关于地下水开采引发地面沉降灾害的思考.pdf
2 0 0 0 年第 1 期 水文地质工程地质 问题讨论 一 关于地下水开采引发地面沉降灾害的思考① D 陈崇希 中国地质大学环境地质研究所 ,武汉 4 3 0 0 7 4 摘要 对地面沉降对策的 目标是“ 多开采 , 少沉降” , 提出 目标函数 S一 。 d 。 用抽水试验获得 的单位涌水量 一般不 反映含水层 的富水性, 不宜依它来选择地下水的开 采层位。 被误解了的“ 裘布依稳定井流 摸型” 。 影响半径模型 是不台 理选择地下水开采层位的主要“ 理论 依据 控制地 面沉降的一个积极措旆是将开采层位 上穆至浅层 , 使其接近地 下水的 补给区和排泄区。 增大井 L 的进水能力, 建议采用水平井、 辐射井, 井提出可能增加出水 的井型_ 子 妻 , , , . , 茎 P6 井 流A i0辐00竺 3井665子 母2000井101删 杠 豫 ., 中 图 分 类 号 . 6 文 献 标 识 码 文 章 编 号 一 一o04 5 5 J 。 1 、 ., 、 ‘ Ab s t r a c t Th e o b j e c t i v e o f t h e a g a i n s t g r o u n d s u b s i d e n c e i s e x p l o i t a t i o n o f l a r g e s t a mo u n t o f g r o u n d - w a t e r w i t h s ma l l e s t a mo u n t o f g r o u n d s u b s i d e n c e , w i t h t h e o b j ect i v e f u n c t i o n S r I 。 d 2 . Th e s p e c i f i c c a p a c i t y o b _ J r a i n e d f r o m p u mp i n g t e s t g e n e r a l l y d o e s n o t r e f l e c t t h e wa t e r a b u n d a n c e o f a q u i f e r a n d S O c a n n o t t a k e n a s t h e b a s i s f o r t h e s e l ect i o n o f t h e e x p l o i t e d h o r i z o n o f g r o u n d wa t e r . Th e m i s u nd e r s t o o d “ Du p u l t s t a b l e we l l f l o w mo d e l ” “ mo d e l O r a d i u s o f i n fl u e n ce ” 1 i s t h e ma i n t h e o r e t i c a I b a s i s o f t h e u n r e a s o n a h l e s e l ec t i o n o f e x p l o i t e d h o r i z o n o f g r o u n d wa t e r . An a c t i v e me a s u r e f o r g r o u n d s u b s i d e n c e c o n t r o l i s t o mo v e t h e e x p l o i t e d h o r i z o n u p wa r d t o s h a l l o w a r e a a n d ma k e i t c l o s e t o t h e r e c h a r g e a n d d i s c h a r g e a r e a o f g r o u nd w a t e r .I n o r d e r t o e n l a r ge t h e wa t e r r e c e i v