中的地下水作水平方向流动， 并将粘土、亚粘土层中的压密释水概化为水流模型的源汇项。如r o l a n d ob r a v o 等采用 的含水层水流模型为【2 6 】： v ( 乃v q ) - t 生盟i - 置一曰：s 譬+ s ：。譬 c r i 研d z 其中：e ( x ，y ，t ) 为第i 砂层中的孔隙水水位；互( x ，y ) 为第i 砂层的导水系数； q ( 石，y ) 为第i 砂层和第i l 砂层间粘土、亚粘土层的越流系数，q = 孚，m r 和岛分别为该 粘土、亚粘土的厚度和渗透系数；r ( 工，y ) 为第i 砂层的补给量：霉i ：z ，j ，) 第i 砂层的抽水 量；s 为含水层的贮水系数：s 。为粘土、亚粘土层的贮水系数。 ( 3 ) 准三维流模型 4 即含水层中的地下水作水平渗流，粘土、亚粘土层中的水流作一维垂向渗流处理。 i j a v a n d e l 和p a w i t h e r s p o o n 通过数值模拟研究后得出：当含水层的渗透系数比相邻 弱透水层的渗透系数大两个数量级以上时，假定弱透水层中的地下水为垂向流动( 即准 三维流) ，其误差不超过5 。对于实际问题，含水层与弱透水层的渗透系数相比往往达 三个数量级以上。另外，准三维流模型对水文地质资料的要求、数据整理和模型运行工 作量等诸方面都比三维流模型简单、省时，基于这两个原因，对于实际问题的模拟大多 采用准三维流模型【l5 1 。2 0 世纪9 0 年代以来，国外做过的多个主要实例模型采用的都 是准三维流模型，例如r b r a v o ( 美国) 等提出的美国休斯敦模型，a r i v e r a ( 法国) 等完 成的墨西哥城模型，g g a m b o l a t i ( 意大利) 采用的意大利拉温纳区域地下水流模型，以 及k d a i t o ( 日本) 概化的日本大鳄平原的模型等。我国上海和天津所建立的地面沉降模 型也属于准三维模型。例如上海市1 9 9 9 年的地面沉降预测模型： 昙( 丁警) + 苦口警) 划警+ 纨+ 一纨+ 级( 1 - 1 ) 式中：各个含水岩组的水头( m ) ；q f 越越流量( m 3 d ) ；q 沉土 层变形释水量或回弹吸水量( m 3 d ) ；q f 抽抽水量( m 3 d ) ；q 灌灌水量( m 3 d ) ； t 一导水系数( m 3 d ) ；s 贮( 释) 水系数。 在这基础上，李勤奋( 2 0 0 0 ) 对上述模型作了改进，将弱透水层中的水流作为一维 垂向渗流处理1 27 1 ，可以说这是迄今我国考虑最多因素的一个地面沉降渗流模型。 ( 4 ) 三维流模型 即含水层和弱透水层中的地下水流均作三维渗流处理。三维渗流模型能真实刻画 地下水系统内真实的水流状态，特别是针对粘土、亚粘土等弱透水层因相邻含水层抽 水而导致的压密释水状况，而被开采层及相邻层的压密释水恰恰是造成地面沉降的主 导因素，但其方程复杂、对数据参数数量及质量的要求也较高，求解较为麻烦，因此 往往是困难或不可能的。陈崇希等( 1 9 9 9 ) 曾对苏州的地面沉降进行了这方面有益的 探讨，但由于该地区缺少地下水水位和地面沉降的实际观测资料，难以真正实施。 1 2 1 2 土体变形模型 土体是松散的多孔介质，其组成特点和结构形式决定了它具有不同于一般固体材 料的特性。其变形具有显著的非线性、非弹性及各向异性特征。同时其变形量的大小 不仅取决于土体最终所处的应力状态，而且取决于土体所经历的应力路径和应力历 史。因此土体的变形是一个很复杂的过程，但目前在土的变形模型中对土体的变形特 性反映不够全面。根据土体的应力应变关系，地面沉降计算中土体变形模型主要有： ( 1 ) 线弹性模型 即土层的变形视为弹性的、可恢复的，土的应力应变关系符合虎克定律。