地下水科學(xué)與工程專業(yè)畢業(yè)論文西安市地下水開采—地面沉降數(shù)值模擬及防治方案研究

1、地下水科學(xué)與工程專業(yè)畢業(yè)論文 精品論文 西安市地下水開采地面沉降數(shù)值模擬及防治方案研究關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)模型 地下水 地面沉降 數(shù)值模擬摘要：西安位于關(guān)中平原中部，是世界著名的文化古都之一。自上個世紀(jì)70年代至90年代末，由于地下水尤其是承壓水的超采，造成了地下水位的急劇下降，從而引發(fā)和加劇了嚴(yán)重的地面沉降。 地面沉降已成為困擾著西安的城市建設(shè)的地質(zhì)災(zāi)害之一，如何對其進(jìn)行防治是迫切需要解決的一個問題。地面沉降是一個復(fù)雜的流固耦合問題，研究地面沉降的一個重要的手段就是建立地下水一地面沉降數(shù)值模型來進(jìn)行定量地分析和計算，前人對西安地面沉降*的研究，雖然取得了一定的成果，但是大部分都停留在定性分析上，

2、少數(shù)的定量分析也是建立在相對簡單的灰色動態(tài)關(guān)聯(lián)模型或者簡單的生物生長模型上，到目前為止尚未建立一個真正的地下水流和沉降的水土耦合數(shù)值模型。 本文從Leake提出的含水層內(nèi)的“夾層”理論出發(fā)，在Terzaghi有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上，分析了地下水流方程和土體變形方程耦合的機(jī)理，建立了由三維地下水流模型和垂向一維土體變形模型耦合得到的地面沉降模型。 在該模型中，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)進(jìn)行地下水流模型和土體變形模型的耦合，用不同的彈性儲水系數(shù)來計算夾層和含水層內(nèi)的儲水量變化，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)和非彈性儲水系數(shù)來體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性變形，用擴(kuò)散方程來描述滯后夾層內(nèi)的水頭分布，從而使模型能夠很好

3、地體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性壓縮，并能同時考慮夾層變形的滯后現(xiàn)象。 另外，本文依據(jù)大量鉆孔等資料、采用地質(zhì)體切片方法建立的三維地質(zhì)模型比傳統(tǒng)的地質(zhì)模型更能代表實(shí)際的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，更有利于分析和計算地面沉降。 該模型是西安市地面沉降研究以來的第一個地面沉降的耦合數(shù)值模型，對西安市地面沉降的防治、實(shí)現(xiàn)地下水的可持續(xù)開采利用具有十分重要的理論和實(shí)際意義。 本文利用所建的模型預(yù)測了現(xiàn)狀開采條件下未來20年的地下水位和地面沉降的變化，在此基礎(chǔ)上，提出了防治西安市地面沉降的五個地下水開采(回灌)方案，利用所建的地面沉降模型對各個設(shè)計方案其進(jìn)行了模擬和預(yù)報(方案三除外)，對預(yù)測結(jié)果的分析表明： 封停自備井是防治地

4、面沉降最為直接和最有效的對策，對防治地面沉降起著最為積極的作用； 采用人工回灌方法使被壓縮的土層得到的恢復(fù)是非常有限的，對地面沉降不能起到根治作用，只有回灌量明顯大于開采量時才能有一定的效果； “調(diào)整開采層次，在淺層取水”對防治地面沉降的效果十分明顯； 布設(shè)“砂井”可以增加對承壓含水層的越流補(bǔ)給量，從而可以有效地緩解和控制地面沉降的發(fā)生和發(fā)展； 對西安市的地下水開采，可在河流階地區(qū)、沖洪積扇區(qū)和黃土塬區(qū)分別采用1600m、2000m、1600m的井間距布置應(yīng)急自備井，分別采用2500m3/d、1500 m3/d和200 m3/d的單井開采量，開采第一承壓水，在平水年或者豐水年不開采，涵養(yǎng)地下水

5、源，在枯水年啟動這些應(yīng)急自備井開采，在輸出分析范圍內(nèi)共可獲得162000 m3/d(5913萬m3/a)開采量，可以有效地補(bǔ)充西安市的供水水源，緩解供水緊張局面，開采年(干旱年)開采導(dǎo)致的下降的水位可在停采34年后得到基本恢復(fù)，同時，這種開采方式不會造成大的地面沉降量。正文內(nèi)容 西安位于關(guān)中平原中部，是世界著名的文化古都之一。自上個世紀(jì)70年代至90年代末，由于地下水尤其是承壓水的超采，造成了地下水位的急劇下降，從而引發(fā)和加劇了嚴(yán)重的地面沉降。 地面沉降已成為困擾著西安的城市建設(shè)的地質(zhì)災(zāi)害之一，如何對其進(jìn)行防治是迫切需要解決的一個問題。地面沉降是一個復(fù)雜的流固耦合問題，研究地面沉降的一個重要的

