（地质工程专业论文）江苏沿江开发带地下水开采三维渗流场—地面沉降耦合数值模拟.pdf

中文摘要 随着国民经济的发展，地下水过量开采引发的地面沉降地质灾害问题日益严 重。严峻的形势对地下水资源评价与管理提出了新的要求一地下水资源评价必须 与地面沉降预测相结合，以达到在获得最大地下水开采量的同时，将地面沉降控 制到最小的目的。 本文以江苏沿江开发带第四纪松散孔隙含水层为研究对象，建立了研究区的 地下水开采三维渗流场与地面沉降耦合模型，运用有限差分法对该耦合模型进行 数值求解，对该区域地下水位和地面沉降的动态变化趋势进行了预测并提出了优 化开采方案。其研究成果为该区域地下水资源的合理开发、地面沉降的有效控制 提供了科学依据。主要研究内容如下： l 、系统分析沿江开发带的地质、水文地质和工程地质条件，概化该区域水 文地质特点和地面沉降产生机理，建立地下水开采与地面沉降地质概念模型。 2 、建立沿江开发带地下水开采三维渗流场与地面沉降耦合模型，运用有限 差分法对模型进行求解并编制计算机计算程序。 3 、选取2 0 0 3 年1 月1 日至2 0 0 3 年1 2 月3 1 日的实测水位观测资料，对模 型的水文地质参数进行识别、校正，采用类比法确定地面沉降参数，运用编制的 程序建立了可视化模型。 4 、预测该区域在地下水现状开采模式下今后1 0 年的地下水位和地面沉降量 变化趋势。针对现状开采模式下地面沉降预测量过大的问题，在维持地下水现有 开采量和尽可能控制地面沉降的前提下，通过调整开采布局，提出地下水优化开 采方案。 关键词：沿江开发带；地下水开采；三维渗流场；地面沉降；耦合模型；数值模 拟 w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t l l en a t i o n a le c o n o m y ，t h el a n ds u b s i d e n c eo f g e o l o g i c a l d i s a s t e rb e c o m e sw o r s eb e c a u s eo fe x c e s s i v ep u m p i n g 掣o u n d w a t e lu n d e rm e p r e s s u r e o fm eu 唱e n tc i r c u m s t a n c e s ，t 1 1 en e wd e m a l l df b me v a l u a t i o na n d m a i l a g e m e n to ft h eg m l u l d w a t e rh a sb e e np u tf b 九v a r dt l l a cm ee v a i u a t i o no f 血e g r o u n d w a t e rm u s tb ec o m b i n e d 、v i t hs u b s i d e n c ef o rc o n t r o l l i n gt 1 1 es u b s i d e n c et o 血e g r e a t e s te x t e mw 1 1 i l eg e t t i n g 廿l em a ) ( i m 哪q u a l l t i t yo fg r o 咖d w a t e rr e s o u r c e s t h eq u a t e m a r y - l o o s e - p o r ea q l l i f e ri nd e v e l o p i n gb e l ta l o n gy a n 百z e 王u v c ra t j i a n g s up r o v i n c ei ss t u d i e d ac o u p l i n gm o d e lb e t w e e n3 dg m u n d w a t e rs e e p a g ea n d s u b s i d e n c ei sb u b yu s i n gf i 伍t e d i 腩r e n c e a p p r o a c h ，m ec o u p l i n gm o d e li s s i m u l a t e dn u r n e r i c a l l y a f t e rm o d i 母i n ga 1 1 dc a l i b r a t i n gt h en u m e r i c a lm o d e l ，d y n 锄i c c h a i l g e so fg r o u n d w a t e r h e a da n ds u b s i d e n c ea r ea s s e s s e d a hc o n c l u s i o n sw es mu p i nm ep a p e rp r o v i d es c i e n t i 丘cr e f e r e n c ef o rt h er e a s o n a b l ee v a l u a t i o no f 铲o u l l d w a t e r r c s o