i n g c a p a c i t y o f t h e we l l t i t i s s u g ge s t e d t o u s e t h e h o r i z o n t a l a n d r a d i a t e d we l l s a n d a n e w t y p e o f we l l wh i c h c a n i n c r e a s e t h e wa t e r y i e l d,t h e “ s o n a n d mo t h e r we l l i s p u t f o r wa r d . Ke y wo r d s a g a i n s t g r o u nd s u b s i d e n c e ;wa t e r a b u n d a n c e}d u p u i t s t a b l e we l l f l o w mo d e l ;h o r i z o n t a l we l 1 r a d i a t e d we 1 1 ;“ s o n a nd mo t h e r ”we l 1 1 引 盲 水资源是约束地区经济发展最重要的因素之一 。 地下水资源以其某些独特的优点被人们认识 , 并开发 利用着, 为工农业生产、 人民生活作出重要贡献。 然而, 如果开采地下水不当, 则可能引发一系列地质环境、 地 质灾害问题, 地面沉降便是其中之一 。 我国由于不合理 开发地下水引发地面沉降的城镇已超过4 O 座, 分布在 东北平原、 华北平原、 长江三角洲、 东南沿海平原、 台湾 西部平原等沿海城市以及内地若干城市 , 造 成严重的 经济损失和社会问题 。 2 水文地质环境地质的命题多开采、 少沉 降 人们对开采地下水资源引发地面沉降灾害问题似 收稿 日期, 1 9 9 9 0 3 作者简介 陈崇希 1 9 3 3 1 0 . 男 汉 , 浙江温州人, 博士 生导师, 从 事地下水资源评与管理, 地下水数值摸拟的研究 ① 本文曾在 1 9 9 8 年5 月8 日中国科协举办 国际减灾十 周年 ” 研 讨会地质学会分场报告 乎束手无策, 目前提出的和采取的对策基本是停泵、 压 缩开采量。 如果这种方法 多开采多沉降, 少开采少沉 降, 不开采不沉降 是基本对策, 那么水文地质、 环境地 质工作者的任务不是过于简单了吗 笔者认为 就资源 开发引发环境恶化 、 灾害发生问题而言 , 这不能算是解 决矛盾的积极对策{ 是矛盾的一方 资源开发 屈服于 矛盾的另一方 地面沉降 。 笔者认为, 其命题应是; 在 地面沉降量或沉降速率控制在一定允许范围内的条件 下, 寻求最大限度地开发地下水资源} 或者反过来说, 在开采一定量地下水资源的要求下 , 如何使地面沉降 量为最小 。 基于上述认识 , 本文不去讨论开源措施, 如污水资 源化、 微咸水的农 田灌溉、 海水直接利用等, 也不去讨 论“ 少开采、 多人工补给 ” 措施 , 如人工回灌、 节约用水, 水费政策等以及防止地下水柯染措施等等 。 当然 , 这些 措施对于地下水资源开发利用的规划、 管理和保护等 无 疑是必需考虑的, 但对于“ 多开采, 少沉降” 命题而 言, 不是“ 份内” 事。 或者说, 前者是决定需采多少地下 水量的问题 与总需水量和地表水等可供水量一起考 虑 . 而本论文所讨论的是如何台理开采地下水资源问 题 , 虽然两者密切相关, 但分属两个问题, 前者不包括 维普资讯 水文地质工程地质 2 0 0 0 年第1 期 也不能代替后者。 另外, 就含水系统来说 , 人工回茬实 际上是一种“ 负开采” 。 如果“ 冬 茬夏 用” 的回灌量与开 采量相等 , 那幺这种措施仅仅利用了地下含水层的保 温功能而获得储能效应, 但从地下水资源开采量来说 , 其代数和为零 , 并未获得净开采量 。 3 对策 的基本着眼点 对于上述命题从什么角度切入 我们还是从地下水开采引发地面沉 降的机理说 起。 简单地说 , 在地 下水开采之前, 通过地层任一水平 截面, 上复地层荷载所形成的总应力与地下水水压 s2 力 户和固体骨架的有效应力 一相平衡 。 