6、手段就是建立地下水一地面沉降數(shù)值模型來進(jìn)行定量地分析和計算，前人對西安地面沉降*的研究，雖然取得了一定的成果，但是大部分都停留在定性分析上，少數(shù)的定量分析也是建立在相對簡單的灰色動態(tài)關(guān)聯(lián)模型或者簡單的生物生長模型上，到目前為止尚未建立一個真正的地下水流和沉降的水土耦合數(shù)值模型。 本文從Leake提出的含水層內(nèi)的“夾層”理論出發(fā)，在Terzaghi有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上，分析了地下水流方程和土體變形方程耦合的機(jī)理，建立了由三維地下水流模型和垂向一維土體變形模型耦合得到的地面沉降模型。 在該模型中，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)進(jìn)行地下水流模型和土體變形模型的耦合，用不同的彈性儲水系數(shù)來計算夾層和含水層內(nèi)

7、的儲水量變化，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)和非彈性儲水系數(shù)來體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性變形，用擴(kuò)散方程來描述滯后夾層內(nèi)的水頭分布，從而使模型能夠很好地體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性壓縮，并能同時考慮夾層變形的滯后現(xiàn)象。 另外，本文依據(jù)大量鉆孔等資料、采用地質(zhì)體切片方法建立的三維地質(zhì)模型比傳統(tǒng)的地質(zhì)模型更能代表實(shí)際的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，更有利于分析和計算地面沉降。 該模型是西安市地面沉降研究以來的第一個地面沉降的耦合數(shù)值模型，對西安市地面沉降的防治、實(shí)現(xiàn)地下水的可持續(xù)開采利用具有十分重要的理論和實(shí)際意義。 本文利用所建的模型預(yù)測了現(xiàn)狀開采條件下未來20年的地下水位和地面沉降的變化，在此基礎(chǔ)上，提出了防治西安市地面沉降的

8、五個地下水開采(回灌)方案，利用所建的地面沉降模型對各個設(shè)計方案其進(jìn)行了模擬和預(yù)報(方案三除外)，對預(yù)測結(jié)果的分析表明： 封停自備井是防治地面沉降最為直接和最有效的對策，對防治地面沉降起著最為積極的作用； 采用人工回灌方法使被壓縮的土層得到的恢復(fù)是非常有限的，對地面沉降不能起到根治作用，只有回灌量明顯大于開采量時才能有一定的效果； “調(diào)整開采層次，在淺層取水”對防治地面沉降的效果十分明顯； 布設(shè)“砂井”可以增加對承壓含水層的越流補(bǔ)給量，從而可以有效地緩解和控制地面沉降的發(fā)生和發(fā)展； 對西安市的地下水開采，可在河流階地區(qū)、沖洪積扇區(qū)和黃土塬區(qū)分別采用1600m、2000m、1600m的井間距布置

9、應(yīng)急自備井，分別采用2500m3/d、1500 m3/d和200 m3/d的單井開采量，開采第一承壓水，在平水年或者豐水年不開采，涵養(yǎng)地下水源，在枯水年啟動這些應(yīng)急自備井開采，在輸出分析范圍內(nèi)共可獲得162000 m3/d(5913萬m3/a)開采量，可以有效地補(bǔ)充西安市的供水水源，緩解供水緊張局面，開采年(干旱年)開采導(dǎo)致的下降的水位可在停采34年后得到基本恢復(fù)，同時，這種開采方式不會造成大的地面沉降量。西安位于關(guān)中平原中部，是世界著名的文化古都之一。自上個世紀(jì)70年代至90年代末，由于地下水尤其是承壓水的超采，造成了地下水位的急劇下降，從而引發(fā)和加劇了嚴(yán)重的地面沉降。 地面沉降已成為困擾著

10、西安的城市建設(shè)的地質(zhì)災(zāi)害之一，如何對其進(jìn)行防治是迫切需要解決的一個問題。地面沉降是一個復(fù)雜的流固耦合問題，研究地面沉降的一個重要的手段就是建立地下水一地面沉降數(shù)值模型來進(jìn)行定量地分析和計算，前人對西安地面沉降*的研究，雖然取得了一定的成果，但是大部分都停留在定性分析上，少數(shù)的定量分析也是建立在相對簡單的灰色動態(tài)關(guān)聯(lián)模型或者簡單的生物生長模型上，到目前為止尚未建立一個真正的地下水流和沉降的水土耦合數(shù)值模型。 本文從Leake提出的含水層內(nèi)的“夾層”理論出發(fā)，在Terzaghi有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上，分析了地下水流方程和土體變形方程耦合的機(jī)理，建立了由三維地下水流模型和垂向一維土體變形模型耦合得到的

11、地面沉降模型。 在該模型中，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)進(jìn)行地下水流模型和土體變形模型的耦合，用不同的彈性儲水系數(shù)來計算夾層和含水層內(nèi)的儲水量變化，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)和非彈性儲水系數(shù)來體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性變形，用擴(kuò)散方程來描述滯后夾層內(nèi)的水頭分布，從而使模型能夠很好地體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性壓縮，并能同時考慮夾層變形的滯后現(xiàn)象。 另外，本文依據(jù)大量鉆孔等資料、采用地質(zhì)體切片方法建立的三維地質(zhì)模型比傳統(tǒng)的地質(zhì)模型更能代表實(shí)際的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，更有利于分析和計算地面沉降。 該模型是西安市地面沉降研究以來的第一個地面沉降的耦合數(shù)值模型，對西安市地面沉降的防治、實(shí)現(xiàn)地下水的可持續(xù)開采利用具有十分重要的理