u r c e sa 1 1 de f f i c i e n tc o n t r o lo fs u b s i d e n c ed e v e l o p m e mf o rm eb e l t t h em a i n c o m e n t sa r ea sf b l l o w s ： f i r s t b t h eg e o l o g i c ，h y d r o - g e 0 1 0 9 i ca n de n g i n e e r i n gg e 0 1 0 9 i cc o n d i t i o n so ft h e b e l ta r ea 1 1 a l y z e ds y s t e m i c a l l y a f t e rs m n m a r i z i n gt h eh y d m g e o l o g i cf e a t l l r ea 1 1 dm e m e c h a n i s mo fs u b s i d e n c ed e v e l o p m e n t ，ac o n c e p t u a lm o d e lb e t w e e ng r o u n d w a t e ra n d s u b s i d e n c ei sb u i h s e c o n d l y ， ac o u p l i n gm o d e lb e t w e e n3 ds e e p a g ef i e l do f g r o 哪n d w a t e r e x p l o i t a t i o na i l d s u b s i d e n c ei ss e t u p w i t ht h en n i t e d i 骶r e n c e 印p r o a c h ，t h e c o u p l i n gm o d e l i ss i m u l a t e dn u m e r i c a l l ya n dac o m p u t e rp r o g r a mi sw r i t t e n t h i r d l y ，b yu s i n go b s e r v a t i o nb o r e h 0 1 ed a t l nf r o mj a i l u a r y1 ，2 0 0 3t od e c e n l b e r 3 1 ，2 0 0 3 ，血eh y d r o g e o l o g i cp 瑚e t e r s 盯ei d c n t i f i e da n dc a l i b m t e d w i t hm e m e l o do fa 1 1 a l o g y ，t h ep 猢e t e r so fs u b s i d e n c ea r ec o j 咖e d t h e nav i s u a l i z e d c o m p u t e rm o d e l i sb u i l tb yc a l c u l a t i o np m 掣哪a c c o r d i i l gt om eg e o l o 西c a lc o n d i t i o n f i n a l l y ，t h ec h a n g e so ft h eh y d r a u l i ch e a da n dl a i l ds u b s i d e n c ef o rt l l en e x tt e n y e a r s a r ep r e d i c t e d 埘t ht 1 1 ee x i s t i n ge x p l o i t a t i o n ss c h e m e a i m i n ga tt h ep r o b l e mo f t 1 1 ee x c e s s i v es u b s i d e n c ew i t ht h ee x i s t i n ge x p l o i t a t i o ns c h e m e ，a 1 1e x p l o i t a t i 叽 p r o j e c ti sp u tf o n v a r do nt l l ec o n d i t i o no fc o m m l l i n g1 a 1 1 ds u b s i d e n c ep o s s i b l yw l l i c h i se x p l o i t e dw i t ht h ee x i s t i n ge x p l o j t a t i o n ss c h e m eb ya d j u s t i n ge x p l o i t a t i o nl a y o u t k e y w o r d ：t h ed e v e l o p i n gb e l ta l o n gy a n 群z e 础v e ra tj i a l l g s up r o v i n c e ；g r o l h l d w a t e r e x p l o i t a t