（环境工程专业论文）地面沉降预测及经济影响评价研究.pdf

中文摘要 地面沉降是天津市主要的地质灾害，这种复杂的环境地质问题严重影响着城 市基础设施建设，制约着天津市全局的经济发展。目前已普遍证实过量开采地下 水造成地下水文地质力学甲衡的破坏是导致地面沉降最主要的原因。因此，借鉴 国内外最新的沉降预测模型，开发并建立适应天津市特定区域的沉降预测方法， 为下一步天津市地面沉降的有效控制提供科学依据将具有积极而深远的意义。 本研究选择历史观测数据较为完备的塘沽区作为研究示范区域，在对历史数 据变化趋势分析的基础上建立了地面沉降的b p 神经网络预测模型。模型以地下 各含水组年均水位为输入变量，以优化后监测网络的各监测点年沉降值为输m 变 量。通过对多种网络模式的比较与筛选，最终确定的网络结构为双隐含层，每层 8 个节点。模型的拟合能力通过后验差检验，符合邓聚龙一级模型精度标准。 经过模型的计算，塘沽区地面沉降强弱与地下水位具有较一致的响应趋势。 初期随着地下水位的抬升，地面沉降缓解趋势较为明显，后期作用将逐渐减弱。 各含水组对地面沉降的影响强度依、i i i 、v 、的顺序逐渐减弱。 为了克服b p 神经网络模型容易陷入局部最优且收敛速度慢的缺陷，本研究 利用遗传算法强大的全局搜索寻优能力，实现了遗传算法与b p 神经网络的耦合， 应用遗传算法优化神经网络的初始权重。耦台模型拟合过程更为稳定，多次运算 结果基本致，在一定程度实现了预期目标，证明该算法是可行目有效的。 最后，本研究在预测模型的基础上，应用经济学原理对地面沉降进行了经济 影响分析，建立了地面沉降经济损失评价指标体系，并应用外部性经济学理论， 论证了政府经济管制与激励制度对缓解与控制地面沉降灾害的重要作用。 关键词：地下水位地面沉降b p 神经网络模型遗传算法经济评价塘沽区 a b s t r a c t a sac o m p l i c a t e de n v i r o n m e n t a lg e o l o g i c a lp r o b l e m ，t h el a n ds u b s i d e n c ew h i c h i st h em a i ng e o l o g i c a ld i s a s t e ro ft i a n j i nc i t yh a ss e r i o u s l yi m p a c t e do nt h e c o n s t r u c t i o no fc i t y sb a s i ce s t a b l i s h m e n ta n dr e s t r i c t e dt i a n j i n sg l o b a le c o n o m i c a l d e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ，i th a si m p r o v e dt h a tt h eo v e r e x p l o i t a t i o no fg r o u n d w a t e r w h i c hu n b a l a n c e dt h es o i ld y n a m i c si st h eu p p e r m o s tr e a s o no ft h el a n ds u b s i d e n c e s o ，i th a sp o s i t i v ea n dp r o f o u n dm e a n i n gt od e v e l o pt h es u i t a b l ep r e d i c tm e t h o df o r t h es p e c i f i ca r e ao ft i a n j i nc i t y ，o nt h er e f e r e n c eo fd o m e s t i ca n da b r o a dn e w e s t p r e d i c t i o nm o d e l ，w h i c hc a np r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ee f f e c t i v ec o n t r o lo fl a n d s u b s i d e n c e t h et a n g g ud i s t r i c tw h i c hh a sm o r ec o m p l e t eh i s t o r i c a lm o n i t o r i n gd a t u mw a s c h o s e na st h ed e m o n s t r a t i o nz o n e o nt h ea n a l y s i so ft h ed a t u m st e n d e n c y , ab p n e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d