天津深层地下水资源持续利用研究 ——控制地面沉降条件下

论文摘要

自1958年以后,随着深层地下水开采量的逐渐增加和水位下降,引发严重的地面沉降,正确处理深层地下水开发利用与控制地面沉降的关系,对于支持社会经济发展具有十分重要的意义。本项研究的目的是探索深层地下水资源持续利用控制地面沉降的有效措施。研究思路是以开采条件下深层地下水流场及水化学同位素信息为线索,认识深层地下水系统循环和地下水资源属性,并结合粘性土物理力学参数和地面沉降特征,计算深层地下水资源组成和控制一定地面沉降条件下的“安全开采量”。在开采条件下深浅层地下水形成统一流场,稳定同位素δ18O和δD关系连续变化。深层地下水放射性同位素氚含量一般大于8TU。深层的下水14C年龄受水位控制,在水位较浅处粘性土压缩释放“古水”少,浅层“新水”的对深层地下水影响大,14C年龄在10000 aB.P.左右;水位深则相反,14C年龄可达20000aB.P.以上。以上均说明在开采条件下深层地下水接受浅层地下水的越流补给。1991～2000年水量均衡计算,天津深层地下水平均开采量为4.7012×108m3/a,其中越流补给量占38.2%,粘性土压缩释水量占41.3%,侧向流入量占14.9%,弹性释水量占5.6%,前二者是深层地下水开采量的主要组分。第二、三含水层组是深层地下水开采的最佳层位。1991～2000年深层地下水开采量中,第二、三含水层组粘性土压缩释水量分别占本组开采量的33.65%、27.98%,比第四、五含水层组小。地面沉降动态监测和地层物理力学参数测试证实,地下水长期大强度开采,粘性土固结程度提高,地下水开采引起的地面沉降较小。进一步结合地下水流-地面沉降模拟模型分析,在海岸带和市区第二、三含水层组水位分别控制在30～35m和40m左右基本不引发地面沉降,在农业区分别控制在35～40m和45m左右引发的地面沉降总量一般小于10mm/a。在上述水位控制下,深层地下水的总开采资源为26755×104m3/a,平均资源模数为2.90×104m3/a?km2。与1991～2000年深层地下水开采量相比,总资源量减少了43.1%,地面沉降量减少了68.3%。在开采条件下天津平原深层地下水具有更新性,地下水长期大强度开采可以提高粘性土的固结程度,保持历史开采层位,稳定开采量,使水位稳定在地面沉降临界水位附近是深层地下水资源持续利用,控制地面沉降的有效措施。

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究现状
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究现状及立题依据
• 1.2 研究内容和思路
• 2 研究区自然地理-地质背景
• 2.1 自然地理概况
• 2.2 地质构造概况
• 2.2.1 区域地质背景
• 2.2.2 新近系明化镇组
• 2.2.3 第四系
• 3 松散层地下水系统
• 3.1 含水砂层
• 3.1.1 第一含水层组
• 3.1.2 第二含水层组
• 3.1.3 第三含水层组
• 3.1.4 第四含水层组
• 3.1.5 第五含水层组
• 3.2 粘性土
• 3.2.1 粘性土物质成分与结构
• 3.2.2 粘性土的物理力学性质
• 3.3 地下水系统区划
• 3.3.1 地下水系统区划原则
• 3.3.2 地下水系统界线确定
• 3.3.3 地下水系统区划结果
• 4 深层地下水开发利用及其引发的地面沉降
• 4.1 深层地下水开发利用
• 4.1.1 天津市地下水开发利用历史
• 4.1.2 研究区深层地下水开采利用现状
• 4.2 深层地下水开采引发的地面沉降
• 4.2.1 地面沉降概况
• 4.2.2 天津市平原区地面沉降影响因素
• 4.2.3 开采深层地下水引发的地面沉降时间效应
• 5 开采条件下深层地下水循环
• 5.1 地下水动力
• 5.1.1 地下水流场
• 5.1.2 开采条件下深层地下水接受浅层地下水的越流补给
• 5.2 深层地下水环境同位素
• 5.2.1 样品的采集与测试
• 5.2.2 地下水氢氧同位素分布
• 14C 分布'>5.2.3 地下水放射性碳年龄同位素—¹⁴C 分布
• 6 地面沉降条件下深层地下水开采资源组成
• 6.1 浅层地下水天然资源概况
• 6.2 现状开采条件下深层地下水开采资源组成
• 7 典型地段-汉沽区地面沉降对深层地下水开采的响应
• 7.1 概述
• 7.2 地下水流-地面沉降模型的建立
• 7.2.1 模型概化
• 7.2.2 数学模型
• 7.2.3 定解问题的解法
• 7.2.4 模型识别与验证
• 7.3 地面沉降对第二、三含水层组地下水开采的响应
• 7.3.1 第二、三含水层组地下水开采方案
• 7.3.2 汉沽区地面沉降对第二、三含水层组地下水开采的响应
• 8 深层地下水持续利用资源量
• 8.1 深层地下水开采层位的选择
• 8.2 地面沉降控制目标与水位控制
• 8.2.1 地面沉降控制目标
• 8.2.2 第二三含水层组地下水控制水位
• 8.3 控制地面沉降条件下的深层地下水资源
• 8.3.1 深层地下水资源计算方法
• 8.3.2 深层地下水资源量
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文