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

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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

2、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，

3、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

4、.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

5、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：oi为砂土层平均有效应力增量；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

6、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

7、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

8、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