a n n u a lw a t e rt a b l eo fd i f f e r e n t c o n f i n e da q u i f e ri si n t r o d u c e da sm o d e li n p u t ，w h i l el a n ds u b s i d e n c er a t eo f o p t i m i z e d m o n i t o r i n gp o i n t si sd e f i n e da sm o d e lo u t p u t a f t e rc o m p a r e da n df i l t e r e d ，an e t w o r k s t r u c t u r ew i t hd o u b l ec o n c e a l e dl a y e r s ，e a c hl a y e rh a s 8n o d e s ，h a sb e e na f f i r m e d f i n a l l y a c c o r d i n gt om o d e le s t i m a t i o n ，t h ev a r i a t i o no fl a n ds u b s i d e n c er a t ei nt a n g g u d i s t r i c th a st h es a m er e s p o n s et ot h ew a m rt a b l e l i f t i n gw i t hw a t e rt a b l eo fe a r l i e r s t a g e ，t h ea l l e v i a t i o no fl a n ds u b s i d e n c ei so b v i o u s ，b u tf i m c t i o nw i l lb ew e a k e n e d g r a d u a l l yo nl a t e rs t a g e t h ei n t e n s i t yo fi n f l u e n c eo fd i f f e r e n ta q u i f e rt oh o d s u b s i d e n c ed e s c e n d si no r d e r o fi v 、i i i 、v 、i ic o n f i n e da q u i f e r i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n go fb pn e u r a ln e t w o r km o d e ls u c ha sb e i n g a p tt of a l li n t ot h el o c a lb e s ta n db e i n gs l o w t oc o n v e r g e n c e ，ac o m b i n e dm o d e lu s i n g g e n e t i ca l g o r i t h m ss t r o n go v e r a l ls e a r c ha b i l i t yt oo p t i m i z et h ep r i m a r yc o n n e c t i o n w e i g h t so fb pn e u r a ln e t w o r kh a sb e e nd e f m e d t h es i m u l a t i o np r o c e s so ft h e c o u p l i n gm o d e li s m o r es t a b l e ，a n dt h eo p e r a t i o nr e s u l t so fs e v e r a lt i m e sa r e u n a n i m o u sb a s i c a l l yw h i c hh a st e s t i f i e dt h ec o u p l i n gm o d e l sv a l i d a t i o n a tl a s t ，o nt h eb a s i co ft h ep r e d i c t i o nm o d e l ，t h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo fl a n d s u b s i d e n c ee c o n o m i cl o s si se s t a b l i s h e d ，a n dt h ee x t e r i o re c o n o m i ct h e o r i e sh a v eb e e n i n t r o d u c e dt oa n a l y z ee c o n o m i ci m p a c to fl a n ds u b s i d e n c e i ti sp