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随着沧州地区经济社会的快速发展,深层地下水、地热、石油、天然气等地下资源的不断开发,尤其是深层地下水的长期过度开采,造成地下水位逐年下降,呈漏斗趋势包围全区,进而导致地面不均匀沉降现象的产生。随着时间的推移,地面沉降发展迅速,目前已覆盖了整个沧州地区,并呈现出沉降量大、下沉快、影响范围广等特点,使沧州成为整个华北地区甚至是全中国范围内发生严重地面沉降灾害的城市之一,直接制约着沧州地区经济、社会可持续发展。本文以整个沧州地区为研究对象,搜集整理了研究区地质环境相关资料,全面分析沧州地区地面沉降发生地质背景,钻孔资料,监测数据,地下水开采状况以及地面沉降发展现状,从引发沧州地区地面沉降的因素及其相关规律进行研究,并建立地面沉降预测模型,对不同地下水开采模式下地面沉降的发展趋势进行预测,并以预测结果为基础,对沧州地区地面沉降进行危害性评价。主要内容如下:(1)借助ARCGIS软件空间分析方法与InSAR监测技术从地面沉降的沉降速率变化和累计沉降量分布两方面开展工作,对沧州地区地面沉降发展过程及现状进行了归纳分析。研究发现,自70年代区内出现地面沉降以来,随着地下水开采强度不断加大,地面沉降现象逐渐严重,由唯一的沧州市区沉降中心发展成为以任丘、肃宁、沧州市区、青县等多个城区多中心的复合沉降区,其中沧州市区沉降中心累计沉降量达到2600m,随着近几年来沧州城区地下水开采的限制,沧州市区沉降中心地面沉降发展得到缓解,年沉降速率降低到10.84mm/a,但周边县市深层地下水开采量的增加,区内整体沉降又有反弹的趋势。整个沉降区呈现出城市较郊区发展严重,城镇居住区较农业种植区严重、西部较东部地区严重、经济发达较不发达地区严重等特点。主要原因为城区发展需要开采大量地下水,尤其是经济发达城市对地下水需求量更甚,而地下水的开采对地面沉降的发展有重要的影响作用。据近几年InSAR监测图来看,2014年与2013年相比:总体呈现加快的趋势,主要表现为各城区地面沉降速率增加10~20mm/a。2015年与2014年对比,总体又趋于平缓,主要原因为降雨量不均衡性导致2014年地下水开采量大,2015年开采量小,这又从速率方面反映出地下水开采与地面沉降之间联系紧密。通过对各年地面速率进行叠加,展示了近年来地面沉降的新趋势,最后根据地面沉降速率将地面沉降区划分为四个不同沉降区,展示地面沉降最新发展态势。(2)借助太沙基(Terzaghi)有效应力理论并结合沧州地区地质环境特点对地面沉降成因机理进行阐述,同时对影响地面沉降的相关因素进行分析,确定研究区地面沉降发生实质上是其内、外因共同作用的水文地质和工程地质现象。其内在因素为地层中存在黏性土层即可压缩体,外部因素为地下水的大量开采。(3)对引起地面沉降发生的外部因素开展研究,通过ARCGIS软件的空间分析功能,以沧州地区自身的地质环境条件为基础,从地下水开采与地面沉降的时空演变、地下水开采量与地面沉降量对应关系、地下水水位与地面沉降速率相关性分析等方面,全面系统的对沧州地区地下水开采对地面沉降影响规律进行深入分析,结果表明沧州地区地面沉降与地下水开采密切相关,地下水开采的各阶段与地面沉降发展的各阶段相对应,地面沉降与地下水水位漏斗在空间展布关系与发展趋势上存在一致性,地面沉降总体积约占地下水开采量的一半,且随着开采时间的增加,比例逐渐降低,地面沉降速率与地下水水位成正相关性,随着地下水位的变化而变化,部分地层存在滞后性,滞后期为一个月左右。从长年变化来看,地下水位与累计地面沉降量之间存在线性回归关系,并根据回归曲线得出在沧州地区,地下水水位降深存在一个40m的水位警戒阈值,若水位降深大于该值,则累计沉降量会随着水位降深的增加呈加速度上升。