12、論和實(shí)際意義。 本文利用所建的模型預(yù)測了現(xiàn)狀開采條件下未來20年的地下水位和地面沉降的變化，在此基礎(chǔ)上，提出了防治西安市地面沉降的五個地下水開采(回灌)方案，利用所建的地面沉降模型對各個設(shè)計方案其進(jìn)行了模擬和預(yù)報(方案三除外)，對預(yù)測結(jié)果的分析表明： 封停自備井是防治地面沉降最為直接和最有效的對策，對防治地面沉降起著最為積極的作用； 采用人工回灌方法使被壓縮的土層得到的恢復(fù)是非常有限的，對地面沉降不能起到根治作用，只有回灌量明顯大于開采量時才能有一定的效果； “調(diào)整開采層次，在淺層取水”對防治地面沉降的效果十分明顯； 布設(shè)“砂井”可以增加對承壓含水層的越流補(bǔ)給量，從而可以有效地緩解和控制地面沉

13、降的發(fā)生和發(fā)展； 對西安市的地下水開采，可在河流階地區(qū)、沖洪積扇區(qū)和黃土塬區(qū)分別采用1600m、2000m、1600m的井間距布置應(yīng)急自備井，分別采用2500m3/d、1500 m3/d和200 m3/d的單井開采量，開采第一承壓水，在平水年或者豐水年不開采，涵養(yǎng)地下水源，在枯水年啟動這些應(yīng)急自備井開采，在輸出分析范圍內(nèi)共可獲得162000 m3/d(5913萬m3/a)開采量，可以有效地補(bǔ)充西安市的供水水源，緩解供水緊張局面，開采年(干旱年)開采導(dǎo)致的下降的水位可在停采34年后得到基本恢復(fù)，同時，這種開采方式不會造成大的地面沉降量。西安位于關(guān)中平原中部，是世界著名的文化古都之一。自上個世紀(jì)7

14、0年代至90年代末，由于地下水尤其是承壓水的超采，造成了地下水位的急劇下降，從而引發(fā)和加劇了嚴(yán)重的地面沉降。 地面沉降已成為困擾著西安的城市建設(shè)的地質(zhì)災(zāi)害之一，如何對其進(jìn)行防治是迫切需要解決的一個問題。地面沉降是一個復(fù)雜的流固耦合問題，研究地面沉降的一個重要的手段就是建立地下水一地面沉降數(shù)值模型來進(jìn)行定量地分析和計算，前人對西安地面沉降*的研究，雖然取得了一定的成果，但是大部分都停留在定性分析上，少數(shù)的定量分析也是建立在相對簡單的灰色動態(tài)關(guān)聯(lián)模型或者簡單的生物生長模型上，到目前為止尚未建立一個真正的地下水流和沉降的水土耦合數(shù)值模型。 本文從Leake提出的含水層內(nèi)的“夾層”理論出發(fā)，在Terz

15、aghi有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上，分析了地下水流方程和土體變形方程耦合的機(jī)理，建立了由三維地下水流模型和垂向一維土體變形模型耦合得到的地面沉降模型。 在該模型中，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)進(jìn)行地下水流模型和土體變形模型的耦合，用不同的彈性儲水系數(shù)來計算夾層和含水層內(nèi)的儲水量變化，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)和非彈性儲水系數(shù)來體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性變形，用擴(kuò)散方程來描述滯后夾層內(nèi)的水頭分布，從而使模型能夠很好地體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性壓縮，并能同時考慮夾層變形的滯后現(xiàn)象。 另外，本文依據(jù)大量鉆孔等資料、采用地質(zhì)體切片方法建立的三維地質(zhì)模型比傳統(tǒng)的地質(zhì)模型更能代表實(shí)際的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，更有利于分析和計算地面沉降。

16、 該模型是西安市地面沉降研究以來的第一個地面沉降的耦合數(shù)值模型，對西安市地面沉降的防治、實(shí)現(xiàn)地下水的可持續(xù)開采利用具有十分重要的理論和實(shí)際意義。 本文利用所建的模型預(yù)測了現(xiàn)狀開采條件下未來20年的地下水位和地面沉降的變化，在此基礎(chǔ)上，提出了防治西安市地面沉降的五個地下水開采(回灌)方案，利用所建的地面沉降模型對各個設(shè)計方案其進(jìn)行了模擬和預(yù)報(方案三除外)，對預(yù)測結(jié)果的分析表明： 封停自備井是防治地面沉降最為直接和最有效的對策，對防治地面沉降起著最為積極的作用； 采用人工回灌方法使被壓縮的土層得到的恢復(fù)是非常有限的，對地面沉降不能起到根治作用，只有回灌量明顯大于開采量時才能有一定的效果； “調(diào)整