r o v e dt h a tt h e g o v e r n m e n tc o n t r o la n di n s p i r es y s t e mh a sg r e a tc o n t r i b u t i o nt ot h ea l l e v i a t i o na n d c o n t r 0 1o f1 a n ds u b s i d e n c e k e yw o r d s ：w a t e rt a b l e l a n ds u b s i d e n c e ，b pn e u r a ln e t w o r km o d e l ， g e n e t i ca l g o r i t h m ，e c o n o m i ci m p a c t ，t a n g g ud i s t r i c t 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对奉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。 学位论文作者签名：旅建章 签字日期：2 年f 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 澈吏本 导师签名 彬绎 签字日期：剧猫年月3 日 签字日期：彦年1 月乡日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 地面沉降概述 1 1 1 国内外地面沉降概况 第一章绪论 地面沉降是指在一定的表面积内所发生的地面水平面下降的环境地质现象， 严重时会成为一种自然灾害。人类活动和地质作用是造成地面沉降的主要原因， 其中过量抽取地下水是最主要的原因。我国和世界上主要的地面沉降区都是由于 过量开采地下水造成的。出现地面沉降的地区一般范围大，沉降过程缓慢，所以 早期一般不易察觉，也不易引起人们的重视。它多发生在大中城市，对人们的生 产、生活、交通等影响极大，造成的损失和危害也大，已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。 世界上，1 8 9 8 年在日本新泻最早发现地面沉降。目前，世界上已有5 0 多个国 家和地区发生地面沉降，较严重的国家有日本、美国、墨西哥、意大利、泰国和 中国等。 其中，仅在美国，已经有遍及4 5 个洲，超过4 4 0 3 0 k m 2 的土地受到了地面沉 降的影响，相当于新汉布什尔州与佛蒙特州的总和。由此引发的经济损失更是惊 人：仅在圣克拉拉山谷，沉降所造成的直接经济损失，在1 9 7 9 年大约为1 1 3 1 亿 美元，而到了1 9 9 8 年则高达3 亿美元【1 】。 在我国，1 9 2 1 年，自从上海出现地面沉降以来，至今已有9 6 个城市和地区发 生了不同程度地面沉降，较严重的有上海、天津、台北、西安、宁波、苏州等。 据最新全国水资源综合规划初步成果表明，全国地下水超采区面积近1 9 万o n 2 。 有2 4 个省( 自治区、直辖市) 存在不同程度的地下水超采问题，主要分布在黄淮海 流域。其超采区面积占全国的7 0 以上，其中河北省超采面积占该省平原区面积 的9 1 6 。地下水超采直接造成区域性地下水位持续下降、水资源枯竭，危及 供水安全和饮用水安全，还诱发了地面沉降、地面塌陷、海( 咸) 水入侵、荒漠 化、湿地萎缩等生态环境问题【2 】。 1 9 3 6 年，墨西哥的g u e v a s 发表了墨西哥的地面沉降问题一文后，地面 沉降受到国际社会的广泛关注 3 1 。1 9 6 9 年，联台国教科文组织( u n e s c o ) 认识到 了地面沉降的严重性，当年将该问题第一次反映在“国际水文十年”( i h d ) 中。 后来又包括在“国际水文规划”( i h p ) 中。自此，联合国教科文组织与国际水文 天津大学硕士学位论文第一章绪论 科学协会( i a h s ) 和其它国际及国家组织机构联合举办了7 届国际地面沉降会议。 第一届于1 9 6 9 年在日本东京召开，第二届于1 9 7 6 年在美国阿纳海姆召开，第三 届于1 9 8 4 年在意大利威尼斯召开，第四届于1 9 9 1 年在美国休斯敦召开，第五届 于1 9 9 6 年在荷兰海牙召开，第六届国际地面沉降会议于2 0 0 0 年在意大利拉韦纳 市召开，第七届于2 0 0 5 年1 0 月在中国上海举行1 4 j 。为了提高控制地面沉降的学 术及管理水平、加强区域地面沉降领域的协作、密切相互之间的关系，我国分别 于1 9 6 4 、1 9 8 0 、1 9 8 8 、1 9 9 0 、1 9 9 8 和2 0 0 5 年在上海和天津召开了6 届全国控制 地面沉降学术研讨会。 1 1 2 天津市地面沉降的历史和现状 天津地处华北平原的东北部，海河流域下游，北依燕山，东临渤海，地理坐 标介于北纬3 8 。3 3 5 7 ”4 0 。1 4 5 7 ”，东经1 1 6 。