（水文学及水资源专业论文）宁河县地下水开采与地面沉降关系研究.pdf

r e s e a r c ho n r e l a t i o n s h i pb e t w e e n g r o u n d w a t e r e x p l o i t a t i o na n dl a n ds u b s i d e n c ei nn i n g h e m a j o r ：h y d r o l o g ya n dw a t e rr e s o u r c e s d i r e c t i o no f s t u d y ：w a t e rr e s o u r c es u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o n g r a d u a t es t u d e n t ：l il i w e i s u p e r v i s o r ：p r o f g u oc h u n q i n 9 1 - u oh u n o i n g c o l l e g eo fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g g u i l i nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s e p t e m b e r , 2 0 08t oa p r i l ，2 010 0舢047mmml 肌，i0i洲丫 桂林理工大学硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的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注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮 助的有关人员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) ：叁叁绫 签字日期：纠芝：厶z 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 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印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权( 学校) 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，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学 位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用 本授权书) 学位论文作者签名：聋互伪 签字日期：2 咖年多月7 日 桂林理工大学硕士学位论文 摘要 地面沉降是指自然和人为作用下，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，它具有生成缓慢、持续时间长、影响范围广、成 因机制复杂和防治难度大的特点。目前，国内外针对地下水开采引起的区域性地 面沉降研究主要集中在数理统计模型和水土模型两个方面。 宁河县作为邻近天津滨海新区的一个农业大县，由于长期超量开采深层地下 水，形成了区域性的地下水位降落漏斗，并诱发了地面沉降，这已成为制约该区 经济社会可持续发展和亟待解决的重大环境地质问题。本文在收集天津市以往地 面沉降研究成果和区域水文地质环境地质资料的基础上，系统分析了第四系地下 水系统各含水层组的水位动态变化及地下水位降落漏斗的形成和扩展趋势。同 时，对地面沉降的产生机理和各影响因素进行了详细论述。研究发现，自1 9 8 6 年以后，地下水超采使得承压含水层中的粘土夹层及上覆粘土释水，这已经成为 诱发地面沉降的人为主控因素。 本文根据研究区实际的水文地质及工程地质条件，对含水层和弱透水层进行 概化，并构建了水文地质概念模型和地层压缩模型，确定了模型的边界条件，计 算了地下水水流模型的各源汇项，采用三维有限差分地下水流模型- - p r o c e s s i n g m o d f l o w 及其携带的i b s 程序包对该研究区各含水层组水位、地面沉降进行 同步模拟，经过多次调参，选取了恰当的水文地质参数，建立了该区的准三维地 下水流一维地面沉降模型。以2 0 0 8 年的实际年均开采量为依据，对2 0 1 5 年 的地面沉降趋势进行了预测。研究发现随着开采量的减小，深层地下水水位有所 回升，漏斗面积呈减小趋势，地面沉降趋于缓和，区内大部分地区在2 0 0 5 2 0 1 5 年期间的年均沉降量小于1 8 m m a ，沉降趋势有所减缓。 