当抽取地下水 后 , 含水介质中地下水的水头 H 降低 . 亦 即地 下水的 压力 p减小。 为了维持 其平衡 . 这部分力将转嫁到多 孔介质骨架上 , 即增大了有效应力 , 从而压缩多孔介 质 . 其垂向各分层压缩量累加起来, 表现为地面沉降 量。 对于单位厚度地层来说 , 其垂直压缩量等于有效应 力增量 △ d 与土的体积压缩 系数 n 也有用 表示 的 乘积。 囤此, 地下水开采引发的地面沉降量 s为 S I A a a d z I s a d z 1 J J f 设土的体积压缩系数 a等于常量, 则 1 可写为 s n y 如 ㈣ 式中 和≈一 一 分别是地面标高和含水系统隔水底 板的标高或其下的地层压缩量可忽 略不计的标高 ; 2 垂直坐标} 为抽水引起的水头降深 ; 是地下水的重率。 这里假定潜水位未改变” 对于一个具体水源地来说, 含水系统的结构、 各土 层的物理力学性质是确定的。 即上述方程中 、 ‰ 和 是确定的, 关于土的物理力学性质 例如土的体积压 缩系数 a 的改造 , 在技术上并非不可能 , 但对于涉及 大面积的地面沉降问题 , 经济上是不允许的。 因此, 关 于控制地面沉降量阿题 , 在土的体积压缩系数方面其 ①许 多地面’ 冗降计算 中. 如深基坑排 水. 其沉降量 的计 算值通 常远远大 于实测值 , 这并非计 算公式 错误 . 而是地 F水水头 降椿 的取值 当. 主殍问题是用 F面一 维流含水层 中的水 头降{ ; l } 来 计算弱透水层的压缩鼍所鼗 实际 . 弱透 水层 中的水头降深远近小于抽水 含水层中的水头 降深。 能动性较小, 只有天然的差别 , 而开采地下水引起水头 降深的分布却有相当大的差异。 因此 , 我们所考虑对策 的首要的着眼点 , 是在同一地下水开采量的前提下 , 如 何使地下水水头降深的时空分布更有利于控制地面沉 降的发展。 4 以往确定地下水开采层位 的指导思想及 其 依据 1 以强导水层为开采层 为了稍微深入地分析 此问题, 让我们首先 回顾一下以往开采地下水确定开 采层位的指导思想或倾 向。 人们往往寻找导水系数 渗 透系数与含水层厚度的乘积 大的含水层作为开采层, 认为这种含水层的出水量大 对于平原区第四系沉积层来说, 由于剥蚀堆积规 律, 作为含水层的沉积物一般情况下下部粗又厚, 往上 变细、 变薄 这仅就“ 宏观上一般” 而言, 对于一个实际 地区来说是十分复杂的, 与形成沉积物的水动力条件 等有关 于是大多管井开采深部承压含水层 冲洪积 扇上部, 傍河等情况例外 , 如华北平原的中、 东部. 长 江三 角洲等地区大多如此。 开采深部承压含水层还有 一 个优点 . 由于自然条件下区域地下水流的特点, 在沉 积盆地的低洼处, 地 下水往往 自下而上地循环, 即深部 含水层的水头高于浅部 , 钻孔愈往深处延伸, 井中的水 位愈高, 当条件合适时. 井中地下水还能自流 初期 , 这是 人们求之不得的。 这一规律又支持 了从深部承压 含水层取水的思路 。 2 “ 富水性” 与被误解了的“ 裘布依稳定井流模 型” 的误导 上述思路、 倾向还找到水文地质学中“ 富水性 ” 和 被误解了的“ 裘布依稳定井流模型” “ 理论上” 的依据。 “ 富水性” 本应是含水层导水性 反映含水屡过水 能力 与补给条件的总和 与外界补给隔离开的强导水 含水层不能是富水的, 傍河 的极弱透水介质中也抽 不 出大的流量 , 因此两个条件缺一不可。 然而长期以来许 多水文地质文献以井孔的单位 降深 流量 q为富水性 的具体指标, 而获得 q的抽水试验的延续时间, 短者8 h ~3 d , 长者3 d ~1 0 d , 超过1 0 d的属个别特殊情况。 不管 抽水试验的时间是较长还是较短, 它总归是一种试验 的时间 对于承压含水层 , 特别是对于深部承压含水层 做抽水试验, 在这段时间内提 供抽水井流量的主要是 含水系统储存量的释放, 甚至基本上是弹性储存量的 释放 。 这种情况下抽水试验所得的单位降深流量 并 不反映补给条件 . 