4 2 7 0 5 ”1 1 8 。0 3 7 3 1 ”之间。南北长约1 8 6 k m ，东西最宽l o l k m ，海岸线长约1 5 5 , b n 。天津全境地势 西北高、东南低，有山地、丘陵、平原、低平海岸带等四种地貌类型，全市总占 地面积1 1 9 1 9 7 k m 2 ，其中平原占9 4 2 ，山区和丘陵占5 8 。 作为我国北方沿海的重要开放城市，由于地表水资源的严重缺乏，被迫过量 开采地下水，是造成地面沉降的主要原因，属于典型的因为资源性缺水而导致地 面沉降的城市【5 1 。多年来，由于地面沉降而引起的海平面相对上升量的增加，严 重加剧了风暴潮和海水入侵等自然灾害的影响程度。 根据历史水准点的调查，天津市的地面沉降随着地下水的开发利用而发生发 展。天津市地下水开发利用始于1 9 2 3 年，其水位为+ 1 5 4 2 m ，1 9 3 4 年水位为一l o m ， 至1 9 4 5 年，第二含水组并已有3 7 眼。据市区2 5 个历史水准点的监测资料，靠 近地下水开采区的1 6 个水准点，1 9 1 9 1 9 5 9 年间的沉降量约为7 1 1 2 o m m a ， 而远离开采区的水准点其沉降量约为1 7m r a a 。 天津市地面沉降的发展，大致可分以下几个阶段：1 9 2 3 1 9 5 7 年地面沉降 初期阶段，地下水开采量2 0 0 1 2 0 0 万m 白，沉降量7 1 1 2 0m m a ；1 9 5 8 1 9 6 6 年地面沉降中心初步形成阶段，地下水开采量1 2 0 0 4 7 0 0 万m 3 a ，沉降量 是3 0 4 6m m a ，并形成了北站、河北大街、大直沽、陈塘庄等沉降中心；1 9 6 6 1 9 8 5 年，地面沉降急剧持续发展阶段，地下水开采量约1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 万m ， 地面沉降量8 0 1 0 0m m a ，已形成的沉降中心进一步发展扩大；1 9 8 6 年至今， 地面沉降治理阶段，此阶段大力压缩地下水开采量，减至3 0 0 0 万m 左右，二 组地下水基本达到合理开发利用的水平，地面沉降已控制在1 5 m m a 左右，至此 可以说天津市区的地面沉降已基本得到控制f 6 】。但是，随着天津工业的东移，天 津滨海新区的建设和发展，作为天津建设国际大都市“三步走”发展战略的实 天津大学硕士学位论文第一章绪论 施，引滦工程供水保证率低和单一供水水源的不足之处开始凸显，突出的水资源 供需矛盾也开始在不同层面和地域范围内逐渐暴露，地下水超采的问题开始以新 的形式予以表现，由此出现了西青、津南、武清、宁河、静海等新的沉降漏斗。 由此可见郊县地区地面沉降控制并没有达到预先的目的，对于海拔比较低的沿海 区县地面沉降的威胁仍然严重。由于目前尚没有理论上和实践上支持的地下水开 采控制标准。天津市的地面沉降和控制工作仍面临严重挑战。 为此，建立合理的数学模型，对地下水开采可能引起地面沉降的大小和分布 做出预测，为制定合理的地下水开采规划提供可信的理论依据，对于防治环境地 质灾害具有十分重要的意义。 1 1 3 地面沉降的机理分析 由于地下水的过量开采所致的地面沉降，目前普遍采用、也广为接受的解释 是土力学中的有效应力原理。抽水引起地下水位下降，地层内孔隙水压力降低， 但地层内部总应力保持不变，由孔隙水承担的一部分地层压力转由土颗粒承担， 即引起粒间有效应力增加，从而造成土层压缩变形，导致了地面沉降，这便是地 面沉降的基本机理。 k t e r z a g l l i 于1 9 2 5 年最早提出了有效应力原理和固结理论，认为饱和土体 任一平面上受到的总应力由有效应力和孔隙水压力两部分构成川，其间关系满 足： 盯二= ( y y 。) z ( 1 - 1 ) 仃z2 仃口+ 仃2 y z 盯二= 仃= k o ( y y 。) z = = ( y y w ) + y w z ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 式中，7 、y 。分别为土a n 水的容重，为静止状态下的土压力比，o - 。、仃。、 盯。分别代表饱和土的总应力分量，盯二、盯0 、盯二分别代表饱和土的有效应力 分量。 虽然水不承担剪切应力，但是它分担了总应力中土骨架间力的剩余部分，可 见，孔隙水压力的减小，必然导致有效应力的增加。而土体的变形，压缩或固结， 都只取决于有效应力的增大。 发生地面沉降的地区一般都由岩性不同的多个砂土、粉土、粉质粘土、粘土、 淤泥质粘土等土层组成，各土层的变形量不仅与它的压缩性有关，也和它本身的 厚度有关。 在初始状态下，上覆地层的自重压力o a ( 总应力) 由孔隙水压力o b ( 静水 天津大学硕士学位论文第一章绪论 压力) 和粒间应力a b ( 有效应力) 来承担。当抽水引起粘性土孔隙水压力降至 c 点而破坏原来平衡状态时，损失的这部分孔隙水压力b c 将由有效应力来补偿， 粘性土即在这种有效应力的增量b c ( 附加应力) 的作用下排水固结产生压缩变 形( 图1 - 1 ) 。