西安市地下水开采—地面沉降数值模拟及防治方案研究

论文摘要

西安位于关中平原中部，是世界著名的文化古都之一。自上个世纪70年代至90年代末，由于地下水尤其是承压水的超采，造成了地下水位的急剧下降，从而引发和加剧了严重的地面沉降。地面沉降已成为困扰着西安的城市建设的地质灾害之一，如何对其进行防治是迫切需要解决的一个问题。地面沉降是一个复杂的流固耦合问题，研究地面沉降的一个重要的手段就是建立地下水一地面沉降数值模型来进行定量地分析和计算，前人对西安地面沉降~*的研究，虽然取得了一定的成果，但是大部分都停留在定性分析上，少数的定量分析也是建立在相对简单的灰色动态关联模型或者简单的生物生长模型上，到目前为止尚未建立一个真正的地下水流和沉降的水土耦合数值模型。本文从Leake提出的含水层内的“夹层”理论出发，在Terzaghi有效应力原理的基础上，分析了地下水流方程和土体变形方程耦合的机理，建立了由三维地下水流模型和垂向一维土体变形模型耦合得到的地面沉降模型。在该模型中，用夹层的骨架弹性储水系数进行地下水流模型和土体变形模型的耦合，用不同的弹性储水系数来计算夹层和含水层内的储水量变化，用夹层的骨架弹性储水系数和非弹性储水系数来体现夹层的弹性和非弹性变形，用扩散方程来描述滞后夹层内的水头分布，从而使模型能够很好地体现夹层的弹性和非弹性压缩，并能同时考虑夹层变形的滞后现象。另外，本文依据大量钻孔等资料、采用地质体切片方法建立的三维地质模型比传统的地质模型更能代表实际的地质体结构，更有利于分析和计算地面沉降。该模型是西安市地面沉降研究以来的第一个地面沉降的耦合数值模型，对西安市地面沉降的防治、实现地下水的可持续开采利用具有十分重要的理论和实际意义。本文利用所建的模型预测了现状开采条件下未来20年的地下水位和地面沉降的变化，在此基础上，提出了防治西安市地面沉降的五个地下水开采(回灌)方案，利用所建的地面沉降模型对各个设计方案其进行了模拟和预报(方案三除外)，对预测结果的分析表明：①封停自备井是防治地面沉降最为直接和最有效的对策，对防治地面沉降起着最为积极的作用；②采用人工回灌方法使被压缩的土层得到的恢复是非常有限的，对地面沉降不能起到根治作用，只有回灌量明显大于开采量时才能有一定的效果；③“调整开采层次，在浅层取水”对防治地面沉降的效果十分明显；④布设“砂井”可以增加对承压含水层的越流补给量，从而可以有效地缓解和控制地面沉降的发生和发展；⑤对西安市的地下水开采，可在河流阶地区、冲洪积扇区和黄土塬区分别采用1600m、2000m、1600m的井间距布置应急自备井，分别采用2500m~3/d、1500 m~3/d和200 m~3/d的单井开采量，开采第一承压水，在平水年或者丰水年不开采，涵养地下水源，在枯水年启动这些应急自备井开采，在输出分析范围内共可获得162000 m~3/d(5913万m~3/a)开采量，可以有效地补充西安市的供水水源，缓解供水紧张局面，开采年(干旱年)开采导致的下降的水位可在停采3～4年后得到基本恢复，同时，这种开采方式不会造成大的地面沉降量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外地面沉降及研究概况
• 1.2.2 地面沉降变形计算理论及模拟研究现状
• 1.2.3 地面沉降的防治
• 1.2.4 西安地面沉降研究现状
• 1.3 主要研究内容及技术路线
• 第二章 基本假定、理论和耦合方法
• 2.1 基本定义与假设介绍
• 2.2 基本理论介绍
• 2.2.1 有效应力和应力变化
• 2.2.2 可压缩沉积层的压缩
• 2.2.3 时间滞后的处理
• 2.3 夹层储（释）水与地下水流方程的耦合
• 2.3.1 非滞后夹层
• 2.3.2 滞后夹层
• 第三章 研究区自然地理和地质条件概况
• 3.1 自然地理概况
• 3.1.1 地理位置
• 3.1.2 地形地貌
• 3.1.3 气候
• 3.1.4 水文
• 3.2 地质条件概况
• 3.2.1 地层
• 3.2.2 断裂构造
• 第四章 研究区水文地质条件论述
• 4.1 含水岩组划分及其特征
• 4.1.1 含水岩组的划分依据
• 4.1.2 含水岩组岩性特征及富水性
• 4.2 地下水补给、径流及排泄条件
• 4.2.1 潜水的补给、径流及排泄条件
• 4.2.2 承压水补给、径流及排泄条件
• 4.2.3 地下水补、径、排系统的初步划分
• 第五章 西安地下水开采及地面沉降概况
• 5.1 西安地下水开采概况
• 5.1.1 西安地下水开采状况
• 5.1.2 承压水开采历史及水位的动态特征
• 5.2 西安地面沉降特点及成因
• 5.2.1 西安地面沉降的发展过程
• 5.2.2 西安地面沉降的特征
• 5.2.3 西安地面沉降成因分析
• 5.2.4 西安地面沉降与地裂缝的关系
• 第六章 研究区三维地质模型的构建
• 6.1 原始资料的搜集和选取
• 6.2 钻孔查看器程序编写
• 6.3 地质体水平切片
• 6.4 组合、构建三维地质模型
• 第七章 西安地面沉降数值模型的确定
• 7.1 概念模型
• 7.1.1 计算区范围和含水层系统概化
• 7.1.2 土体变形方向的概化
• 7.2 数值模型的构建及模型的识别与检验
• 7.2.1 水流模型
• 7.2.2 土层垂向一维变形模型
• 7.2.3 三维地下水流模型和一维土体变形模型耦合的实现
• 7.2.4 土体变形计算中特殊问题的处理
• 7.2.5 初始条件
• 7.2.6 边界条件
• 7.2.7 区内源汇项计算
• 7.2.8 计算域剖分及模型求解
• 7.2.9 模型识别及检验
• 第八章 地面沉降防治方案及地下水合理开采方式
• 8.1 现状开采条件下的模型预报
• 8.2 地下水合理开采和地面沉降控制方案
• 8.2.1 方案一——在现状开采的基础上减小开采量，城区自备井到2010年全部封停
• 8.2.2 方案二——在方案一的基础上，在沉降中心处定期开展地下水人工回灌
• 8.2.3 方案三——采用“砂井”提高对承压含水层的补给量
• 8.2.4 方案四——调整开采层位，在浅层取水
• 8.2.5 方案五——调整开采井平面布局和开采时间，“丰停枯采”
• 第九章 结论和建议
• 9.1 结论
• 9.2 存在问题和建议
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