湛江市区地下水开采引发地面沉降模拟预测和其防治措施

1、湛江市区地下水开采引发地面沉降模拟预测和其防治措施摘要本文根据湛江市区丰富的水文地质资料和 工程地质资料，利用水文观测资料来进行水土模型计算，概 化水文地质及工程地质条件，建立水文地质及工程地质概念 模型，建立三维地下水流数学模型及一维沉降固结数学模 型，并对模型进行求解，通过调参拟合得到与实际监测结果 相符的地下水位及地面沉降量。并针对地面沉降问题提出了 相应的防治措施及建议。关键字湛江市区地下水概化 数学模型地面沉降中图分类号p641 文献码b 文章编号1000-405x (2013) -5-252-2本文采用两步计算水土模型，其中粘土层的变形计算采 用了线性模型。首先概化研究区的水文地质

2、及工程地质条 件，建立水文地质及工程地质概念模型，然后建立研究区三 维地下水流数学模型及一维沉降固结数学模型，并对模型进 行求解，通过调参拟合得到与实际监测结果相符的地下水位 及地面沉降量。其中三维水流模型的求解可以得到含水层系 统中各土层的水头变化，再根据terzaghi有效应力原理， 通过编程计算求出各土层的的变形量，求和得出总的地面沉 降量。1概念模型1.1模型概化1.1.1含水层结构确定。依据含水层结构模型，将研究 区划分为5大层，其中含水层划分为浅层水、中层承压水和 深层承压水三大层组，两两之间具有弱透水性的粘性土层所 隔，三层含水层通过隔水“天窗”及火山喷发通道存在水力 联系，形成

3、一个三层结构的越流含水系统。1. 1. 2边界条件确定。包括侧向边界的概化和垂向边界的概化。1.1.3各层土体参数确定。包括降雨入渗系数、渗透系数与给水度。1. 1.4源汇项确定。包括降雨入渗、水库、运河和渠道 渗漏补给、地下径流等补给项，以及人工开采、蒸发排泄、 地下径流等排泄项。补给量计算包括降水入渗补给量计算,水库、运河和渠道渗漏补给量计算，地下水侧向径流补给量计算。排泄量计算包括地下水开采量计算、潜水蒸发排泄量计算、地下水侧向径流排泄量计算。1. 2地下水流动数学模型根据研究区水文地质条件，研究区三层结构越流系统地下水流动可以用数学模型描述，在计算区域内采用矩形剖分 和线性插值，利用有

4、限单元法求解三层结构的地下水准三维 非稳定流定解问题。1.3 -维沉降固结模型的假定(1) 土层是均质的、完全饱和的；(2) 土粒和水是不 可压缩的；(3)粘土层中地下水流动满足darcy定律，且渗 透系数保持不变；(4)水的渗出及土层的压缩只沿一个方向 (垂向)发生；(5)空隙比的变化与有效应力的变化成正比, 且总应力、压缩系数保持不变；(6)外荷载一次瞬间施加。1.4 一维沉降固结模型湛江市区粘性土层符合太沙基一维渗透固结条件，采用 一维渗透固结理论计算粘性土层的固结沉降。对于砂性土层，主要发生弹性变形，砂土层的变形可认 为是瞬时弹性变形，其沉降量为：其中：o i为砂土层平均有效应力增量；

5、ei为第i层砂 土层的弹性模量；hi为砂土层的厚度。2数值模型的建立区内共有监测点56个，其中浅层监测点8个，中层承 压水监测点30个，深层承压水监测点18个。数值模型的建 立分为网格剖分、应力期选择、初始水位的确定、初始沉降 量的确定四个步骤。3模型识别与验证模型的识别就是对模型中的渗透系数、给水度和弹性释 水系数做拟合调整，通过反复试算调整模型参数，并修改地 下水开采量分配方案，使识别期模型计算结果与实际的均衡 结果接近，在调参过程中并且使模拟流场与研究区已知流场 相互吻合。包括水文地质参数调整、流场拟合分析、地面沉 降拟合分析。4地面沉降预测将2010年1月至2020年12月期间作为模型