为使粘性土层的挤压释水能够与含水组相对应，压缩层的划分与含 水组的划分是一致的。 附加应力 图i - 1 地面沉降概念模型示意图 每个压缩层包括了与之对应的含水组中的粘性土夹层和与其上下相邻的一 部分弱透水层粘性土。 1 1 4 地面沉降的特性 1 1 4 1 沉降的滞后作用与缓慢性 深部( 埋深大于3 0 0 m ) 粘性土层( 含泥岩) 厚度较大，渗透性能很差( 大致 在2 5 1 0 一一2 4 1 0 9 c m s ) ，孔隙水排水不畅，压缩变形缓慢，其滞后作用对 间达数十年甚至百余年。浅部( 埋深小于3 0 0 m ) 粘性土的渗透性能比深部好的 多，其厚度不大，往往以夹层形态出现，因此它的孔隙水可双面排水，滞后作用 时间较短。 由于粘性土层的滞后效应，地面沉降的发生、发展和停止，都是缓慢进行的。 它不象其它突发型灾害( 如洪水、风暴潮、泥石流、暴雨、地震等) 那样来得快， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 并在短时间内能够消除。因此，人们常用“l 曼性病”来形容这一难以防治的“顽 症”。 1 1 4 2 沉降的回弹和不可逆性 当水位回升时，含水沙层的弹性压缩变形得以恢复。就松散地层而言，在一 般情况下粘性土的压缩变形量占总变形量的7 0 一8 0 ，而沙层则占2 0 左右。粘 性土层的压缩变形是不可逆的，一旦压缩就不可能复原。 1 1 4 3 沉降的复杂性和灾害的并发性 滨海新区的地面沉降颇为复杂，不仅有海河断裂南和北的差异性构造沉降和 海相沉积软土地层的自然沉降，而且还有人类活动影响也多样。这里既有开采第 四系地下水引起的沉降，也有开发利用地下热水产生的地面沉降。 1 2 地面沉降现有研究方法及其特点 1 2 1 机理模型 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。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。由于土体的 非线弹性及其多孔性，土体的力学性质、贮水性和透水性都将随之变化。地面沉 降是土和水相互作用、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。因此地面沉降的确定性机理模型应包括水流模型和土体变形 模型两大部分。 1 2 1 1 水流模型 水流模型大体上可分为以下五类：a 二维渗流模型；b 有汇源项的二维渗流 模型；c 准三维模型；d 考虑汇源项的准三维模型；e 三维模型。 目前普遍采用的水流模型都是准三维模型，例如上海市1 9 9 9 年的地面沉降预 测模型【8 】： 昙( 丁警) + 导( 丁芳一鲁+ 魄+ 一q 舳一魄 m 。、 式中：日，各个含水组的水头( m ) ； q ，越越流量( m 3 d ) ； 土层变形释水量或回弹吸水量( m 3 ，臼) ； 天津大学硕士学位论文第一章绪论 叫水量( 聊3 d ) ； q i 灌灌水量( m 付) ； s 贮( 释) 水系数； r 导水系数( m 3 省) ； 近年来李勤奋对上述模型作了改进，为弱透水层建立了垂向一维水流模型， 可以说这是迄今我国考虑因素最多的一个地面沉降水流模型。 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。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以下三种： ( 1 ) 线弹性模型，即在考虑土体的三维变形时，不论是含水组还是粘土、 亚粘土层，几乎都作为线弹性体看待，以减小计算工作量； ( 2 ) 非线性线弹性模型，考虑到土体变形的非弹性特性。当地下水压力恢 复时，土体要产生回弹，但不可能完全恢复。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n t g ； ( 3 ) 流变模型，认为在抽、灌水作用下土层的应力应变应具有线性粘弹性 的本构关系，若视饱和粘性土为理想的粘性材料，其应符合一维的非线性粘性流 动方程。流变模型进一步研究和探讨了计算弹性地面沉降的可行途径。 不同的水流模型和土体变形模型的结合就行成了不同的地面沉降模型，按照 结合方式的不同又可以分为两部计算模型、部分耦合模型和完全耦合模型。 ( 1 ) 两部计算模型即先由水流模型计算出水位( 水压) ，作为边界条件， 带入土体变形模型中，进行变形量的计算。其中，天津市环境地质研究所与英国 地质调查所于1 9 9 3 年共同开发研制的用以模拟细颗粒粘土夹层缓慢排水的程序 包i d p ( i n t e r b e dd r a i n a g ep a c k a g e ) ，是以太沙基一维固结理论为基础，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组中。这就是一个典型的两部 计算模型【1 0 1 1 1 1 l 。 ( 2 ) 部分耦合模型是在两部计算模型的基础上考虑当相邻含水组水位下降 时，弱透水层中的地下水将产生渗流。由于渗透系数与孔隙率之间存在如下经验 公式： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 k ：kfl(1。6)o n 0 - n 0 _ _ 2 l ( 1 一”) j 其中：k ：是孔隙率为n 。时的垂向渗透系数；m 是与土体有关的常数；r 为孔 隙率。 从而通过水流模型中的渗透系数与土体变形模型中的孔隙率之间的上述关 系实现了二者的耦合。 部分耦合模型的一个典型实例是冉启全，顾小芸1 9 9 8 e 1 2 1 建立的三维渗流模型 和一维次固结流变模型相结合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，实现了水流模型与土体变形模型的部分耦合。 ( 3 ) 皖全耦合模型的理论基础是b i o t 的固结理论。它考虑土体的变形和地下 水运动的相互作用，即孔隙水压力的变化对土体变形的影响以及土体变形对孔隙 水压力的影响，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。 1 9 7 8 年r w l e w i s 等在假设土体的应力应变关系满足广义虎克定律的基础上 提出了完全耦合模型，并将其运用于威尼斯的地面沉降计算中，结果表明水头下 降和地面沉降比两部计算较易趋于稳定。 1 2 1 3 存在不足 上述模型虽然在以前的地面沉降预测预报中起了很大的作用，但毕竟仍存在 很多的不足，无法描述复杂的地质、水文地质条件，预测预报精度也难以满足实 际应用的要求。 造成上述结果的主要原因是，存在于岩( 土) 层孔隙中的地下水渗流与岩( 土) 层变形是密切相关的，地下水压力的变化与岩( 土) 层变形同对发生、相互影响， 地下水压力的变化引起岩( 土) 层变形，岩( 土) 层变形又影响到地下水的渗流，从 而影响地下水压力的大小和分布。因此开采地下水引起地面沉降的效应是三维 的。根据地下水运动和地层变化的空间特征，应该合理的建立三维渗流与三维变 形的耦合模型，这也是地面沉降模型的发展方向之一【l 孙。然而，三维完全耦合模 型的计算工作量大、需要的参数多，很多参数很难实验室准确获得。同时为了提 高模型拟合精度，在模型的试算校正过程中需对一些参数不断做出调整，这也有 失科学的严紧性。正是以上原因限制了确定性机理模型的发展。 1 2 2 统计模型 统计模型是在建立白化模型比较困难的情况下普遍采用的种预测方法。上 述确定性的机理模型的研究与开发是要建立在拥有详尽的水文地质和工程地质 勘查资料的基础之上的。天津市这方面的工作尚处于起步和发展阶段，资料并不 天津大学硕士学位论文第一章绪论 丰富，加上沉降的层位较深，研究程度不够，建立完善的机理模型尚存在困难， 国内外目前仍处于研究阶段。因此，将统计模型应用于天津市地面沉降预测是合 理而且可行的。 1 2 2 1 传统统计模型 目前传统的统计模型大致可分为以下三大类： ( 1 ) 灰色系统预测 灰色系统理论建模的主要任务是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。灰色理论认为任何随机过程都是在一定幅值范围内变 化的灰色量，尽管客观系统表象复杂，数据离乱，但它总是有总体功能的，因此 它必然潜在着某种内在规律，关键在于要用适当的方式去挖掘、利用它。灰色工 程本身正是通过对原始数据的整理来寻找数的规律，这就是数的生成，它解决了 一向认为不能对离散数据列建立微分方程的建模问题。最后通过残差分析，提高 模型拟合精度。其中比较常用的是g m ( 1 ，n ) 模型1 4 】【15 1 。 ( 2 ) 回归分析 回归分析是假设一个变量与若干自变量之间存在着某种数值关系，应用最小 二乘法，求得自变量系数，使得残差平方和最小。回归方程建立的关键是自变量 的选择和选值f 1 6 】 1 7 】。 ( 3 ) 时间序列分析 时间序列是指依一定的时间间隔所采录下的数据的一个集合，时间序列分析 就是研究时间序列具有什么样的特征和性质，它能实现不独立的观测数据到独立 数据的转换，然后利用对于独立观测值的统计方法进行估计、预测和控制【1s 】【1 9 。 不难看出，传统的统计方法在地面沉降预测中存在着一些难以克服的共性不 足。主要体现在以下几个方面：只能反映单个或几个自变量对单个因变量的影响， 无法刻画因变量之间的作用关系；所建方程往往过于简单，无法真实刻画地面沉 降复杂的内部关系；在短期预测中精度并不理想。 1 2 2 2 人工智能 “人工智能”( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，简称a i ) 这一术语，是在1 9 5 6 年的达 特茅斯( d a r t m o u t h ) 会议上，由麦卡锡( m e c a r t h y ) 首先使用的( 麦卡锡因开 发出了函数型语言l i s p 而闻名) 。