枣庄市十里泉电厂第三水源地地下水位年变幅灰色预测

贺敬，靳丰山，陈素玲

(1.山东省地质环境监测总站，山东 济南 250014；2.山东中医药大学，山东 济南 250355)

0 引言

随着我国经济社会的发展，对岩溶地区的地下水资源开发日益增强，大量抽取地下水导致许多地区都出现了岩溶塌陷地质灾害，尤其是在各类水源地影响范围内，易造成岩溶塌陷群发地质灾害，如湖南益阳2012年1—2月发生岩溶塌陷693起，严重威胁到了人民群众的生命财产安全，引起了社会的极大关注。我国岩溶塌陷分布广泛，从南到北，主要分布于辽宁、河北、江西、湖北、湖南、四川、贵州、云南、广东、广西等24个省区，山东省岩溶塌陷主要见于莱芜、泰安、枣庄等地。岩溶塌陷的发生条件包括下伏岩溶地层、松散盖层和水动力条件，而在前两者地质特征和状态基本确定的情况下，地下水位的动态变化就成了诱发岩溶塌陷的关键因素，因此，通过对地下水位变化的预测来分析岩溶塌陷地质灾害发展趋势，具有非常重要的研究意义。

灰色系统理论是1982年由我国学者邓聚龙提出的一种研究少数据、贫信息、不确定性问题的方法。灰色预测基于人们对系统演化不确定性特征的认识，运用序列算子对原始数据进行生成、处理，挖掘系统演变规律，建立灰色系统模型，对系统的未来状态作出科学的定量预测。该文将在以往地下水水位监测资料的基础上，利用灰色系统理论的GM(1,1)模型，对枣庄市十里泉电厂第三水源地的地下水位进行预测，确定年变幅及对岩溶塌陷的影响程度。

1 水源地概况

该水源地开采岩溶裂隙水，含水岩组为奥陶纪马家沟群灰岩，第四系厚度6～15m，主要由砂和砂砾组成，底部砾石层与灰岩直接接触(图1)，孔隙水与岩溶水联系密切，地下水的人工抽采对水位的影响较大。下伏灰岩岩溶裂隙发育，主要岩溶形态为裂隙和溶洞，呈蜂窝状，岩溶率大于25%，从补给区到排泄区岩溶发育由弱到强，岩溶发育深度一般小于200m，含水层厚度10～35m，富水性强。地下水水位标高多年平均45.41m左右，年变幅4～12m。

水源地位于中部，为山间剥蚀平原，北、西、南三面为剥蚀-溶蚀丘陵，地势西高东低、南北高中间低，地表分布有多个村庄。水源地补给条件良好，补给方式包括：上游河流通过岩溶裂隙直接补给；农业灌溉大面积入渗补给地下水；地下水通过透水断层的灰岩接触带进行补给；大气降水补给。地下水径流方向为由西向东。水源地为地下水的主要排泄区。水源地主要提供电厂生产用水、当地居民生活用水和农业用水，现状开采量为4120×104m3/a。

图1 水源地地质剖面示意图

该水源地的建成，打破了原有的岩溶地下水动平衡状态，在集中开采的各井组附近一定范围内形成地下水的降落漏斗，地下水位的下降，导致原有的土洞成负压状态，发生岩溶塌陷的可能性大大增加，但岩溶塌陷并不是必然结果。当抽取量与补给量达到平衡时，地下水位不再下降，积累于土洞中的负压将逐渐消失，土洞压力与地表压力将达成平衡，此时岩溶地面塌陷将不会发生。

但大规模开采地下水改变了该单元地下水的补、径、排条件，水位的年变幅范围也随之发生变动，当地下水动水位在下伏灰岩与第四系松散层的接触面上、下波动时，同样会引发岩溶塌陷地质灾害。

2 地下水位的灰色预测

水源地西部约1.5km处有一地下水位长期监测孔，孔位处地表高程为54.7m。根据该监测孔资料，得知2006—2011年地下水位变化情况(表1)。

表1 2006—2011年地下水位变化情况(m)

2.1 求模拟序列

2006—2011年最高水位原始数值序列

X(0)=(X(0)(1)，X(0)(2)，X(0)(3)，X(0)(4)，X(0)(5)，X(0)(6))

=(49.24，48.47，46.59，44.7，43.6，45.3)

引入一阶弱化算子D，令

X(0)D=(X(0)(1)d，X(0)(2)d，X(0)(3)d，X(0)(4)d，X(0)(5)d，

X(0)(6)d)

=(46.32，45.73，45.05，44.53，44.45，45.3)令为X

X的1-AGO序列为

X(0)=(X(1)(1)，X(1)(2)，X(1)(3)，X(1)(4)，X(1)(5)，X(1)(6))

=(46.32，92.05，137.10，181.63，226.08，271.38)

1-AGO的紧邻均值生成序列为

建立白化方程

按最小二乘法则，求得发展系数a和灰色作用量b：

=0.0033

因此可得时间响应函数：

依此计算得到时间响应序列并还原得到：

2.2 计算误差

平均相对误差

2.3 预测

根据时间响应函数

计算出

由此得到2012年和2013年该监测点最高地下水位的预测值分别为44.57m和44.43m。

同样的办法建立最低地下水位的GM(1,1)模型，计算求得发展系数a=0.0275和灰色作用量b=39.4907，平均相对误差为0.25%，预测得到2012年和2013年最低水位分别为33.03m和32.13m，地下水位年变幅将分别为11.54m和12.30m。对比2006—2011年数据，该监测孔地下水位年变幅将呈持续增加趋势。

3 预测结果分析

根据以上计算结果，地下水资源的开采，水源地造成地下水位的下降趋势，2012年和2013年监测孔处地下水位埋深变化区间分别为[10.14，21.67]和[10.27，22.57]，而水源地第四系厚度为6～15m，表明未来两年地下水位将持续在岩土接触面上下波动，当地下水位在岩土接触面附近波动时，极易产生土洞或天窗，这是岩溶地面塌陷形成的先决条件，在岩溶水的冲蚀掏空作用下，土洞顶部土体不断坍塌，顶面向地表移动，盖层逐渐变薄，在土体自重和真空负压作用下，发生岩溶塌陷。

监测资料显示，该水源地地下水位总体呈下降趋势，说明地下水的补给量和抽取量还没有达到平衡，可能在很长时间内，将保持下降势态，那么，随着地下水资源的开采，该水源地的岩溶塌陷存在以下可能：①地下水位持续在岩土接触面波动，在地下水的往复作用下，土层机构被破坏，潜蚀和吸蚀的交替出现，诱发岩溶塌陷；②地下水位波动范围也将逐渐远离岩土和土体的接触面，真空负压逐渐累积，最终导致岩溶塌陷；③地下水位达到平衡状态，真空负压释放完毕，水源地内发生岩溶塌陷的可能性降低，外围地区可能发生岩溶塌陷。

4 结语

地下水位的变化，受到多方面因素的影响，在雨季地下水位会上升，尤其是在暴雨后，地下水位会出现短时间大幅度回升，对预测结果造成一定的偏差，但是不会改变水位变化的总体趋势，地下水位年变幅的灰度预测利用过去6年的水位监测资料，预测了2012年和2013年的水位区间，通过对预测成果叠代，可对以后多年的地下水位进行预测，并可根据实际监测资料对预测结果进行验证和修正。通过预测结果，研究未来几年岩溶塌陷的发展趋势，为行政主管部门制定水源地开采规划、地质灾害防治规划和防灾减灾措施提供依据。

参考文献：

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