沧州市地面沉降模型研究
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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,是一种对城市规划建设、经济发展和人民生活构成威胁的地质灾害。目前,国内外对地面沉降问题的研究,主要着重于对抽取地下液体而引起的区域性地面沉降的研究。
沧州市位于河北平原东部,濒临渤海,地理位置优越,发展前景广阔,是全国著名的化工城市。然而沧州市又是环渤海地区严重缺水城市之一,其地面沉降始于20世纪70年代初期,当时沉降量只有9mm。随着地下水开采量增大,地面沉降量也随之不断增加,1980年中心累积沉降量272mm,沉降速率27.2mm/a;至1990年中心累积沉降量1131mm,沉降速率85.9mm/a,比上一时段增加了58.6mm/a;至2001年沉降速度已达100.45mm/a,中心累积沉降量达到2236mm,2005年中心累计沉降量已达2457mm,已成为我国地面沉降最严重城市之一,其影响和破坏愈演愈烈。
研究区由于大量抽取地下水,使得承压层中的粘土夹层及上覆粘土释水,引起土层压缩,导致地面沉降。本文根据研究内容确定了研究区的模拟范围,然后根据该研究区实际的工程地质及水文地质条件确立了该区地质概念模型,确立了模型的边界条件,采用三维有限差分地下水流模型-Processing Modflow及其携带的IBS程序包对该研究区各含水层水位、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,建立了该区的地下水位-地面沉降耦合模型,以2005年开采水平为基础,结合市区城市化建设发展规划,运用所建立的地面沉降模型,预测了沧州市2015年的地面沉降情况。
最后,对防止沧州市地面沉降的严重化提出了些意见,例如开辟新水源,加强管理力度,建立监测网络等。
Land subsidence is an important problem. There is natural land subsidence, and also many human activities can induce several kinds of land subsidence hazards. Many kinds of human activities can induce land subsidence, such as groundwater withdrawal, mineral resources exploitation, building of skyscrapers and the exploitation of underground space. The land subsidence is very serious in Hebei plain of China, especially in Cangzhou city. In the region of Cangzhou city, the land subsidence has amounted up to 1131mm in 1990, and reached 2236mm in 2001.As the data says, the rate of land subsidence is very fast.
Based on the actual hydrogeology and engineering geology condition of the area, a concept hydrogeological model is built first. Pumping from the confined aquifer, the clay stratum that is in and above the confined aquifer releases a large amount of water, resulting in the compaction of soil layer called land subsidence. Adjusting the hydrogeological parameters for many times and choosing the best ones. The Modular three-dimensional groundwater flow model--MODFLOW and another modular program-IBS are applied to simulate the water table and land subsidence synchronously and build the mathematical model of water exploitation-land subsidence. And based on this model a prediction of the situation of land subsidence is made up to 2015.
Finally, some advices have been put forward for preventing the development of the land subsidence, such as looking for new water resources, strengthening administration, building the land subsidence measurement network and so on.
沧州市位于河北平原东部,濒临渤海,地理位置优越,发展前景广阔,是全国著名的化工城市。然而沧州市又是环渤海地区严重缺水城市之一,其地面沉降始于20世纪70年代初期,当时沉降量只有9mm。随着地下水开采量增大,地面沉降量也随之不断增加,1980年中心累积沉降量272mm,沉降速率27.2mm/a;至1990年中心累积沉降量1131mm,沉降速率85.9mm/a,比上一时段增加了58.6mm/a;至2001年沉降速度已达100.45mm/a,中心累积沉降量达到2236mm,2005年中心累计沉降量已达2457mm,已成为我国地面沉降最严重城市之一,其影响和破坏愈演愈烈。
研究区由于大量抽取地下水,使得承压层中的粘土夹层及上覆粘土释水,引起土层压缩,导致地面沉降。本文根据研究内容确定了研究区的模拟范围,然后根据该研究区实际的工程地质及水文地质条件确立了该区地质概念模型,确立了模型的边界条件,采用三维有限差分地下水流模型-Processing Modflow及其携带的IBS程序包对该研究区各含水层水位、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,建立了该区的地下水位-地面沉降耦合模型,以2005年开采水平为基础,结合市区城市化建设发展规划,运用所建立的地面沉降模型,预测了沧州市2015年的地面沉降情况。
最后,对防止沧州市地面沉降的严重化提出了些意见,例如开辟新水源,加强管理力度,建立监测网络等。
Land subsidence is an important problem. There is natural land subsidence, and also many human activities can induce several kinds of land subsidence hazards. Many kinds of human activities can induce land subsidence, such as groundwater withdrawal, mineral resources exploitation, building of skyscrapers and the exploitation of underground space. The land subsidence is very serious in Hebei plain of China, especially in Cangzhou city. In the region of Cangzhou city, the land subsidence has amounted up to 1131mm in 1990, and reached 2236mm in 2001.As the data says, the rate of land subsidence is very fast.
