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關鍵詞：河套灌區(qū)；水資源；聯(lián)合利用；GAMS
中圖分類號：TV213文獻標識碼：A文章編號：16721683（2013）03001205
內(nèi)蒙河套灌區(qū)是黃河流域特大型灌區(qū)之一，降水稀少、蒸發(fā)強烈，屬于干旱、半干旱地區(qū)。灌區(qū)現(xiàn)有灌溉面積57.4 萬hm2，多年平均引黃水量51.8億m3/a。作為工業(yè)、生活重要水源的地下水主要靠引黃灌溉入滲補給，淺層地下水屬于典型的入滲蒸發(fā)型，水分以垂直運動為主。隨著節(jié)水改造工程的逐步落實，內(nèi)蒙河套灌區(qū)的引黃指標將限定為40億m3/a。在引黃水量的日益減少和人口、經(jīng)濟不斷增長的情況下，灌區(qū)水資源供需矛盾更加突出。同時，由于地下水資源利用率較低，造成了區(qū)域土壤次生鹽漬化，影響了灌區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，如何有效利用有限的水資源，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，成為內(nèi)蒙河套灌區(qū)亟待解決的首要問題[1]。
本文首先對灌區(qū)現(xiàn)狀水資源供需進行了平衡分析，并根據(jù)河套灌區(qū)中長期規(guī)劃和水資源利用特點，建立了適合河套灌區(qū)的水資源聯(lián)合利用優(yōu)化模型，選擇2030年作為規(guī)劃年，對兩種情景下的水資源聯(lián)合利用方案進行了分析，并模擬了規(guī)劃年的地下水埋深動態(tài)變化。
1現(xiàn)狀水資源供需平衡
根據(jù)灌區(qū)多年的引黃資料統(tǒng)計，河套灌區(qū)總干渠首多年平均引黃能力達到54.7億m3/a，干渠實際引水能力為51.8億m3/a，而分配到各灌域總的引水量為48.2億m3/a。河套灌區(qū)現(xiàn)有灌溉面積為57.4 萬hm2，按河套灌區(qū)總干渠續(xù)灌、干渠及以下渠道輪灌的實際情況以及灌區(qū)實測渠道水利用系數(shù)，各級渠道按面積加權(quán)得出的現(xiàn)狀渠系水利用系數(shù)為042～0.46，灌溉水利用系數(shù)為0.30～0.36，引黃水量全部用于灌溉。灌區(qū)多年平均地下水開采水平較低，除了城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、牲畜飲用水和工業(yè)用水之外，在灌區(qū)小片分布有井灌區(qū)。根據(jù)表1多年平均供需平衡分析結(jié)果，灌區(qū)地表水全部用于灌溉，灌區(qū)多年平均地下水開采量為1.48億m3/a，地下水利用率僅為144%。
另外，根據(jù)國家和地方的黃河水資源分配方案，初步確定內(nèi)蒙河套灌區(qū)節(jié)水改造工程實施后，引黃水量指標為40億m3/a。表1灌區(qū)水資源多年平均供用平衡分析結(jié)果
Table 1The annual average supply and demand balance of water resources in the irrigation district （unit：108 m3）億m32灌區(qū)水資源聯(lián)合利用模型
河套灌區(qū)主要靠引用黃河水進行農(nóng)業(yè)灌溉，隨著黃河水資源的日益減少，再加上分配給灌區(qū)的引黃水量將限制在40億m3/a，其勢必影響灌區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展。另外，灌區(qū)地表水和地下水水力聯(lián)系密切，且相互影響，灌區(qū)地下水主要靠引水渠系滲漏和田間灌溉入滲補給，因此，引黃水量的多少直接影響地下水的補給量，進而影響地下水的可開采量及地下水埋深；而在需水量一定的情況下，地下水可供水量同時也決定著引水量的多少。因此本文從河套灌區(qū)的實際出發(fā)，通過建立的優(yōu)化模型對各個分區(qū)各個時段的地表水和地下水進行統(tǒng)一調(diào)配[26]，使得在既能滿足各行業(yè)需水量又能充分利用地下水的前提下，總的引用黃河水量最小。
2.1變量設置