为了对比数值模型的预测结果，本文运用p r o c e s s i n gm o d f l o w 中的水井 子程序包在地面沉降监测点处设置了虚拟水位观测井，以虚拟水井模拟的年均水 位和统计的年开采量作为输入，各监测点的年沉降量作为输出，引入并构建了 b p 神经网络模型，与m o d f l o w 的预测结果对比发现，二者的预测趋势基本 一致，相对误差仅为2 9 。 最后论文有针对性的提出了具体的防治措施和建议，本次研究结果可为保护 宁河县地下水资源和控制地面沉降提供科学依据。 关键词：地面沉降；地下水开采；m o d f l o w 数值模拟；b p 神经网络模型； 宁河 桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a n ds u b s i d e n c ei sa ne n v i r o n m e n t a lg e o l o g yp h e n o m e n o n s u r f a c ee l e v a t i o ni sr e d u c e db y n a t u r eo rh u m a na c t i v i t i e s l a n ds u b s i d e n c eh 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 g t i m e ，e x t e n s i v ei n f l u e n c e ，c o m p l e xr e a s o na n dd i f f i c u l tc o n t r 0 1 n o w a d a y s ，t h es t u d yo nt h em o d e l o fl a n ds u b s i d e n c ec a u s e db yg r o u n d w a t e re x p l o r a t i o nm a i n l yf o c u s e do ns t a t i s t i c a lm o d e l sa n d m a t h e m a t i c a lm o d e lo fb o t hl a n da n dw a t e r n i n g h e ，w h i c hi sal a r g ea g r i c u l t u r a lc o u n t yn e i g h b o r i n gt i a n j i nb i n h a in e wa r e a , h a sl o n g b e e ne x c e e d i n g l yw i t h d r a w i n gd e e pg r o u n d w a t e r , w h i c hh a sg i v e nr i s et os e v e r a lr e g i o n a l d e s c e n d i n gf u n n e l so fd e e pg r o u n d w a t e ra n dc a u s e dl a n ds u b s i d e n c e a tp r e s e n t , t h i sh a sb e c o m e as e r i o u se 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 mh i n d e r i n gt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y a n ds o c i e t yi nn i n g h ea n dd e m a n d i n gp r o m p ts o l u t i o n i nt h i sa r t i c l e ，b a s e do nt h ec o l l e c t i o no f r e s e a r c h e so fl a n ds u b s i d e n c ei nt i a n j i ni nt h ep a s ta n dr e g i o n a lh y d r o g e o l o g ya n de n v i r o n m e n t a l g e o l o g yd a t a , s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h ed y n a m i cc h a n g e si nw a t e rl e v e lo fa q u i f e r s i n g r o u n d w a t e rs y s t e mi nq u a t e r n a r ys t r a t u m ，t h ef o r m a t i o na n de x p a n s i o nt r e n do fg r o u n d w a t e r d e p r e s s i o n a tt h es a m et i m e ，t h ea u