概括来说，运用计算机，以人类智慧的机理和 实现作为研究目标的工作，称为“人工智能”【2 0 】。 尽管人工智能的发展经历了曲折的过程，但就研究解释和模拟人类智能、智 能行为及其规律这一总目标来说，它在自动推理、认知建模、机器学习、神经元 天津大学硕士学位论文第一章绪论 网络、自然语言处理、专家系统、智能机器人等方面的理论和应用上取得了相当 的进展和成果，对其它学科的发展产生了积极的影响。 人工智能正从多层次、多方面对人类及其它动物的自然智能进行模拟、延伸 和扩展，不断开拓人工智能的研究领域和开发应用，例如模拟逻辑思维的符号主 义，模拟形象思维的连接主义，模拟智能行为的行为主义，模拟生物进化的演化 算法，模拟人类社会行为的分布式人工智能，等等。正是这些新技术、新观念被 集成在这个领域，使得人工智能又进入一个新时期。 现在的人工智能研究工作，区分为两大方向。首先，是以计算机的元件数量 接近于人脑的细胞数量为背景的研究，它与生命科学的进展相互呼应，在神经网 络、人工生命等领域进行着热烈的讨论：另一个研究方向，是伴随着计算机网络 的进步而形成的。信息网络急剧地扩大了人类社会与计算机地接触面。利用网络 促进了大规模知识库地综合和再利用。在机器学习成果的基础上，对大量数据进 行处理的数据开发工作，也随之活跃起来。通过对人类基因和组合存储器营业额 信息的分析，人们试图寻找出隐藏在庞大的数据中的法则。 近年来，处理人类的含糊性和灵活性的模糊理论、模拟人类脑神经系统学习 机能的神经网络、对生物的生命进化进行模拟的遗传算法等作为人工智能的新方 法受到了人们的重视。这些方法相辅相成，利用同时融合的方法，可以达到易使 用、鲁棒性和低成本，同时在精确度和可靠性方面达到一定要求。 基于人工智能的上述特点，寻求将入工智能理论应用于缝面沉降的预测与模 拟将具有广阔的发展空间与发展前景。 1 3 课题的研究内容及意义 1 3 1 课题的研究意义 天津市为典型的资源性缺水城市，2 2 年全市总供水量为1 9 ，两亿拢3 。入均 水资源占有量仅为1 9 8 m 川2 1j ，为全国人均占有量的1 1 3 ，远低于世界公认的 1 0 0 0 m 3 缺水警戒线。其中，地下水供水量占全市总供水量的4 1 2 ，由此看见 城市地下水资源在天津市的经济发展中的重要性。但是，随着地下水资源的过量 开采，地面沉降现象越来越严重，并由此产生了系列的环境地质问题，如：河 道堤防沉降，降低河道防洪和航运能力；地下管网沉降，降低城市排水系统的能 力；沿海地面标高损失，加重风暴潮危害；不均匀沉降，威胁轨道交通安全；局 部沉降，破坏生命线工程；造成房屋、道路开裂等1 2 2 7 。为此，探索地下水资源可 持续开采量，寻找地下水位与地面沉降相互之间的定量关系，对过量开采地下水 天津大学硕士学位论文第一章绪论 导致的地面沉降的大小和范围进行准确有效的预测模拟，指导地下水开采行为， 实现地下水资源的可持续利用具有重要意义。 1 3 2 课题的研究内容 本课题选用天津市塘洁区作为示范研究区，建立垴面沉降预测评价模型，完 成地下水位与地面沉降关系的动态模拟，通过对模型预测结果的分析与评价，为 塘沽区控制地面沉降提供有效依据，指导塘沽区地下水资源的可持续开采利用。 主要研究内容包括： ( 1 ) 塘沽区历史数据的收集整理，包括地下水分层开采量、地下水分层水 位、地下水位监测点的地理坐标、塘沽及其周边地区水准监测点的地理坐标等， 要求数据时间序列尽可能的长；塘沽区自然地理以及水文地质资料的收集。 ( 2 ) 对所收集到数据的特点进行分析，探索地下水开采量、地下水位以及 地面沉降量之间的相互关系。 ( 3 ) 依据收集到的数据建立b p 神经网络模型，对模型结构进行筛选，并分 析其预测结果，为实际控沉工作提供指导意见。 ( 4 ) 建立b p 神经网络模型，实现地面沉降与地下水位之间关系的定量模拟， 依据该模型分析各含水组水位对地面沉降的影响强度，指导实践。 ( 5 ) 进行b p 神经网络模型的优化改进，建立g a 与b p 的耦合模型，应用g a 优化b p 神经网络模型的初始权重，克服b p 神经网络模型在迸化过程中容易陷入 局部极小点的缺点。 ( 6 ) 确定地面沉降经济损失评价指标及指标构成，依据外部性经济学理论 进行分析，为缓解和控制地面沉降提供对策。 天津大学硕士学位论文 第二章研究区域介绍及其数据特点分析 第二章研究区域概貌及其数据特点分析 根据天津市地面沉降的历史数据特点，可以发现目前天津市区地面沉降已基 本趋于稳定，而且市区内大部分开采井已经封停，进一步研究的意义不大。而塘 沽区东临渤海，海拔高度仅4 - 2 0 m ，在累计沉降量最大的上海道与河北路监测点， 1 9 5 9 1 9 9 7 年3 8 年累计下沉3 0 8 m ，该点已低于平均海平面0 7 4 m ，临近地区低 于平均海平面的面积约8 o n 2 。海河防潮闸的累计沉降也已达到1 4 m 。这给塘沽 区的控沉工作带来很大压力。天津市控沉办在塘沽区做了大量的监测工作，并 于2 0 0 0 年启动了天津市滨海新区地下水位动态监测网的布置计划等田j ，积累了 宝贵的历史数据，对于建模工作有很大帮助，故本课题选择天津市塘沽区作为研 究对象。 