6、的预测时 期，时间步长为30天。除开采量外，所有外部源汇项（侧 向补给）的强度保持不变，其中降雨蒸发取多年平均值；各 层边界条件也保持不变。以2009年监测的地下水流场作为 模型预测的初始流场，利用识别后的各水文地质参数，对研 究区的地下水流场及地面沉降进行预测。按湛江市区13. 53m3/a地下水开采量估算值进行地下水 流场及地面沉降预测。得到的2020年中深层等水位线图及 地面沉降等值线图（图1-4）o从模拟结果来看，由于2009-2020年地下水开采量增长 较缓，整体上地面沉降速率减缓。地面沉降中心仍处于霞山 潜水学校及赤坎沙湾、铺仔等地。地面沉降主要沿海岸线分 布，发生在地下水开采量大

7、且地表土层较松软的湛江市滨海 地区，从西北向东南海岸带沉降量加大。其中，以铺仔号 （jc26）地面沉降速度最快，达6. 18mm/a,总沉降量达68mm, 累计沉降量达126. 9mm,形成一个次级沉降中心；其次为沙 湾地区（jc72）,总沉降量为61.78mm,累计沉降量为 233. 58mm,沉降速率为5. 62mm/a, 一度超过潜水学校，成为 研究区最大的沉降中心。潜水学校(jc753)由于地下水开 采量变化不大，总沉降量21.6mm,累计沉降量达202. 7mm, 沉降速率为1. 96mm/ao累积沉降量大于100mm的区域面积约 26km2o对于不同的工程地质分区，火山岩台地地面沉

8、降量最 小，甚至略有抬升，沉降速率不超过lmm/a；无软土台地， 总地面沉降量在17. 38-34. 28mm之间，沉降速率大约为 1. 5-3mm之间；滨海软土区沉降量一般为21. 668mm；沉降 速率在1. 96-6. 18mm之间。除铺仔等地地面沉降有所加快外, 整体上地面沉降速率普遍变缓。除个别沉降中心累计沉降量 超过200mm外，大部分地区地面沉降量较小，不会造成严重 后果。但是沿海岸线的滨海软土区，特别是沉降中心的地面 沉降问题不容忽视。应当引起相关部门重视。5防治措施及建议经研究表明，湛江市地面沉降主要是过量开采中深层承 压水引起的。针对目前湛江市地下水开采存在的问题，及湛 江

9、市地面沉降量不大、尚未产生严重的危害的特点，为防患 于未然，仍需采取必要的防范措施，特提出如下建议：(1)湛江市仅进行了 4次地面沉降监测，而且范围较 小，在湛江市区对岸的南三岛、南油、麻斜没有布设监测点。 且未建立分层监测标，无法了得到不同含水层水位变化引起 的各层的土体变形量。应当加强地面沉降监测频率(以2-4 年为一周期为宜)，尤其是滨海软土分布区。监测范围应扩 展到南三岛、南油、麻斜及东海岛一带，并建立分层监测标, 完善地面沉降监测系统。(2) 加强水文地质普查工作，更新水文地质参数。并 建设高精度地下水监测井网，提高监测质量，从而建立更准 确、优化的三维数值模拟模型。(3) 根据研究

10、区地下水资源现状，结合当地用水情况, 合理优化区内工业生产、农渔业生产和生活用水取水方案， 提高用水效率。严防滥开滥采现象。优化地下水开采层位， 开采方式上应该采用“间采间歇”、分布开采的方式，避免 集中开采。(4) 研究区降雨资源丰富，结合当地地下水补径排条 件，适当增加相应的水利工程，开发利用浅层地下水、处理 后的污水、雨水、海水和微咸水等水资源。推广农作物利用 微咸水灌溉和咸淡轮灌或混灌。调整产业结构，亦可制定相 应的从外地水利工程取水调水方案，实现地表水、地下水的 合理配置和科学管理，避免地面沉降的进一步发展。(5) 充分利用政府强制封停的开采井进行地下水回灌。 并遵循回灌量应保证在一个水文年内水位能够恢复到正常 水位且水质应不差于原水质的原则。(6) 研究区5月9月降雨量非常丰富，大量水资源随 地表径流排泄入海。可在湖光，麻章等地下水补给区引渗