t h o re n l a r g e do nt h em e c h a n i s mo fp r o d u c t i o na n di n f l u e n c i n g f a c t o ro fl a n ds u b s i d e n c e f r o mt h i sa r t i c l e ，a f t e rt h ey e a ro f19 8 6 ，g r o u n d w a t e ro v e r e x p l o i t a t i o n s oc o n f i n e da q u i f e ri nt h ec l a yi n t e r l a y e ra n dt h eo v e r l y i n gc l a yr e l e a s e dw a t e r , i th a sb e c o m et h e h u m a n i n d u c e dl a n ds u b s i d e n c ec o n t r o l l i n gf a c t o r s a c c o r d i n gt ot h eh y d r o l o g i c a la n de n g i n e e r i n gg e o l o g yc o n d i t i o ni nt h er e s e a r c ha r e a , t h e a r t i c l es u m m a r i z e dt h ea q u i f e ra n da q u i c l u d e , e s t a b l i s h e dt h eh y d r o l o g i c a lg e o l o g i cm o d e la n d f o r m a t i o nc o m p r e s s i o nm o d e l ，c o n f i r m e dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o no ft h em o d e l ，c a l c u l a t e dt h e i t e m so f o r i g i n a lu n d e r - g r o u n d w a t e rf l o w , u s e d t 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 e u n d e r - g r o u n d w a t e rf l o wm o d e l - p r o c e s s i n gm o d f l o wa n di t si b sp r o g r a mp a c k a g et o s y n c h r o n o u ss i m u l a t i o nf o re a c ha q u i f e rw a t e rl e v e l sa n dl a n ds u b s i d e n c ei nt h er e s e a r c ha r e a , b y m a n yt i m e sd e b u gp a r a m e t e r s ，c h o o s e rp r o p e rh y d r o l o g i c a lg e o l o g i cp a r a m e t e r sa n dh a s e s t a b l i s h e dt h el i n e a rl a n ds u b s i d e n c em o d e l ，w h i c hi sp a r a - t h r e e - d i m e n s i o n a lu n d e r - g r o u n d w a t e r f l o w o nt h eb a s i so fa n n u lm o a np r o d u c e dq u a n t i t yi n2 0 0 8 ，t of o r e c a s tt h et e n d e n c yo fl a n d s u b s i d e n c ei n2 015i nt h i sa r t i c l e a st h ed i m i n i s h m e n to fp r o d u c e dq u a n t i t y , i th a sb e e nf o u n dt h a t t h ed e e pu n d e r - g r o u n d w a t e rl e v e li sr i s i n g ，t h ef u n n e la r e ai sd e c r e a s i n g , a n n u ll a n ds u b s i d e n c e t e n d e n c yi st e m p e r e d ，w h i