17、開采層次，在淺層取水”對防治地面沉降的效果十分明顯； 布設(shè)“砂井”可以增加對承壓含水層的越流補(bǔ)給量，從而可以有效地緩解和控制地面沉降的發(fā)生和發(fā)展； 對西安市的地下水開采，可在河流階地區(qū)、沖洪積扇區(qū)和黃土塬區(qū)分別采用1600m、2000m、1600m的井間距布置應(yīng)急自備井，分別采用2500m3/d、1500 m3/d和200 m3/d的單井開采量，開采第一承壓水，在平水年或者豐水年不開采，涵養(yǎng)地下水源，在枯水年啟動這些應(yīng)急自備井開采，在輸出分析范圍內(nèi)共可獲得162000 m3/d(5913萬m3/a)開采量，可以有效地補(bǔ)充西安市的供水水源，緩解供水緊張局面，開采年(干旱年)開采導(dǎo)致的下降的水位可

18、在停采34年后得到基本恢復(fù)，同時，這種開采方式不會造成大的地面沉降量。西安位于關(guān)中平原中部，是世界著名的文化古都之一。自上個世紀(jì)70年代至90年代末，由于地下水尤其是承壓水的超采，造成了地下水位的急劇下降，從而引發(fā)和加劇了嚴(yán)重的地面沉降。 地面沉降已成為困擾著西安的城市建設(shè)的地質(zhì)災(zāi)害之一，如何對其進(jìn)行防治是迫切需要解決的一個問題。地面沉降是一個復(fù)雜的流固耦合問題，研究地面沉降的一個重要的手段就是建立地下水一地面沉降數(shù)值模型來進(jìn)行定量地分析和計算，前人對西安地面沉降*的研究，雖然取得了一定的成果，但是大部分都停留在定性分析上，少數(shù)的定量分析也是建立在相對簡單的灰色動態(tài)關(guān)聯(lián)模型或者簡單的生物生長模

19、型上，到目前為止尚未建立一個真正的地下水流和沉降的水土耦合數(shù)值模型。 本文從Leake提出的含水層內(nèi)的“夾層”理論出發(fā)，在Terzaghi有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上，分析了地下水流方程和土體變形方程耦合的機(jī)理，建立了由三維地下水流模型和垂向一維土體變形模型耦合得到的地面沉降模型。 在該模型中，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)進(jìn)行地下水流模型和土體變形模型的耦合，用不同的彈性儲水系數(shù)來計算夾層和含水層內(nèi)的儲水量變化，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)和非彈性儲水系數(shù)來體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性變形，用擴(kuò)散方程來描述滯后夾層內(nèi)的水頭分布，從而使模型能夠很好地體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性壓縮，并能同時考慮夾層變形的滯后現(xiàn)象。 另外，

20、本文依據(jù)大量鉆孔等資料、采用地質(zhì)體切片方法建立的三維地質(zhì)模型比傳統(tǒng)的地質(zhì)模型更能代表實(shí)際的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，更有利于分析和計算地面沉降。 該模型是西安市地面沉降研究以來的第一個地面沉降的耦合數(shù)值模型，對西安市地面沉降的防治、實(shí)現(xiàn)地下水的可持續(xù)開采利用具有十分重要的理論和實(shí)際意義。 本文利用所建的模型預(yù)測了現(xiàn)狀開采條件下未來20年的地下水位和地面沉降的變化，在此基礎(chǔ)上，提出了防治西安市地面沉降的五個地下水開采(回灌)方案，利用所建的地面沉降模型對各個設(shè)計方案其進(jìn)行了模擬和預(yù)報(方案三除外)，對預(yù)測結(jié)果的分析表明： 封停自備井是防治地面沉降最為直接和最有效的對策，對防治地面沉降起著最為積極的作用； 采用

21、人工回灌方法使被壓縮的土層得到的恢復(fù)是非常有限的，對地面沉降不能起到根治作用，只有回灌量明顯大于開采量時才能有一定的效果； “調(diào)整開采層次，在淺層取水”對防治地面沉降的效果十分明顯； 布設(shè)“砂井”可以增加對承壓含水層的越流補(bǔ)給量，從而可以有效地緩解和控制地面沉降的發(fā)生和發(fā)展； 對西安市的地下水開采，可在河流階地區(qū)、沖洪積扇區(qū)和黃土塬區(qū)分別采用1600m、2000m、1600m的井間距布置應(yīng)急自備井，分別采用2500m3/d、1500 m3/d和200 m3/d的單井開采量，開采第一承壓水，在平水年或者豐水年不開采，涵養(yǎng)地下水源，在枯水年啟動這些應(yīng)急自備井開采，在輸出分析范圍內(nèi)共可獲得16200

22、0 m3/d(5913萬m3/a)開采量，可以有效地補(bǔ)充西安市的供水水源，緩解供水緊張局面，開采年(干旱年)開采導(dǎo)致的下降的水位可在停采34年后得到基本恢復(fù)，同時，這種開采方式不會造成大的地面沉降量。西安位于關(guān)中平原中部，是世界著名的文化古都之一。自上個世紀(jì)70年代至90年代末，由于地下水尤其是承壓水的超采，造成了地下水位的急劇下降，從而引發(fā)和加劇了嚴(yán)重的地面沉降。 地面沉降已成為困擾著西安的城市建設(shè)的地質(zhì)災(zāi)害之一，如何對其進(jìn)行防治是迫切需要解決的一個問題。地面沉降是一個復(fù)雜的流固耦合問題，研究地面沉降的一個重要的手段就是建立地下水一地面沉降數(shù)值模型來進(jìn)行定量地分析和計算，前人對西安地面沉降*

