天津西青区地下水开采与地面沉降的关系

王巍,朱庆川，时绍玮，徐冬，高瑞芳

(1.天津市控制地面沉降工作办公室，天津 300061；2.天津市武清区水务局，天津 301700)

天津西青区地下水开采与地面沉降的关系

王巍1,朱庆川1，时绍玮1，徐冬1，高瑞芳2

(1.天津市控制地面沉降工作办公室，天津 300061；2.天津市武清区水务局，天津 301700)

近年严重的地面沉降已为西青区的发展埋下严重隐患。通过建立模型，分析该区郑庄子分层标监测数据和地下水开采量以及水位动态数据，将观测孔水位动态曲线与模型计算曲线拟合对比，实际流场与模型水流相比较，总结沉降量与地下水开采关系，为今后该区控制地面沉降和调整布局地下水开采提供支撑。

沉降量；地下水开采；隐患；模型

天津市西青区位于市中心城区的西南部，年开采地下水约2 000×104m3，年均沉降量50 mm，市中心城区年均沉降量25 mm，市中心城区南部(与西青区交界)年均沉降量在30～50 mm之间(接近西青区年均沉降量)，可见西青区地面沉降对市中心城区地面沉降的影响十分明显。西青区2009年度平均沉降量43 mm，2010年度平均沉降量53 mm，其年沉降速率远远大于同期的天津市中心城区。因此本文以西青区郑庄子分层标监测数据和本区地下水开采量以及水位动态数据为分析基础，将观测孔水位动态曲线与模型计算曲线拟合对比，分析总结沉降量与地下水开采关系，为今后西青区控制地面沉降和调整地下水开采布局提供理论支撑。

1 西青区地下水概念模型建立

1.1 模拟区范围选择

2004年7月西青区郑庄子分层标建成，2006、2007、2009年沉降速率分别为64.43 mm·a-1、57.06 mm·a-1、47.27 mm·a-1，此处沉降速率较西青区全区平均沉降量要大。本次为研究地下水开采对地面沉降的影响，选取以西青郑庄子分层标为中心的数值模拟范围(图1)，模拟区范围10 km×10 km×566 m(长×宽×高)；其模拟范围内沉降有明显的分带性，模拟范围内东北部沉降在30～50 mm·a-1之间，西南部沉降大于50 mm·a-1；与本区水位等值线比较后，初步判断该模拟范围地面沉降主要受本区地下水开采影响。

1.2 模拟区水文地质特征模型

本区处于平原区，通过收集大量的地质资料，深入分析模拟区的含水层结构、地下水流场和流动特征、地下水均衡项，并建立水文地质概念模型，为建立数值模型提供依据。

(1) 含水层划分

第一承压含水组底界埋深90～130 m，含水层普遍分布总厚10～20 m。导水系数20～61.87 m3·d-1。第二承压含水组底界埋深170～185 m，导水系数68.44～203.9 m3·d-1。第三承压含水组底界埋深300～323 m，含水层总厚30～55 m。导水系数28.13～127.9 m3·d-1。第四承压含水组底界埋深410～435 m，含水层总厚10～70 m。导水系数28.44～208.6 m3·d-1。第五承压含水组底界埋深566 m，含水层总厚30～80 m。导水系数64.36～215.6 m3·d-1。

(2) 边界条件概化

侧向边界：模拟区地势平坦但不是完整的水文地质单元，边界的流入流出量难以计算，因此模拟区侧向边界均设置为通用水头边界。通过给入每个应力期边界的水流参数、模型外的水位，模型自行计算流入或流出水量，从而调整边界上的水位，来计算边界的侧向交换量。

垂向边界：整个研究区在垂向上分为5个含水层组，根据含水层富水特征和开采条件来看，第二至第四含水层组研究意义较大，这几个含水层组在上部主要接受上一含水层组的越流补给，第五含水层组下部边界因下层没有分层标监测数据，不考虑沉降，模型中处理成隔水边界。第一含水层组接受大气降水入渗补给，蒸发和越流是其主要排泄方式，开采量小。从整个系统来看，垂向上只接受大气降水补给，蒸发、开采是其主要的排泄方式，系统内部各含水层组之间在垂向上通过越流产生部分交换量。

图1 模拟区范围Fig.1 Simulation zone

(3) 地下水流特征

从空间上看，模拟区地下水流整体上以水平运动为主、垂向运动为辅，地下水系统符合质量守恒定律和能量守恒定律，在常温常压下地下水运动符合达西定律，考虑含水层之间的流量交换，地下水运动可以概化为空间三维流。地下水系统的垂向运动是由层间水头差异引起的，地下水系统的输入输出随时间、空间变化，故地下水为非稳定流。参数随空间变化，体现了系统的非均质性，所以含水介质概化为非均质各向同性介质。综上所述，模拟区可概化成非均质、水平方向各向同性、垂向上存在变异、空间三维结构、非稳定地下水流系统，即地下水系统的概念模型。