i o n ；3 ds e 印a g en e l d ；s u b s i d e n c e ；c o u p l i n gm o d e l ；n 砌e r i c a ls i m u l a t i o n i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事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 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 痊訇 2 0 0 6 年6 月，f 日论文作者( 签名) ： 蕴到 2 0 0 6 年6 月，f 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 垄翻2 0 0 6 年6 月眄日 江苏沿江开发带地下水开采三维渗流场一地面沉降耦合数值模拟 第一章绪论 1 1 问题的提出 江苏沿江开发带是指江苏境内在长江两岸以长江中心线为轴，南北展开宽度 各2 5 k m ，并在江南部分适当扩大的沿江开发区域。该区域内分布有巨厚的第四 纪松散沉积层，其间发育有多层厚度较大的孔隙承压含水层，各含水层之间又以 弱含水的粘性土层相分隔，并发生强烈的水力联系，地下水资源储量丰富。 沿江开发带是江苏省社会经济最为发达的地区。随着国民经济的飞速发展， 人口的不断增加，该区域对地下水资源的需求量也与日俱增。由于过量开采地下 水，沿江开发带的含水层水位迅速下降并导致第四纪松散沉积含水层的加速固结 压缩，从而引发了地面沉降地质灾害，给沿江各地造成了不可估量的经济损失 “，且各地地面沉降分布区在区域内已呈现连成一片的趋势。 为此，运用科学手段，对该区地质情况及地下水位、地面沉降的动态变化规 律进行研究和分析，合理地概化研究区的水文地质条件和地面沉降发生机理，建 立能体现研究区真实面貌的概念模型，采用较为准确的求解方法，对研究区第四 纪地下水系统的渗流特征与地面沉降的变化趋势进行准确的数值模拟，对地下水 开采引起的地面沉降问题进行超前预测，以便对地下水开采引起的地面沉降进行 科学防控已成为当务之急。 1 2 国内外研究现状 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9 1 。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“。 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 。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“。 1 2 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。地面沉降计算中采用的渗流模型常用的是主要 第一章绪论 有下列几种：1 二维模型“。含水层中的地下水在水平面内作二维平面流动，含水 层之间的粘土、亚粘土层则视做不透水。2 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。3 准三维模型，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。如宫辉力等建立 的郑州地下水数值模型”。全三维模型，即含水层和弱透水层中的地下水流均 作三维渗流处理。如骆祖江等建立的盐城市地下水资源数值模型“。 三维地下水渗流模型能较好地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，其他几种模型是无法 刻画这个特征的。“。 1 - 2 _ 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他具有不同于一般固 体材料的特性。因此，土体变形特征不同，即应力一应变关系不同，对应的土体 变形模型也就不同。根据土体的应力应变关系，地面沉降计算0 2 1 中土体变形模型 主要有线弹性模型、非线弹性模型和流变模型。 1 线弹性模型。即认为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，将含水层和粘土、亚粘 土层，几乎都看作线弹性体。 2 非线弹性模型。+ 2 。即考虑到土体变形的非弹性特性，当地下水位恢复时， 土体要产生回弹，但不可能完全恢复，且恢复的程度与土质条件、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，需要进行分段处理。如r 0 1 a n d ob r a v o 等考虑 到土体变形与应力历史的关系，提出预固结水位的概念“”。 3 流变模型。即认为由于在土体骨架应力作用下土体表面所吸附的水的粘 滞性，土体颗粒的重新排列和骨架体的错动将具有明显的时问效应。吴林高等用 高压渗透固结仪进行了抽水压密、回灌膨胀的室内模拟试验。试验结果表明抽灌 水作用下土层的应力应变具粘弹性特征。