主要反映含水系统的过水能力 和有 维普资讯 效井径 , 称它为“ 富水性” 就不合适 了, 以它 为标 志来 选择深部承压含水层 虽然是强导水层 为地下水水源 地开采层的依据则更不恰当了。 国为作 为地下水水源 地 的开采是长期的 . 而长期地抽取地下水必定会明显 地影响到补给边界和排泄边界. 然而地下水 系统 的补 给 降雨入渗、 地表水等补给 、 排泄 蒸发、 地表水等排 泄 基本上都在地表和浅层, 当位于表部的地表水体或 浅层潜水 可视 为地下水库 向深部承压含水层补给流 动时, 每通过一粘性土层 , 由于其渗透系数很小, 便产 生一个很大的水头损失, 达到深部开采层时, 累积的水 头损失就相当可观 了。 这就是在深部承压含水层开采 地下水导致水头大降深 图1 的原因。 如果各土层的压 缩系数不是过小, 则每层具一定的压缩量 , 各层累积起 来. 导致明显的地面沉降。 到。 影响半径边界” 处大量的。 补给” , 这是由于开采井 与“ 影响半径补给边界” 之间无粘性土隔开。 正是这个 被误解了的“ 裘布依稳定井流模型” 成为从深部承压含 水层取 水的。 理论” 依据。 实际上 , 这个“ 影响半径” 模 型 . 连最基本的水均衡原理也未能遵守。 实际上 , “ 富水 性 ” 指标 单位降深流量 q 的“ 理论基础” 是被 误解了的“ 裘布依稳定井流模型” 影响半径” 模型 , 对 此 由 裘 布 依 方 程 改 写 可 看 出 , 即 譬 一 等 筹 罢 ⋯ 。 另 外 . 基 于此“ 理论 ” 的“ 平均布井法” 7 0 年代前应用十分广 泛 , 依它计算 的地下水允计开采量可能很大. 然而一 旦实施 , 便产生区域性的、 大 降深的漏斗, 甚至地下水 水头持续性地下降, 引发了环境地质问题。 综上所述 . 在深部承压含水层做抽水试验 . 由于抽 水持续时间有限. 提供抽水流量的主要是弹性储量的 释放 , 不反映地下水的补给条件与排泄条件; 由抽水试 验获得的“ 单位降深流量 g ” 实际上主要反映的仅仅是 含水层的过水能力 和有效井径 . 因此 不能以它来确 定地下水的开采层位的依据。 地下水开采层位的选取 , 还必须考虑补给条件和排泄条件。 只有当开采量等于 补给量的增量与排泄量的减量之和时才能形成地下水 的稳定井流”. 而某一流量开采后能否形成稳定流态 及由此流场所决定的地质环境问题是确定水源地允许 开采量地下水资源评价的核心内容的理论基 础。 笔者强调必须严格区分不稳定井流与稳定井流两 种状态. 千万不要混淆两种状态 , 否则会导致地下水资 源评价上 允许开采量 的失误。 稳定井流是有条件的, 若抽水相 当长的时间之后仍是 不稳定流动, 尽管地下 水水头降速 已很慢 , 但意味着开采量的一部分或全部 仍依靠储存量的释放来提供。 这里可能存在一个误解, 把抽水初期地下水水头降速快 , 后期变慢的现象误认 为得到了补给 补给增量与排泄减量 , 有的甚至解释 为获得“ 动储量” 的补给。 实际上即使没有任何补给 时, 其 s ~f 曲线的类型也是如此。 这时降速变 小是 由 于漏斗范围扩大 . 单位时间内一个小小的水头降深所 释放的储量就可满足同时间内井的抽水量。 就这个意 义来说 , 抽水 开采 没有一点稳定的倾向, 因为抽取的 全部是储存量。 5 防治对策的基本思路 上面, 我们分析了误导选择深部承压含水层开采 地下水的某些认识上的根源, 以及 由此导致地下水水 头大降深和地面沉降的原因。 那么, 我们的基本对策的 上面提到, 以导水系数大的深部承压含水层 为地下水 开采层位的做法还从被误解了的“ 裘布依稳定井流模 型” 找到。 理论上” 的依据。 从上述分析可知, 地下水系 统的补、 排均在浅表层 . 在深部承压含水层开采地下水 要获取浅表层的补给增量或/ 和排泄减量必需克服开 采层与浅表层之间诸多粘性土层的阻力, 使浅表层补 排边界处的水力坡度有较大的改变 . 这并非容易之举, 它将导致深部开采层有相当大的水头降深。 这样的分 析是符合实际的。 然而被误解 了的“ 裘布依稳定井流模 型“。 