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摘要 地下水既是一种宝贵的自然资源，又是环境的基本要素。当今世界所面临 的“人口、资源、环境”三大问题，都直接或间接地与地下水资源有关。随着 人口的不断增长，城市及工农业的迅速发展，人类对地下水的需求量急剧增加。 然而过量开采第四纪松散沉积层中的地下水容易引起一系列的环境地质问题， 尤其是地面沉降地质灾害问题。因此，在对地下水系统进行全面、科学分析的 基础上，正确评价出地下水的水质和水量，并对可能产生的地面沉降问题进行 预测、分析已成为人类对地下水资源进行合理开发利用的前提和基础。本文以 杭州市第四纪松散孔隙含水系统为研究对象，评价了地下水的水质和可采量， 分析了可能产生的地面沉降环境效应问题，主要研究内容如下： ( 1 )在前面研究杭州市第四纪松散孔隙含水系统水文地质特征的基础 上，详细论述了地下水开采引起的地质环境问题。 ( 2 )在充分了解研究区含水层水质历史和现状的前提下，采用随机选择 因子的模糊综合评判法，对杭州市的水质进行了评价。 ( 3 ) 以杭州第四纪孔隙含水层为研究对象，含水层可分为潜水含水层、 承压含水层以及之间的粘性弱透水层。在系统分析该地区水文地质条件的基础 上，建立了研究区的概念模型。 ( 4 )在建立概念模型的基础上，进一步建立了研究区完整的三维有限差 分非稳定流数学模型。选取2 0 0 4 年1 月1 日至2 0 0 4 年1 2 月3 1 日的实测水位 资料，对模型的水文地质参数进行识别验证。 ( 5 ) 利用识别的参数和验证后的模型预测了承压含水层水位降深分别 控制在1 5 m 、2 0 m 和2 5 m 时，2 0 1 0 年、2 0 2 0 年和2 0 3 0 年的承压水可开采资源 量。并在三种预测方案下，对相应的地面沉降环境效应进行分析。 关键词：模糊综合评判；水质评价；随机选择因子；三维数值模拟；v i s u a l m o d f l o w ；地下水资源；地面沉降 a b s t r a c t g r o u n d w a t e ri so n ek i n do fp r e c i o u sn a t u r a lr e s o u r c e sa n da l s oaf u n d a m e n t a l e l e m e n to fe n v i r o n m e n t ”p o p u l a t i o n , r c s o u r c e e n v i r o n m e n t ”t h e s et h r e el a r g e p r o b l e m st h ew o r l di nt h en o w a d a y sc o n f r o n t i n gw i t h , a r ea l lc o n n e c t e d w i t hg r o u n d w a t e rr e s o u r c e sd i r e c t l yo ri n d i r e c t l y w i t ht h eu n c e a s i n g l yi n c r e a s i n go fp o p u l a t i o n a n dt h ep r o m p t l yd e v e l o p i n go fc i t y , i n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e ，t h ea n a o u n t so f g r o u n d w a t e rt h a th u m a nb e i n gn e e d i n ga r er a p i d l yi n c r e a s i n g b u t , b e c a u s eo f e x p l o i t a t i o ng r o u n d w a t e ro fq u a t e r n a r yl o o s es e d i m e n tl e a d ss e r i e so fe n v i r o n m e n t g e o l o g y , e s p e c i a l l yt h el a n d - s u b s i d e n c e t h e r c f o r e a n a l y s i so ng r o u n d w a t e rw a t e r s y s t e mr o u n d l ya n da c c u r a t e l y , c a r r y i n go u ta c c u r a t eg r o u n d w a t e rq u a l i t ya n d q u a n t i t y , a n df o r e c a s t i n gp o s s i b l el a n ds u b s i d e n c e ，a r et h ep r e m i s ea n db a