dc h e l m0 7 1 假设饱和粘性土为理想 江苏沿江开发带地下水开采三维渗流场一地面沉降耦合数值模拟 的粘性材料得出了当上下相邻含水层孑l 隙水压力变化时粘土层一维固结方程解 析解。顾小芸等提出了考虑流变的土体流固耦合计算模型。”“。 由于土体是松散的多孔介质，其变形具有显著的非线弹性及各向异性等特 征。同时其变形量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。 1 2 3 沉降计算模型 虽然土体在沉降过程中，孔隙压力( 水头) 总是和土的位移分不开，但在解 决实际问题时，地下水流模型和土体变形模型可以按照不同的形式耦合在一起。 最早研究地下水渗流一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o 。从该理论出现到现在，地面沉降计算模型研究不断深入。 目前，根据渗流模型与土体变形模型不同的结合形式，沉降模型大体可分为3 类： 即两步计算模型、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 ti 和r af r e e z e ”在研 究威尼斯由地下水系统开采引起的地面沉降问题时提出。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。而后，r b r a v o “7 1 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，在假设各土层总应力不变的条件下， 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。中英研究人员( 1 9 9 8 ) 在天津地面沉降研究中。”，在 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作用开发了i d p 程序，并引 入了前期固结水位。 2 部分耦合模型。此类模型也就是耦合的两步模型，它一般的表现特征是水 位和变形既分步计算又互相影响。地下水流模型和土体变形模型中的参数在沉降 过程中是变化的，而他们之间的耦合体现在参数随沉降的变化中。例如，a r i v e r a ( 1 9 9 1 ) “7 1 等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 垂向【司结方程。顾小芸、冉启全( 2 0 0 0 ) 汹1 考虑三维渗流和一维次固结变形给出了 非线性固结方程。 第一章绪论 3 完全耦合模型。”1 。完全耦合模型是基于三维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置于时间和空 间的同步，孔隙水压力和变形同时算出，且地下水流和变形都是三维的。例如 c a s s i a n ig 等( 2 0 0 2 ) 和s h e nsl 等( 2 0 0 2 2 0 0 4 ) 对大区域地面沉降问题进行了 研究“ 从理论上讲，全耦合模型是预测地面沉降最完善的方法，但由于全耦合模型 参数较多，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，而且当 介质是非均质时需给出不同土层各自的参数，其参数将更为复杂。因此在解决实 际问题时有很大的困难，在实际应用中仍然以前两种模型居多。 1 2 。4 国内应用现状 我国地面沉降模拟工作已有l o 多年的历史。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”。1 9 9 5 年 地矿部水文地质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”“。2 0 世纪末上海市地质调查研究院“完成了第三个模型，目前仍 在继续研究如何考虑非线性变形的问题。1 9 9 5 年天津地质环境监测站与英匡i 合 作，完成了天津地面沉降模型o “。虽然我国发生不同程度地面沉降的城市已达 4 0 多个，但是进行过实际地面沉降模拟、可信度较高的城市模型仅天津和上海 两个。陈崇希等对苏州“”、方鹏飞等对太原。、崔亚莉等对北京“、朱国荣等对 山东鹏山。、吴振样等对福州“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。 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 本论文研究的主要任务是利用数值方法，对沿江开发带第四纪地下水渗流场 和地面沉降进行数值模拟并实现沿江开发带地下水位与地面沉降的数字和可视 化预测预警。根据任务要求，论文研究的主要内容介绍如下： ( 1 ) 详细介绍了研究区区域自然地理概况、区域构造、水文地质背景以及 工程地质条件，并提出了由于过量开采地下水资源可能导致的环境地质问题。 江苏沿江开发带地下水开采三维渗流场一地面沉降耦合数值模拟 ( 2 ) 系统分析了研究区域的水文地质结构、流态特征和地面沉降发生机理， 建立符合本区域的地下水开采一地面沉降地质概念模型。 ( 3 ) 对应于概念模型，通过对含水层在地下水开采过程的变形特征分析， 建立地下水开采三维渗流一地面沉降耦合模型，并运用有限差分法求解数学模 型，通过编制的程序将整个模拟过程在计算机上实现可视化，根据有关观测资料， 对模型进行识别、验证。 ( 4 ) 利用识别后的数值模型，预测了预测地下水现状开采条件下，地面沉 降的发展趋势。在保持沿江各地地下水开采总量不变，对各地地下水开采布局在 剖面上进行原地调整，通过对不同调整方案预测结果的对比，确定出在保持各地 地下水开采总量不变的前提下，预测地面沉降最小的优化开采方案。 1 3 2 技术路线 ( 1 ) 全面、系统地收集整理研究区地质、水文地质、工程地质、土体物理 参数、地下水长期动态观测及有关地面沉降资料； ( 2 ) 综合分析研究区的地质、水文地质条件和各含水层的沉降变形特征， 建立了地下水开采与地面沉降地质概念模型； ( 3 ) 建立与概念模型相适应的三维地下水渗流场一地面沉降耦合模型； ( 4 ) 应用数值法对数学模型进行求解 ( 5 ) 根据有关观测资料，对模型进行识别、验证，预测地下水现状开采条 件下地面沉降的发展趋势，并提出地下水开采的优化开采方案。 1 4 本文研究特色 ( 1 ) 在对研究区工程地质、水文地质、土体本构关系研究的基础上，首次 建立了江苏省沿江开发带地下水开采与地面沉降的耦合模型，对地下水开采引起 的地面沉降进行定量研究； ( 2 ) 首次将沿江开发带第四纪地质体在剖面上从上到下，从潜水含水层到 第承压含水层，包括各含水层之间的粘土弱含水层看作一个整体，建立真三维 模型，考虑了地下水开采过程中整个第四纪地质体在剖面上应力应变特征，克服 了以往分层单独计算造成的重复或缺失； ( 3 ) 在工作方法上，全面实现了基础数据、模型建立、计算过程及其前后 处理的计算机可视化，不仅能直观地展现出计算的结果，更有助于提高整个工作 第一章绪论 的精度； ( 4 ) 首次定量提出了沿江开发带地下水现状开采条件下，地面沉降的发生 与发展趋势； ( 5 ) 首次定量提出了沿江开发带各地在保持现有地下水开采总量不变的前 提下，实现地面沉降最小控制的地下水优化开采方案。 6 江苏沿江开发带地下水开采三维渗流场一地面沉降耦合数值模拟 第二章自然地理与地质背景特征 2 1 自然地理概况 2 1 1 地理位置和社会经济概述 江苏省治江开发带“2 1 是江苏省在长江两岸以长江中心线为轴，南北展开宽度 各2 5 k m ，并在江南部分适当扩大的区域，位于东经1 1 9 。4 至1 2 1 。5 5 ，北 纬3 1 。1 2 至3 2 。3 2 ，研究区内包括常州、扬州、泰州、南通4 个省级行政 市和扬中、丹阳、江阴、张家港、常熟、太仓、仪征、江都、泰兴、靖江、如皋、 通州、海门、启东1 4 个县( 市) ，面积约2 4 万k m 2 ，占全省面积的2 4 o ，沿 江开发带是江苏省社会经济最为发达的地区，区内人均国民生产总值是全省平均 水平的1 4 6 倍。 2 1 2 地形、地貌 本区总的地貌景观由长江三角洲平原和低山丘陵两大部分组成，以长江三角 洲平原为主体。大致以镇江扬州为一分界线，此线以西为低山丘陵，宁镇山体大 致呈东西方向、略向北突出的弧状分布、群山重叠、隐约相连，其间有岗地、冲 沟、河谷平原和洼地。在山体四周的山前地带，分布着由下蜀土组成的、被割切 成的高岗、平岗、缓岗等地貌形态，标高均在5 0 米以内。镇江一扬州一线以东， 为广阔的长江三角洲平原，地势平坦，总体上由西微缓倾向东。地面高程于扬州 一带约l o m ，向东至泰州一带降为5 9 m ，到南通为3 5 m ，至沿海一带仅仅为 1 m 左右。于江北的江都、泰州、如皋一线为高沙土地段，地形稍见起伏。南通 的狼山、靖江的孤l u 与江阴、常熟与无锡等地均见有残山低丘突起于平原之上， 山高数十米至百余米。江南的吴县、吴江与昆山一带，平原之上水道纵横，为一 水乡泽国。 2 1 3 水文与气象 区内河流纵横，水系发育。横贯区内近4 0 0 k m 长的长江具流量大，流速缓( 平 均流速1 m s ) ，比降小( 1 6 0 0 0 0 ) 、沙洲众多，深受海潮影响之特征。据长江 下游大通水文站1 9 5 1 1 9 7 8 年的统计资料，最小流量为2 4 3 0 0 m 3 s ，最大为 4 3 1 0 0 m 3 s ，长江多年平均径流量达9 7 0 0 1 0 8 m 3 a 。 第二章自然地理与地质背景特征 区内的长江在镇江以西，由于受山体制约，江面宽度为1 2 k m ；镇扬以东 地区，进入三角洲平原后，江面变宽，南通附近可达1 8 k m 。江水深度在江阴以 西地段为3 0 4 0 m ，以东深度为3 0 m 左右。南北两侧均有支流水系汇入，在江北 自西向东有滁河与通扬水系汇入，江南见有秦淮河水系和太湖水系汇入，最后注 入东海。 区内属凉亚热带、湿润季风气候，冬季干冷多东北风，夏季湿热多东南风， 温暖湿润，四季分明。多年平均降雨量东部平原区域为1 0 5 4 m m ，西部低山丘陵 区为1 0 3 0 7 m 。降水的年际和季节变化较大，降雨日年平均为1 1 0 天左右，水 量集中在6 9 月份，占全年的降雨总量的6 5 。在6 7 月份里冷暖气团相遇， 常产生锋面低压和静止锋，形成了全年历时最长的阴雨天气，俗称梅雨。