23、的研究，雖然取得了一定的成果，但是大部分都停留在定性分析上，少數(shù)的定量分析也是建立在相對簡單的灰色動態(tài)關(guān)聯(lián)模型或者簡單的生物生長模型上，到目前為止尚未建立一個真正的地下水流和沉降的水土耦合數(shù)值模型。 本文從Leake提出的含水層內(nèi)的“夾層”理論出發(fā)，在Terzaghi有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上，分析了地下水流方程和土體變形方程耦合的機(jī)理，建立了由三維地下水流模型和垂向一維土體變形模型耦合得到的地面沉降模型。 在該模型中，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)進(jìn)行地下水流模型和土體變形模型的耦合，用不同的彈性儲水系數(shù)來計算夾層和含水層內(nèi)的儲水量變化，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)和非彈性儲水系數(shù)來體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性變

24、形，用擴(kuò)散方程來描述滯后夾層內(nèi)的水頭分布，從而使模型能夠很好地體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性壓縮，并能同時考慮夾層變形的滯后現(xiàn)象。 另外，本文依據(jù)大量鉆孔等資料、采用地質(zhì)體切片方法建立的三維地質(zhì)模型比傳統(tǒng)的地質(zhì)模型更能代表實(shí)際的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，更有利于分析和計算地面沉降。 該模型是西安市地面沉降研究以來的第一個地面沉降的耦合數(shù)值模型，對西安市地面沉降的防治、實(shí)現(xiàn)地下水的可持續(xù)開采利用具有十分重要的理論和實(shí)際意義。 本文利用所建的模型預(yù)測了現(xiàn)狀開采條件下未來20年的地下水位和地面沉降的變化，在此基礎(chǔ)上，提出了防治西安市地面沉降的五個地下水開采(回灌)方案，利用所建的地面沉降模型對各個設(shè)計方案其進(jìn)行了模擬和預(yù)

25、報(方案三除外)，對預(yù)測結(jié)果的分析表明： 封停自備井是防治地面沉降最為直接和最有效的對策，對防治地面沉降起著最為積極的作用； 采用人工回灌方法使被壓縮的土層得到的恢復(fù)是非常有限的，對地面沉降不能起到根治作用，只有回灌量明顯大于開采量時才能有一定的效果； “調(diào)整開采層次，在淺層取水”對防治地面沉降的效果十分明顯； 布設(shè)“砂井”可以增加對承壓含水層的越流補(bǔ)給量，從而可以有效地緩解和控制地面沉降的發(fā)生和發(fā)展； 對西安市的地下水開采，可在河流階地區(qū)、沖洪積扇區(qū)和黃土塬區(qū)分別采用1600m、2000m、1600m的井間距布置應(yīng)急自備井，分別采用2500m3/d、1500 m3/d和200 m3/d的單井

26、開采量，開采第一承壓水，在平水年或者豐水年不開采，涵養(yǎng)地下水源，在枯水年啟動這些應(yīng)急自備井開采，在輸出分析范圍內(nèi)共可獲得162000 m3/d(5913萬m3/a)開采量，可以有效地補(bǔ)充西安市的供水水源，緩解供水緊張局面，開采年(干旱年)開采導(dǎo)致的下降的水位可在停采34年后得到基本恢復(fù)，同時，這種開采方式不會造成大的地面沉降量。西安位于關(guān)中平原中部，是世界著名的文化古都之一。自上個世紀(jì)70年代至90年代末，由于地下水尤其是承壓水的超采，造成了地下水位的急劇下降，從而引發(fā)和加劇了嚴(yán)重的地面沉降。 地面沉降已成為困擾著西安的城市建設(shè)的地質(zhì)災(zāi)害之一，如何對其進(jìn)行防治是迫切需要解決的一個問題。地面沉降

27、是一個復(fù)雜的流固耦合問題，研究地面沉降的一個重要的手段就是建立地下水一地面沉降數(shù)值模型來進(jìn)行定量地分析和計算，前人對西安地面沉降*的研究，雖然取得了一定的成果，但是大部分都停留在定性分析上，少數(shù)的定量分析也是建立在相對簡單的灰色動態(tài)關(guān)聯(lián)模型或者簡單的生物生長模型上，到目前為止尚未建立一個真正的地下水流和沉降的水土耦合數(shù)值模型。 本文從Leake提出的含水層內(nèi)的“夾層”理論出發(fā)，在Terzaghi有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上，分析了地下水流方程和土體變形方程耦合的機(jī)理，建立了由三維地下水流模型和垂向一維土體變形模型耦合得到的地面沉降模型。 在該模型中，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)進(jìn)行地下水流模型和土體變形模