Based on the actual hydrogeology and engineering geology condition of the area, a concept hydrogeological model is built first. Pumping from the confined aquifer, the clay stratum that is in and above the confined aquifer releases a large amount of water, resulting in the compaction of soil layer called land subsidence. Adjusting the hydrogeological parameters for many times and choosing the best ones. The Modular three-dimensional groundwater flow model--MODFLOW and another modular program-IBS are applied to simulate the water table and land subsidence synchronously and build the mathematical model of water exploitation-land subsidence. And based on this model a prediction of the situation of land subsidence is made up to 2015.
Finally, some advices have been put forward for preventing the development of the land subsidence, such as looking for new water resources, strengthening administration, building the land subsidence measurement network and so on.
引文
[1]郑铣鑫.沿海地区城市发展与地面沉降的系统控制. 海洋地质与第四系地质,1992,12(1):57～65
[2]郑铣鑫、武强、吴孟杰、侯艳声.地面沉降研究现状与展望,全国地面沉降学术研讨会论文籍.2002,448~457.
[3]阎世骏,刘长礼. 城市地面沉降研究现状与展望. 地学前缘,1996,3(1):93～97
[4]Rolando Bravo,Jerry R. Rogers&Theodore G. Cleveland. 1991. A new three dimensional finite difference model of groundwater flow and land subsidence in the Houston area. In: A. I. Johnson. LAND SUBSIDENCE, proceedings of the fourth international symposium on land subsidence. USA Houston : LAHS Pub1,15~26.
[5]G.Gambolati,G.Riccerri&W.Bertoni etc.1991.Numerical analysis of land subsidence at Ravenna due to water withdrawal and gas removal . In: A. I. Johnson. LAND SUBSIDENCE, proceedings of the fourth international symposium on land subsidence. USA Houston : LAHS Pub1,199~218
[6]K.Daito,M.Mizuno&K.Ueshita.1991. Control of groundwater withdrawal for preventing land subsidence in the Owari Plain ,Japan.In: A. I. Johnson. LAND SUBSIDENCE, proceedings of the fourth international symposium on land subsidence. USA Houston : LAHS Pub1,533~543.