土层厚 度的变化与有效应力的变化成正比，这一模型主要用于含水层的变形，即将含水层的 变形作为弹性的、可恢复的。另外，在考虑土体的三维变形时，不论是含水层还是粘 土、亚粘土层，几乎都作为线弹性体看待，以减小计算工作量。我国现有地面沉降模 5 型中大都采用这类模型 1 2 , 2 7 , 2 8 , 2 9 】。 ( 2 ) 非线性弹性模型 此类模型考虑到土体变形的非弹性特性。其变形具有显著的非线性、非弹性及各 向异性特征。当地下水压力恢复时，土体要产生回弹，但不可能完全恢复”0 1 。同时回 弹的程度与土质条件、土体所处的应力状态有关。另外土体的变形与土体经历的应力 历史有关。因此在计算土体变形时按土体的前期固结应力的大小，进行分段处理【2 引，例 如方鹏飞等就采用工程上普遍应用的邓肯张模型考虑上的非线性性能，对太原市的地 面沉降进行了计算与预测【1 6 】。 ( 3 ) 弹塑性模型 这类模型认为土体在屈服前只有弹性变形，屈服后有弹性和塑性变形，并且土体 屈服遵从一定的模型，如剑桥模型、修正剑桥模型等，应用增量形式的弹塑性应力一 应变关系矩阵，进行沉降计算【3 1 1 。 ( 4 ) 粘弹塑性模型 即认为土层的压缩是非线性的，有塑性变形和蠕变的存在。例如，顾小芸，冉启 全( 1 9 9 8 ) 提出的考虑流变特性的流固耦合地面沉降计算模型，而门福录( 1 9 9 9 ) 也曾通过 对上海粘土流变性质与上海地面沉降之间关系的初步研究，提出了一个新的粘一弹塑 性的应力场模型，认为土体的变形由弹性变形、瞬间塑性变形、流动塑性变形以及后 效弹性变形四部份组成 3 2 , 3 3 】。 1 2 1 3 土水模型 不同的地下水渗流模型和土体变形模型的结合就形成了不同的地面沉降的土水 模型。最早研究地下水渗流土体变形相互作用的是k t e r z a g h i ，他针对多孔介质中流 体的渗流一变形的耦合问题，提出了一维沉降固结理论，该理论至今仍是研究沉降计 算的基础之一【3 4 1 。按照地下水渗流模型和土体变形模型结合方式的不同，地面沉降的 土水模型又可以分为三大类：两步计算模型、部分耦合模型和完全耦合模型。 ( 1 ) 两步计算模型 两步计算模型最初由g g a m b o l a t i 和r a f r e e z e 于1 9 7 3 年研究威尼斯的由多层含水 层与弱透水层组成的地下水系统抽水引起的地面沉降问题时提出【1 0 j 。主要根据含水层 和弱透水层的水位变化来计算有效应力的变化，从而计算各土层的变形量，即完全分 成各自独立的两步完成，进而求出地面沉降量。此模型主要限于计算一维垂向变形， 而不考虑在抽水过程中土体变形导致土的渗透性和贮水性的改变。之后，r b r a v o 、 j r r o g r e s 等( 1 9 9 1 ) t 2 6 】首先应用三维m o d f l o w 软件解出含水系统各土层的水头，并假设 各土层的总应力不变，根据太沙基有效应力原理，计算各土层的垂向变形，地面沉降 量的大小即为所有土层垂向变形量之和。天津的地面沉降研究( 1 9 9 8 ) 3 5 , 3 6 毛e m o d f l o w 程序的基础上增加了考虑粘土层中沉降滞后于抽水的作用，将地下水流作拟三维处理， 弱透水层的释水通过沉降计算后再代入含水层中，以太沙基一维固结理论为基础，开发 6 了描述粘性土中孔隙水压力缓慢消散、滞后于含水层水头变化过程的夹层排水程序 ( i d p ) ，并引入了前期固结水位的概念。 两步模型物理意义明确、方法简单，易于计算，在生产实践中获得较为广泛的应用。 