上海地下水流场变化及对地面沉降发展的影响

地下水开采导致水位下降是含水层系统流场变化的关键,也是地面沉降形成与发展的重要因素。上海目前深部含水层开采日趋集中地下水位持续降低、浅部含水层大规模工程降水以及邻省地下水开采等,使地下水渗流场出现新的变化,并对地面沉降控制造成不利影响。切实加强地下水系统管理,严格控制地下水位,是深化地面沉降防治的重要环节。     

上海地下水流场变化及对地面沉降发展的影响

针对近年来上海地下水采灌格局新的变化态势,利用地下水位与地层变形的实测数据,分析了地下水渗流场变化及对地面沉降发展的影响.结果表明:开采地下水直接影响地下水流场分布;埋深170～300 m的深部含水层集中开采导致的地下水位持续下降以及地表下至75 m范围内的浅部含水层的工程降水和建筑荷载,是目前上海地面沉降的两大制约因素;深部含水层地下水开采量已超过总采量的80%,其地层压缩量占地面沉降比例超过50%,75 m以浅地层的固结压缩则占近30%.提出了地下水资源开发管理和地面沉降系统调控的对策与措施,有助于减弱地面沉降及其社会危害.     

论地下水资源的永久性消耗量

针对传统的水文地质学中地下水资源被定义为可逐年得到恢复的地下淡水量,本文通过分析含水层系统的组成特点、含水层和弱透水层的释水特征,揭示了地下水资源的永久性消耗机理。结合苏锡常地区近30年内大规模开采地下水资源过程中地下水位变化以及地面沉降的实测数据,研究了地下水被大量抽取后含水层系统的永久性压缩。含水层系统的释水变形直接导致了永久性的地面沉降和地下水储存空间的缩减,原本储存在含水层系统中的部分地下水资源将无法得到恢复储存,无法恢复的这部分地下水资源其实已被永久性地消耗了。永久性消耗的地下水资源总量与地面沉降的总体积基本一致,结合苏锡常地区含水层系统常年开采后引起的地面沉降量估算,得出永久性消耗的地下水累计量约占该区域地下水开采总量的41.8%~65.8%。     

长江三角洲平原浅层地下水资源评价三维数值模型

针对长江三角洲平原浅层地下水开发和利用的问题，以吴江市为例，将第四纪松散岩类孔隙含水层作为主要目的层，建立地下水系统的三维数值模型。通过模型的识别、验证，并按照地下水水位不能低于微承压含水层顶板的要求，结合实际情况计算出合理的地下水开采资源量，并通过计算在开采过程中引起的地面沉降值，证明了在该开采量的作用下不会引起灾害性地面沉降的发生。     

区域地下水开采与地面沉降控制三维全耦合数值模拟

针对第四纪松散沉积层中地下水开采所引起的地面沉降问题,以比奥固结理论为基础,考虑到土体的非线性特征及土体的渗透性随应力状态的动态变化,引入邓肯-张非线性模型和渗透率动态模型,将地下水渗流场和土体应力场耦合起来,并以江阴市浅层地下水开采为例,建立了浅层地下水开采与地面沉降三维全耦合数值模型.在对模型进行校正、识别的基础上,以第Ⅰ承压含水层未来10年内地下水位埋深不低于含水层顶板埋深一半,地面沉降量不超过50 mm为约束条件,预测了江阴市各镇的地下水可采资源量以及地面沉降量.实践表明,该模型不仅稳定性好,且收敛速度快.     

沧州市地下水开采-地面沉降数值模拟

以沧州市地下水开采引起的地面沉降为例,在分析研究区地质和水文地质条件的基础上,得到研究区地下水开采与地面沉降地质概化模型,建立地下水三维渗流和土体垂向一维变形耦合数值模型,在完成模型识别验证的基础上,预测了现状开采条件下从2010年末到2025年末地下水流场的变化特征和地面沉降的变化趋势。结果表明,到2025年底,整个沧州市范围内累计地面沉降量最大值为475 mm,最小值为270 mm。     

张家川水源地不同取水方式对比分析

经过对研究区的水文地质条件进行分析,设计了3种开采方式:廊道、辐射井、渗流井。建立研究区的地下水流三维数值模拟,计算出廊道、辐射井、渗流井的允许开采量分别为:0.65、0.68、1.18万m3/d。通过对比分析,表明渗流井与相同技术条件下的廊道及辐射井相比,出水量大,供水保证率高,并且在建议开采量下含水层的水位降深在允许范围内。最终选定渗流井作为张家川水源地地下水的开采方式,对研究区地下水的开发利用具有很好的指导作用。     

黑龙港平原区地面沉降机理分析及预防对策

在邢台市黑龙港平原区,由于大量超采地下水,引起地面沉降、含水层疏干等一系列地质环境问题.通过对该区水文地质特征分析,根据质量守恒原理,用观测的水位资料和区域地质参数,分析地面沉降发展,并计算沉降量等.最后分析地面沉降的危害及预防措施,为该区地下水管理和研究、制定合理的地下水开发利用规划提供了科学依据.     

