基于Processing MODFLOW抽取地下水引起的地面沉降机理研究

高钧亮 朱文龙 陈佳丽

摘 要：随着沿海地区地下水开采量逐渐增加，导致愈发严重。针对开采地下水引起地面沉降的现象，以南京某地区为例，采用有限差分软件与地下水三维渗流与地面沉降耦合模型计算软件Processing MODFLOW，进行抽取地下水引起的地面沉降预测。研究结论：过量开采地下水是造成地面沉降现象的主要人为因素。地面沉降分布范围与地下水位降落漏斗基本一致，且地面沉降的降幅随时间的延续而减少。

关键词：地面沉降；地下水；耦合模型；沉降预测；降落漏斗

地面沉降又称为地面下沉或地陷。它是由于人类工程经济活动的影响，导致地下松散的土层固结压缩，从而使得地壳表面某一局部范围内高程减少的运动。在经济发达、人口密集、生产活动量大、工业发展水平高的地区，由于人为长期的开采地下水打破了自然的平衡，地面沉降现象越严重。

地面沉降容易导致各类地质灾害，对生态保护与经济发展有严重的破坏性。对于沿海城市，地面沉降容易导致海水入侵，腐蚀地下管道与建筑，对人员经济伤害极大。据有关数据显示，如今地下水开采量在每年25亿立方米，沉降量超过200毫米的区域面积已经达到10000平方公里，因此对地面沉降进行预测和控制尤为重要。

1 研究区概况

研究区地基土主要分为三类，素填土、粉质粘土与风化砂岩。地下水类型主要为孔隙型潜水，主要赋存于素填土中。孔隙潜水初见水位埋深0.76-1.27m，稳定水位埋深1.55-2.12m（高程10.91-11.38m）。

2 地下水数值模拟模型的建立

2.1 Processing MODFLOW（PMWIN）的概述

地下水流动模拟软件Processing MODFLOW可以对三维水流方程和一维固结方程相结合的完全耦合模型进行有限差分法求解，用来描述并预测地下水流系统的运动。软件中有许多代码，代码被分解成许多模块，每个模块处理一个特定的问题。

抽取地下水引起地面沉降机理研究功能主要由interbed storage来实现。通过观察在地下水的运动条件下，细颗粒土体从弹性与非弹性压缩，再到可压缩状态的变化过程，测出沉降量。

2.2 地下水为下降条件下的地面沉降与水头分布范围

抽水井工作一段时间，地下水位下降，停止抽水。抽水结束后，由图1，模型的初始水头定为9m，在抽水期后，抽水点处的水头降为7.61m，以抽水点处为中心点，等水头线呈环形向外辐射延伸。由图2，抽水点处沉降量为-20.76E-08m，等沉降线从抽水点处向外辐射延伸，且水头分布与沉降分布基本一致。

2.3 不同开采量条件下沉降量与时间因素

当改变抽水量分别为1.5m3/d、3m3/d、4.5m3/d，2011年-2015年每年的沉降量为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。（单位E-08m）

可看出在不同开采量条件下，沉降量变化情况基本一致。前两年沉降量变化明显，但各年沉降均呈递减趋势。即随年份增长，土壤沉降量逐渐趋于平缓。

因此土体被压缩后，其压缩性能明显降低。所以，当含水层水位逐年降低时，土体沉降量也在逐年降低。从理论上讲，在水位降深一定的情况下，地面沉降的幅度随时间的延续而减少，最终趋于稳定。即地面沉降现象不会随时间增长无限延续。

2.4 沉降量与开采量的变化关系

在第三年5月，抽水量呈趋势性增加与沉降量变化关系。当开采量分别为1.5m3/d、3m3/d、4.5m3/d、6m3/d、7.5m3/d、9m3/d，对应的沉降量为1.55、5.26、8.98、12.69、16.4、20.1。（单位：E-08m）记开采量为A，沉降量为B，则对应的A2为2.25、9、20.25、36、56.25、81；B2为2.4025、27.6676、80.6404、161.0361、268.96、404.01；AB为2.325、15.78、40.41、76.14、123、180.9。

積差法测定相关系数的计算公式：γ=δAB2/δAδB 1）

将数据带入公式，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，当相关系数在0.8-1之间时，表示A、B两个变量高度相关。此时，地下水开采量与地面沉降量呈高度正相关关系，所以计算结果表明，地面沉降与地下水开采关系密切。从数据增长趋势也可看出，随着开采量的增加，沉降量呈直线性增加，也可说明，过量开采地下水是造成地面沉降现象的主要人为因素，也间接证明了软件模拟的正确性。

3 结论

1）由于抽水点处含水层水压降幅大，水位下降快，因此越靠近抽水处，水头值越小。且越靠近抽水点处孔隙水压力下降得越快，土壤有效应力呈趋势性增加，因此越靠近抽水点，沉降量越大。因此，抽水点是水头值最小的点，也是沉降量最大的点。且最终沉降量分布情况与水头分布情况基本一致，均呈环形漏斗分布于抽水处周围。

2）地面沉降现象不会随时间增长无限延续。由于土体颗粒具有可塑性，因此当土体被压缩后，土体既受到塑性变形，又受到弹性变形，且其压缩性也会降低。因此在释水前期，土体被压缩，随时间推移，压缩量会减小，沉降量增量随年份增长降低。

3）地面沉降量与地下水开采量呈高度正相关关系，即过量抽取地下水是加剧地面沉降现象的主要原因。此结论从一定程度上证明了Processing MODFLOW软件模拟的正确性。

作者简介：高钧亮（1995-），女，汉族，江苏南通人，学生，本科，工程管理专业，研究方向：管理科学与工程。