2 1 研究区域环境 2 1 1 自然地理 塘沽区是天津市辖区，位于天津东部，距市中心4 5 k i n 。东临渤海，地跨海 河两岸，面积8 5 9 k m 2 。辖解放路、西沽、渤海石油、向阳、新河、东沽、滨海、 北塘、杭州道、三槐路、大梁子、新村、新港1 3 个街道办事处；中心桥、中心 庄、邓善沽、宁车沽、于庄子、河头、新城、驴驹河8 个乡。区政府设在营口道 2 2 号。全区人口4 5 万，其中，农业人口7 万。 塘沽区位于北半球中纬度欧亚大陆东岸，属暖温带季风型大陆海洋过渡性气 候。主要气候特征是：春季干燥多风，夏季湿热多雨，秋季温暖适中，冬季寒冷 少雪。全年平均气温1 2 o c ，1 月最冷，平均气温一3 9 。c ；7 月最热，平均气温 2 6 2 。c ；气温年较差3 0 1 ；极端最高气温3 9 3 。c ( 出现在1 9 5 5 年7 月2 4 日) ； 极端最低气温一1 8 3 。c ( 出现在1 9 5 3 年1 月1 7 日) 。各月平均日较差均小于1 0 c t 2 4 1 。 流经塘沽区的河流主要为海河，城区河道长度为5 1 k m ，水面面积4 5 9 万 m 2 ，平均水深4 m ，蓄水量1 8 3 6 万m 3 。受两岸排水和海河回溯影响，河道水质 较羞，为劣v 类1 2 “。 天津大学硕士学位论文第二章研究区域介绍及其数据特点分析 2 1 2 地质概况 按构造单元，塘沽区位于燕山构造带和新华夏第二沉降带的复合部位，黄骅 拗陷的北端、沧县隆起的东侧。区内断裂发育，主要有北东、北北东向和北西、 北西西向两组断层。全区有巨厚的新生代地层覆盖于基底岩层之上，基岩埋深多 在3 0 0 0 5 0 0 0 m 。海河断裂位于海河南岸，近东西向走向，是北塘凹陷、板桥凹 陷的分界断裂，北塘凹陷、板桥凹陷是塘沽区主要的构造。 塘沽区5 0 0 m 埋深内地层岩性如下： ( i ) 下更新统( q i ) 该统可分上、下两段。下段底板埋深3 3 0 - 4 9 8 m ，层厚1 0 0 ，1 2 0 m ，岩性为棕 黄、褐灰、灰绿及杂色中厚层粘土、亚粘土，并夹有细砂层。砂层含泥质，局部 半胶结，底部有粗砂，为湖积为主的地层。上段底板埋深2 6 0 ，3 6 0 m ，厚度为 6 0 1 0 0 m ，岩性为棕灰、灰绿、褐灰色粘土、亚粘土与粉细砂、沙层不规则互层， 为河湖项沉积地层。 ( 2 中更新统f q 2 ) 该统也分为上、下两段。下段底板堙深1 8 8 2 8 0 m ，厚度为4 0 - 8 0 m ，宕性为 黄灰、褐灰等色薄层粘土与中厚层细砂不规则互层，局部夹细砂和砾石层，具锈 染，铁、锰质结核较多，为湖相沉积地层。上段底板埋深1 6 5 2 0 5 m ，厚度为4 0 - 6 0 m ， 岩性为灰色、褐灰、棕灰色中细砂与粘土、亚粘不规则互层。粘性土中含淤泥 质、有淡水螺化石，并有钙质结核，但多风化松散，本层以三角洲相为主。 ( 3 ) 上更新统( q 3 ) 该统分为上中下三段，夹有三层海相层。下段底板埋深1 2 5 1 5 2 m ，厚度为 3 0 5 0 m ，岩性为灰、灰绿、褐灰色亚秸土及粉细砂互层，本层以冲积相为主，中 段底板埋深8 6 1 1 5 m ，厚度为4 0 5 0 m ，在埋深为9 0 。l o o m 左右为第四海相层；该 段岩性为褐灰、灰绿、浅灰色亚粘土与粉细砂互层，以冲积相为主。上段底板埋 深5 8 8 9 r a ，厚度为3 0 5 0 m ，主要岩性为灰、深灰色细携砂与粘互层，在埋深 3 2 4 2 m ，5 8 8 7 m ，分别为第二、三海相层，本层为滨海浅海沉积地层。 ( 4 ) 全新统( q 4 ) 底板埋深1 6 2 8 m ，厚度1 8 - 2 0 m ，底部为粉细砂层和淤泥质亚粘土，属河流 冲积、滨海招泽沉积。中部为深灰色淤泥质亚粘土、亚砂土，具波状层理含海相 化石，在埋深1 6 m 左右，是本区的第一海相层。上部是黄灰、灰色亚砂、亚粘 土，富含虫孔腐殖质和格根，局部有虫孔及螺类化石，该层由海相、泻湖沼泽相、 冲积相、三角洲辐沉积组成。 由上看见：区内拥有巨厚的欠固结可压缩性砂层和粘性土层，这是地面沉降 天津大学硕士学位论文 第二章研究区域介绍及其数据特点分析 形成的内在条件与物质基础，砂层和粘性土层中富存有大量流体资源( 地下水、 地热资源等) ，过量开采流体资源是造成地面沉降的外在诱因。 2 2 地下水位数据及其特点 2 2 1 地下水含水组划分 塘沽临近地区含水岩系属第四系松散地层中的孔隙水。本次研究所涉及深度 5 0 0 m ，划分为5 个含水组，概况如下： 第1 含水组：底板埋深7 0 9 0 m ，咸水体底板埋深超过7 0 m 的地区以咸水体 底板为第1 含水组底板。主要包括： ( 1 ) 潜水 ( 2 ) 微承压水：底板埋深4 2 5m ( 3 ) 咸水体：底板埋深4 0 一9 0 m ，北部较浅，南部较深。 第1 i 含水组：底板埋深1 7 0 1 9 1m ，海河断