(4) 水文地质参数

水文参数和水文地质参数为计算评价地下水的重要数据，也是影响评价结果的主要因素。用于地下水流模型的水文地质参数主要有两类，一类是用于计算各种地下水补排量的参数和经验系数，如大气降水入渗系数、灌溉入渗系数等，本次研究中这类参数主要影响降水入渗补给和蒸发量。另一类是含水层的水文地质参数，主要包括潜水含水层的渗透系数、给水度。此外，由于此次模型结合地面沉降模块，必须考虑弹性储水系数和非弹性储水系数。弹性储水系数主要参考经验得到。非弹性储水系数参考固结实验的计算结果，由经验和周边地区研究成果参考取得。

2 西青区地下水数值模型建立

2.1 PMWIN PROCESSING MODFLOW模型建立

(1) 网格剖分

计算区内层的划分按含水组划分5个层，含水组的厚度即为各层厚度，各层剖分采用相同的形式，主要是便于计算垂向各层之间的越流量。根据模拟区范围，将模拟区平面上分为50行，50列，网格大小为200 m×200 m，总共2 500个单元格。

(2) 模拟期及初始条件

根据收集开采量和流场等数据，结合西青区分层标的施工及监测情况(2004年2月13日开钻，2004年7月13日竣工，该标于2005年1月开始监测)，拟选模型的模拟期为2005年7月～2010年6月。以月为单位，共划分为60个应力期，每个应力期一个步长。以2005年7月初的流场作为初始流场，以2010年8月的流场作为末拟合流场。

以2005年7月地下水水位统测数据，采用kriging插值法获得各含水层组的初始水位。

(3) 边界条件

模型采用通用水头边界，边界所在的网格的初始水位赋为通用水头边界的水位，参数C由经验和流场给定，基本的计算方法是：

Cb=K×L

式中，L为单元格内通用水头边界的长度；K为渗透系数。

因此通用水头边界上的水位和参数C决定了通用水头边界的流入或流出量大小。

(4) 源汇项的处理

模型外部源汇项主要是大气降水入渗补給，蒸发，人工开采，其中入渗和蒸发通过recharge和蒸发包处理，人工开采在模型中都是以开采井的形式给入。

(5) 参数的选择

参数选用是依据三维模型的计算需要，主要采取分区赋值的方法。通过收集的钻孔资料，整理后的参数表如下(表1)：

表1 水文工程地质参数表

2.2 力学参数的处理

地面沉降已成为本区的主要地质灾害，地面沉降的最大危害就是损失地面标高；次之为不均匀沉降，从而带来一系列危害，如房屋开裂等。在PMWIN 中，模拟地面沉降的模块为Interbed Storage，需要的参数为初始固结水头、弹性储水系数和非弹性储水系数。

初始固结水头：含水层的历年最小水位值，模型中用初始水位代入。

弹性储水系数：模拟区各含水层的弹性储水系数为5×10-6～2×10-5。

非弹性储水系数：根据前人资料和压缩实验，模拟区各含水层的非弹性储水系数为0.000 2～0.015。

3 模型模拟与验证

3.1 拟合方法

模型的识别和验证应遵循以下原则：模拟的地下水流场要与实际地下水流场基本一致，即要求地下水模拟等值线与实测地下水位等值线形状相似；模拟的地面沉降总趋势与实际总地面沉降基本一致；模拟地下水的动态过程要与实测的动态过程基本相似，即要求模拟与实际地下水位过程线形状相似；识别的水文地质参数要符合实际水文地质条件。

3.2 水位及流场拟合

在模拟时间范围内，将初始水位及其他要素输入模型后，经运行将观测孔水位动态曲线与模型计算曲线拟合对比如图2；其中流场以第Ⅲ含水组为例，流场拟合初期及中期过程成果如图3、图4。

图2 模型模拟各含水组水位拟合情况Fig.2 Fitting water levels of aquifers, simulated on the model

图3 第三含水组2005年7月流场拟合情况(虚线为观测，实线为模拟值)Fig.3 Flow field fittings for Aquifer Ⅲ for July, 2005

图4 第三含水组2006年7月流场拟合情况(虚线为观测，实线为模拟值)Fig.4 Flow field fittings for Aquifer Ⅲ for July, 2006

4 地面沉降模拟

在模拟期内，兼顾地下水渗流场变化，通过地下水与地面沉降的耦合关系，计算出的沉降量与实际沉降量进行比较。以分层标为例，拟合分层标监测深度566 m内单月沉降及5年内累计沉降变化对比曲线，其模拟期内累计沉降实际观测值与模型计算值在一定程度上相符(图5、图6)。