c hi sl o w e rt h a n18 m m ai nm o s tr e s e a r c ha r e aa r o u n d2 0 0 5 ，2 0l5 a sf o rc o m p a r i n gw i t ht h ef o r e c a s tr e s u l to ft h em o d e l ，t h ea r t i c l eh a sa r r a n g e dt h ed u m m y w a t e rl e v e lo b s e r v a t i o nw e l lr i g h to nt h em o n i t o r i n gp o i n tu s i n gt h ew e l lp r o g r a mp a c k a g eo f m o d f l o w , i n p u tt h ea n n u lw a t e rl e v e ls i m u l a t e db yt h ed u m m yw e l la n dt h es t a t i s t i c a la n n u l p r o d u c e dq u a n t i t y , o u t p u tt h ea n n u ll a n ds u b s i d e n c eo f c a c hm o n i t o r i n gp o i n t s ，a n de s t a b l i s h e dt h e b pn e u r a ln e t w o r km o d e l c o m p a r e dw i t ht h er e s u l to fm o d f l o wm o d e lf o r e c a s td a t a , i ti s a l m o s ts a m et e n d e n c y , o n l y2 9 r e l a t i v ee r r o r f i n a l l y , t h ea r t i c l e h a sp u tf o r w a r dt h em a i np r e v e n t i v et r e a t m e n tm e a s u r e sa n ds u g g e s t i o n s p a n i c u l a r l y ，a n d t h er e s e a r c hf i n d i n g sc o u l do f f e rs c i e n t i f i cb a s i s f o r p r o t e c t i o n o f u n d e r - g r o u n d w a t e rr e s o u r c e sa n di a n ds u b s i d e n c ec o n t r o l si nn i n g h ea r e a k e y w o r d s ：l a n ds u b s i d e n c e ，g r o u n d w a t e re x p l o r a t i o n ，m o d f l o wn u m e r i c a l s i m u l a t i o n , b pn e u r a ln e t w o r km o d e l ，n i n g h e 桂林理工大学硕士学位论文 目录 第一章引言1 1 1 选题目的及研究意义l 1 2 国内外研究现状及发展趋势2 1 2 1 国内外地面沉降概况2 1 2 2 地面沉降的成因与机理3 1 2 3 地面沉降模拟与预测模型研究现状3 1 2 4 国内外地面沉降模型研究存在的主要问题6 1 2 5 宁河县地下水资源及地面沉降研究现状6 1 2 6 天津市区域地面沉降的危害7 1 3 研究内容与技术路线9 1 3 1 主要研究内容9 1 3 2 技术路线1 0 1 3 3 拟解决的关键问题1 0 1 3 4 主要创新点1 1 1 4 本章小结1 l 第二章研究区自然地理、区域地质概况1 2 2 1 自然地理1 2 2 1 1 地理位置1 2 2 1 2 气象、水文1 3 2 1 3 地形、地貌1 4 2 2 社会经济1 5 2 3 区域地质环境1 5 2 3 1 区域地层1 5 2 3 2 构造地质1 6 2 3 3 区域地壳稳定性1 8 2 4 水文地质条件1 9 2 4 1 第四系含水层组特征1 9 2 4 2 第四系地下水系统补给、径流、调蓄、排泄条件2 4 桂林理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结2 7 第三章研究区第四系地下水系统动态特征2 8 3 1 地下水开采利用现状2 8 3 1 1 开采量分组统计2 8 3 1 2 开采量动态特征2 9 3 2 地下水系统水位动态特征2 9 3 2 1 浅层地下水系统水位动态变化规律2 9 3 2 2 深层地下水系统水位动态变化规律3 