据资料 记载，梅雨天数最多曾达4 9 天( 1 9 5 4 年) 。实测最大2 4 小时梅雨量达3 0 0 多 m m ；年平均水面蒸发量在1 1 0 0 m m 上下：无霜期2 2 5 天。全年日照充足，日照量 区内达2 2 0 0 多小时年，年日照率大于5 0 ；平均相对湿度7 8 ；平均气压为 1 0 1 5 9 毫巴。区内台风、梅雨、冰雹是主要灾害性气候。 2 2 区域地质背景 2 2 1 地层 本区位于扬子地层区东北部，基岩出露面积约1 0 0 0 k m 2 ，占全区面积4 4 左右，地层发育齐全。 区内由中元古界的区域浅变质岩系构成了扬子准地台基底，在地表没有见到 出露。 震旦系一三叠系组成扬子准地台的主要盖层，以海相沉积为主。二叠系夹煤 层、三叠系含石膏。各系、组之间呈假整合或整合接触。在宁镇、苏锡等地广泛 出露地表，构成了宁镇山脉、茅山山脉和苏州、无锡一带环太湖丘陵山地。此外， 在江浦县大顶山、南通市狼山、靖江孤山、常熟市虞山和昆山马鞍山等地也见零 星出露。 侏罗系以陆相碎屑岩和中酸性火山岩为主，假整合一不整合在三叠系一古生 界不同层位之上。在宁芜等地出露较广，宁镇、苏州等地也见零星出露。 白垩系以内陆盆地沉积的红色碎屑岩为主，局部夹有中性、碱性火山岩，不 整合在侏罗系及其以下老地层之上。 江苏沿江开发带地下水开采三维渗流场一地面沉降耦合数值模拟 第三系以内陆盆地杂色碎屑岩为主，局部伴有基性岩喷发和侵入，不整合在 白垩系及其以下各个老地层之上。仅在六合、仪征、江浦、南京与江宁等地零星 出露，构成了孤丘。 第四系在区内广泛分布，大致以扬州一镇江一线为界，界线以西为低山丘陵 区，该地区第四系多发育分布在沿江与沿河河谷平原( 滁河、秦淮河) 上，在低 山丘陵的坡麓地带亦可见及，厚度数米至数十米不等。界线以东为长江三角洲平 原地区，第四系广布，它的岩性组成、粒度、厚度与成因类型，自西向东在水平 方向和垂直方向均作规律性变化。但这种变化与长江的变迁。长江三角洲平原的 发育历史密切相关。颗粒由粗变细，厚度由1 0 0 m 增厚到2 0 0 3 0 0 m ，地层结构由 单一层变为多层组合。 2 2 2 构造 全区地貌上西高东低，镇、扬以西以低山丘陵为主，镇、扬以东则为广阔的 长江三角洲平原，无论是基岩裸露的西部山区或是掩埋于第四系松散层之下的平 原基底，基内部的地质构造均十分复杂。可归结为：一个“褶皱底”和其上的三 套“沉积盖层”以及五个主要方向展布的断裂系统。 一个“褶皱基底”，从前震旦纪到海西期，经沉积变质作用形成的一整套变 质岩系为主构成的结晶基底，区内未见出露，均深埋于区域底部。 三套“沉积盖层”，指在上述褶皱基底上于各时代发育的三套构造层： ( 1 ) 古生界为主构造层，它由古生界震旦系一中生界三选系间沉积的全套 海相岩组成，称下构造层。 ( 2 ) 中生界构造层，它由侏罗系一白垩系间全套陆相沉积组成，称中构造 层。包含由下侏罗统陆相沉积岩系组成的下亚层，上侏罗统一下白垩统陆相火山 岩系组成的上亚层。 ( 3 ) 新生界构造层，它由第三系一第四系全套陆相、陆海交互相组成，称 为上构造层。 五个主要方向断裂系统的展布状况是： ( 1 ) 断续相接、分级发育的区域东西向断裂构造； ( 2 ) 在北东向复式褶皱带基础上伴生发育的北东向断裂带； ( 3 ) 横截上述区域北东向构造轴发育的北西向断裂； 第二章自然地理与地质背景特征 ( 4 ) 斜切区域构造轴向发育的北北东向断裂带； ( 5 ) 区域北北西向及近南北方向若干断裂。 2 3 水文地质背景 2 3 1 地下水类型 本区的地下水类型很多，埋藏条件复杂，而且空间分布很不均匀，具有较明 显的地区性特征。 依据地下水在含水介质中的附存条件、水理性质及水力特征，本区地下水可 划分为松散类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水和基岩裂隙水三大类型。 松散岩类孔隙水是本区的主要地下水类型，分布广泛，水量丰富，水质复杂。 由西向东含水层逐渐增厚，颗粒变细，层次变多( 见图2 卜图2 2 ) 。垂向上构 成潜水、第1 承压、第承压、第i 承压、第承压含水层组，各含水层之间均 存在着不同程度的水力联系。 2 3 2 松散岩类孔隙含水层( 组) 基本特征 ( 1 ) 孔隙潜水含水层( 组) 该含水层( 组) 除裸露基岩区外均有分布，其富水程度和水化学特征受控于 其成因类型和地貌单元。在长江三角洲平原多层结构亚区及西部沿江沟谷中，岩 性为全新统灰黄、灰色亚砂土、粉细砂及亚砂土与粉细砂互层。垂向上表现为上 下细中间粗，水平方向具由西向东变细变厚渐具微承压特点，厚度一般2 0 一5 0 m ， 单井涌水量一般小于1 0 0 m 3 d ，近山体及岗地小于1 0 m 3 d 。在西部沿江沟谷中受 到地表水体激化补给时，常达5 0 0 m 3 d 以上，三角洲平原项部口岸以西地段的单 层亚区，全新统中细砂、上更新统粗砂砾石、中更新统粗砂砾石、下更新统灰白 色中粗砂之间无稳定隔水层存在，四者共同组成5 0 一1 0 0 m 的巨厚潜水含水层， 具统一自由水面和相同水动力特征。