地下水开采一地面沉降模型研究

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２００１年第２期
水文地质工程地质
地下水开采一地面沉降模型研究
陈崇希’ ，装顺平，（１．中国地质大学・武汉环境地质研究所，湖北武汉４３０（Ｙ７４；２，中国地震局地球物理研究所，北京１０００８１）
误差还是小于５％吗？本研究带着此问题做了数值模拟研究，发现：
｝１Ｊａｖａｎｄｅｌ和Ｗｉｔｈｅｓｐｏｏｎ的“ 误差小于５％ ” 的结
论仅适用于弱透水层为各向同性介质； ②对于弱透水层的各向异性比为１０时，误差已超
口护
过２７．７％，而且随着弱透水层单位储水系数ｆ，．的减小
和模拟时间的延长，误差还要增大，己存在超过３０．５％的情况。基于此研究结果，本专题对苏州市采用三维不稳定流模型。
３．２土层固结与地下水流如何藕合？— 根据单位储水系数的物理意义将两者藕合起来１９８９年比利时地调所做的《上海地面沉降模型），其沉降模型是“ 地下水流动模型加上一维垂直流动固结模型” 。即“ 模型分成两步” ：先由水流模型给出每一
１９９５年分别对上海市和上海市浦东区及天津市做了
三个地下水开采一地面沉降模型，都是准三维流模型。国外９０年代做的几个主要实例模型．例如Ｒ．Ｂｒａ－
ｖｏ（美国）等做的美国休斯敦模型，Ａ．Ｒｉｖｅｒａ（法国）等做的墨西哥城模型，Ｇ．Ｃａｍｂｏｌａｔｉ（意大利）做的意大利拉沮纳区域地下水流模型，Ｋ．Ｄａｉｔｏ（日本）做的日本大绍平原的模型等等，都属于准三维流模型。我们注意到，长江三角洲的沉积物，弱透水层多呈 “ 千层饼状” 的岩性，它们在模型的“ 层” 中表现出各向
ｏｆｗａｔｅｒｈｅａｄｉｎｓｏｔｆｓｏｉｌ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｏｒｕｎｄｗａｔｅｒｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｆｏｗ；ｎｏｎｉｌｎｅａｒｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ；ｃｏｕｐｉｌｎｇｂｅｔｗｅｅｎｌｆｏｗｍａｌｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｌ；ｍｕｌｉｔｐｌａｙｅｒｗｅｌｌ；ａｒ－
程的变化及水头在软土层中的传递特征。
关位词：地下水三维流；非线性固结；水流固结辆合；混合井；人为边界；滞后补给
巾圈分类号二Ｐ６４１．２文峨标识码：Ａ文ｔ组号：１０００－３６６５（２００１）０２－０００５－０４
模拟技术研究。
外围向区内汤斗中心逸流，剖面上地下水从潜水层和河湖向第Ｕ１承压含水层Ｌ？＝流。
２．３地下水动态潜水动态主要受气象因素控制，第皿层承压水（主采层）主要受开来自最控制，其它层水动态为过渡型。
３模型及改进
３．１ “ 千层饼状” 弱透水层的多层含水系统取用何类
Ａｂｓｒｔａｃｔ：Ａｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｍｏｄｅｌｗｉ山ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｇｏｒｕｎｄｗａｔｅｒｌｆｏｗｃｏｕｐｌｅｄｏｎｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｎｓｏｉｌｄａｔｉｏｎｉｓｅｓｔａｂｉｌｓｈｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．玩ｗｈｉｃｈｓｏｍｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｃｅｉｍｐｒｏｖｅｄｉｎｍｕｌｔｄａｙｅｒｗｅｌｌ，ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｏｆｒａｉｎｆａｌｌｒｅｃｈａｒｇｅ，ｉｎｉｔｉａｌｈｅａｄ，ａｒｔｉｉｆｃｉａｌｂｏｕｎｄａｙ，ｒ ‘ ｃｏｕｐｌｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｇｏｒｕｎｄｗａｔｅｒｌｆｏｗａｎｄｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｓｏｉｌｄａｔｉｏｎｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｉｎｓｏｆｔｓｏｉｌ．ＩｂｉｓｍｏｄｅｌｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏＳｕｘｈｏｕｃｉｔｙａｎｄｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｔｒａｎｔｃｈａｒａｃｔｅｓａｒｒｅｓｈｏｗｎ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅｄｅｐａｒｔｕｒｅｂｅｔｗｅｅｎｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｃｅｎｔｅｒａｎｄｇｏｒｕｎｄｗａｅｔｒｆｕｎｎｅｌ￣， ‘ ｖａｒｉａｉｔｏｎｏｎｌａｎｄｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｌａｇｇｅｄｂｅｈｉｎｄｗｈｉｃｈｏｎｗａｔｅｒｈｅａｄ，ｔｈｅｐｅｒｍｅａｔｉｏｎｃｏｅｉｆｃｉｅｎｔｓｗｉ山ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ，ａＭｔｈｅｔｒａｎｓｆｅｒｆｅａｔｕｒｅ