。” 是在平面上无限延伸的含水层 中用一个“ 影响 半径” 将其圈定, 而“ 影响半径” 处的水头保持常量 , 即 水头降深 为零。 这就将位于浅表层的补给边界人为地、 错误地下移到深部开采层中离抽水井不远的位置 . 从 而不费多大力气 抽水井无须很大的水头降深 即可得 ①陈崇希 1 9 7 4 . 地下水不稳 定计 算 . 山东省革委 会地矿局第 一 地质队。 ②陈崇希 1 9 6 6 , 地下水动力学 函授教材 , 北京地质学 院; 维普资讯 思路合乎逻辑地是 将开采层位上移, 设置在浅部含水 层组, 例如潜水层或二元结构 上细下粗 含水组的下 部微承压水层 , 使其接近补给源和/ 或排泄区, 以获得 补给增量与排泄减量。 对于南方 、 北方 , 有无地表水体及其分布情况 包 括常年的和季节性 的 以及浅层含水层的岩性、 结构, 潜水位埋深等等不同条件 , 上述对策的具体方案, 会有 所不同, 其效果也会存在差异 。 但它们具有若干相 同的 有利于控制地面沉降的效应 ①降低潜水位, 夺取地下 水蒸发量而减小各层地下水的水头降深; ②某些条件 下降低潜水位可以增加大气降水的入渗补给量; ③由 于潜水层或层间无压水层的重力给水度 助 比承压含 水层的弹性给水度 雎通常要大几个数量级, 使得同一 开采量条件下的水位 水头 降深, 前者远远小于后者, 因而有效应力的增量 A a , 前者远远地小于后者 , 而减 小了地面沉降; ④由于浅层地下水开采后, 潜水位和浅 层层间无压水的自由液面的降低, 使得土层自重降低, 而减小了其下各层的有效 应力。 对于存在地表水体分 布的地区, 包括常年的和季节性的, 除上述诸点外, 还 有 ⑤存在地表水补给地下水的增量和⑥地下水 向地 表水排泄量的减少等作用。 基于这些地下水运 动和地 面沉降沉降规律, 在浅层开采地下水, 其剖面漏斗主要 在浅部发展, 不会大幅度 向深部扩展 图2 。 如此, 一般 地有利于地面沉降的控制。 如果存在流河切入中、 深含水层, 或某些含水层顶板粘 性土层缺失, 或土的体积压缩系数上下分布的差异占 主导地位 超过水头降深 s的控制 等特殊水文地质、 环境地质条件时, 则地下水开采层位的选择问题 会复 杂化, 但上面提出的 1 式仍是考虑的依据。 在浅部开采地下水可能出现另一方面的问题, 即 浅部含水层往往厚度薄或渗透 系数小, 一般的开采井 的 出水量受到限制 。 就此 , 我们建议采用水平井、 辐射 井等井型, 以克服新的矛盾。 这类井的施工技术在我国 已有成熟的经验 。 另外 , 我们考虑一种井型 , 暂称为“ 子 母井” 中心打一“ 母井” 供抽水用, 周 围打一群“ 子 井” , 这们以虹吸管与“ 母井” 联系 , 地下水流入“ 子井” 群后, 通过虹吸管向“ 母井” 集中, 再从母井中用水泵抽 取。 “ 子母井” 的功能是增大过水断面的面积, 提高地下 水进入井孔的过水能力。 对于当前在深部承压含水层已形成规模开采井引 发明显地面沉降的情况, 不可能在短期内全部关闭深 部开采井而在浅部开凿新井来取而代之 。 对于这种情 况, 笔者认为可分三个层次来对策 1 利用已存在的深井, 根据软土层厚度及压缩系 数分布特征以及地下水开采强度分布 , 合理调整开采 井的布局 。 宏观上调整的原则是 大厚度、 高压缩性软 土层的的分布区 特别是接近开采层的软土层 地下水 不宜高强度开采。 2 上述开采条件下 , 各含水层之间形成不同的水 头差, 如苏州市浅层 B砂层与开采层 第 1承压含水 层 之 间的水头差超过5 0 m, B砂层 比第 1承压含水层 的水头也为2 0 m 以上 。 这样的水文地质条件启示我们 可采用连通井 混合井的特殊情况 或连通沙井把水质 好的浅层水 自然地放到深部开采层或先放到相邻含水 层 依水质情况而定 再通过越流补给主开采层。 为了 增大连通井对浅层水的进水能力, 还可采取将水平井 或辐射井与连通井连接起来的复合井型 。 如此对策, 既 可增加对深部含水层的垂向补给, 又可降低浅层水的 水位 , 继而夺取地下水的蒸发排泄和地 表水的入渗补 给量。 