高鈞亮 朱文龍 陳佳麗

摘 要：隨著沿海地區(qū)地下水開采量逐漸增加，導(dǎo)致愈發(fā)嚴(yán)重。針對(duì)開采地下水引起地面沉降的現(xiàn)象，以南京某地區(qū)為例，采用有限差分軟件與地下水三維滲流與地面沉降耦合模型計(jì)算軟件Processing MODFLOW，進(jìn)行抽取地下水引起的地面沉降預(yù)測。研究結(jié)論：過量開采地下水是造成地面沉降現(xiàn)象的主要人為因素。地面沉降分布范圍與地下水位降落漏斗基本一致，且地面沉降的降幅隨時(shí)間的延續(xù)而減少。

關(guān)鍵詞：地面沉降；地下水；耦合模型；沉降預(yù)測；降落漏斗

地面沉降又稱為地面下沉或地陷。它是由于人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響，導(dǎo)致地下松散的土層固結(jié)壓縮，從而使得地殼表面某一局部范圍內(nèi)高程減少的運(yùn)動(dòng)。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集、生產(chǎn)活動(dòng)量大、工業(yè)發(fā)展水平高的地區(qū)，由于人為長期的開采地下水打破了自然的平衡，地面沉降現(xiàn)象越嚴(yán)重。

地面沉降容易導(dǎo)致各類地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展有嚴(yán)重的破壞性。對(duì)于沿海城市，地面沉降容易導(dǎo)致海水入侵，腐蝕地下管道與建筑，對(duì)人員經(jīng)濟(jì)傷害極大。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，如今地下水開采量在每年25億立方米，沉降量超過200毫米的區(qū)域面積已經(jīng)達(dá)到10000平方公里，因此對(duì)地面沉降進(jìn)行預(yù)測和控制尤為重要。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地基土主要分為三類，素填土、粉質(zhì)粘土與風(fēng)化砂巖。地下水類型主要為孔隙型潛水，主要賦存于素填土中?？紫稘撍跻娝宦裆?.76-1.27m，穩(wěn)定水位埋深1.55-2.12m（高程10.91-11.38m）。

2 地下水?dāng)?shù)值模擬模型的建立

2.1 Processing MODFLOW（PMWIN）的概述

地下水流動(dòng)模擬軟件Processing MODFLOW可以對(duì)三維水流方程和一維固結(jié)方程相結(jié)合的完全耦合模型進(jìn)行有限差分法求解，用來描述并預(yù)測地下水流系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。軟件中有許多代碼，代碼被分解成許多模塊，每個(gè)模塊處理一個(gè)特定的問題。

抽取地下水引起地面沉降機(jī)理研究功能主要由interbed storage來實(shí)現(xiàn)。通過觀察在地下水的運(yùn)動(dòng)條件下，細(xì)顆粒土體從彈性與非彈性壓縮，再到可壓縮狀態(tài)的變化過程，測出沉降量。

2.2 地下水為下降條件下的地面沉降與水頭分布范圍

抽水井工作一段時(shí)間，地下水位下降，停止抽水。抽水結(jié)束后，由圖1，模型的初始水頭定為9m，在抽水期后，抽水點(diǎn)處的水頭降為7.61m，以抽水點(diǎn)處為中心點(diǎn)，等水頭線呈環(huán)形向外輻射延伸。由圖2，抽水點(diǎn)處沉降量為-20.76E-08m，等沉降線從抽水點(diǎn)處向外輻射延伸，且水頭分布與沉降分布基本一致。

2.3 不同開采量條件下沉降量與時(shí)間因素

當(dāng)改變抽水量分別為1.5m3/d、3m3/d、4.5m3/d，2011年-2015年每年的沉降量為5.79、2.89、1.93、1.45、1.16；4.91、1.98、1.64、1.23、0.69；3.8、2.02、

1.34、1.01、0.8。（單位E-08m）

可看出在不同開采量條件下，沉降量變化情況基本一致。前兩年沉降量變化明顯，但各年沉降均呈遞減趨勢(shì)。即隨年份增長，土壤沉降量逐漸趨于平緩。

因此土體被壓縮后，其壓縮性能明顯降低。所以，當(dāng)含水層水位逐年降低時(shí)，土體沉降量也在逐年降低。從理論上講，在水位降深一定的情況下，地面沉降的幅度隨時(shí)間的延續(xù)而減少，最終趨于穩(wěn)定。即地面沉降現(xiàn)象不會(huì)隨時(shí)間增長無限延續(xù)。

2.4 沉降量與開采量的變化關(guān)系

在第三年5月，抽水量呈趨勢(shì)性增加與沉降量變化關(guān)系。當(dāng)開采量分別為1.5m3/d、3m3/d、4.5m3/d、6m3/d、7.5m3/d、9m3/d，對(duì)應(yīng)的沉降量為1.55、5.26、8.98、12.69、16.4、20.1。（單位：E-08m）記開采量為A，沉降量為B，則對(duì)應(yīng)的A2為2.25、9、20.25、36、56.25、81；B2為2.4025、27.6676、80.6404、161.0361、268.96、404.01；AB為2.325、15.78、40.41、76.14、123、180.9。

積差法測定相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式：γ=δAB2/δAδB 1）

將數(shù)據(jù)帶入公式，可得：

δAB2=（（204.75-31.5×31.5/6）×（944.7166-64.98×64.98/6））1/2=97.41001

δAδB=438.555-31.5×64.98/6=97.41

因此γ的值十分接近1，當(dāng)相關(guān)系數(shù)在0.8-1之間時(shí)，表示A、B兩個(gè)變量高度相關(guān)。此時(shí)，地下水開采量與地面沉降量呈高度正相關(guān)關(guān)系，所以計(jì)算結(jié)果表明，地面沉降與地下水開采關(guān)系密切。從數(shù)據(jù)增長趨勢(shì)也可看出，隨著開采量的增加，沉降量呈直線性增加，也可說明，過量開采地下水是造成地面沉降現(xiàn)象的主要人為因素，也間接證明了軟件模擬的正確性。

3 結(jié)論

1）由于抽水點(diǎn)處含水層水壓降幅大，水位下降快，因此越靠近抽水處，水頭值越小。且越靠近抽水點(diǎn)處孔隙水壓力下降得越快，土壤有效應(yīng)力呈趨勢(shì)性增加，因此越靠近抽水點(diǎn)，沉降量越大。因此，抽水點(diǎn)是水頭值最小的點(diǎn)，也是沉降量最大的點(diǎn)。且最終沉降量分布情況與水頭分布情況基本一致，均呈環(huán)形漏斗分布于抽水處周圍。

2）地面沉降現(xiàn)象不會(huì)隨時(shí)間增長無限延續(xù)。由于土體顆粒具有可塑性，因此當(dāng)土體被壓縮后，土體既受到塑性變形，又受到彈性變形，且其壓縮性也會(huì)降低。因此在釋水前期，土體被壓縮，隨時(shí)間推移，壓縮量會(huì)減小，沉降量增量隨年份增長降低。

3）地面沉降量與地下水開采量呈高度正相關(guān)關(guān)系，即過量抽取地下水是加劇地面沉降現(xiàn)象的主要原因。此結(jié)論從一定程度上證明了Processing MODFLOW軟件模擬的正確性。

作者簡介：高鈞亮（1995-），女，漢族，江蘇南通人，學(xué)生，本科，工程管理專業(yè)，研究方向：管理科學(xué)與工程。