往达三个数量级以上，另外，准三维流模型对水文地质资料的要求、数据整理和模型运行工作量等诸方面都比三维流模型简单、省时，基于这两个原因，对于实际问题的模拟大多采用准三维流模型。就我国来说，１９８９年比利时地质调查所完成的《上海地面沉降模型》属于准三维流。此后我国于
２．２．２排泄
①潜水蒸发； ②人工开采，主采层为最底下的第ｍ
承压含水层。２．２．３逸流在这种补给及排泄条件控制下，平面上地下水从
型的总面积为３４３ｋ．＇。模型涉及整个第四系。
２水文地质背景
２．１水文地质工程地质分层收稿日期：２００１－０１－０２；．订日期：２００１０－１－０９基金项目：国家“ 九五” 重点科技攻关项目（％一，１３－０６－０４）作者筒介：陈祟希（１９３３－），男（汉族），浙江沮州人，中国地质大学（武汉）教授，博士生导师。从事地下水资抓一环境系统数值
１．Ｊａｖａｎｄｅｌ和Ｐ．Ａ．Ｗｉｔｈｅｓｐｏｏｎ通过数值模拟研究
后得出结论：当含水层的渗透系数比相邻弱透水层的
渗透系数大两个数量级以上时，假定弱透水层中的地
下水为垂向流动（即准三维流），其误差不超过５％．
对于实际问题，含水层与弱透水层的渗透系数相比往
摘要：本文建立三维流动－一维非线性固结地面沉降棋型，在混合井流、降雨滞后补给、初始水头形成、人为边界刻颐、水流一固结执合及软土层固结洛后于地下水开采层水头变化等方面有所改进。所建棋型用于苏州市，模拟出若干地面
沉降重要特征，地面沉降中心偏离地下水翻斗中心，地面沉降动态浦后于地下水的水头动态，软土层诊透系戮蔺固结过
；「—
万方数据
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一布翻一｝
盏目
水文地质工程地质
００２１年第２期
模型？—
采用“ 三维流模型”
和土的压缩系数ａ，）独立地使用，因此这种“ 两步法” 使
得土层固结量很容易拟合好，甚至出奇地好。众所周知，一旦多层越流含水系统某一待求时阶（ｎ＋１）的诸结点水头（水压）已解得，那么该时段的越流量必已确定，各层的固结量也已确定，无需也不应该再用算得的该层上下界面处的水压作为边界条件通过一维垂直土住求其沉降量。换句话说，对于主要沉降层（软土层） — 弱透水层来说。固结量与单位水平面积该层土的释水量（表现为弱透水层流入相邻含水层的水量）相等，无需也不能分别求解。反过来说．如果越流量未知，又怎能求出各层结点的水头呢？既然多层含水系统的各层结点水头已求得，则意味着越流量，即层的固结量已经确定，而不能“ 分成两步” 进行。本研究的做法是将地下水流动问题与固结问题合成一步进行。实质上固结问题已经包含在上述地下水流动问题中。
根据地下水开采一地面沉降研究问题的需要，本研究将第四系土层划为含水层和弱透水层，后者又划分为软土层和硬土层。为此，苏州市划了４层含水层，３层软土层和４层硬土层。２．２地下水补给逸流和排泄
２．２．１补给
①大气降雨人渗补给； ②河、湖补给； ③侧向补给：对于人为边界而言，存在侧向通流补给，然而本质上是外围地区的降雨、河湖人渗的补给所形成的地下ｉｉ流。
异性的特征。那么，这种情况下准三维流模型的相对
上述地下水三维流动微分方程右端项中的单位储
水系数ｋ。的定义是产．二Ｙ．（ａ十叽）式中：Ｙ． — 水的重率；
ｎ — 孔隙率；凡— 水的体积压缩系数；ａ — 土的体积压缩系数，定义为
时间步长的水压值，再把地下水流动模型“ 所给出的水压做为边界条件加于包括含水层和弱透水层的一维土
ｔｉｉｆｃｉａｌｂｏｕｎｄａｒｙ：ｈｙｓｔｅｅｒｓｉｓｏｆｒｅｃｈａｒｇｅ
１前言
预测是管理的基础，没有预侧就无法管理。基于机理的预测方法只有解析法和模拟法，而前者对其应用条件的限制又过于苛刻；因此，地下水开采・地面沉降问题的最佳预侧方法是数值模拟（仿真）。当前数值模拟的核心问题是防止模拟失真，努力提高仿真性。本研究以苏州市（１７９．９ｋ讨）为例。由于苏州市本身并非独立的水文地质单元，考虑到人为边界的控制资料不足和难以考虑区外开采地下水对其影响而给模拟结果带来不利影响，我们将模型范围向外扩至周围昊县市部分乡镇，以提高苏州市的模拟精度。全部模
ａ二了＋ｅ而ａ．为土的压缩系数，于是口，与单位储水系数产，联
系起来，也就是把固结（沉降）与地下水流动问题联合起来。３．３土层固结后参数还会保持不变吗？— 采用“ 非线性固结” 在土层固结过程中，土层被压密，孔晾率和孔原比减小，因此会改变土的渗透系数Ｋ和单位储水系数