s i st h a tw e m a k eu s eo fg r o 眦dw a t e rr e s o u r c e se f f e c t i v e l y t h eq u a t e r n a r y l o o s e - p o r ea a u i 衙i l l h a n g z h o up l a i ni ss t u d i e d 1 1 地g r o u n d w a t e rq u a l i t ya n dq u a n t i t yi sa p p r a i s e d a n d a n a l y z i n gt h ep r o b l e mo f p o s s i b l el a n ds u b s i d e n c e n 蛇m a i nc o n t e n to f t h ea t t i c l ea s f o l l o w s ： ( 1 )o nt h eb a s i so f i n v e s t i g a t i n gq u a t e r n a r y l o o s ep o r e a q u i f e r h y d r o g e o l o l g yc o n d i t i o n , g e o l o g i c a le n v i r o n m e n tp r o b l e mo w i n gt og r o u n d w a t e r e x p l o i t a t i o ni sd i s s e r t a t e di nd e t a i l ( 2 )u n d e rt h ep r e m i s eo ff u l l u n d e r s t a n d i n gt h eh i s t o r ya n dc u r r e n t s i t u a t i o no fa q u i f e rw a t e rq u a l i t y , u s et h er a n d o ms e l e c t i n gf a c t o ro fb | m m d s y n t h e s i sd e t i d i n gl a wt oe v a l u a t et h ew a t e rq u a l i t yi nh a n g z h o u ( 3 ) 1 1 l eo b j e c to ft h es t u d yi sq u a t e r n a r yp o r ea q u i f e ro fh a n g z h o u p l a i n a q u i f e rc u nb ed i v i d e di n t op h r e a t i ca q u i f e r , w e a kp e r m e a b l ea q u i f e r , t h e c o n f i n e da q u i f e r o nb a s i so fc a r r y i n go u ts y s t e ma n a l y s i st oh y d r o g e o l o l g y c o n d i t i o na b o u tt h i sa r e a , t h ec o n c e p tm o d e la b o u ts t u d y i n ga r e ai sb u i l t ( 4 ) o nt h eb a s i so fe s t a b l i s h i n gt h ec o n c e p tm o d e l t h ee n t i r et h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ed i f f e r e n c 2u n s t e a d yf l o wm a t h e m a t i c a lm o d c l i sb u i l t b yu s h a g o b s e r v a t i o nb o r e h o l ed a t u mf r o mj a n u a r yl ，2 0 0 4t od e c e m b e r3l ，2 0 0 4 ，t h e h y d r o - g e o l o g i cp a r a m e t e r sa r ei d e n t i f i e da n dc a l i b r a t e d ( 5 ) u s i n gt h em o d e lw h i c hh a v eb e e nd i s t i n g u i s h e da n dv 嘶f i e dt of o r e c a s t t h ec o n f i n e da q u i f e r , w h e nt h ew a t e rt a b l ec o n t r o ld u r i n gt h ep e r i o do f1 