[7]陈崇希,斐顺平. 地下水开采—地面沉降模型研究。水文地质工程地质,2001,28(2):5～8
[8]Li & D.C.Helm.2000.A nonlinear viscous model for aquifer compression associated with ASR applications.In:Laura Carbognin ,Giuseppe Cambolati & A.Ivan Johnson. LAND SUBSIDENCE(vo1),Processing of the sixth internation symposium on land subsidence . Padova:La Garangola ,Via Monton,319~330
[9]武胜忠,方鹏飞。地面沉降的计算理论和方法. 太原理工大学学报,2000,31(2):162～165
[10]阳军生,刘宝琛. 抽水地面沉降预计的随机介质模型. 水文地质灾害与防治学报,1999,26(5):11～13
[11]金爱善. 采用神经网络模型对天津滨海新区地面沉降预测的研究. 现代地质,2000,14(4):475～478。
[12]刘金韬,武强,钱增江,等. 地面沉降计算中“长期释水系数”的概念及计算方法研究. 中国矿业大学学报,2001,30(1):103106
[13]麻凤海,施群德. 地表沉陷变形的非线性变形 . 中国地质灾害与防治学报,2000,13(2):48～51
[14]张云、薛禹群,抽水地面沉降数学模型的研究现状与展望,中国地质灾害与防治学报,2002,13(2):1～6。
[15]张阿根,刘毅,龚士良.国际地面沉降研究综述.上海地质,2000,(4)
[16] Galloway,D.L. , Jones, D . R. , and Ingebritsen ,S. E. ,1999, land subsidence in the US: U. S. Geological Survey Circular 1182
[17] 陈望和,倪明云等.1987 年,河北第四纪地质.地质出版社。
[18]黄文熙.土的工程性质,北京:水利出版社,1983:345
[19]Corpcioglu M.Y.and Brutsaer W.,1977.Viscoelastic aquifer model applied to subsidence due to pumping ,water Resources Research,13(3):597-604
[20]Gambolati G.and Freeze R.A.,1973.Mathematical simulation of the subsidence of enice:1.Theory ,Water Resources Research,9(3):721-733
[21]Ye S.et al.,2005.Study on the ground water flow model for land subsidence modeling in shanghai,SISOLS 2005Proceedings.
[22]薛禹群.地下水资源与江苏地面沉降研究[J].江苏地质,2001,25(4):193-195
[23]顾小芸,冉启全.地面沉降预测和防治措施研究[J].中国地质灾害与防治学报,1998,9(S):7-13
[24]陈崇希,唐仲华.地下水流动问题数值法[M].中国地质大学出版社,1990.167-182
[25]Cao Jun ,Kitanidis,Peter K..Adaptive-grid simulation of groundwater flow in heterogeneous aquifers[J].Advances in Water Resources,1999, 22(7):681-696
[26]陈晓平,白世伟.软土蠕变-固结特性及计算机模型研究,岩土力学与工程学报,2003,22(5):728～734
[27]朱蓉,朱学愚.江苏苏锡常地区地下水开采出现的问题及对策研究.高校地质学报. 1999.5(2):221-227
[28]严礼川.我国城市地面沉降概况,上海地质,1992,61(1)
[29]杨国强,西安市地面沉降探讨,西安地质学院学报,NO.12,1992
[30]张洪波,顾富计,郭润瑞.河北平原地面沉降防治对策,中国地质灾害防治学报,北京,中国地质灾害学会,1998 年第 9 卷第 3 期 229-235
[31]姜晨光,蔡伟,黄家兴等.城市地面沉降与地下水位变化关系的数学模拟.中国煤田地质,2004,16(1):29-31
[32]姜晨光,钟建民,黄家兴,彭建国等.建筑沉降时效的监测与分析.岩石力学与工程学报,2004,23(3):505-509
[33] 郑铣鑫,候艳生,应玉飞.中国沿海地区可持续发展战略与地面沉降系统防治.中国地质灾害与防治学报,2000,11(12):30-33
[34]郑铣鑫.沿海地区城市发展及地面地面沉降的系统控制.海洋地质与第四纪 地质,1992,12(1):57-65
[35] 黄 爱 国 , 张 兵 . 南 京 地 下 水 开 采 引 起 的 环 境 地 质 问 题 及 防 治 对 策 . 江 苏 地质,1999,23(1):45-48
[36]陶芸,陈锁忠.锡山市西部地区地下水资源计算模型研究.江苏地质,2001,25(2):101-106
[37] 陶芸,陈锁忠,潘莹.苏锡常地区地下水超采引发的环境地质问题及其对策.南京师范大学学报(自然科学版).2002,25(2):67-72