灌區(qū)內(nèi)工業(yè)、生活及牲畜用水以開采地下水為主，引用的黃河水主要是進行農(nóng)業(yè)灌溉，生態(tài)用水包括城鎮(zhèn)綠化、生活服務用水和淋鹽保墑用水，在計算時城鎮(zhèn)綠化、生活服務用水歸入到城鎮(zhèn)生活用水里，而淋鹽保墑用水屬于秋澆水被分配給農(nóng)業(yè)用水。因此，各灌域的用水行業(yè)包括城鎮(zhèn)生活用水、農(nóng)村生活用水、牲畜用水、工業(yè)用水及農(nóng)業(yè)用水，分別用XT、XV、XL、XI和XA表示。后綴GW表示使用地下水源，SW表示使用地表水源，下標i、t表示第i分區(qū)t時段上述各用水行業(yè)分配的水量（i=1，2，3，4，5，分別代表一干灌域、解放閘灌域、永濟灌域、義長灌域和烏拉特灌域；t=1，2，…，12，代表月份）。
2.2目標函數(shù)
在滿足各約束條件下，目標函數(shù)即為引水量最小，用公式表示為：
minf（x）=min∑51i=1∑121t=1XASWi，t（1）
式中：XASWi，t為第i分區(qū)t時段引黃水量（萬m3）；
2.3約束條件
（1）供水約束。
a.地表水可供水量約束。計算中各分區(qū)內(nèi)地表用水量不能超過優(yōu)化水平年可供地表水量，因而形成如下約束條件：
∑121t=1XASWi，t≤SWi（2）
∑51i=1SWi≤SQW（3）
式中：SWi為第i分區(qū)地表水可供水量（萬m3）；QSW為灌區(qū)總的引水量（萬m3）。
b.地下水可供水量約束。要求地下水開采量不能超過各分區(qū)地下水可開采量。而地下水可開采量可由地下水補給量乘以開采系數(shù)確定。另外，根據(jù)地下水礦化度的不同每個分區(qū)又分成k個小區(qū)：
XTGWi，t+XVGWi，t+XLGWi，t+XIGWi，t+
XAGWi，t≤GWi，t（4）
GWi，t=
∑K1k=1（100αiPi，t+XASWi，tβi+XASWi，tηiγi+Qmi，t+Qyi，t1Fi）?Fi，kCi，k（5）
a.生活用水約束。水資源的合理分配是在滿足資源約束的條件下，首先要達到人民生活用水的要求。根據(jù)用水標準分為城鎮(zhèn)生活用水、農(nóng)村生活用水和牲畜用水：
城鎮(zhèn)XTGWi，t≥QTRGWi，t（6）
農(nóng)村XVGWi，t≥QVRGWi，t（7）
牲畜XLGWi，t≥QLRGWi，t（8）
式中：QTRGWi，t、QVRGWi，t、QLRGWi，t分別為第i分區(qū)t時段城鎮(zhèn)生活需水量、農(nóng)村生活需水量和牲畜需水量（萬m3）。
b.農(nóng)業(yè)用水約束。為保證農(nóng)作物生長需要，各分區(qū)抽取的地下水量和引地表水灌溉水量應最大程度地滿足農(nóng)作物需水量[7]。因而形成如下約束條件：
Mj，t，min≤XAWi，j，t1Aj≤Mj，t，mix（9）
∑J1j=1XAWi，j，t=XASWi，t+XAGWi，t（10）
式中：XAWi，j，t為第i分區(qū)t時段j作物的用水量（萬m3）；Aj為j作物的種植面積（km2）；Mj，t，min、Mj，t，max為j作物t時段最小、最大灌水定額。
c.工業(yè)用水約束。為了維持工業(yè)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各分區(qū)工業(yè)供水量應滿足下列約束條件：
QIRWi，t，min≤XIGWi，t≤QIRWi，t，max（11）
式中：QIRWi，t，min、QIRWi，t，max為第i分區(qū)t時段工業(yè)最小、最大需水量（萬m3）。
（3） 地下水位約束。
為防止由于地下水位上升或地下水位下降導致土壤鹽漬化與沙漠化，必須將地下水位調(diào)控在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)河套灌區(qū)土壤、植被等狀況，設定灌區(qū)地下水適宜埋深為3 m[1，8]。另外，河套灌區(qū)地下水交換以垂向為主。因此，在忽略分區(qū)之間水平方向水量交換的前提下，第i分區(qū)地下水位約束可用如下不等式表示：
Hi，min≤Hi，t+1≤Hi，max（12）
Hi，t+1=Hi，t+αiPi，t1μi+
XASWi，tβi+XASWi，tηiγi+XAGWi，tθi1100ηiFi-εi，t-
XTGWi，t+XVGWi，t+XLGWi，t+XIGWi，t++XAGWi，t1100ηiFi（13）
式中：Hi，min為第i分區(qū)允許最低水位值（m）；Hi，max為第i分區(qū)允許最高水位值（m）；θi為第i分區(qū)井灌回歸系數(shù)；εi，t為第i分區(qū)t時段最低水位與最高水位之間蒸發(fā)強度（m3/m2）；μi為第i分區(qū)含水層給水度。
（4）渠溝過水能力約束。
a.引水渠道過水能力約束。
XASWi，t≤CWBi，max（14）
式中：CWBi，max為第i分區(qū)引水渠道最大過水能力（萬m3）。
b.總排干溝過水能力約束。
（XTGWi，t+XVGWi，t+XLGWi，t+XIGWi，t+XAGWi，t）?
