地表地下水综合系统的建立和地下含水层的可持续利用.pdf

地表地下水综合系统的建立和 地下含水层的可持续利用 马捷张建栋龙鹏 (上海交通大学船舶海洋与建筑学院，上海200030) 摘要社会对于地下水的依赖程度越来越大，部分地区和城市的规划管理失当，造成地 下水的过量开采以至地下含水层的淡水系统破坏和地下水水源枯竭，甚至造成地面沉降的 后果。地下水的开采与补给不相适应，大部分地区尚未采取地面水主动人工回灌补充地下 含水层的措施，使局部的地下含水层形成了永久性破坏。为了让地下含水层成为理想的储 水库、清洁的滤水器毒口范固广阔的输水管网，有曲要保持地下含水层的可持续稍用状态， 有效的途径是将地表水同地下水紧密连接，形成综合的一体化系统，按照一个整体进行统 筹安排，实现地表水同地下水的相互交流和有序流动。 关键词地下含水层}地表地下水；综合系统；可持续利用 1 过量开采地下水造成了危害 世界人口急剧膨胀，大量人口进入城市，城市人均用水量持续增加。工业农业的水耗 费达到了惊人的程度，河流系统过度开发，人为的污染和改道造成了难以逆转的损害+地 下水位不断下降，地下含水层入不敷出，难以为继。水的开发、永的管理和水的保护成了 刻不容缓的任务。整个世界的水资源都不充足，地球大部分面积覆盖着水，只有2．53％ 的水是供人类利用的淡水，2025年世界将有一半的人口处于缺水的状态．缺水和水资源 紧张的地区甚至还会扩大。占地球上水圈2．53％的淡水总量中，68．69％是远离人类生活 的冰川水，30．06％为地下水，1．25％为其他淡水。在其他淡水中，还有土壤水、大气水、 沼泽水、生物水等其他成分。与人相近的河流水仅占o．006％，湖泊淡水仅占o．26％。总 之，可利用的淡水在淡水总储量中仅占o．3％，其主体是地下水。 按照人均计算，2003年的水资源人均拥有量是世界人均水平的1／4。预计，2030年 我国人均水资源量将降到接近用水紧张国家的标准线。部分地区和城市的规划管理失当， 造成地下水的过量开采以至发生水源桔竭、地下含水层疏干、地下含水层压密以至地面沉 降，我国已有96个城市和地区发生了不同程度的地面沉降，其中约80％分布在沿海地 区。从黑龙江到海南岛沿海地区均出现了地面沉降，每年沉降量10～56ram，累计沉降量 0．460～2．70m。据查，我国地面沉降的主要原因不是地壳活动、地表动静荷载、工程建 设和自然作用，不合理地开采地下水造成了大面积的地面沉降。长江、黄河和珠江三角 洲、松辽平原和环渤海地区及东南沿海平原的大多数城市，地面沉降都在大面积发生和发 487 展之中‘“。 地面沉降的危害不可轻视t损失地面标高造成了雨季地表积水，防泄洪能力下降；建 筑物的地基破坏，损坏了城市设施；桥下净空变小，影响泄洪和航运}地下水位升高导致 了土地盐碱化。 2地面沉降的机理 2．1地面沉降的形成机制 大量开采地下水，破坏了土层中水、土压力平衡，地层中孔隙水压力降低。如果抽水 过程中含水层上覆载荷的总应力不变，孔隙水压力由于水位的下降而减小，导致土中有效 应力的等量增大，原来由水体承担的一部分压力转向由土骨架承担，骨架由于附加的有效 应力而受到压缩；土体颗粒的压缩量与孔隙的压缩量相比可以忽略不计．骨架的压缩实际 上是含水层孔隙的压缩，其外在形式表现为地面下沉。 潜水宙水层又叫无压含水层，它的上部边界是潜水面。对于潜水含水层，水位的下降 就意味着含水层的疏千和压密，疏干的水量所占据的体积也就是产生地面沉降的体积。 承压含水层的上部帮下部均为隔水层所封闭。抽取堍下水产生东位下降并不意味着承 压含水层的疏于，而只是说明含水层中孔隙水的压力降低。如果地下水补给较快，在含水 层产生压缩变形之前已经补足了开采的水量，不会产生明显的地面沉降，而仅仅产生抽水 瞬时形变。过量开采使地下水不能及时补给，水位不断下降，原来由孔隙水承担的荷载转 向含水层骨架承担，含水层骨架就会由于附加荷载而受到压缩，甚至固结，产生永久性地 面沉降。 2．2地面沉降和回弹膨胀过程的应力一应变本构律 室内实验和大量的现场实测数据表明，在类似含水层的多孔介质中，抽水压密变形往 往是一种复杂的非弹性变形过程，适用于粘弹性沉降模型o]。 以租中砂为试样的实验表明，在抽水的一开始，有效应力随着地下水位的下降里线性 增长，含水层骨架的压密变