5 札2 0 m 2 5 m , c a l c u l a t et h eq u a n t i t yo fc o n f i n e dw a t e ri sc a l e u l a t e d u n d e rt h et h r e ef o r e c a s t s c h e m e s t h er e l e v a n tl a n ds u b s i d e n e ee n v i r o n m e n te f f e c ti sa n a l y z e d k e y w o r d s ：f u z z ys y n t h e s i sa p p r a i s a l ；w a t e rr e s o u r c e sa p p r a i s a l ；t h er a n d o m s e l e c t i n gf a c t o r ；t h r e e - d i m e u s i o n a ln u m e r i c a lm o d e l ：v i s u a lm o d f l o w ；g r o u n d w a t e rr e s o u r c e s ；l a n ds u b s i d e n c e i l 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) ： 至亟虱医碲 b 月j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) ：i 强鲺聋 磷月r 日 河海大学硕士学位论文一杭州市地下水质量及开采引起的地面沉降环境效应分析 1 1 问题的提出 第一章绪论 水是人类生存不可或缺、不可替代的自然资源，随着人l z l 的增长和经济的 发展，水资源问题已经成为制约人类2 1 世纪生存与可持续发展的瓶颈因素，水 资源危机已是全世界面i 临的诸多危机之一。 杭州市是典型的南方用水大户城市，常年以来，主要以钱塘江及山区丘陵 地带的岩溶水和部分裂隙水作为生活用水。但是随着人口的增长、工农业生产 及城市建设的迅速发展，钱塘江流域工业污染排放日趋复杂，污染物排放大大 超过环境容量和自净能力，地下水开采量剧增，地下水环境不断恶化【。 平原区承压淡水多数为封闭型或冲淡型，由于对第四纪松散含水层的不合 理开采，引起部分地区的地面沉降环境效应问题，并且长期以来承压水主要作 为工业用水，大大降低了地下水资源的有效利用。为了避免类似吉化“l l 1 3 ”事 件的产生而引起严重后果，就需要对杭州市平原区地下水的水质和水量进行较 为全面的系统分析，对地下水资源进行准确评价与科学管理是人类对地下水资 源进行有效开发利用的前提和基础。地下水资源评价就是对某系统地下水资源 的数量、质量的时空分布特征和开发利用条件等作出科学全面的分析和估计。 为此，本文以杭州市平原区为主要研究对象( 图1 1 为研究区交通位置图， 图1 2 为研究区主要乡镇分布图) ，运用科学的手段，对研究区水质作出较为 准确的分析，同时对研究区地下水动态变化规律进行分析研究，合理概化研究 区的水文地质条件，建立较能体现研究区真实面貌的水文地质结构模型，准确 地进行研究区地下水资源评价显得越来越迫切和必要起来。 i 2 国内外研究历史及现状 1 2 1 地下水水质评价方法 随着环境质量评价工作的逐渐深入，地下水环境质量的研究工作从7 0 年代 第一章绪论 开始逐步受到重视，评价体系及方法日臻完善。 图1 1 研究区交通位置图 图1 2 研究区主要乡镇分布图 为使地下水环境质量评价有据可依，各国根据实际情况，制定了地下水环 境质量评价标准。国内外目前使用的标准可分两类：一类为区域地下水天然背 景值；一类为国家制定的水质量标准。我国于1 9 9 3 年1 2 月3 0 曰由国家技术监 督局发布了g b t 1 4 8 4 8 1 9 9 3 地下水质量标准。 七十年代以来，地下水环境质量评价工作由浅入深，由简单到复杂，由单 2 河海大学硕士学位论文一杭州市地下水质量及开采弓l 起的地面沉降环境效应分析 项指标到综合指数的计算，由现状评价到趋势分析，由数理统计到数学模型的 建立，由室内模拟试验到现场大型试验逐渐发展起来。 近几十年以来，国内外专家、学者进行了大量研究，提出了多种水质评价 方法，如模糊综合评价法1 3 4 、灰色聚类法 9 1 、神经网络法【1 0 1 7 】以及投影寻踪法 等多种评价方法。其中模糊综合评价考虑到评价过程中人的主观经验所起到的 作用，专家必须对影响因子的权重进行确定，但是由于专家的经验知识在时间、 空间上存在的局限性以及经验知识具有的相对性，专家对权重确定过程中的难 度也较大，同时对不同专家权重判断的集结也是一个需要考虑的问题；灰色理 论的方法在一定程度上克服了信息的不确定性，但也存在丢失部分信息的不足； 人工神经网络a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是一种非线性的动力学系统，是 对自然界生物智能的模拟，具有大规模并行处理和分布式信息储存的能力，有 很强的自学习能力，人工神经网络评价法是通过对经验知识以及以往评价事实 和结果的学习，从而实现对待测水体级剐的合理判断，但是由于人工神经网络 理论发展过程中尚未取得突破性进展，以及采用的激励函数物理意义不明确， 导致其在应用中也存在局限性，而投影寻踪的评价方法是从数据分析的角度对 样本数据进行处理，通过建立目标函数，求解优化问题，将高维数据投影为一 维向量，它仅从数据结构本身出发，忽视了各个因子对水质评价结果的影响程 度，未能考虑评价的目的和用途，评价结果也是不完善的。