3 必要时逐渐关闭开采井 , 将开采层上移 前面 已论证 总之, 根据不同的水文地质、 环境地质条件及当地 的要求而采用不同的方法以达到合理开采地下水与控 制地面沉降的目标。 6 结语 从上述分析我们可以得出另一见解 人们经常从 文献上见到, 某某地 区地下水超采了, 似乎只要主采层 地下水水头持续下降便是“ 超采” 。 的确, 其中有些地区 可能是超采了, 另一些地区则不一定是超采 , 而是“ 不 合理开采” , 包括不合理的开采层位阿题, 当然, 其中还 下转 第6 0 页 维普资讯 水文地质工程地 质 0 0 0 年第1 期 口{ k N 1 6 0 32 0 4 80 6 4 0 8 0 0 圉1 压桩试验 Q~ S曲线 F i g . 1 Q ~ S c u r v e o f p i l e p r e s s i n g t e s t 算, 工程造价比C F G桩节省约2 o , 经济效益显著。 5 结论 1 垃圾夯扩灌注短桩 , 是处理多层或低高层建筑 软土地基 的优选方法, 它具有单 桩承载力高 、 节省桩 材、 收旧利废 、 麓工快、 造价低等优点, 在适宜条件下应 优先采用。 2 邯郸市京广铁路以东 , 大面积分布一定 厚度 , 承载力较低 , 压缩性高的新近沉积土层, 其下为 强度较高的持力层, 是垃圾夯扩短桩较适宜的工程地 质条件, 该桩型在邯郸具有广阔的应用前景。 3 持力 层土的工程性质是影响单桩承载力的主要因素。 4 垃 圾夯扩短桩对地基土有较好的适应能力, 麓工质量容 易保证 , 可取得较好的技术效果和经济、 社会、 环境三 大效益 。 5 垃圾夯扩短桩在邯郸的工程应用尚处于起 步和探索阶段 , 为满足技术要求和不断积累工程经验 , 应加强复合地基检测, 如采用动测桩、 静压桩、 桩间土 取样、 标贯、 静探、 动探等多种试验方法, 综合验证其地 基加固效果, 促进该旋工技术和理论研究的发展。 参考文献 [ 1 3 刘金 砺主编 , 高 层建筑桩基工程技术 . 中国建筑出版 社. 1 9 9 8 . [ 2 ] 粱金 国, 碎石桩加强 夯综合 处理软土地基的研 究与 实践 , 岩土工程师 , 1 9 9 3 4 . [ 3 ] 建筑桩基技术规范 [ J G J 9 4 9 4 ] . 中国建筑科学 研究 院主编 , 中国建筑工业出版社 , 1 9 9 8 [ 4 ] 宋广信, 建筑渣土夯扩桩复合地基技术 一种新的地 基处理方法] , 地基处理, 1 9 9 9 年 3 . 编辑 李 善峰 上接 第4 8 页 可能既是不合理开采 , 又是超采的, 要具体分析。 本文仅是一个“ 思考” , 实施之前还有许多工作要 做 如对于一个具体地区, 可能某些地段浅层地下水有 轻度污染, 对此问题能否在地下水主要用于冷却的工 厂做试点。 如此不仅可以对浅层开采的地下水水头分 布 一地面沉降作出分析, 还可观测轻度污染地下水被 开采后 , 加速了循环, 为含水层的 自净能力提供资料 , 也为分质供水提供契机。 对于“ 子母井 还需找适宜的地点作试验 , 了解其 应用条件 , 并为成井工艺等方面取得经验。 对于水平井、 辐射井和子母井等的数值模拟技术 还需作进一步研究, 前两者虽然已有文献[ 的基础 将 岩溶管道视为水平井 , 但也需作进一步的研究 对某区作地下水开发规划, 还需对浅部含水层的 水文地质条件, 特别是补给、 排泄条件作进一步的勘 察 , 因为以往的工作把重点放到强导水的中、 深部承压 含水层, 当时认为不宜作水源地的浅部含水层往往工 作量投得不足。 参考文献 [ 1 ] 陈崇希. 地下水 不稳定井流 计算方法[ M] . 北京 地 质出版社 , 1 9 8 3 第3 页 . [ 2 ] 张宏仁等编译. 地 下水水力学 的发 展[ M] . 北京 地 质出舨杜 , 1 9 9 2 第 l 6 页 . [ 3 ] 陈崇希 . 岩溶管道一 裂隙一 孔 隙三重空隙介质地下水流 模型及模拟方法研究口] . 地球科学, 1 9 9 5 } 4 绾辑 昊霞芬 维普资讯