基于Processing MODFLOW抽取地下水引起的地面沉降機理研究

高鈞亮 朱文龍 陳佳麗

摘 要：隨著沿海地區地下水開采量逐漸增加，導致愈發嚴重。針對開采地下水引起地面沉降的現象，以南京某地區為例，采用有限差分軟件與地下水三維滲流與地面沉降耦合模型計算軟件Processing MODFLOW，進行抽取地下水引起的地面沉降預測。研究結論：過量開采地下水是造成地面沉降現象的主要人為因素。地面沉降分布范圍與地下水位降落漏斗基本一致，且地面沉降的降幅隨時間的延續而減少。

關鍵詞：地面沉降；地下水；耦合模型；沉降預測；降落漏斗

地面沉降又稱為地面下沉或地陷。它是由于人類工程經濟活動的影響，導致地下松散的土層固結壓縮，從而使得地殼表面某一局部范圍內高程減少的運動。在經濟發達、人口密集、生產活動量大、工業發展水平高的地區，由于人為長期的開采地下水打破了自然的平衡，地面沉降現象越嚴重。

地面沉降容易導致各類地質災害，對生態保護與經濟發展有嚴重的破壞性。對于沿海城市，地面沉降容易導致海水入侵，腐蝕地下管道與建筑，對人員經濟傷害極大。據有關數據顯示，如今地下水開采量在每年25億立方米，沉降量超過200毫米的區域面積已經達到10000平方公里，因此對地面沉降進行預測和控制尤為重要。

1 研究區概況

研究區地基土主要分為三類，素填土、粉質粘土與風化砂巖。地下水類型主要為孔隙型潛水，主要賦存于素填土中。孔隙潛水初見水位埋深0.76-1.27m，穩定水位埋深1.55-2.12m（高程10.91-11.38m）。

2 地下水數值模擬模型的建立

2.1 Processing MODFLOW（PMWIN）的概述

地下水流動模擬軟件Processing MODFLOW可以對三維水流方程和一維固結方程相結合的完全耦合模型進行有限差分法求解，用來描述并預測地下水流系統的運動。軟件中有許多代碼，代碼被分解成許多模塊，每個模塊處理一個特定的問題。

抽取地下水引起地面沉降機理研究功能主要由interbed storage來實現。通過觀察在地下水的運動條件下，細顆粒土體從彈性與非彈性壓縮，再到可壓縮狀態的變化過程，測出沉降量。

2.2 地下水為下降條件下的地面沉降與水頭分布范圍

抽水井工作一段時間，地下水位下降，停止抽水。抽水結束后，由圖1，模型的初始水頭定為9m，在抽水期后，抽水點處的水頭降為7.61m，以抽水點處為中心點，等水頭線呈環形向外輻射延伸。由圖2，抽水點處沉降量為-20.76E-08m，等沉降線從抽水點處向外輻射延伸，且水頭分布與沉降分布基本一致。

2.3 不同開采量條件下沉降量與時間因素

當改變抽水量分別為1.5m3/d、3m3/d、4.5m3/d，2011年-2015年每年的沉降量為5.79、2.89、1.93、1.45、1.16；4.91、1.98、1.64、1.23、0.69；3.8、2.02、

1.34、1.01、0.8。（單位E-08m）

可看出在不同開采量條件下，沉降量變化情況基本一致。前兩年沉降量變化明顯，但各年沉降均呈遞減趨勢。即隨年份增長，土壤沉降量逐漸趨于平緩。

因此土體被壓縮后，其壓縮性能明顯降低。所以，當含水層水位逐年降低時，土體沉降量也在逐年降低。從理論上講，在水位降深一定的情況下，地面沉降的幅度隨時間的延續而減少，最終趨于穩定。即地面沉降現象不會隨時間增長無限延續。

2.4 沉降量與開采量的變化關系

在第三年5月，抽水量呈趨勢性增加與沉降量變化關系。當開采量分別為1.5m3/d、3m3/d、4.5m3/d、6m3/d、7.5m3/d、9m3/d，對應的沉降量為1.55、5.26、8.98、12.69、16.4、20.1。（單位：E-08m）記開采量為A，沉降量為B，則對應的A2為2.25、9、20.25、36、56.25、81；B2為2.4025、27.6676、80.6404、161.0361、268.96、404.01；AB為2.325、15.78、40.41、76.14、123、180.9。

積差法測定相關系數的計算公式：γ=δAB2/δAδB 1）

將數據帶入公式，可得：

δAB2=（（204.75-31.5×31.5/6）×（944.7166-64.98×64.98/6））1/2=97.41001

δAδB=438.555-31.5×64.98/6=97.41

因此γ的值十分接近1，當相關系數在0.8-1之間時，表示A、B兩個變量高度相關。此時，地下水開采量與地面沉降量呈高度正相關關系，所以計算結果表明，地面沉降與地下水開采關系密切。從數據增長趨勢也可看出，隨著開采量的增加，沉降量呈直線性增加，也可說明，過量開采地下水是造成地面沉降現象的主要人為因素，也間接證明了軟件模擬的正確性。

3 結論

1）由于抽水點處含水層水壓降幅大，水位下降快，因此越靠近抽水處，水頭值越小。且越靠近抽水點處孔隙水壓力下降得越快，土壤有效應力呈趨勢性增加，因此越靠近抽水點，沉降量越大。因此，抽水點是水頭值最小的點，也是沉降量最大的點。且最終沉降量分布情況與水頭分布情況基本一致，均呈環形漏斗分布于抽水處周圍。

2）地面沉降現象不會隨時間增長無限延續。由于土體顆粒具有可塑性，因此當土體被壓縮后，土體既受到塑性變形，又受到彈性變形，且其壓縮性也會降低。因此在釋水前期，土體被壓縮，隨時間推移，壓縮量會減小，沉降量增量隨年份增長降低。

3）地面沉降量與地下水開采量呈高度正相關關系，即過量抽取地下水是加劇地面沉降現象的主要原因。此結論從一定程度上證明了Processing MODFLOW軟件模擬的正確性。

作者簡介：高鈞亮（1995-），女，漢族，江蘇南通人，學生，本科，工程管理專業，研究方向：管理科學與工程。