超采地下水对地质环境影响机理分析

通过对邢台市平原区含水层系统水文地质特征分析，研究超采地下水对地质环境的影响，如地面沉降、咸水界面下移等。制定出控制开采地下水的措施，为今后恢复地下水生态环境提供参考依据。     

神木县刘家湾水源地不同取水方式对比分析

在对研究区的水文地质条件进行分析后,设计了3种常用开采方案:廊道、辐射井和渗流井.通过引入等效渗透系数的概念构建3种取水建筑物的“渗流-管流”耦合模型,从而进行开采量的计算.计算出研究区在廊道、辐射井、渗流井的作用下允许开采量分别1.49、1.9、2.87万m3/d.计算结果表明:渗流井与相同技术条件下的廊道及辐射井相比,取水结构的出水量大,供水保证率高,并且在建议开采量下含水层的水位降深在允许范围内.最终以取水效率高为目标,确定神木县刘家湾水源地采用渗流井方式开采地下水,对研究区合理开发利用地下水具有重要意义.     

ANALYSIS OF SEEPAGE FLOW IN A CONFINED AQUIFER WITH A STANDING COLUMN WELL

The standing column well for ground source heat pump systems is a promising technology with high efficiency and environmental benefit, where groundwater is drawn from the bottom of a well and then re-injected to its top after transferring heat with heat pumps. Heat transfer analysis of great significance and aquifer involves complex problems. Determining the groundwater seepage flow is a precondition to solve the energy equation describing the heat transfer of the system. Only when piezometric head is obtained, the seepage velocity can be determined according to Darcy’s law. In this article the groundwater seepage flow in an axial symmetrical geometry was studied under the assumption that gross groundwater flow is neglected. An analytical solution of the groundwater seepage flow for a confined aquifer was acquired by using the integral transform method, which may provide a foundation for heat transfer analysis of the standing column well system.     

淮北采煤塌陷蓄水区地下水流场分布特征分析

为了解淮北采煤塌陷蓄水区地下水分布规律,在充分收集研究区已有相关成果资料的基础上,从研究采煤塌陷区域含水层结构变异入手,运用Visual Modflow软件对研究区地下水流场变化特征进行模拟、分析。结果表明：1）煤层完全开采情况下矿坑不再排水,因采煤矿坑排水而下降的松散层孔隙水水位在降雨补给和河流补给的作用下将逐渐回升,但基本无法恢复至采前水平;2）裂隙岩溶水接受塌陷区湖泊地表水和松散层孔隙水通过垂向网络型导水裂隙带不断入渗补给,导致研究区域裂隙岩溶水水位上升和溢出而形成多个局部水丘。闭坑后采煤塌陷蓄水区地下水流场分布规律研究成果可以为类似采煤塌陷蓄水区地下水资源综合利用提供参考。     

平原区截渗排水渗流计算方法的研究与探讨

描述了非完整沟(管)工程布设形式和补给出流条件,对现行的平原区截渗排水渗流计算方法进行了综合分析,针对单、双沟的对称和非对称布设形式,提出了系列的有限含水层厚度条件下,对称与非对称单、双沟截渗排水的渗流水动力学计算公式。计算结果表明,在补给和出流条件基本相同的情况下,双沟比单沟截取地下水量和降低地下水位的作用都明显增大。     

江阴南部地区地下水禁采效应分析

简要介绍了江阴南部地区地质、水文地质条件、地下水开发利用及封井情况,阐述了区内地下水水位动态及地面沉降速率的变化趋势,对地下水禁采所产生的水位及环境效应进行了分析与总结。初步认为:江阴南部地区地下水开采量主要来自含水层的重力释水,地面沉降量主要为含水砂层的压缩变形量,地面沉降与地下水开采间的关系尤为密切,表现为地下水禁采后随着水位的缓慢回升,地面沉降速率迅速减缓。     