0 3 2 3 地下水水位动态变化规律3 3 3 3 深层地下水系统降落漏斗的形成与扩展3 3 3 4 地下水化学特征3 6 3 4 1 浅层地下水系统水化学特征3 6 3 4 2 深层地下水系统水化学特征3 6 3 5 本章小结3 7 第四章地面沉降影响因素分析3 8 4 1 研究区地面沉降机理3 8 4 1 1 内应力作用3 8 4 1 2 外应力作用4 0 4 2 区域地面沉降概况4 1 4 3 研究区内地面沉降主控因素分析4 3 4 3 1 地下水开采层位与地面沉降的相关关系4 3 4 3 2 地下水水位与地面沉降相关关系4 6 4 3 3 地层岩性对地面沉降的影响4 7 4 4 本章小结4 8 第五章宁河地面沉降数值模拟研究5 0 5 1 水文地质概念模型5 0 5 1 1 含水层和弱透水层概化5 0 5 1 2 初始条件及边界条件的概化5 1 5 1 3 地层压缩概念模型5 3 i i 桂林理工大学硕士学位论文 5 2 数学模型的建立与求解5 3 5 2 1 准三维地下水流数学模型5 3 5 2 2 一维地面沉降模型5 4 5 2 3 准三维地下水流一一维地面沉降模型耦合5 5 5 2 4 数学模型的求解5 6 5 2 5 时空离散5 6 5 3 模型各源汇项处理5 8 5 4 模型的识别与验证6 3 5 4 1 水文地质参数的确定6 3 5 4 2 模型验证6 5 5 5 现状开采条件下地面沉降预测6 8 5 6 本章小结7 0 第六章宁河地面沉降b p 神经网络模拟一7 1 6 1b p 神经网络模型概述7 1 6 2b p 神经网络在地面沉降预测中的应用7 3 6 2 1 训练样本的确定7 3 6 2 2 样本数据的预处理7 5 6 2 3 网络结构的确定7 7 6 2 4 网络的训练与预测7 8 6 2 5 模型物理意义探讨8 1 6 3b p 神经网络与m o d f l o w 的预测结果对比8 1 6 4 防治对策8 5 6 5 本章小结8 6 第七章结论及建议8 8 7 1 主要结论8 8 7 2 建议8 9 致谢9 l 参考文献9 2 个人简介9 5 i i i 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 选题目的及研究意义 第一章引言 水是基础自然资源，系生态环境的控制性要素；同时又是战略性经济资源，为综合 国力的有机组成部分。水资源是人们赖以生存的不可缺少的宝贵资源，作为水资源重要 组成部分的地下水，具有水质良好、分布广泛、变化稳定以及便于利用的特点，是北方 缺水地区理想的供水水源( 王大纯等，1 9 9 5 ) 。在中国北方大部分地区，地下水是主要的 供水水源，有时甚至是唯一的生活以及工农业生产供水水源。 进入2 l 世纪以来，水资源的匮乏已经成为全球瞩目的问题。近二十年来，随着中国 经济社会的发展，水资源的供需矛盾也日益显着，地下水资源开发利用程度不断地提高。 一些地下水集中开采区已经出现了地下水位持续下降、抽空掉泵、地面沉降、地面塌陷、 海( 咸) 水入侵、土地荒漠化等一系列的生态环境问题，严重影响到国计民生，已经引 起各级政府高度重视。 天津市作为中国北方最典型的资源型缺水城市，本地地表水、地下水资源总量多年 平均值为1 6 8 8 亿m 3 ，人均水资源占有量仅为1 6 0 m 3 ，加上引滦水和入境水，人均拥有量 也只不过为3 8 0 m 3 ，按照国际人均水资源量不足5 0 0 m 3 为严重缺水的控制线，天津属于极 度缺水的地区【l 】。同时，由于海河流域水体污径比严重失衡，致使处于海河下游的天津 市水体污染严重，水环境恶化，更加剧了缺水矛盾，使得水资源短缺这一问题在日益凸 显出来，成为影响社会经济发展的瓶颈。 天津海拔高度低于5 m 的土地面积约占全市土地总面积的8 0 ，地面标高资源非常宝 贵。因地下水的长期超采，天津已成为全国地面沉降等地质灾害最严重的地区之一。地 面沉降使原本匮乏的标高资源进一步损失，给天津人民生命财产的安全造成了严重威 胁，成为制约经济可持续发展的重要因素之一。 宁河县位于天津市东北部，是天津市的一个农业大县，地下水是县内工农业和生活 用水最主要的水源，地下水开发利用程度较高。多年的地下水开采，使得境内地下水水 位持续下降，芦台镇及其周围地区已经出现了较大的水位降幅，引发了地面沉降、地下 水污染、咸淡水界面下移等一系列环境地质问题。由于宁河县南部地下水开采量较北部 大，地下水位漏斗与地面沉降漏斗基本吻合，加之邻近的汉沽区杨家泊镇地区的沉降影 响，两区地下水漏斗已经连为一体，地下水超采是本区地面沉降的主要原因。据天津市 近几年的地面沉降年报可知宁河县年均沉降值在2 0 m m 以上，主要沉降漏斗区位于宁河 县东南部芦台镇地区，多年年均沉降值在3 8 m m l 2 l 。全区最大沉降地区位于汉沽农场一 分厂一队以北南崔庄与大陈庄一带，年均沉降值在4 0 m m 以上，已经成为整个天津地区 地面沉降的主要地区。