总之它们各有优点 和不足之处，都有待进一步的完善。 本文运用随机选择因子的模糊综合评判法对杭州市主要开采区水质进行评 价。随机选择因子的方法不仅可以保证重要因子在整个评价过程中的作用，同 时考虑了普通因子对评价结果的影响，使最后的评价结果更符合实际情况，较 好的解决了传统的模糊综合评判法对因子选取上所存在的问题，避免了人为因 素造成的评价结果差异，比单纯的模糊综合评价方法所得的结果更精确。 1 2 2 地下水水量评价方法 地下水资源量的评价方法最初主要集中于解析法、水均衡法等，随着计算 机技术的迅猛发展，地下水资源量的评价多采用数值法【l s - 2 6 。1 9 5 6 年，斯图尔曼 ( r w s t a l l m a n ) 开始将数值法应用于水文地质计算。二十世纪六十年代，华尔 第一章绪论 顿( w c w a l t o n ) 首次将电子计算机引入水文地质数值模拟，解决了数值法中 繁杂的数据计算问题。8 0 年代以来数值法已被广泛应用于计算模拟各类与地下 水运动有关的问题，是地下水运动、地下水资源评价中非常有效的方法之一。 数值法在模拟地下水离散模型、连续性模型、混合模型和耦合模型【2 7 删方面具 有无法替代的优越性。 数值法在应用过程中不断得到发展：从最初的有限差分法、有限单元法【3 ”， 发展到后来的边界单元法和有限分析法等多种方法并存。每一种数值方法本身 在解决具体问题的过程中不断地被发展和完善。由于自然界地质体通常为非均 质的，其特征随空间变化，地下水流也随时间和空间变化，其复杂程度无法用 数学语言全面描述。因此，如何建立正确的水文地质概念模型，是地下水系统 模拟中重要的、值得研究的问题。若要对某系统的地下水资源进行评价，必须在 对其水文地质条件进行必要概化的基础上，建立能够准确( 或近似准确) 描述该系 统水流运动特征的数学模型，然后求解。 数值方法不仅可有效的解决各类地下水流问题，还能用来解决地下水质和 其他模型，如地下水中污染物的传播问题、海水入侵、中咸淡水界面的瞬时位 置及其移动问题、地面沉降问题、最优化管理模型问题。现在数值方法已应用 于水文地质的各个领域，取得了很有效的成果，已成为解决各类地下水问题无 法取代的工具和手段。 目前的数值方法主要有有限差分法、有限单元法、有限分析法、边界元法 等，其中应用最广泛的是有限差分法和有限单元法。但是数值方法也有其本身 的缺陷，以下就是数值方法中全局性的问题： ( 1 ) 通过某一断面的流量、速度算不准 国际公认：应用数值模拟时，误差有时很大，这里的误差不包括构造模型 错误、选用方法等造成的错误，而是指模型、方法选用正确的前提下，由现有 的方法本身引起的误差。 ( 2 ) 有限元法局部区域上质量不守恒，违背了物理上的基本定律一质量守 恒定律，有限单元法在推导时是以整个计算域为基础的，在整个计算域上满足 质量守恒，对整个计算域内剖分所得到数百个，数千个各种形式的单元来说， 由于推导是以整个计算域为基础的，所以对每一个单元来说就未必守恒了。在 4 河海大学硕士学位论文一抗州市地下水质量及开采引起的地面沉降环境效应分析 这里需要指出一点，虽然近年来，有限单元法在地下水数值模拟中应用越来越 广泛，并有取代有限差分法的趋势，但是，这种现象不是基于对这两种数值方 法理论上的对比分析，而更多的是出于有限单元法中广泛使用的比较灵活的网 格剖分的爱好，以及对复杂而抽象的数学推导所产生的数值方法的期望。实际 上，有限单元法和有限差分法没有太大的区别，两者可以统一起来。但是，有 限单元法解决非稳定的地下水流运动问题，在时间步长a t 较小的情况下，某些 单元可能出现质量不守恒，因此引起个别点的水头反常，而有限差分法，其水 均衡是建立在每个单元上的，就不存在这个问题。由此看来，应用有限差分法 研究地下水流运动问题更为可靠。 我国地下水数值模拟起步较晚，开始于2 0 世纪7 0 年代，经过2 0 多年来数 学工作者( 肖树铁、谢春红、孙纳正、陈明佑、杨天行等) 和水文地质工作者( 林 学钰、薛禹群、朱学愚、陈崇希等) 以及科研院所的共同努力，现已接近或达到 国际水平。现在我国已差不多建立了囊括国际地下水模拟中心( i g w m c ) p v e n d e r h e i j d e 分类中所有的模型，研究范围涉及饱和带、非饱和带，所建立的模型 有二维的( 平面的、剖面的) ，也有三维的。尽管如此，我国数值模拟模型的建 立和运行仍然处于分散的状态，一些常用的、相对简单的模型缺少通用的软件。 各单位一旦需要还得从头编起，不仅重复劳动，还影响新编软件的使用效率。 