超采深层地下水引起地面沉降规律的探讨

分析了华北平原地区因超量开采深层地下水引起土层压缩和地面沉降的成因和规律，依据深层地下水非稳定流抽水原理和地层渗透固结理论，计算地下水位下降后形成的深层粘性土层的压缩量和地面沉降量。     

悬挂式止水帷幕圆形基坑承压含水层地下水非稳定流计算

针对悬挂式止水帷幕基坑中复杂的地下水流动,建立了考虑止水帷幕的圆形基坑承压含水层地下水非稳定流动计算模型。通过对地下水流动计算模型的Laplace变换和有限Fourier余弦变换,推导了Laplace空间的水头降深解,采用Stehfest数值逆变换提出了悬挂式止水帷幕圆形基坑承压含水层地下水非稳定流水头降深半解析解。在验证计算方法正确性和数值逆变换计算准确性的基础上,利用工程实例验证了计算方法的工程适用性。分析了悬挂式止水帷幕插入深度对圆形基坑地下水流动的影响规律,阐明了止水帷幕对基坑内外地下水控制的积极作用,为合理开展悬挂式止水帷幕圆形基坑承压含水层的减压降水设计提供了计算方法。     

煤矿资源开采对含水层的影响

煤矿开采使围岩变形和移动,岩层移动影响到含水层结构受到破坏,引起地下水补径排关系的改变,对地下水资源的形成与赋存规律产生影响。从煤矿开采方法对含水层结构的影响、顶板岩层结构特征的改变对含水层结构的影响、煤矿区构造含水层结构的影响等进行分析,并通过具体实例分析阐述煤矿资源开采对含水层的影响。近年来,煤矿开采对地下水造成严重影响,给人民生产生活造成影响,因此研究煤矿开采对含水层的影响意义重大。     

煤矿开采导水裂隙带发育对潜水水位影响研究

为定量阐述采煤导水裂隙带发育对潜水含水层的影响,在分析采煤导水裂隙带发育形成机理的基础上,依据采煤导水裂隙带发育对潜水含水层的影响进行分类研究,按照对潜水水位影响的程度分为两类模式。基于这两种分类模式,以锦界矿区为研究对象,建立考虑导水裂隙带发育的地下水数值模拟模型,利用大量实测水位反演出导水裂隙带影响下各分区垂向渗透系数值变化序列,以此反映导水裂隙带发育对潜水含水层的影响。通过构建的地下水数值模型计算表明,在分类模式二条件下,由于导水裂隙带导通潜水关键隔水层构成垂向渗漏通道,隔水层垂向渗透系数显著增大,潜水水位形成大范围地下水降落漏斗。开采前10年最大降深值28 m,降深大于20 m的影响严重区域面积约为2.56 km~2,开采后20年,潜水位最大降深达到32 m。     

Jacob假定下含水层的储水率及其地面沉降机理意义

通过在Jacob假定下推导储水率与多孔弹性介质的物理力学常参数之间的联系,发现储水率的骨架弹性贡献部分为与时间无关的常数。进一步推导发现地面沉降与地下水头降深之间具有线性关系。其中水头降深是地面沉降的主动因素,是外因;骨架弹性储水率和储水层厚度是被动因素,是内因。三种因素对地面沉降都做正比贡献。对地表某一确定点而言,由于骨架弹性储水率和储水层厚度相对稳定,地面沉降与地下水头降深成正比．地表以下全部垂向形变储水层的综合骨架弹性储水系数为其比例系数。相同的水头降深可以带来不同的地面沉降,也就是说,地面沉降漏斗相对于地下水头降落漏斗可能会有不同程度的偏离．这是由于平面上各点处的垂向压缩土层的厚度及综合骨架弹性储水系数不尽相同所致。地面沉降与地下水头下降之间普遍呈现显著线性相关关系的事实反过来表明,储水层的垂向释水压密变形规律基本符合Jacnh假定;其线性比例系数应为地表以下所有形变储水层的综合骨架弹性储水系数。     

宁河县地下水状况及开采控制研究

分析了1987-2007年宁河县地下水各含水层组年水位埋深、开采量变化情况以及累计水位降深与累计开采量、沉降量的变化规律,明确了地下水超采是引起宁河县地面沉降及水位降深增加的主要原因。为了控制地面沉降及水位持续下降的趋势,结合宁河县地下水超采状况、经济发展和地下水资源的战略储备需要,制定了以控制地面沉降量为约束条件的控沉方案,最终通过建立宁河县地下水数值模型,并结合约束条件,预测了3个水平年地下水开采控制方案。研究成果可为今后宁河县地下水优化管理及开采控制研究提供参考。