[38]魏加华,崔亚莉,邵景力等.济宁市地面沉降模型.勘察科学技术. 1999,(5)27-31
[39]张克绪.开采地下水引起地面变形的分析.自然灾害学报,1996,5(4):50-59
[40]Bray H J,Redfern S A T and Clark SM. The kinetic of dehydration in Ca-montmorillonite :an in situ X-ray diffraction study .Mineralogical magazine,1998,62(5):647-656
[41]李云安.深基坑变形环境效应及其水-土耦合三维数值模拟系统研究.上海交通大学,2002.2-3
[42]《河北省沧州地区及沧州市地质环境监测报告(1986-1990)》,河北地矿局第四水文地质工程地质大队 1991.7
[43]《河北省沧州市地质环境监测报告(1991-1995)》,河北地勘局第四水文地质工程地质大队 1996.7
[44]《河北平原资源与环境地质勘查评价报告(沧州、黄骅典型区)》,河北省环境地质勘查院 1998.6
[45]《黄淮海平原(河北部分)水文地质综合评价地下水资源评价专题报告》,河北省地矿局第一水文地质工程地质大队 1985.9
[46]《沧州市资源调查与评价》河北省沧州水利局 2000.4
[47]《河北省沧州市地下水资源开发利用规划报告》沧州市水利局沧州市地矿局 1996.10
[49]《河北省沧州市区天然矿泉水资源调查报告》河北地勘局第四水文地质工程地质大队 1995.12
[50]《河北省沧州市地质环境监测报告(1996-2000)》河北地勘局第四水文地质工程地质大队 2001.7
[51]《河北省沧州市地质环境监测报告(2001-2005》河北地勘局第四水文地质工程地质大队 2006.7
[52] 田文法,杨凤仪.沧州市地面沉降现状及防治对策探讨.全国地面沉降学术研讨会论文籍.2002,412-419.
[53] 袁笛,楼章华.地面沉降的计算机三维模拟.浙江大学硕士学位论文
[54] 郑 铣鑫, 候 艳 生, 冯 一 维 . 宁 波 市 地 面 沉 降 系 统 防 治 策 略 研 究 . 地 面 沉 降研究.2006(5),114-123.
[55] 叶淑君,薛禹群,吴吉春,张云.上海地区土层沉降模型研究.地面沉降研究.2006(5),46-53.
[56] 薛禹群. 我国地面沉降模拟现状及需要解决的问题[J]. 水文地质工程地质,2003(5):1-3.
[57] 梅双斌.沧州市地面沉降的预测及方法讨论.地质灾害与环境保护,1995.6(1):35～43
[58] 孙元、任荣等.沧州市地面沉降初步预测. 地质灾害与环境保护.1986 (2) . 28～33
[59] 邢忠信,李和学,张 熟,郜洪强.沧州市地面沉降研究及防治对策.地质调查与研究.2004.9(27)3:157～164.
[60] 何庆成、方志雷、李志明、刘文波.InSAR 技术及其在沧州地面沉降监测中的应用. 地学前缘. 2006,13(1):179～184.
[61] 万力、曹文炳、胡伏生,等. 生态水文地质学.北京: 地质出版社. 2005
[2]郑铣鑫、武强、吴孟杰、侯艳声.地面沉降研究现状与展望,全国地面沉降学术研讨会论文籍.2002,448~457.
[3]阎世骏,刘长礼. 城市地面沉降研究现状与展望. 地学前缘,1996,3(1):93～97
[4]Rolando Bravo,Jerry R. Rogers&Theodore G. Cleveland. 1991. A new three dimensional finite difference model of groundwater flow and land subsidence in the Houston area. In: A. I. Johnson. LAND SUBSIDENCE, proceedings of the fourth international symposium on land subsidence. USA Houston : LAHS Pub1,15~26.
[5]G.Gambolati,G.Riccerri&W.Bertoni etc.1991.Numerical analysis of land subsidence at Ravenna due to water withdrawal and gas removal . In: A. I. Johnson. LAND SUBSIDENCE, proceedings of the fourth international symposium on land subsidence. USA Houston : LAHS Pub1,199~218
[6]K.Daito,M.Mizuno&K.Ueshita.1991. Control of groundwater withdrawal for preventing land subsidence in the Owari Plain ,Japan.In: A. I. Johnson. LAND SUBSIDENCE, proceedings of the fourth international symposium on land subsidence. USA Houston : LAHS Pub1,533~543.