因此引进或出版一些通用软件就被提到议事日程上来。 目前，国际上最流行且被各国同行一致认可的由加拿大w a t e r l o o l 3 2 水文地 质公司在美国u s g s 原m o d f l o w l 3 3 3 4 l 软件的基础上研制的三维地下水流和溶质 运移模拟评价的标准可视化专业软件系统v i s u a lm o d f l o w ，具备强大的功能， 在水文地质学界有着广阔的应用前景。因此，鉴于我国的实际情况，研究v i s u a l m o d f l o w 的应用潜力，并加以推广具有一定的现实意义。 1 3 本文研究的主要内容及思路方法 本论文在系统的综合分析杭州市水文地质条件的基础上，基于模糊综合评 判法对杭州市主要开采区的水质进行评价，同时建立了适合本区的三维非稳定 流水文地质概念模型和对应的数学模型，从而能比较真实的反映地下水流场， 再现研究区水文地质情况，并且运用国际上通用的先进三维水流水质评价软件 第一章绪论 系统v i s u a lm o d f l o w 进行地下水流的动态模拟预测，为杭州市科学地管理地下 水提供理论依据。全文共分七章：第一章绪论，提出问题，国内外研究历史及 现状，本文的研究内容、思路及特色；第二章杭州市基本概况，介绍研究区地 质、水文概况及地下水开发利用现状及水质、水位状况；第三章模糊综合评判 法原理及水质评价，阐述模糊综合评判法的原理，运用随机选择因子的模糊综 合评判对杭州市主要开采区的地下水水质进行评价；第四章杭州市地下水系统 概念模型；第五章杭州市地下水系统数值模拟；第六章杭州市地下水开采与地 面沉降环境效应分析；第七章；结论与建议。基本的研究思路如下： ( 1 )全面系统地收集整理各种长观动态资料及分析第四纪松散孔隙含 水系统水文地质特征。 ( 2 ) 系统的分析随机选择因子的综合模糊评判法的原理。 ( 3 )采用随机选择因子的模糊综合评判法对杭州市的地下水水质进行 评价。 ( 4 )建立相适应的水文地质概念模型，将研究区划分为潜水层、承压含 水层以及之间的弱透水含水层。 ( 5 ) 建立与水文地质概念模型相对应的三维非稳定流数学模型。 ( 6 ) 运用v i s u a lm o d f l o w 软件建立杭州市地下水系统可视化计算机模 型。 ( 7 ) 对所建立的模型进行识别验证和可靠性分析。 ( 8 )运用验证的模型，对三种预测方案下地下水可开采量进行预测以及 分析相应的地面沉降环境效应。 1 4 本文的研究特色 ( 1 )采用随机选择因子的模糊综合评判法对杭州市的地下水水质进行 评价。 ( 2 )将杭州市当作统一的水文地质单元，明确各含水层的空间分布规 律；系统认识地下水的补给、径流、排泄特征及地下水水位动态变化特征；采 用真三维模型将第四纪松散岩类孔隙承压含水层间的粘土层作为弱含水层参与 计算，真实的反映了地下水系统的结构与功能特征，跟以往将其概化为越流层 6 河海大学硕士学位论文一杭州市地下水质量及开采引起的地面沉降环境效应分析 相比，更贴近实际。 ( 3 ) 应用目前国际流行的v i s u a lm o d f l o w 软件，在计算机上创建模型， 进行了模型的识别验证和预报，实现了整个地下水资源评价过程的可视化，动 态地模拟了地下水开采过程中地下水水位变化趋势，提出了地下水可开采资源 量。 ( 4 ) 在边界条件的处理上，本论文采用了v i s u a lm o d f l o w 所特有的通用 水头边界。以往边界条件或处理成水头边界或处理成流量边界，水头边晃一般 缺乏相应资料，而流量边界是直接给出来的，随意性很大。在通用水头边界中， 水头是由m o d f l o w 程序自动运算的，更符合实际情况，提高了模拟计算精度。 ( 5 ) 在对模型识别验证后，并没有直接就用来预报，而是运用水均衡原 理对模型作了可靠性分析，然后才用于预报，这样预报结果更有说服力。 ( 6 )运用识别验证后的模型，对三种预测方案进行地下水可开采量的预 报，并分析了三种方案下地面沉降环境效应。 第二章杭州市基本概况 第二章杭州市基本概况 2 1 自然及经济地理 2 1 1 地形地貌 杭州市地处我国东部沿海开放地带，杭州市面积1 3 5 】为1 9 0 3 k i n 2 ，全区地势 西南高、东北低。西部为连绵起伏的低山丘陵，郁郁葱葱，东北部属“杭嘉湖” 平原，地势平坦。西部是由天日山、自际山、千里岗山山脉构成的中低山丘陵 区，群山起伏。 2 1 2 气象及水文 ( 1 ) 气象 杭州市位于亚热带季风气候区北缘，气候温暖湿润，雨量充沛，光照充足， 四季分明。年平均气温1 5 5 1 7 c ，由东北部向西南逐渐增高，1 月份最低， 平均气温3 8 ，极端最低气温为一1 0 5 ( 1 9 1 6 ) ，7 月份最高，平均气温2 8 6 ，极端最高气温4 2 1 ( 1 9 3 0 ) 。年平均降水量1 3 5 2 1 6 7 5 m m ，随地势增高 而递增，萧山、余杭不足1 4 0 0 m m 。