但是在计算过程中假设总应力、渗透系数都不变，并且粘性土的压缩机理不能得到充分 考虑，土层的不均一性也得不到反映。在求解水流模型时，含水系统各点的水头已确定， 土层的沉降也已发生，这时再根据水头变化计算各土层的变形量或根据与粘土层相邻 的上下含水层的水头变化计算粘土层的变形，实际上是在同一物理空间中采用了双重 物理量，这与实际情况相背离。而且两步模型主要限于计算一维垂向变形，对土体变形 的非线性特性的处理过于简单，土体压缩引起的土体参数变化得不到很好的体现。 ( 2 ) 部分耦合模型 即耦合的两步模型，它在两步计算模型的基础上，考虑了孔隙水压力和变形的相 互影响。地下水渗流模型和土体变形模型中的参数( 如压缩系数、渗透系数) 在沉降 过程中是变化的，它们是有效应力和孔隙比的函数，有效应力和孔隙比随着土的压缩 回弹而变化，它们之间的耦合就体现在参数随沉降的变化中。部分耦合模型的典型实 例有a r i v e r a ( 1 9 9 1 ) 等【2 6 】在多层含水系统中采用准三维水流模型，给出了非线性的一 维固结方程；冉启全，顾小芸【37 】考虑三维渗流和一维次固结变形建立的地面沉降计算 模型，就是利用渗透系数与孔隙率之间的关系，实现了渗流模型与土体变形模型的部 分耦合。 部分耦合模型考虑了垂直方向上变形与孔隙水压力变化的耦合情况，但需假设总 应力不随时间变化，土体仅发牛垂直方向的变形，不考虑土体的水平变形。由于地下 水运动的空间特性，在同一水平面上各点的孔隙水压力及其改变量是不同的，土体的 位移量也必然不同，即存在差异沉降。在土体的各垂向面上存在剪应力，这与土体仪 产生垂向位移时要求垂向面上的剪应力为零的条件是相矛盾的。另外，如果含水系统 中涉及到潜水面的下降，则土层中各点的总应力将随时间产生变化。因此部分耦合模 型从力学机理上来说还不够完善。 ( 3 ) 完全耦合模型 完全耦合模型的理论基础是著名的b i o t 固结理论。它考虑土体的变形和地下水渗 流的耦合作用，即孔隙水压力的变化对土体变形以及土体变形对孔隙水压力的相互影 响，将土的变形模型和地下水流动模型统一于相同的物理空间，且地下水流和变形都是 三维的，不仅反映地面沉降，而且能反映地层的水平位移。r w l ，e w i s 等( 19 7 8 ) 将b i o t 固 结理论应用于分析威尼斯的地面沉降问题，并建立了基于完全耦合理论的威尼斯地面 沉降模型【3 副；国内，沈珠江( 1 9 7 7 ) 首先将b i o t 理论的有限元法应用于土体固结分析， 对位移和孔隙水压力取线性模式，应用变分法得至l j b i o t 固结的有限元方程，用以计算 软土地基的沉降变形【3 9 j ；殷宗泽等( 1 9 7 8 ) 根据流量平衡的概念，结合虚位移原理得 至l j b i o t 固结的有限元方程，用于计算饱和粘土的平面固结【加】：陈杰等( 2 0 0 3 ) 曾采用 二维b i o t 固结平面有限元程序计算因开采地下水而引起的小范围地面沉降问题【4 ，经 7 过工程实际验证，效果较为理想；杨林德针对各向异性饱和土体建立了全耦合方程组， 并借助于m a t l a b 对耦合进行了实现。 从理论上讲，b i o t 固结模型是预测地面沉降最完善的方法，考虑了总应力的变化， 适用于三维情况，反映了位移和孔隙压力的耦合。但是它的缺点是所涉及的参数过多， 计算工作量大，对大区域地质体刻画能力有限，而难于满足复杂的实际情况。在技术 上可行，在经济上不可行，因此发展较为缓慢【4 2 1 。不管是国内还是国外，这种计算模 型目前还未在地面沉降的数值模拟与预测中得到很好的应用。 1 2 2 随机统计模型 地面沉降受到一系列复杂的自然和人为因素影响，这就决定了地面沉降的动态过 程具有周期性、趋势性和随机性的特点。