但其垂向上渗透性能和水化学特征又有差 异，可分为潜l 、潜2 、潜3 、潜4 段，分别与以上各期相对应，出水量5 0 0 一3 0 0 0 m 3 d ， 水化学类型为h c o 。一c a 、h c o 。一c a n a 、h c 0 3 c 1 一c a n a 型。太湖平原区岩性 为冲湖积相灰黄、黄褐色粉砂、亚砂土和亚粘土。含水层厚度一般小于1 0 m ，出 水量一般l o 1 0 0 耐d 。整个测区内潜水位埋深1 3 m ，其径流 团爝瞒旧器龌舞戗*迢锻菩妊零鼠盟一礴忑匦 鞲辎培糍如桀进蜉糖潮i辑蜡辫鼎_i!散*卜嗣礤翅柬班磐糠i 匠糖憾瞎希蟮舞仪簧筵域暑壁末摭删赠怔qh圃 h聋粑蟮舞唧剐捌篱l争将被 江苏沿江开发带地下水开采三维渗流场一地面沉降耦合数值模拟 水质在太湖平原区及南通平湖镇以西均为淡水，呈h c 0 。一c a 和h c o 。c 1 一 c a n a 型。平湖镇一南通一常熟一太仓一线为微咸水，属c l h c o 。一n a 型。南 通以东则为半咸一咸水并以c l n a 型为常见，受降水影响及地表水长期入渗溶 滤，此半咸一咸水带浅部普遍形成一层淡化带。 ( 2 ) 第1 承压含水层( 组) 该含水层( 组) 为上更新统，主要分布在长江三角洲平原区和太湖平原区。 三角洲区含水层岩性厚度变化与晚更新世河床展布密切相关。沿河床中心部位瓜 州一红桥一口岸一带，岩性主要为灰一灰白色粗砂砾石，向东至南通为中粗砂一 中细砂，沿此线向南、北过渡为漫滩相的中细砂、粉砂，厚度亦薄。沿靖江一梅 李一浏河口为晚更新世的另一条古河道，含水层最厚达1 0 0 m 。在三角洲顶部， 该含水砂层与全新统含水砂层之间无隔水层存在( 该区实际上为潜水区) 。自口 岸向东及边缘地带渐为粘性土所隔，呈微承压一承压特点。含水层顶板埋深在主 河床部位为5 0 7 0 m ，向漫滩变为3 0 一4 0 m ，底板5 0 1 2 0 m ；太湖平原区含水层 发育受孤山残丘制约，以灰色粉细砂为主，厚度小于3 0 m 。分上下两段，上段具 微承压性质，下段为承压含水组。 单井涌水量在三角洲区多层亚区一般1 0 0 0 一3 0 0 0 m 3 d ，沿张家港三兴一常熟 窑镇一带大于3 0 0 0 m 3 d 。太湖区一般1 0 0 一1 0 0 0 m 3 d ，西南及山体附近小于 1 0 0 m 3 d 。水质受晚更新世两次海侵影响，大致以扬中一靖江一南通一海门为主 线，矿化度由西向东，由南、北向中部增高，水型由h c o 。一c a 变为c l n a 型或 由c l n a c a 变为c 1 一n a 型，具明显的水平分带性和渐变规律。在此线东部的 g s 3 3 孑l ，矿化度最高达1 3 0 2 9 l 。 ( 3 ) 第1 i 承压含水层( 组) 该含水层( 组) 为中更新统，仅分布于三角洲区和太湖平原区。太湖区分布 与i 承压相似，主要为灰色、灰黄色粉细砂，常州市、苏州市为灰黄色中细砂， 厚度一般小于2 5 m 。顶板埋深5 0 一1 2 0 m ，底板埋深6 0 一1 4 0 m ，水位埋深2 2 0 m ， 在苏一锡一常一线因人为开采已形成区域降落漏斗。单井涌水量1 0 0 1 0 0 0 m 3 d ， 在常州一青肠一羊尖一正仪一吴江一带为1 0 0 0 3 0 0 0 3 d ，孤山残丘附近小于 1 0 0 m 3 d 。 三角洲区含水砂层颗粒和厚度与中更新世古河道的分布和基底地形有关，沿 扬州一嘶马一黄桥线古河床，以灰色粗砂砾石为主，厚度由西向东渐增至9 0 第二章自然地理与地质背景特征 余米，且与晚更新世砂层相连( 两者实际上同属潜水含水层) ，再向东颗粒变细 并为粘性土所隔。沿泰兴一靖江一太仓及泰兴一常卅l 和黄桥一南通一吕泗镇为长 江的三条支流，含水层岩性以灰色中细砂为主，其余部分则为粉细砂，反映长江 在如皋一张家港市一线以东为散布状片流特征。含水层顶板埋深1 0 0 一1 6 0 m ，底 板埋深1 2 0 2 2 0 m 。水位埋深1 5 i d 。在扬州市、泰州市则达1 5 2 8 m 并形成各 自的降落漏斗。单井涌水量一般1 0 0 0 一3 0 0 0 m 3 d ，南通市一启东则小于1 0 0 0 m 3 d 。 地下水水化学变化与原始沉积环境密切相关。在江北东部一带，主要为三角 洲相沉积，地下水多为c l n a 及c l h c o 。一n a 型的半成一咸水。在泰兴一扬中 姚扬一带地下水以c 1 h c 0 3 一n a c a 及c a n a 型为主的微咸水。江南太湖平原 区则以陆相沉积为主，地下水表现以h c o 。一c a 或h c o 。一c a n a 型为主的淡水。 ( 4 ) 第1 i i 承压含水层( 组) 该含水层( 组) 含水地层为下更新统，分布受长江古河道摆动和基底地形制 约更加明显。 三角洲区白西向东岩性由粗变细，顶板埋深逐渐增加并呈1 2 个层次出现。 顶板埋深一般1 6 0 一2 2 0 m 底板埋深2 0 0 一2 5 0 m 。水位埋深1 5 m 。南通市及其附 近达4 0 余米，并形成较大范围的降落漏斗。 太湖平原区，含水层以灰、灰黄色粉细砂为主，厚度小于1 0 m ，苏州一昆山 一带则为灰黄色中细砂，厚2 0 一4 7 m 。