而70m水位降深为限制开采阈值,超过这一水位,地面沉降将会成直线上升趋势。(4)在充分分析已有监测资料以及钻探资料的基础上,结合实际的地质条件以及地质构造,从引起地面沉降发生的内部因素出发,将沧州地区地面沉降的压缩层组划分为三个压缩层组,并将地面沉降区分布图与压缩层厚度图进行叠加分析,从而得出,沉降区与可压缩层存在对应关系,沉降严重地区往往是压缩层较厚的地区。通过对地面沉降分层标监测数据进行处理,从而确定第二压缩层组沉降量贡献率约占总地层压缩贡献率的70%左右,为地面沉降主要压缩贡献层,主要包括第Ⅲ含水层以及其中的巨厚的黏性土层。(5)对目前已有地面沉降模型理论进行总结分析,并针对沧州地区自身特点选择地下水-地面沉降模型理论构建沧州地区地面沉降预测模型。(6)在深入分析沧州地区水文地质和工程地质条件的基础上,对其地下水流状态、含水层结构性质、边界条件、参数性质等一系列条件因素进行综合概化,对研究区源汇项进行了处理,建立该地区水文地质概念模型并对其进行数学概化,获得地下水数学模型,通过GMS软件构建地下水流数值模型,以2014年12月实测的浅层和深层地下水水位作为模型的初始水位,对2015年1月~2015年12月每个月的地下水流场进行数值模拟,并借助各月实测水位数据对模型反复校正识别,得到合理的水文地质参数。使模型能够正确模拟地下水流情况。(7)依据太沙基(Terzaghi)固结理论,对土体变形原理进行数学概化,针对沧州地区地面沉降存在滞后性的特点,将沉降区内黏性土层划分为滞后性黏土层和非滞后性黏土层,并分别对其释水机理进行数学描述,将土体变形数学模型与地下水数学模型相结合,并借助SUB模块构建地下水-地面沉降数值模型,对沧州地区地面沉降过程进行数值模拟,以2015年沉降监测数据对模型参数进行修正,使模型能够正确模拟地面沉降发展。(8)本章首先以2015年现状地下水开采数据为基础,对沧州地区地下水与地面沉降发展趋势进行预测,通过预测结果可以看出,到2020年,沧州地区地下水主要开采层水位降幅较大,最大水位降幅为15m,该阶段发展严重区为任丘市、肃宁县、献县、沧县、青县、南皮县、东光县7个县市。各区最大地面沉降量分别为231mm、214.5mm、163mm、216mm、246.8mm、241.6mm。接着以《沧州市地下水取水总量年度考核指标(2016~2020年)》为依据,按2016~2020年限定开采量为输入数据,对沧州地区地下水与地面沉降发展趋势进行预测,通过预测结果可以看出,随时间推移,地下水位下降逐渐减小,到2020年,地下水位得到回升,最大上升5m,地面沉降也得到了控制,最大沉降量为143.2mm,远小于维持现状开采下的地面沉降量。表明该减采方案效果明显,使地面沉降的发展得到了控制。(9)针对地面沉降灾害所具有的自然属性与社会属性,构建基于“三图法”的沧州地区地面沉降危害性评价模型。首先以考核指标开采条件下2020年地面沉降预测结果为基础,对沧州地区地面沉降灾害的自然属性进行分析研究,构建地面沉降危险性评价体系,通过地理信息系统(ARCGIS)与模糊层次评价法,对地面沉降危险性进行分区评价,将沧州地区按地面沉降危险性程度不同划分为大、中、小三个区,并绘制地面沉降危险性分区图(第一图),接着依据地面沉降区内社会经济、人口、城市发展状况,构建地面沉降易损性评价体系,结合地理信息系统(ARCGIS)对地面沉降灾害发生的社会属性进行定量研究,对承灾体易损性进行评价,将沧州地区按地面沉降易损性程度不同划分为大、中、小三个区,并绘制地面沉降易损性分区图(第二图)。通过地理信息系统(ARCGIS)的空间分析技术,将地面沉降危险性分区图与易损性分区图进行叠加处理,绘制地面沉降危害性评价分区图(第三图),利用“三图法”评价方法,完成对沧州地区地面沉降的危害性评价工作。为未来沧州地区城市发展、规划制定提供了科学依据。