28、型的耦合，用不同的彈性儲水系數(shù)來計算夾層和含水層內(nèi)的儲水量變化，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)和非彈性儲水系數(shù)來體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性變形，用擴(kuò)散方程來描述滯后夾層內(nèi)的水頭分布，從而使模型能夠很好地體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性壓縮，并能同時考慮夾層變形的滯后現(xiàn)象。 另外，本文依據(jù)大量鉆孔等資料、采用地質(zhì)體切片方法建立的三維地質(zhì)模型比傳統(tǒng)的地質(zhì)模型更能代表實(shí)際的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，更有利于分析和計算地面沉降。 該模型是西安市地面沉降研究以來的第一個地面沉降的耦合數(shù)值模型，對西安市地面沉降的防治、實(shí)現(xiàn)地下水的可持續(xù)開采利用具有十分重要的理論和實(shí)際意義。 本文利用所建的模型預(yù)測了現(xiàn)狀開采條件下未來20年的地下水位和地面

29、沉降的變化，在此基礎(chǔ)上，提出了防治西安市地面沉降的五個地下水開采(回灌)方案，利用所建的地面沉降模型對各個設(shè)計方案其進(jìn)行了模擬和預(yù)報(方案三除外)，對預(yù)測結(jié)果的分析表明： 封停自備井是防治地面沉降最為直接和最有效的對策，對防治地面沉降起著最為積極的作用； 采用人工回灌方法使被壓縮的土層得到的恢復(fù)是非常有限的，對地面沉降不能起到根治作用，只有回灌量明顯大于開采量時才能有一定的效果； “調(diào)整開采層次，在淺層取水”對防治地面沉降的效果十分明顯； 布設(shè)“砂井”可以增加對承壓含水層的越流補(bǔ)給量，從而可以有效地緩解和控制地面沉降的發(fā)生和發(fā)展； 對西安市的地下水開采，可在河流階地區(qū)、沖洪積扇區(qū)和黃土塬區(qū)分別

30、采用1600m、2000m、1600m的井間距布置應(yīng)急自備井，分別采用2500m3/d、1500 m3/d和200 m3/d的單井開采量，開采第一承壓水，在平水年或者豐水年不開采，涵養(yǎng)地下水源，在枯水年啟動這些應(yīng)急自備井開采，在輸出分析范圍內(nèi)共可獲得162000 m3/d(5913萬m3/a)開采量，可以有效地補(bǔ)充西安市的供水水源，緩解供水緊張局面，開采年(干旱年)開采導(dǎo)致的下降的水位可在停采34年后得到基本恢復(fù)，同時，這種開采方式不會造成大的地面沉降量。西安位于關(guān)中平原中部，是世界著名的文化古都之一。自上個世紀(jì)70年代至90年代末，由于地下水尤其是承壓水的超采，造成了地下水位的急劇下降，從而

31、引發(fā)和加劇了嚴(yán)重的地面沉降。 地面沉降已成為困擾著西安的城市建設(shè)的地質(zhì)災(zāi)害之一，如何對其進(jìn)行防治是迫切需要解決的一個問題。地面沉降是一個復(fù)雜的流固耦合問題，研究地面沉降的一個重要的手段就是建立地下水一地面沉降數(shù)值模型來進(jìn)行定量地分析和計算，前人對西安地面沉降*的研究，雖然取得了一定的成果，但是大部分都停留在定性分析上，少數(shù)的定量分析也是建立在相對簡單的灰色動態(tài)關(guān)聯(lián)模型或者簡單的生物生長模型上，到目前為止尚未建立一個真正的地下水流和沉降的水土耦合數(shù)值模型。 本文從Leake提出的含水層內(nèi)的“夾層”理論出發(fā)，在Terzaghi有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上，分析了地下水流方程和土體變形方程耦合的機(jī)理，建立了

32、由三維地下水流模型和垂向一維土體變形模型耦合得到的地面沉降模型。 在該模型中，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)進(jìn)行地下水流模型和土體變形模型的耦合，用不同的彈性儲水系數(shù)來計算夾層和含水層內(nèi)的儲水量變化，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)和非彈性儲水系數(shù)來體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性變形，用擴(kuò)散方程來描述滯后夾層內(nèi)的水頭分布，從而使模型能夠很好地體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性壓縮，并能同時考慮夾層變形的滯后現(xiàn)象。 另外，本文依據(jù)大量鉆孔等資料、采用地質(zhì)體切片方法建立的三維地質(zhì)模型比傳統(tǒng)的地質(zhì)模型更能代表實(shí)際的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，更有利于分析和計算地面沉降。 該模型是西安市地面沉降研究以來的第一個地面沉降的耦合數(shù)值模型，對西安市地面沉降

33、的防治、實(shí)現(xiàn)地下水的可持續(xù)開采利用具有十分重要的理論和實(shí)際意義。 本文利用所建的模型預(yù)測了現(xiàn)狀開采條件下未來20年的地下水位和地面沉降的變化，在此基礎(chǔ)上，提出了防治西安市地面沉降的五個地下水開采(回灌)方案，利用所建的地面沉降模型對各個設(shè)計方案其進(jìn)行了模擬和預(yù)報(方案三除外)，對預(yù)測結(jié)果的分析表明： 封停自備井是防治地面沉降最為直接和最有效的對策，對防治地面沉降起著最為積極的作用； 采用人工回灌方法使被壓縮的土層得到的恢復(fù)是非常有限的，對地面沉降不能起到根治作用，只有回灌量明顯大于開采量時才能有一定的效果； “調(diào)整開采層次，在淺層取水”對防治地面沉降的效果十分明顯； 布設(shè)“砂井”可以增加對承壓