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 桂林理工大学硕士学位论文 或间接地给宁河县的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。此外，为了解决天津经济技术开发区和滨海新区的水资源短缺问题，在宁 河县内还分别勘查开发了宁河北地下水源地和七里海洼应急供水水源地，更加剧了本地 区环境地质问题的引发。 中国的“十一五”规划中，经济发展的重心将北移至环渤海经济发展圈，加快天津滨 海新区的开放。特别是随着本地区地下水用水量的加大，必然会加剧地面沉降。因此， 探索宁河县地下水资源可持续开采量，建立地面沉降网络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分布和发展趋势进行预测，进一步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，对于促进宁河经济、自然资 源开发利用与地质环境保护三者间的协调发展统一具有十分重要意义，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 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外地面沉降概况 地面沉降又称地面下沉或地陷，是在自然条件和人为因素作用下。因地壳表层土压 缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象。据己有的文献资料记载，地面沉降 现象最早发生的时间是1 8 9 1 年，地点在中美洲的墨西哥城，于1 8 9 8 年在日本新泻也发生 了地面沉降，但由于当时的沉降量不大，危害性暴露的还不明显，并没有引起人们的重 视，只是将其成因归结于地壳升降运动1 3 】。直：至1 1 9 3 6 年，墨西哥的j a g u e v a s 发表了墨 西哥城的地面沉降问题后，地面沉降才开始受到国际社会的广泛关注【4 1 。1 9 6 5 年，联 合国在国际水文十年调研项目中就将地面沉降纳入到其中的一个专题；1 9 7 5 年，由于 过度开发产生的地面沉降她下水评估和环境效应研究继续作为联合国国际水文计划 项目，进一步研究地面沉降产生机理【4 1 。目前，世界上已有6 0 多个多家和地区发现了地 面沉降，其中较为严重的国家有日本、墨西哥、美国、意大利、泰国和中国等【5 1 。自1 9 2 1 年上海市区最早发现地面沉降以来，至今中国已有9 0 多个城市和地区发生了不同程度的 地面沉降，：至f j 2 0 0 3 年面积已达到9 3 8 5 5 k m z ，形成了长江三角洲、华北平原及汾渭断陷盆 地等地面沉降灾害严重区【6 1 。其中，华北地区的地面沉降又以天津地区为最；由天津市 控沉办提供的资料可知，截止n 2 0 0 8 年，全市沉降量大于1 0 m m 的区域覆盖了宝坻城关 以南的大部分平原区，总面积达到5 7 5 6 k m ：。1 9 5 9 至2 0 0 8 年累计监测结果显示，全市最 大累计沉降量为3 3 1 2 m ；由于地面沉降灾害造成的土方损失量仅2 0 0 8 年一年就达至1 f 2 5 亿m 3 。 2 桂林理工大学硕士学位论文 1 2 2 地面沉降的成因与机理 引起地面沉降的原因可归纳为两大类型：自然因素及人为因素。自然因素中，包括 构造活动引起的沉降、软弱土层形成的沉降、以及地震活动、海平面上升等；人为因素 中，过量开采地下水、地下热水及开采油气资源均可引起地面沉降。 国内外对地面沉降产生原因的阐述，最早见于1 9 6 9 年p o l a n dj e 和d a v i sg h 发表的 一篇重要文献由于抽汲地下流体而引起的地面沉降，作者在文中指出“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” 7 1 。 同年，在他发表的论文关于含水层组压密的研究现状及需进一步研究的问题中指 出：“由于抽汲地下水而引起的地层压密，主要发生在新生代末期未固结和半固结的松散 沉积层中，大多为冲积层及湖积层，这是地面沉降的环境；抽水是地面沉降的原因：因 抽水含水层水头下降，使有效应力增加，产生压密变形，从而导致地面沉降”【引。h e l m d c 在1 9 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f 9 】。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着1 1 0 1 。 从广义上讲，含水层属于多孔介质，对于抽取地下水引起的地面沉降而言，是由于 地下水的开采引起含水层孔隙水压力的下降，土体骨架间的有效应力增加，导致了含水 层或土层的压缩。此时的土层和含水层的储水量、渗透系数和应力都发生了明显的变化， 因此，地下水开采引起的地面沉降属于和多孔介质有关的流固耦合问题【l l 】。 目前，各类对多孔介质流固耦合问题的研究主要基于t e r z a g h i 结理论和b i o t 司结理 论展开。