降水年际差异较大，常达两倍以上，月际 分配也不均，呈现梅雨型( 第一雨季) 、台风雨型( 第二雨季) 的双峰型降水特 征，一般是3 7 月上旬为第一雨季，占年降水量的4 2 4 8 ，特别是6 7 月 上旬，雨量集中，大雨、暴雨增多，8 月底9 月底为第二雨季，受台风影响， 多狂风暴雨。 年平均蒸发量东北部较大，余杭、萧山达1 2 3 2 9 1 3 4 8 m m ，西、西北部山 区相对较少，降水多于蒸发。 ( 2 ) 河流水系 研究区水系属钱塘江和太湖两大流域，钱塘江流域主要河流有新安江、富 春江、钱塘江、浦阳江等，太湖流域主要有以南苕溪为主干的东苕溪、运河等。 8 河海大学硕士学位论文一杭州市地下水质量及开采引起的地面沉降环境效应分析 钱塘江：发源于安徽休宁县冯村乡六股尖，自西南向东北流经淳安、建德、 桐庐、富阳、萧山五县( 市) 和杭州市区，经杭州湾汇入东海。其中梅城以上 称新安江，梅城一萧山区闻堰段称富春江，闻堰以下称钱塘江，水流蜿蜒曲折， 故有“之江”之称。出口段河床宽浅，涌潮凶猛，由于洪、潮冲刷，在历史上 江道摆动很大，频繁的沧桑之变，曾给两岸人民带来莫大的灾难。钱塘江主流 全长6 0 5 k m ，流域面积4 8 8 0 0 k m 2 。 东苕溪：位于杭州市西北面，是太湖流域的重要水系之一，发源于天目山 南麓，属典型的山区性河流，干流全长1 5 8 3 6 k i n 。 浦阳江：发源于浦江县花桥乡井坑岭，经诸暨市进入本市萧山区境内，于 闻堰汇入富春江后入钱塘江，主流全长1 3 4 k m ，流域面积3 4 3 1 k m 2 ，是钱塘江 的主要支流之一。 京杭大运河：京杭大运河自余杭市塘栖镇附近入境，境内长度3 1 k m ，流域 面积7 2 6 6 k i n 2 ，主要承受余杭区泰山、石鸽、闲林及杭州市西部部分山水和本 地河流经河网调蓄后流向太湖。 2 2 区域地质条件 2 2 1 基岩地层 研究区为杭州平原区范围，基本排除了基岩出露的位置，但前第四系由震 旦系到白垩系皆有分布，埋藏深度5 0 - - 7 0 m 不等。表2 1 为前第四纪地层1 3 6 简表。 2 2 2 地质构造 杭州市隶属扬子江准地台东北端的钱塘台褶带余杭嘉兴台陷的一部分。 构造早期受晋宁运动影响，历经印支期、燕山期构造运动，形成以北东向为主 的构造格局，由北东向半山皋亭山向斜、西湖复向斜、湘湖褶皱区和东西向 石龙山褶皱区，以及一系列北东、北西、东西向断裂组成。 9 第二章杭州市基本概况 表2 1 前第四纪地层简表 界系统组代号厚度( m 】岩性 紫红色砂砾岩、砂岩、泥岩、 中生白垩系 统朝川组 k t c 8 0 夹火山碎屑岩及熔岩 界 徕罗系统黄尖组j 3 b 6 2 5 灰紫色熔结凝灰岩，夹泥岩、粉砂岩 丁家组 1 4 0 灰黑色溶硅质岩、泥岩、页岩、泥质灰岩 二选系统灰黑深灰色中厚层状生物灰岩， 栖霞组 p i q2 5 0 3 2 0 夹泥质灰岩、白云质灰岩 深灰色厚层块状生物碎屑灰岩 统船山组c 3 c1 3 0 屯伽 中都夹少量泥质灰岩 上古 石炭系 浅灰色黑色中厚块状生物灰财， 生界 统黄龙组 c 2 h1 3 0 1 6 0 底部灰色白云岩 统叶家塘组c f f2 2 1 1 2灰、灰黑色石英砂岩、砂岩、泥岩 珠藏坞组d 3 z1 6 0 l 加 浅灰灰白色石英砂岩、砂砾岩， 泥盆系统 夹粉砂岩、泥岩 浅灰色白色石英砂岩、砂砾岩， 西湖组脚2 跖 上部耪砂岩、泥岩 紫、灰绿色厚层扶石英长石砂岩， 统唐家坞组s 3 t6 9 4 夹少耪砂岩、砂岩 志留系 统康山组 s 2 k 3 1 2 灰黄色中厚层状细砂岩、粉砂岩、泥岩 大白地组s l d2 2 6工业区自、灰黄色中细砂岩、夹粉砂岩、泥岩 统 安吉组s j a 1 6 1灰黄、灰绿色耪细砂岩、泥岩 文昌组 0 3 w 3 2 2黄绿、褐灰色粉砂岩，细砂岩，夹泥岩 统长坞组 0 3 c 8 7 0 灰黄、黄绿色泥岩、粉砂岩 黄泥岗组o j h 4 0 黄色薄层泥岩，含钙质结核 砚瓦山组o 蚪3 2 4 7棕红、黄绿泥岩、粉砂岩 统 大田坝组0 2 ( i 5 6 灰绿色瘤状含泥质灰岩 奥陶系 牯牛潭组o l g1 5灰白色块状粗晶灰岩 网纹状生物灰岩、瘤状灰岩 用林埠组o l x 5 0 夹砾屑灰岩、泥岩 深灰、灰黑色生物灰岩、瘤状灰岩， 统 荆山组 o , j 6 l 底部夹泥岩 灰绿、深灰色条带状云灰岩，泥岩， 留下组 o l i 2 6 8 夹癌状灰岩 统超峰组 3 c t , 2 0 0块状白云岩夹灰质白云岩 寒武系统杨柳岗组 2 y 1 8 0 薄层泥质条带灰岩、灰质白云岩、泥岩 统荷塘组 l h 5 0 灰黑色含碳硅质岩、硅质泥岩 元古 震旦系统陡山沱组z 2 d 2 0 0 古砾石英砂岩、白云岩， 界夹耪砂质泥岩、细砂岩 1 0 河海大学硕士学位论文一杭州市地下水质量及开采引起的地面沉降环境效应分析 2 2 3 松散地层 研究区内第四系从中更新统至全新统均有发育。图2 1 为富阳富春江第四 纪水文地质剖面图，图2 2 为余杭南苕溪第四纪水文地质剖面图，表2 2 为第 四纪地层口7 l 简表。 巳- 豳。豳a 豳t 囫s 圈圜t 圈s 圜。固t 。