34、含水層的越流補(bǔ)給量，從而可以有效地緩解和控制地面沉降的發(fā)生和發(fā)展； 對西安市的地下水開采，可在河流階地區(qū)、沖洪積扇區(qū)和黃土塬區(qū)分別采用1600m、2000m、1600m的井間距布置應(yīng)急自備井，分別采用2500m3/d、1500 m3/d和200 m3/d的單井開采量，開采第一承壓水，在平水年或者豐水年不開采，涵養(yǎng)地下水源，在枯水年啟動這些應(yīng)急自備井開采，在輸出分析范圍內(nèi)共可獲得162000 m3/d(5913萬m3/a)開采量，可以有效地補(bǔ)充西安市的供水水源，緩解供水緊張局面，開采年(干旱年)開采導(dǎo)致的下降的水位可在停采34年后得到基本恢復(fù)，同時，這種開采方式不會造成大的地面沉降量。西安位于關(guān)

35、中平原中部，是世界著名的文化古都之一。自上個世紀(jì)70年代至90年代末，由于地下水尤其是承壓水的超采，造成了地下水位的急劇下降，從而引發(fā)和加劇了嚴(yán)重的地面沉降。 地面沉降已成為困擾著西安的城市建設(shè)的地質(zhì)災(zāi)害之一，如何對其進(jìn)行防治是迫切需要解決的一個問題。地面沉降是一個復(fù)雜的流固耦合問題，研究地面沉降的一個重要的手段就是建立地下水一地面沉降數(shù)值模型來進(jìn)行定量地分析和計算，前人對西安地面沉降*的研究，雖然取得了一定的成果，但是大部分都停留在定性分析上，少數(shù)的定量分析也是建立在相對簡單的灰色動態(tài)關(guān)聯(lián)模型或者簡單的生物生長模型上，到目前為止尚未建立一個真正的地下水流和沉降的水土耦合數(shù)值模型。 本文從Le

36、ake提出的含水層內(nèi)的“夾層”理論出發(fā)，在Terzaghi有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上，分析了地下水流方程和土體變形方程耦合的機(jī)理，建立了由三維地下水流模型和垂向一維土體變形模型耦合得到的地面沉降模型。 在該模型中，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)進(jìn)行地下水流模型和土體變形模型的耦合，用不同的彈性儲水系數(shù)來計算夾層和含水層內(nèi)的儲水量變化，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)和非彈性儲水系數(shù)來體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性變形，用擴(kuò)散方程來描述滯后夾層內(nèi)的水頭分布，從而使模型能夠很好地體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性壓縮，并能同時考慮夾層變形的滯后現(xiàn)象。 另外，本文依據(jù)大量鉆孔等資料、采用地質(zhì)體切片方法建立的三維地質(zhì)模型比傳統(tǒng)的地質(zhì)模型更能

37、代表實(shí)際的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，更有利于分析和計算地面沉降。 該模型是西安市地面沉降研究以來的第一個地面沉降的耦合數(shù)值模型，對西安市地面沉降的防治、實(shí)現(xiàn)地下水的可持續(xù)開采利用具有十分重要的理論和實(shí)際意義。 本文利用所建的模型預(yù)測了現(xiàn)狀開采條件下未來20年的地下水位和地面沉降的變化，在此基礎(chǔ)上，提出了防治西安市地面沉降的五個地下水開采(回灌)方案，利用所建的地面沉降模型對各個設(shè)計方案其進(jìn)行了模擬和預(yù)報(方案三除外)，對預(yù)測結(jié)果的分析表明： 封停自備井是防治地面沉降最為直接和最有效的對策，對防治地面沉降起著最為積極的作用； 采用人工回灌方法使被壓縮的土層得到的恢復(fù)是非常有限的，對地面沉降不能起到根治作用，只

38、有回灌量明顯大于開采量時才能有一定的效果； “調(diào)整開采層次，在淺層取水”對防治地面沉降的效果十分明顯； 布設(shè)“砂井”可以增加對承壓含水層的越流補(bǔ)給量，從而可以有效地緩解和控制地面沉降的發(fā)生和發(fā)展； 對西安市的地下水開采，可在河流階地區(qū)、沖洪積扇區(qū)和黃土塬區(qū)分別采用1600m、2000m、1600m的井間距布置應(yīng)急自備井，分別采用2500m3/d、1500 m3/d和200 m3/d的單井開采量，開采第一承壓水，在平水年或者豐水年不開采，涵養(yǎng)地下水源，在枯水年啟動這些應(yīng)急自備井開采，在輸出分析范圍內(nèi)共可獲得162000 m3/d(5913萬m3/a)開采量，可以有效地補(bǔ)充西安市的供水水源，緩解供