t e r z a g h i 维沉降固结理论的基本思想是，在推导过程中假设渗透性与压缩性 为常数，不随压密过程而变化f 1 2 1 。在实际过程中，当含水层受到荷载作用体积发生变化 时，渗透性以及压缩性都会产生变化。g i b s o n 等人针对压密过程中的渗透性与压缩性变 化的影响，又在此基础上提出了非线性压密理论【1 3 l 。r e n d u l i c 、b a r t o n 等人根据t e r z a g h i 固结理论的基本假设，在考虑渗流为等向性的情况下，将单向固结压密理论推广到三维 压密模型1 1 1 。 1 9 4 1 年，b i o t 将变形协调条件对土体固结过程的影响加以考虑，以饱和土体的总应 力和孔隙压力为状态变量，推导出了准确反映孔隙压力消散与土体骨架变形相互关系的 三维固结方程，奠定了多孔介质流固耦合的理论基础 1 4 】；其与t e r z a g h i 维沉降固结理 论的主要区别是将土体平均总应力不再视为常量，而是作为时间的变量来考虑。 1 2 3 地面沉降模拟与预测模型研究现状 在地面沉降研究中，为控制和治理地面沉降变形，以地下流体开采为主因的地面沉 降模拟和预测成为各国学者关注的焦点，地面沉降模型是地面沉降研究的重要内容，预 测的准确与否，对地面沉降防治起着至关重要的作用。目前，地面沉降模拟和预测的方 法主要有两大类：是数理统计和随机统计模型，另类是水土模型。 3 桂林理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 数理统计和随机统计模型 地面沉降受到一系列复杂的自然和人为因素的影响，这就决定了地面沉降过程的动 态具有周期性、趋势性和随机性的特点。数理统计和随机模型主要包括时间序列分析法、 回归模型、生命旋回模型及人工神经网络模型等。 时间序列分析法是将实际观察到的地下变形和地面沉降资料依时间的先后顺序排 列，以揭示地面沉降随时间变化的发展规律，预测沉降发展的方向和数量。该方法简便 易行，不必考虑影响因素对预测对象的影响，单纯从被预测量的历史数据来推求其变化 趋势，基本上是一种历史数据引申的方法。因其在预测中不能反映地下岩土介质的本构 关系，只能总结特定地点的资料应用于本地点，普遍适用性差【1 5 1 。 回归分析法也被称为解释性预测，过量开采地下水是引起地面沉降的主要原因，每 个含水层组累计地层压缩量与相应含水层组累计开采量之间也有很好的相关性。在积累 了地下水开采量和地面沉降量长期监测资料，但不具备建立数学模型条件的地区，建立 累计沉降量与地下水累计开采量之间回归方程对沉降趋势进行预测，也可收到较好的效 果。例如，潘云等( 2 0 0 4 年) 利用统计软件s p s s ，建立了天津市开采量沉降量、水位 - 沉降量两个线性回归方程，并对天津后9 年的沉降进行了模型预测【1 6 1 。 生命旋回模型直接由沉降与时间的关系构成，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建立沉降的数学关系。主要有v e r h u l s t 生物模型【1 刀、灰色模型【嘲、 泊松旋回模型【1 9 1 等。例如，马保卿利用洛阳市地面沉降监测具有非等时距的特点和沉降 曲线特征，通过建立灰色线性回归组合模型对洛阳市地面沉降进行了成功的预测【2 0 1 。 人工神经网络是上世纪四十年代提出、八十年代复兴的- i - i 交叉学科。由于其能有 效的处理非线性、模糊性和不确定性关系问题，被广泛用于水文水资源的各种领域。b p ( 反向传播) 模型是应用最为广泛的一种，它可以通过对一定样本的自适应性学习，找 出其中隐含的复杂、非线性的关系，利用训练好的网络模型便可以进行相关预测。影响 地面沉降的因素多样性和非线性，国内已有一些学者将b p 神经网络引入到对地面沉降 的模拟和预测中，并取得了较好的预测结果1 2 l 2 3 1 。例如，天津大学的赵全( 2 0 0 5 年) 以塘沽区城区、农区地下水年分层开采量作为模型的输入变量，建立了b p 神经网络对 塘沽区的地面沉降进行了预测；天津大学的张建军( 2 0 0 6 年) 将遗传算法与b p 神经网 络相耦合，以天津塘沽区地下各含水层组年均水位为输入变量对开采地下水引起的地面 沉降进行了预测。 ( 2 ) 水土模型 中国地面沉降模拟预测工作的开展仅有2 0 余年的历史1 2 4 1 ，以水土模型为主。水土模 型包括两个方面，一个方面是确定含水层水位与开采( 回灌) 量之间的关系，即水流模 型；另一方面是计算由于含水层水位变化而引起粘性土及含水层本身的变形，即土力学 模型。水流模型和土力学模型按照不同的作用关系( 不耦合的两步计算模型、部分耦合 的两步模型和完全耦合模型) 构成地面沉降预测计算模型。 4 桂林理工大学硕士学位论文 两步模型 两步模型的基本思路是先求出抽水所造成的地下水位的下降量，得出含水层组中的 水头变化，转换成土体有效应力的增加量，含水层和粘土层间的水量交换通过越流量来 处理，然后由太沙基有效应力原理计算有效应力的变化，从而确定各土层的变形量，所 有各层的变形量之和即为土层的沉降量。 