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宁波地处长江三角洲南翼,是中国重要的港口城市。由于地下水的开采,宁波市中心城区在1964年出现区域性地面沉降,随着开采规模的扩大,地面沉降随之加剧,长期困扰着宁波城市的建设。地下水开采引起的地面沉降是一个复杂的流固耦合问题,以往学者对宁波地区地面沉降的研究重点关注地面工程建设所诱发的小尺度沉降,尚未开展针对大区域深层地下水开采所引发的大范围地面沉降的研究工作。
本文基于“宁波城区应急供水地下水源地调查评价”项目,以宁波城区为研究对象,在充分了解宁波平原地质、水文地质条件的基础上,分析总结了研究区地下水位与地面沉降的主要特征和相互关系。建立了研究区三维地下水流—一维土体变形耦合模型,利用MODFLOW和SUB程序包对模型进行求解,经识别验证后,确定了模型的水文地质参数。最后,以研究区地下水流—土体变形耦合模型为基础,为宁波城区应急供水制定了六个合理的开采方案,并对各方案地下水位与地面沉降变化进行了动态预测。主要结论如下:
①研究区地面沉降的发展与地下水开采在时空上相互对应,地下水位漏斗中心与地面沉降漏斗中心均位于江东和丰地区,且地面沉降漏斗的形状和扩展与水位漏斗也基本一致。
②研究区地面沉降主要发生在第一软土组、第二软硬层、第Ⅰ含水层和第四硬土层。
③基于研究区岩土层在垂向上电性差异显著的特征,利用Geoeletro电测深处理系统对研究区对称四极电测深数据进行反演分析,建立了研究区岩土层岩性与其视电阻率之间的对应关系,并将所得电阻率剖面与地质钻孔和地质剖面相结合,构建研究区三维水文地质结构模型。
④基于太沙基一维固结理论和Leake的“夹层”理论,利用夹层骨架储水率与土体压缩系数间的关系,将计算得到的夹层储量变化量作为源汇项加入水流方程中,对地下水流模型和土体变形模型进行耦合,建立研究区三维地下水流—一维土体变形耦合模型,模型考虑了土层的弹性和非弹性变形以及排水压缩的滞后现象。
⑤利用模拟期内地下水位观测数据和沉降中心分层标监测资料对模型水文地质参数进行识别验证。结果显示地下水位和地面沉降整体拟合较好,证实了建立的数值模型的可靠性,能较好的反映研究区因地下水开采所引起的地下水位和地面沉降的变化规律。
⑥宁波城区孔隙承压水具有较好的补给条件,水位恢复能力较强,能满足短期集中供水的需求。应急供水时间越短,水位控制深度越低,承压水可供水人数越多。应急供水时间越长,水位控制深度越低,供水结束时水位降落漏斗面积、沉降区面积以及最大沉降量越大。供水结束后,研究区地表变形受地下水位恢复引起的弹性回弹与滞后夹层延迟沉降的综合影响,不同地区呈现不同的变形特征,总体来讲,开采井附近地区出现地面回弹,而远离开采井的地区沉降继续增大。
本文基于“宁波城区应急供水地下水源地调查评价”项目,以宁波城区为研究对象,在充分了解宁波平原地质、水文地质条件的基础上,分析总结了研究区地下水位与地面沉降的主要特征和相互关系。建立了研究区三维地下水流—一维土体变形耦合模型,利用MODFLOW和SUB程序包对模型进行求解,经识别验证后,确定了模型的水文地质参数。最后,以研究区地下水流—土体变形耦合模型为基础,为宁波城区应急供水制定了六个合理的开采方案,并对各方案地下水位与地面沉降变化进行了动态预测。主要结论如下:
①研究区地面沉降的发展与地下水开采在时空上相互对应,地下水位漏斗中心与地面沉降漏斗中心均位于江东和丰地区,且地面沉降漏斗的形状和扩展与水位漏斗也基本一致。
②研究区地面沉降主要发生在第一软土组、第二软硬层、第Ⅰ含水层和第四硬土层。
③基于研究区岩土层在垂向上电性差异显著的特征,利用Geoeletro电测深处理系统对研究区对称四极电测深数据进行反演分析,建立了研究区岩土层岩性与其视电阻率之间的对应关系,并将所得电阻率剖面与地质钻孔和地质剖面相结合,构建研究区三维水文地质结构模型。
④基于太沙基一维固结理论和Leake的“夹层”理论,利用夹层骨架储水率与土体压缩系数间的关系,将计算得到的夹层储量变化量作为源汇项加入水流方程中,对地下水流模型和土体变形模型进行耦合,建立研究区三维地下水流—一维土体变形耦合模型,模型考虑了土层的弹性和非弹性变形以及排水压缩的滞后现象。
⑤利用模拟期内地下水位观测数据和沉降中心分层标监测资料对模型水文地质参数进行识别验证。结果显示地下水位和地面沉降整体拟合较好,证实了建立的数值模型的可靠性,能较好的反映研究区因地下水开采所引起的地下水位和地面沉降的变化规律。
⑥宁波城区孔隙承压水具有较好的补给条件,水位恢复能力较强,能满足短期集中供水的需求。应急供水时间越短,水位控制深度越低,承压水可供水人数越多。应急供水时间越长,水位控制深度越低,供水结束时水位降落漏斗面积、沉降区面积以及最大沉降量越大。供水结束后,研究区地表变形受地下水位恢复引起的弹性回弹与滞后夹层延迟沉降的综合影响,不同地区呈现不同的变形特征,总体来讲,开采井附近地区出现地面回弹,而远离开采井的地区沉降继续增大。