39、水緊張局面，開采年(干旱年)開采導(dǎo)致的下降的水位可在停采34年后得到基本恢復(fù)，同時，這種開采方式不會造成大的地面沉降量。西安位于關(guān)中平原中部，是世界著名的文化古都之一。自上個世紀(jì)70年代至90年代末，由于地下水尤其是承壓水的超采，造成了地下水位的急劇下降，從而引發(fā)和加劇了嚴(yán)重的地面沉降。 地面沉降已成為困擾著西安的城市建設(shè)的地質(zhì)災(zāi)害之一，如何對其進(jìn)行防治是迫切需要解決的一個問題。地面沉降是一個復(fù)雜的流固耦合問題，研究地面沉降的一個重要的手段就是建立地下水一地面沉降數(shù)值模型來進(jìn)行定量地分析和計算，前人對西安地面沉降*的研究，雖然取得了一定的成果，但是大部分都停留在定性分析上，少數(shù)的定量分析也是建

40、立在相對簡單的灰色動態(tài)關(guān)聯(lián)模型或者簡單的生物生長模型上，到目前為止尚未建立一個真正的地下水流和沉降的水土耦合數(shù)值模型。 本文從Leake提出的含水層內(nèi)的“夾層”理論出發(fā)，在Terzaghi有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上，分析了地下水流方程和土體變形方程耦合的機(jī)理，建立了由三維地下水流模型和垂向一維土體變形模型耦合得到的地面沉降模型。 在該模型中，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)進(jìn)行地下水流模型和土體變形模型的耦合，用不同的彈性儲水系數(shù)來計算夾層和含水層內(nèi)的儲水量變化，用夾層的骨架彈性儲水系數(shù)和非彈性儲水系數(shù)來體現(xiàn)夾層的彈性和非彈性變形，用擴(kuò)散方程來描述滯后夾層內(nèi)的水頭分布，從而使模型能夠很好地體現(xiàn)夾層的彈性和非

41、彈性壓縮，并能同時考慮夾層變形的滯后現(xiàn)象。 另外，本文依據(jù)大量鉆孔等資料、采用地質(zhì)體切片方法建立的三維地質(zhì)模型比傳統(tǒng)的地質(zhì)模型更能代表實(shí)際的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，更有利于分析和計算地面沉降。 該模型是西安市地面沉降研究以來的第一個地面沉降的耦合數(shù)值模型，對西安市地面沉降的防治、實(shí)現(xiàn)地下水的可持續(xù)開采利用具有十分重要的理論和實(shí)際意義。 本文利用所建的模型預(yù)測了現(xiàn)狀開采條件下未來20年的地下水位和地面沉降的變化，在此基礎(chǔ)上，提出了防治西安市地面沉降的五個地下水開采(回灌)方案，利用所建的地面沉降模型對各個設(shè)計方案其進(jìn)行了模擬和預(yù)報(方案三除外)，對預(yù)測結(jié)果的分析表明： 封停自備井是防治地面沉降最為直接和最有

42、效的對策，對防治地面沉降起著最為積極的作用； 采用人工回灌方法使被壓縮的土層得到的恢復(fù)是非常有限的，對地面沉降不能起到根治作用，只有回灌量明顯大于開采量時才能有一定的效果； “調(diào)整開采層次，在淺層取水”對防治地面沉降的效果十分明顯； 布設(shè)“砂井”可以增加對承壓含水層的越流補(bǔ)給量，從而可以有效地緩解和控制地面沉降的發(fā)生和發(fā)展； 對西安市的地下水開采，可在河流階地區(qū)、沖洪積扇區(qū)和黃土塬區(qū)分別采用1600m、2000m、1600m的井間距布置應(yīng)急自備井，分別采用2500m3/d、1500 m3/d和200 m3/d的單井開采量，開采第一承壓水，在平水年或者豐水年不開采，涵養(yǎng)地下水源，在枯水年啟動這些

43、應(yīng)急自備井開采，在輸出分析范圍內(nèi)共可獲得162000 m3/d(5913萬m3/a)開采量，可以有效地補(bǔ)充西安市的供水水源，緩解供水緊張局面，開采年(干旱年)開采導(dǎo)致的下降的水位可在停采34年后得到基本恢復(fù)，同時，這種開采方式不會造成大的地面沉降量。西安位于關(guān)中平原中部，是世界著名的文化古都之一。自上個世紀(jì)70年代至90年代末，由于地下水尤其是承壓水的超采，造成了地下水位的急劇下降，從而引發(fā)和加劇了嚴(yán)重的地面沉降。 地面沉降已成為困擾著西安的城市建設(shè)的地質(zhì)災(zāi)害之一，如何對其進(jìn)行防治是迫切需要解決的一個問題。地面沉降是一個復(fù)雜的流固耦合問題，研究地面沉降的一個重要的手段就是建立地下水一地面沉降數(shù)值模型來進(jìn)行定量地分析和計算，前人對西安地面沉降*的研究，雖然取得了一定的成果，但是大部分都停留在定性分析上，少數(shù)的定量分析也是建立在相對簡單的灰色動態(tài)關(guān)聯(lián)模型或者簡單的生物生長模型上，到目前為止尚未建立一個真正的地下水流和沉降的水土耦合數(shù)值模型。 本文從Leake提出的含水層內(nèi)的“夾層”理論出發(fā)，在Terzaghi有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上，分析了地下水流方程和土體變形方程耦合的機(jī)理，建立了由三維地下水