在泰兴一常州一带为早更新世长江南折支 流，沉积物为灰色中粗砂，厚3 0 一6 8 m ，顶板埋深1 3 0 1 6 0 m ，底板埋深1 5 0 1 8 0 m ，水位埋深3 5 m ，在苏、锡、常三市形成大面积降落漏斗。 单井涌水量在太湖平原区一般1 0 0 一1 0 0 0 t 3 d ，常州古河道和三角洲区一般 1 0 0 0 3 0 0 0 m 3 d ，南部残丘附近小于1 0 0 m 3 d 。 第1 i i 承压水水化学类型，除启东地段和扬中八桥地段为微咸水外均为淡水。 由西向东，水化学类型由h c o ，一c l n a 型变为h c 0 。一n a c a 和h c 0 。c 1 一n a 型。 启东地段为c 1 h c o ，一n a c a 型。 ( 5 ) 第承压含水层( 组) 该含水层( 组) 为新第三系之中细砂，局部为含砾粗砂，由2 3 个单层组 成。分布于三角洲平原区和太湖平原区北侧，研究区内资料较少。在三角洲区含 水层顶板埋深2 0 0 一3 5 0 m ，水位埋深2 2 0 m ，单井涌水量1 0 0 0 m 3 d 左右。为h c o 。c 1 一n a 或n a c a 型水。矿化度小于1 5 克升。太湖区含水层多呈半胶结状，顶 江苏沿江开发带地下水开采三维渗流场一地面沉降耦台数值模拟 板埋深1 0 0 2 1 0 m ，水位埋深1 2 2 7 m ，涌水量1 0 0 3 0 0 m 3 d 。在常熟窑镇、常 州罗墅湾一奔牛地段水化学类型为s 0 4 h c o 。一n a 型及c l s o 。一n a 型水，矿化 度0 5 3 o g l 。 2 3 3 松散岩类孔隙水补给、径流、排泄特征 松散岩类孔隙含水层在全区分布，埋藏条件与水动力特征各异，依据其输入、 输出和动态的相似性归并为潜水、浅层承压水和深层承压水三种类型。 ( 1 ) 潜水 包括全新统孔隙潜水和全新统一更新统微承压水，埋藏浅。主要接受大气降 水、高水位地表水体、田间灌水的入渗补给。地下水径流缓慢，水力坡度1 1 5 0 0 一1 1 5 0 0 0 。地下水分水岭与地表水分水岭基本吻合。主要以蒸腾、蒸发、民用 取水和注入低水位大河、湖水水体方式输出。地表为亚砂土、亚粘土或粉细砂， 有利于地表水的垂直入渗，在大气降水和田间灌水后水位立即上升，迟后效应为 o 一1 0 几个小时。沿江地带，潜水位一般位于长江高低潮位之间并接近高潮水位， 多数情况下潜水排向长江，潜水水位、水温受潮汐影响。水位年变幅为o 5 3 o m ， 高值出现在6 9 月份，低值出现在1 1 月至翌年2 月份，与一年中降水量的分布 和蒸发能力密切相关。同时由于埋藏极浅，水温受气温、入渗水水温影响较大， 四季变更明显。枯水期水温1 0 1 7 ，丰水期1 5 2 2 。 ( 2 ) 浅层承压水 即上更新统第1 承压水，含水层岩性以粉细砂为主，与潜水以粘性土相隔， 补给条件较差，天然状况下径流滞缓。沿江沿海一带水位具日月潮变化特点，变 化幅度与长江及海的距离呈反向变化关系。水温响应与潜水基本相似且稍有延 迟，但变幅较小，并随水位埋深而异。由于三角洲顶部巨厚的潜水含水层存在， 沟通了长江和近江地带浅承压水力联系。可以认为，长江的侧向补给将成为开采 条件下地下水重要的补充方式。口岸一南通段则以弱含水层压缩释水和垂向越流 补给为主。开采引起的中心水位降落大小和漏斗范围与开采量和补给来源及方式 有关。 ( 3 ) 深层承压水 包括第l i 和第1 i i 承压水。埋藏较深，补给源远，天然条件下水位变幅不大， 只在沿江及沿海一带受潮汐影响，变幅1 5 2 o m 。但影响宽度有限，西段为2 k m ， 第二章自然地理与地质背景特征 东段为3 4 k m ，沿海为2 3 k m 。 近年来，由于城市集中大量开采深层地下水，造成水位大幅度下降，形成区 域性降落漏斗。水头下降与开采量密切相关。大量开采，造成含水层顶板压密释 水和上层地下水垂直越流，使上下层地下水漏斗形态相似。此外，地下水同位素 组分测试表明在沿江一带地下水还接受江水的激发补给，地下水与江水混合，造 成地下水水化学成份的重新组合和分带。在弱含水层压缩释水中，n 矿、c l 一等 组分随水流进入深层地下水，出现水中c l 一含量随开采量增加而增大的现象。 在本区南部，隐伏的灰岩岩溶水水头变化与第1 i 承压含水层十分吻合，水质一致 且水头高于第1 i 承压含水层2 5 m ，可以看出，大量开采深层孔隙水时岩溶水将 强烈顶托补给第1 i 承压含水层。 2 3 4 地下水开采现状 沿江开发带是江苏省经济最为发达的地区之一，随着国民经济的发展，该区 域内地下水开采量剧增，进入二十世纪八十年代以后，区内地下水开采由城市扩 展到乡镇( 村) 。进入二十世纪九十年代以后，区内地下水开采量又一次大幅度 增加。而后，由于地下水开采引起的地面沉降等地质灾害问题日益严重，为此， 相关部门相继采取措施，在部分地区实行限量、限深开采，尤其是减少城市的开 采量。表2 1 为2 0 0 3 年各省辖市研究区范围内地下水开采量统计表。 2 4 工程地质背景 本区域东部长江三角洲平原地区地面下3 0 米以内范围内，土体以上更