璺1 1 l 、粉细砂 2 、亚砂上3 ，淤泥质亚粘上 4 亚粘上5 、粘上6 、泥炭7 、砂砾石 8 砂砾石含粘住上 9 ，砂砾岩 2 0 ，泣纹质晶屑熔凝灰岩1 1 、花岗闪长岩 图2 1富阳富春江第四纪水文地质剖面图 f - t 口2 口3 圈毯5 蹑8 口7 圉8 雹9 绷砂2 、亚牯土3 砂砾石4 砂砾石吉粘土5 ，亚粘6 淤泥震堑枯：7 、钻 砂岩9 、流筑质凝灰岩i o 琵井与钻孑l 图2 2 余杭南苕溪第四纪水文地质剖面图 第二章杭州市基本概况 统组 代号厚度( m ) 岩性特征 灰、灰黑色亚粘土 上组 q 3 1 o 1 2 o 灰黄、褐黄色亚砂土、粉砂 上部：灰黄、褐黄色亚粘土 中组 q 4 2 o 9 5 - 2 0 o 中部：灰、灰黄色粉细砂，亚粘土 全新统 下部：深灰、灰色淤泥质亚粘土 上部：黄褐、灰绿色亚粘土、粘土 下组 q 1 1 & 4 1 8 中部：灰、灰黄色亚砂土、粉细砂 下部：灰，深灰色淤泥泥质亚粘土 上部：灰绿、褐黄色枯土，亚粘土 上组曾i 2 - 1 8 5 中部：灰、灰褐色粘土，亚粘土 上更 下部：灰黄、褐黄色亚砂土，粉砂，局部中粗砂、砂砾石 新统 上部：灰黄、褐黄色亚粘土、粘土 下组 q 3 1 0 4 - 2 4 5 中部为亚砂土 下部灰黄、褐黄色砂砾石、中细砂 中更 上组 q o 3 1 4 2 棕红、棕黄、褐黄色含砾亚粘土、砾石混粘性士 新统 2 3 水文地质条件 2 3 1 岩性及埋藏分布特征 杭州市由东苕溪冲积平原、钱塘江冲海积平原、浦阳江冲积平原构成，水 文地质条件差异较大，地下水具有各自赋存体系及独立的运移条件，根据区域 内地层、构造、松散砂层的分布规律，以及地下水流场及水循环等特征，将工 作区划分为三个水文地质区。 ( 1 ) 东苕溪冲积平原区 分布在钱塘江平原北部，拱墅区、余杭区一带，为太湖水系的东苕溪冲积、 沉积活动区，该区呈北东南西向分布，宽带状，东苕溪主流线( 古河道) 在余 杭镇、仓前、三墩、祥符桥、三家村、临平一线。古河道宽度在祥符桥处为2 4 k m ，余杭独山一带约4 5 k m ，下游渐增宽至7 l o k m 。在祥符桥一带还存在 一南北向展布的古河道支流，与钱塘江古河道相沟通，是海水入侵东苕溪平原 的通道。 ( 2 ) 钱塘江冲、海积平原区 1 2 河海大学硕士学位论文一杭州市地下水质量及开采引起的地面沉降环境效应分析 分布在袁浦、笕桥、司桥一线以南，长河、新街、瓜沥、党山一线以北， 呈东西向展布，为晚更新世期间钱塘江古河道，主流线( 河床相) 在宁围、靖 江、新湾一线，往东进入杭州湾。 ( 3 ) 浦阳江冲积平原区 呈宽带状展布，主线流经浦阳、临浦、新塘，在螺山附近汇入钱塘江古河 道。 每个区内根据地下水的赋存介质岩性条件、埋藏条件及水动力性质等特征， 可分为浅层水和深层水二个含水层组。 ( 1 ) 浅层孔隙水含水岩组 东苕溪冲积平原区浅层孔隙水含水层组，由全新统和上更新统上部世冲、 海积层组成，含水层岩性为亚粘土和淤泥质粉细砂，厚3 0 4 0 m 。民并出水量 小于1 0 m 3 d ，水位埋深0 4 2 3 m 。 钱塘江冲、海积平原区浅层孔隙水含水层组，由全新统和上更新统上部海 相或冲海相组成，岩性为粉细砂、亚砂土和淤泥质亚粘土，厚约3 5 5 5 m ，单 井出水量一般为2 0 5 0 m 3 d ，近江地段砂层厚度大，水量可达l o o m 3 d 以上， 水位埋深o 5 2 5 m 。 浦阳江冲积平原区浅层孔隙水含水层组，由全新统和上更新统冲洪积、冲 海积层组成，松散层厚度2 0 4 0 m ，岩性为中细砂、粉细砂和亚砂土，具上下 粗中间细的特征，厚1 5 3 5 m ，水位埋深o 8 4 1 2 0 m ，富水性由古河道控制， 河道中心( 河床) 富水性较好单井出水量达5 0 m 3 d 左右，两侧漫潍区水量明显 减小。 ( 2 ) 深层承压水含水岩组 东苕溪冲积平原区深层承压水含水岩组，由上更统世冲海积层组成，含水 层顶板埋深3 0 5 0 m ，含水层岩性为砾石、砂砾石，厚度一般8 1 8 m ，在三墩、 祥符桥、三家村、亭趾等古河道区( 河床相) 厚度最大，可达3 5 m ，向两侧逐 渐变薄。古河道中心部位单井出水量达3 0 0 0 m 3 d ，向两侧递减至1 0 0 1 0 0 0 m 3 d 。 导水系数由古河道中心的1 0 0 0 1 5 0 0 m 3 d ，向两侧减弱为1 0 0 5 0 0 m 3 d 。 钱塘江冲、海积平原区深层承压水含水岩组，由上更新统中、下部冲海相 组成，含水层岩性为砾石、砂砾( 卵) 石及中粗砂，厚3 4 5 2 m ，受古河道控 第二章杭州市基本概况 制，河道中心( 河床区) 较厚，两侧漫滩区趋薄，颗粒也逐渐变细。含水层顶 板埋深3 0 5 0 m ，自西向东微倾。含水层富水量较好，单井出水量大，古河道 ( 河床) 区一般为3 0 0 0 5 0 0 0 m 3 ，d ，局部地段可达6 0 0 0 m 3 d 以上，两侧河漫滩 区富水性较差，单井出水量一般为2 0 0 7 0 0 m 3 d ，承压水头埋深较浅。 