随机统计模型丰要包括回归模型、生命旋回 模型、神经网络模型等。 ( 1 ) 回归模型 回归分析法也被称为解释性预测，它假设一个系统的输入变量和输出变量之间存 在着某种因果关系，认为输入变量的变化会引起系统输出的变化。通过研究输入变量 与输出变量的关系，用拟合数学关系式表示模型。通常，回归模型预测的准确度与样 本的含量有关。多元回归和逐步回归方法常见于开采条件下的长期和中短期地下水系 统预测，能反映实际的地下水水位变化规律【4 3 1 。 ( 2 ) 生命旋回模型 生命旋回模型从地面沉降的“幼年一中年一老年”，整个类似生物生长过程来考虑 建立沉降的数学关系。主要包括灰色模型、泊松旋回模型、v e r h u l s t 牛物模型等。 灰色模型：灰色理论建模根据各类系统的行为特征数据，找出因素之间或因素本 身的数学关系。相对于其他数理统计方法，灰色模型只需要较少样本量，从一个时间 序列自身出发，采用依次累加的方法实现由非线性到线性的转化，从而弱化序列的随 机性，揭示原始数据内在规律，适合进行趋势预测。刘绿柳等从灰色理论建模特点出 发，用加权均值生成数方法生成新数列，然后用生成的新数列建立改进的灰色加权模 型，分析了地下水开采量与地面沉降量的关系，并进行了预测1 ；林跃忠利用灰色系 统工程g m ( 1 ，1 ) 预测模型对基坑施工过程地面沉降量进行预测分析【4 5 1 。 泊松旋回模型：利用翁文波对世界石油产量基值和世界天然气产量基值的宏观预 测模型来预测地面沉降，认为一个地面沉降生命旋回过程可分为四个阶段：加速增长 阶段、一般增长阶段、一般衰减阶段、缓慢衰减阶段。刘毅、龚士良( 1 9 9 8 ) 在上海 地面沉降长期预测研究的实际经验基础上，对常规的泊松旋回模型进行了一定的改 进，引入了衰减系数，建立了地面沉降泊松旋回的数学模型【蛔。 v e r h u l s t 生物模型：v e r h u l s t 生物模型认为沉降机理是灰色的，因此以地面沉降动 态监测数据为基础，建立其与时间相关的宏观预测生物模型，探讨地面沉降的整个生 命及其可能最大的和总的沉降规律、速率。晏同珍利用v e r h u l s t 生物生长模型原理和 灰色控制系统理论分别对美国加卅f 中部谷地和中国浙江宁波市的地面沉降进行了预 测，预测出二者沉降寿命分别为1 4 0 a 和9 0 a 。 ( 3 ) 神经网络模型 人工神经网络模型由网络拓扑、节点关系和学习规则来表示。相对于传统的数学 模型，神经网络具有高度的并行结构和并行实现能力，具有近似任意非线性映射和通 过研究系统过去的数据记录进行训练和学习的能力。人工神经网络模型应用于地下水 系统及地面沉降的模拟和预测，至今已经有许多较为成功的实例。金爱善利用神经网 络理论，在分析天津市滨海新区地面沉降原因的基础上，建立了地面沉降人工神经网 络预测模型【47 1 ，并对该地区沉降趋势作出预测，提出了开采量方案。 1 3 主要研究内容 本文以阜阳市地面沉降模拟与预测系统开发研究项目为依托，对阜阳地区地 面沉降展开以下研究： ( 1 ) 研究阜阳地区地质、水文地质情况，确定模拟区主要含水层的水力特征，概 化研究区边界条件，建立研究区的水文地质概念模型； ( 2 ) 进行地下水水位模拟，建立准三维地下水水流数学模型，在水流模型的基础 上建立地面沉降土力学相耦合的流固耦合模型，利用水位与沉降观测数据，对模型进 行识别和验证。 ( 3 ) 利用流固耦合模型，进行地面沉降模拟，模拟地面沉降的发展过程。 ( 4 ) 结合水位和地面沉降的模拟结果，对研究区不同开采量条件下的地面沉降量 进行预测。 1 4 技术路线 ( 1 ) 结合野外调查和已有的资料，查清研究区的自然地理情况和水文地质条件。