图5 分层标点单月沉降拟合情况Fig.5 Monthly subsidence fittings

图6 分层标点累计沉降拟合情况Fig.6 Cumulative subsidence fittings

5 地下水数值模型成果分析

5.1 模型模拟误差分析

由于影响地下水动态变化的因素非常复杂，具体模型已经过高度概化，会与实际情况有一定误差，然而使模型参数无界限接近含水层固有参数，也是不必要的。产生差异的影响因素可能有：

(1) 某些观测孔水位不能准确代表所含水组水位，如在同一含水组内，浅部水位与深部水位是有差异的。井孔滤水管如贯穿整个含水组，则代表性强，如仅安装在局部含水层，则代表性减弱。

(2) 尽管十分注重常观孔的观测质量，但可能存在观测误差。

(3) 长观及统测在观测过程中受开采、降水、及人为因素影响，其数据存在偶然性。

(4) 因剖分的关系，计算水位代表的是整个单元的平均水位，而观测水位是某个点的水位。

(5) 实测等水位线图是人工绘制的流场，在绘制过程中存在误差。

(6) 水文地质概化产生的误差及模拟过程的误差。

5.2 三维水流模型与地面沉降对应关系分析

通过本次数值模型方法计算沉降量与实际观测值存在误差，但整体能反映其沉降变化过程。分析模拟过程总结沉降量与地下水开采关系如下：

(1) 模拟计算沉降主要源于水位的变化量、地层弹性储释水系数、非弹性储释水系数；水位变化是主导因素，即有水位变化便能计算出沉降量；数值模型计算不能反映开采引起沉降的滞后性。

(2) 除模拟区内开采影响，边界交换水量对区域内水位变化影响也很明显，从而对区域沉降影响也较明显。

(3) 模拟计算沉降调参过程显示，水位变化对沉降量影响较储释水系数影响大得多，储释水系数起到微调作用。

6 建议

(1) 地下水开采对地面沉降的影响较大，加强深层地下水的控制

天津市西青区近年来开采较多的第Ⅴ含水组及更深层的地下水，考虑到第Ⅳ、Ⅴ含水组地下水的补给能力明显的减弱，资源可恢复性差，地下水位埋深已经很大，应对区域内新井进行严格控制。

(2) 加强分层标建设

本次分析除采用郑庄子分层标监测数据以外，还借鉴了其他区域的监测资料加以分析，其可靠性较差。因此，建议在西青区地面沉降漏斗区增建分层标一组，监测深度应达到500～800 m。

(3) 高层建筑密集区监测应持续进行

西青区高层建筑密集区地面沉降监测起步晚，监测时间较短，延长监测时间，其监测数据会更有说服力，且能发现更多城市建设过程对周边区域地面沉降发展的规律，在研究过量开采地下水对地面沉降影响程度时可以对其他干扰因素进行剥离，从而提高计算的准确性。

[1] 应耀明,等.天津市地面沉降调查与监测报告[R].天津市地质调查研究院,2008.

[2] 董克刚,等.天津市地面沉降年报[R].天津市控制地面沉降工作办公室,2008-2010.

[3] 牛修俊,等.天津市地面沉降勘查与监测报告.天津市地质调查研究所，1991.

[4] 王若柏,等.天津和邻近地区构造沉降及倥沉远景问题研究报告[R].天津市控制地面沉降工作办公室，2002.

[5] 王兰化,等.2010年天津市地质环境监测报告[R].天津市地质环境监测总站，2011.

[6] 崔小东.MODFLOW和IDP在天津地面沉降数值计算中的应用与开发[J].中国地质灾害与防治学报,1998,9(2):122-128.

RELATIONSHIP BETWEEN GROUNDWATER EXPLOITATION AND GROUND SUBSIDENCE IN XIQING DISTRICT, TIANJIN

WANG Wei,ZHU Qing-chuan,SHi Shao-wei,XU Dong,GAO Rui-fang

(1.Tianjin subsidence-control office, Tianjin 300061,China;2.Wuqing Section of Water affairs, Tianjin 301700,China)

Serious land subsidence has formed serious risks for the development of Xiqing District in recent years. A model was set up and monitor data were analyzed. The relationship between settlement and groundwater was analyzed by comparing the water level dynamic curve in observation wells with the model calculation curve, the actual flow field with the model one.

subsidence; groundwater extraction; hidden risk; model

1006-4362(2014)01-0076-06

2013-09-27 改回日期： 2014-01-21

P641;P642.26

A

王巍(1971- )，男，工程师,从事地面沉降控制与管理工作。