浦阳江冲积平原区深层承压水含水岩组，含水介质为砂、砂砾石，结构松 散，厚5 5 1 7 6 m ，顶板埋深2 3 3 4 4 0 0 4 m ，水位为0 8 4 一1 1 7 m ，富水性 由古河道中心河床相向西两侧漫潍相由丰富减为中等，单井出水量为2 3 4 2 6 4 8 m 3 d 。 2 3 2 地下水补给、径流、排泄特征 ( 1 ) 浅层孔隙水 杭州市平原区地势平坦，降水充沛，但潜水含水层透水性差，入渗量较小， 地下水水力坡度微小，径流极其缓慢，潜水位一般高于河、湖水位，临河、湖 地带，缓慢排泄于地面水体，旱季蒸发为其最普遍的排泄方式。此外，农田排 灌对浅层水也有一定影响。 ( 2 ) 深层孔隙承压水 孔隙承压含水层上覆海相、陆相及其过渡相粘性土层，以小于3 的 坡降向下游延伸，地下水径流极其缓慢，并尖灭于海相地层中。因此，孔隙承 压水在天然状态下，几乎处于停滞状态，一般来说与地表水并不存在转换关系。 由此可见，承压水的补给，排泄也极其微弱。 大气降水与地表水完全被上覆厚层粘性土阻隔，失去垂直补给，粘性 土天然含水量虽高达3 0 5 0 ，但耳前尚无实际资料证实其释水程度。 含水层向上游延伸，埋深变浅，并逐渐过渡为孔隙浅层水，接受大气 降水和地表水的补给，但已远离图区和开采区，在激化条件下，也很难波及补 给区。 研究区内地表水体切割深度远小于上覆粘性土层，钱塘江水深不超过 l o m ，最深也不超过2 0 m 。平原上的浅水河道，河底标高一般多在一l m 左右， 1 4 塑墼学硕圭宅垒堡奎二塾塑市地下水质量及开采引起的地面沉降环境效应分析 京杭大运河杭州段的河底标高也不超过一4 m 因此，难以形成地表水的侧向补 给。 含水层的下伏基岩，均为富水性贫乏的白垩系红色碎屑岩类与侏罗系 火山岩系，据勘探证实，水量甚微。 此外，在靠近补给区上游的局部地段，由于流水强烈切割，形成河床 “天窗”【3 3 】从而发生地表水与地下水的直接转换。例如富阳市鹳山南麓，1 9 5 7 年测量富春江水深- - 3 3 2 m ( 吴淞高程) ，1 9 7 6 年6 月测量富春江水切割深度达 - - 3 5 2 m ( 吴淞高程) ，而附近钱塘江古河道承压含水层顶板标高仅一1 8 1 9 3 m ( 吴淞高程) ，造成了富春江水与承压水直接沟通。在天然状态下，承压水位略 高于江水位，河流排泄地下水，当承压水一旦被大量开采时，“河床天窗”好似 贮水井，富春江水将源源不断地补给地下水。但对已远离图区的开采平原区， 影响不大。 2 4 地下水开采现状 据调查资料嗍显示，1 9 9 3 年杭州有民井2 0 7 1 8 眼，年开采量5 3 1 8 万m ? ，a ； 浅井1 6 1 眼，浅层孔隙水年开采量6 5 8 9 万m 3 a ；深井1 1 8 眼，深层孔隙水年 开采量1 4 5 9 万m 3 ，a ；合计地下水开采量2 6 4 9 7 万m 3 。 至1 9 9 7 年全市有民井1 9 2 7 7 眼，年开采量4 8 2 8 万m 3 a ；浅井1 6 4 眼，年 开采量7 3 5 5 万m 3 a ；孔隙承压深井1 0 1 眼，年开采深层孔隙水1 3 2 4 。8 万m 3 a ， 合计地下水开采量2 5 4 3 1 万m 3 。 1 9 9 7 年以后开采量 4 0 1 呈下降的趋势，其中1 9 9 8 2 0 0 4 年杭州市区有比较准 确的开采量统计数据，余杭、萧山无开采量统计资料，但根据地下水动态观测 资料，孔隙地下水水位上升幅度较大，2 0 0 0 年以后接近原始水位，可见其开采 量很少。图2 3 为杭州市区地下水1 9 8 7 - - 2 0 0 5 年开采量柱状图。图2 4 为祥符 桥开采区历年开采量。 第r 二章杭州市基奉概况 开采量( 万吨) ilil _ i _ i _ i i p 梦萨萨妒妒梦梦梦梦梦梦梦梦矿梦秽梦年馈 图2 3 杭州市区地下水1 9 8 7 - - 2 0 0 5 年开采量柱状图 开采量( 万吨) 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 l o o 5 0 0l i 圳m s 擎妒擎擎s 擎妒擎妒擎妒擎擎每嗡 图2 4 祥符桥开采区历年开采量 2 5 地下水水质现状 2 5 1 浅层孔隙水 上部潜水基本上都淡化，东苕溪冲积平原、浦阳江冲积平原及钱塘江冲、 海积平原均为淡水，矿化度0 2 0 8 9 l ，多为h c 0 3 - c a n a 、h c 0 3 c l c a 。m g 型水，仅在沿钱塘江新围垦区为微咸水，矿化度大于1 0 9 l 。 1 6 枷 耄 咖 咖 螂 枷 。 河海大学硕士学位论文一杭州市地下水质量及开采引起的地面沉降环境效应分析 2 5 2 深层孔隙水 钱塘江冲、海积平原水质较差，矿化度3 6 9 l ，但周浦袁浦一带水质 较好。浦阳江冲积平原区多为微咸水、咸水，仅在临浦西戚家里一带保存有一 面积约1 0 k i n 2 的淡水体。 东苕溪冲积平原水质相对较好，多为低矿化度的淡水，但由于南北向古河 道支流的影响，使钱塘江咸水沿着该支流河道入侵，使东苕溪冲积平原水质变 得复杂，出现了大面积的咸水，仅在东苕溪古河道、祥符桥、三家村一带以及 东部亭趾、五杭、博陆一带分布有断续的淡水