两步模型由于其物理意义明确、方法简单、易于计算，在中国地面沉降模型研究中 得到了广泛的应用。1 9 8 9 年，上海地质工程勘察院与比利时合作开展地面沉降研究，其 沉降模型就是两步模型，即“地下水流动模型加上一维垂直流动固结模型”，这也是中国 第一个地面沉降模型【2 5 1 。1 9 9 5 年，原地质矿产部水文地质工程地质研究所等在此基础上， 又提出“地下水水量水位沉降联合数学模型1 2 6 】”。1 9 9 5 年，天津地质环境监测站与英国 合作，在美国地调局开发模拟地下水三维运动的数学模型m o d f l o w 基础上，开发出针 对天津地层的i d p ( i n t e r b e dd r a i n a g ep a c k a g e ，夹层排水程序包) ，完成了天津地面沉降模 型1 2 7 1 。 部分耦合模型 在两步模型的基础上，将地下水流动问题和固结问题合成一步进行，按照单位储水 系数的物理意义将孔隙水压力和压缩系数联系起来，仅考虑垂直方向变形，而水平方向 只考虑渗流，不考虑变形，对弱透水层不建立水流方程，渗流做源汇项处理。 a r i v e r a ( 1 9 9 1 ) 研究的墨西哥地面沉降模型是在两步走模型的基础上建立了一个模 拟多层含水层系统的地下水流和总沉降量的数学模型，把地下水流方程和太沙基固结理 论相结合，考虑了含水层渗透系数和储水系数的非线性，建立了垂向渗透系数和弹性储 水率与孔隙率的关系式，最后计算含水层系统的总沉降量【2 8 1 。2 0 世纪8 0 年代中期，中国 开始进行地下水渗流和土层变形耦合的准三维计算，还考虑流变特性建立了渗流一变形 沉降耦合( 包括主固结和次固结) 的计算模型，同时对渗流、变形和沉降过程进行仿 真模拟，对地面沉降进行计算和预测【2 9 】。2 0 世纪末，上海市地质调查院李勤奋等完成了 中国第一个部分耦合模型非稳定准三维水流模型【3 0 l 。随后，国内很多研究者又基于 m o d f l o w 的i b s ( i n t e r b e d s t o r a g ep a c k a g e ，夹层储水程序包) 和s u b ( s u b s i d e n c ea n d a q u i f e r - s y s t e mc o m p a c t i o np a c k a g ，沉降和含水层系统压缩程序包) ，对沧州、唐山、北 京等地的地面沉降进行了模拟和预测【3 卜。3 1 ，为当地制定防控地面沉降措施提供了可靠的 理论依据。 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。在假定土为饱和均质的多孔介质， 其变形符合弹性理论且孔隙水与固体土颗粒为不可压缩，以及水流符合达西定律的条件 下，将考虑有效应力的应力应变关系结合地下水流方程式，建立可同时求解孔隙水压与 土体变形量的耦合控制方程。虽然比奥固结理论已经被成功地应用于研究路堤、基坑降 水、盾构施工等引起的土体沉降变形【3 6 1 ，但是由于地面沉降所涉及的面积广，计算工 桂林理工大学硕士学位论文 作量大，需要的参数复杂，不管是国内还是国外，基于b i o t 理论的完全耦合模型来研究区 域或者大面积地面沉降的实例并不多见。 从理论上讲，完全耦合模型是预测地面沉降最完善的方法，但由于完全耦合模型参 数较多，对大区域地质体刻画能力有限，难于满足复杂的实际情况，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，在实际应用中仍以前两种模型居多。 1 2 4 国内外地面沉降模型研究存在的主要问题 ( 1 ) 国外研究存在的主要问题【3 7 j 国外研究偏于理论，最具代表的是j b e a r 的工作( 1 9 8 1 ) ，难以用于实际。现有地面 沉降模型，如墨西哥城模型、休斯顿模型、意大利拉温万纳模型、日本大鳄平原模型等 都是准三维模型；纵观地面沉降国际会议及有关论文，1 9 9 0 年以来国外区域地面沉降模 型方面无明显进展，难点没有突破。 ( 2 ) 国内研究存在的主要问题【了7 】 目前，国内对于地面沉降预测模型的研究主要集中在以太沙基一维沉降固结理论为 基础的准三维模型( 包括两步模型和部分耦合模型) ，这些模型主要存在的不足有：难 以精确刻画由弱透水层释水引起的地面沉降；把弱透水层处理为均质各向同性，与上海、 天津以及中国多个地区冲积成因的弱透水层各向异性的实际不符；模型中将渗透系数、 贮水率视作常数，但伴随着沉降，土层孔隙度不断减小，势必会影响到这些参数的变化， 且不可忽略；水位下降与沉降变形并不同步，有明显的滞后存在；这些准三维模型并未 实现水流模型和沉降模型的真正耦合等。 1 2 5 宁河县地下水资源及地面沉降研究现状 天津和河北的地勘单位先后在宁河开展了不同地段和不同目的的水文地质工作，主 要有：上世纪六、七十年代，河北省地质矿