[7]陈崇希,斐顺平. 地下水开采—地面沉降模型研究。水文地质工程地质,2001,28(2):5～8
[8]Li & D.C.Helm.2000.A nonlinear viscous model for aquifer compression associated with ASR applications.In:Laura Carbognin ,Giuseppe Cambolati & A.Ivan Johnson. LAND SUBSIDENCE(vo1),Processing of the sixth internation symposium on land subsidence . Padova:La Garangola ,Via Monton,319~330
[9]武胜忠,方鹏飞。地面沉降的计算理论和方法. 太原理工大学学报,2000,31(2):162～165
[10]阳军生,刘宝琛. 抽水地面沉降预计的随机介质模型. 水文地质灾害与防治学报,1999,26(5):11～13
[11]金爱善. 采用神经网络模型对天津滨海新区地面沉降预测的研究. 现代地质,2000,14(4):475～478。
[12]刘金韬,武强,钱增江,等. 地面沉降计算中“长期释水系数”的概念及计算方法研究. 中国矿业大学学报,2001,30(1):103106
[13]麻凤海,施群德. 地表沉陷变形的非线性变形 . 中国地质灾害与防治学报,2000,13(2):48～51
[14]张云、薛禹群,抽水地面沉降数学模型的研究现状与展望,中国地质灾害与防治学报,2002,13(2):1～6。
[15]张阿根,刘毅,龚士良.国际地面沉降研究综述.上海地质,2000,(4)
[16] Galloway,D.L. , Jones, D . R. , and Ingebritsen ,S. E. ,1999, land subsidence in the US: U. S. Geological Survey Circular 1182
[17] 陈望和,倪明云等.1987 年,河北第四纪地质.地质出版社。
[18]黄文熙.土的工程性质,北京:水利出版社,1983:345
[19]Corpcioglu M.Y.and Brutsaer W.,1977.Viscoelastic aquifer model applied to subsidence due to pumping ,water Resources Research,13(3):597-604
[20]Gambolati G.and Freeze R.A.,1973.Mathematical simulation of the subsidence of enice:1.Theory ,Water Resources Research,9(3):721-733
[21]Ye S.et al.,2005.Study on the ground water flow model for land subsidence modeling in shanghai,SISOLS 2005Proceedings.
[22]薛禹群.地下水资源与江苏地面沉降研究[J].江苏地质,2001,25(4):193-195
[23]顾小芸,冉启全.地面沉降预测和防治措施研究[J].中国地质灾害与防治学报,1998,9(S):7-13
[24]陈崇希,唐仲华.地下水流动问题数值法[M].中国地质大学出版社,1990.167-182
[25]Cao Jun ,Kitanidis,Peter K..Adaptive-grid simulation of groundwater flow in heterogeneous aquifers[J].Advances in Water Resources,1999, 22(7):681-696
[26]陈晓平,白世伟.软土蠕变-固结特性及计算机模型研究,岩土力学与工程学报,2003,22(5):728～734
[27]朱蓉,朱学愚.江苏苏锡常地区地下水开采出现的问题及对策研究.高校地质学报. 1999.5(2):221-227
[28]严礼川.我国城市地面沉降概况,上海地质,1992,61(1)
[29]杨国强,西安市地面沉降探讨,西安地质学院学报,NO.12,1992
[30]张洪波,顾富计,郭润瑞.河北平原地面沉降防治对策,中国地质灾害防治学报,北京,中国地质灾害学会,1998 年第 9 卷第 3 期 229-235
[31]姜晨光,蔡伟,黄家兴等.城市地面沉降与地下水位变化关系的数学模拟.中国煤田地质,2004,16(1):29-31
[32]姜晨光,钟建民,黄家兴,彭建国等.建筑沉降时效的监测与分析.岩石力学与工程学报,2004,23(3):505-509
[33] 郑铣鑫,候艳生,应玉飞.中国沿海地区可持续发展战略与地面沉降系统防治.中国地质灾害与防治学报,2000,11(12):30-33
[34]郑铣鑫.沿海地区城市发展及地面地面沉降的系统控制.海洋地质与第四纪 地质,1992,12(1):57-65
[35] 黄 爱 国 , 张 兵 . 南 京 地 下 水 开 采 引 起 的 环 境 地 质 问 题 及 防 治 对 策 . 江 苏 地质,1999,23(1):45-48
[36]陶芸,陈锁忠.锡山市西部地区地下水资源计算模型研究.江苏地质,2001,25(2):101-106
[37] 陶芸,陈锁忠,潘莹.苏锡常地区地下水超采引发的环境地质问题及其对策.南京师范大学学报(自然科学版).2002,25(2):67-72
[38]魏加华,崔亚莉,邵景力等.济宁市地面沉降模型.勘察科学技术. 1999,(5)27-31
[39]张克绪.开采地下水引起地面变形的分析.自然灾害学报,1996,5(4):50-59
[40]Bray H J,Redfern S A T and Clark SM. The kinetic of dehydration in Ca-montmorillonite :an in situ X-ray diffraction study .Mineralogical magazine,1998,62(5):647-656
[41]李云安.深基坑变形环境效应及其水-土耦合三维数值模拟系统研究.上海交通大学,2002.2-3
[42]《河北省沧州地区及沧州市地质环境监测报告(1986-1990)》,河北地矿局第四水文地质工程地质大队 1991.7
[43]《河北省沧州市地质环境监测报告(1991-1995)》,河北地勘局第四水文地质工程地质大队 1996.7
[44]《河北平原资源与环境地质勘查评价报告(沧州、黄骅典型区)》,河北省环境地质勘查院 1998.6
[45]《黄淮海平原(河北部分)水文地质综合评价地下水资源评价专题报告》,河北省地矿局第一水文地质工程地质大队 1985.9
[46]《沧州市资源调查与评价》河北省沧州水利局 2000.4
[47]《河北省沧州市地下水资源开发利用规划报告》沧州市水利局沧州市地矿局 1996.10
[49]《河北省沧州市区天然矿泉水资源调查报告》河北地勘局第四水文地质工程地质大队 1995.12
[50]《河北省沧州市地质环境监测报告(1996-2000)》河北地勘局第四水文地质工程地质大队 2001.7
[51]《河北省沧州市地质环境监测报告(2001-2005》河北地勘局第四水文地质工程地质大队 2006.7
[52] 田文法,杨凤仪.沧州市地面沉降现状及防治对策探讨.全国地面沉降学术研讨会论文籍.2002,412-419.
[53] 袁笛,楼章华.地面沉降的计算机三维模拟.浙江大学硕士学位论文
[54] 郑 铣鑫, 候 艳 生, 冯 一 维 . 宁 波 市 地 面 沉 降 系 统 防 治 策 略 研 究 . 地 面 沉 降研究.2006(5),114-123.
[55] 叶淑君,薛禹群,吴吉春,张云.上海地区土层沉降模型研究.地面沉降研究.2006(5),46-53.
[56] 薛禹群. 我国地面沉降模拟现状及需要解决的问题[J]. 水文地质工程地质,2003(5):1-3.
[57] 梅双斌.沧州市地面沉降的预测及方法讨论.地质灾害与环境保护,1995.6(1):35～43
[58] 孙元、任荣等.沧州市地面沉降初步预测. 地质灾害与环境保护.1986 (2) . 28～33
[59] 邢忠信,李和学,张 熟,郜洪强.沧州市地面沉降研究及防治对策.地质调查与研究.2004.9(27)3:157～164.
[60] 何庆成、方志雷、李志明、刘文波.InSAR 技术及其在沧州地面沉降监测中的应用. 地学前缘. 2006,13(1):179～184.
[61] 万力、曹文炳、胡伏生,等. 生态水文地质学.北京: 地质出版社. 2005
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