Pdc≤DWBdc，max（15）
式中：DWBdc，max-總排干溝最大過水能力（萬m3）；Pdc-排水系數(shù)。
（5）井灌開采能力約束。
XTGWi，t+XVGWi，t+XLGWi，t+XIGWi，t+
XAGW≤COWi（16）
式中：COWi為第i分區(qū)開采井開采能力總和。
（6）非負性約束。
XTGWi，t、XVGWi，t、XLGWi，t、XIGWi，t、
XAGWi，t≥0 （17）
2.4模型求解
GAMS通用數(shù)學模型系統(tǒng)是世界銀行與美國GAMS開發(fā)公司在20世紀90年代初開發(fā)的一種旨在建立和解決大型復雜數(shù)學規(guī)劃問題的高級計算機軟件。它面向分析解決綜合問題的計算機用戶，巧妙地融合了關系數(shù)據(jù)技術與數(shù)學規(guī)劃理論，使應用中相互關聯(lián)的數(shù)學模型與數(shù)據(jù)彼此獨立，從而為用戶在模型、算法和數(shù)據(jù)之間提供了一個便捷的接口。另外，它不需花費太多時間和精力去研究模型的算法，從而避免了動態(tài)規(guī)劃中“維數(shù)災”的障礙。
任何一個GAMS程序都由集合、數(shù)據(jù)、模型、求解、報告5個部分，如表2所示。利用這些語句再與一般的算術運算內(nèi)部函數(shù)、基本設置及用戶界面環(huán)境相結(jié)合，便可構(gòu)成一個完整的模型系統(tǒng)[910]。
表2GAMS語言基本語句
Table 2Basic sentences of GAMS language
類型1命令1意義集合1SETS1集合的定義與賦值1SCALAR1單參數(shù)的定義與賦值數(shù)據(jù)1PARAMETERS1多維參數(shù)組的定義與賦值1TABLE1多維參數(shù)表的定義與賦值1VARIABLES1變量定義模型1EQUATION1方程定義1MODEL1模型定義求解1SOLVE1模型求解1DISPLAY1數(shù)據(jù)輸出報告1FILE1數(shù)據(jù)輸出路徑及文件名定義1PUT1數(shù)據(jù)輸出至指定文件3水資源聯(lián)合利用方案分析
針對灌區(qū)水資源利用特點及節(jié)水改造工程實施情況，本文設置了2種聯(lián)合利用方案。第一種方案是考慮節(jié)水工程改造和配套設施完善等進展情況，尤其是井渠結(jié)合灌溉面積的增加速度不可能過快。在滿足各行業(yè)需水（包括地表需水和地下需水）條件下，河套灌區(qū)最小的引黃水量，本方案比較切合實際，命名為C1聯(lián)合利用方案。第二種方案是考慮引黃水量受到限制（甚至不足40億m3/a）時，增加井渠結(jié)合灌溉區(qū)域的面積，通過抽取地下水灌溉，以彌補地表水不足。該情況需要調(diào)整地區(qū)的發(fā)展模式，提高地下水開采能力，實施周期較長，本方案命名為C2聯(lián)合利用方案。
另外，根據(jù)灌區(qū)中長期規(guī)劃，設定2030年為規(guī)劃年，規(guī)劃年各部門需水量均根據(jù)當?shù)叵嚓P部門發(fā)展規(guī)劃計算得來。
3.1C1聯(lián)合利用方案分析
利用本文建立的灌區(qū)水資源聯(lián)合利用模型，對C1聯(lián)合利用方案進行了水資源優(yōu)化配置，供需平衡分析結(jié)果見表3，地下水埋深模擬結(jié)果見圖5。
3.2C2聯(lián)合利用方案分析
4結(jié)論
（1）兩種聯(lián)合利用方案下規(guī)劃年2030年引黃水量分別為39.66億m3/a和36.42億m3/a，比多年平均減少了約18%和24%，而地下水利用率則分別提高了約67%和72%。因此，在合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局、優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)、采用先進灌溉技術、加強井渠結(jié)合灌溉、提高地下水利用率、協(xié)調(diào)分配各灌域引黃水量，以及全面落實續(xù)建配套與節(jié)水改造工程等前提條件下，可以在引黃水量減少的情況下維持灌區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。
（2）本文所計算的地下水供水量，不僅包括了礦化度
（3）從規(guī)劃年供需平衡分析結(jié)果來看，部分灌域由于工業(yè)需水量的急劇增加，從而使得地表水有余，而地下水不足。因此，除了使用節(jié)水新技術和新設備、提高工業(yè)水的重復利用率外，也可以通過水權(quán)置換，把一部分地表水轉(zhuǎn)讓給用水量較大的工業(yè)，從而避免出現(xiàn)集中開采所導致的一系列生態(tài)環(huán)境問題。
參考文獻（References）：
[1]王倫平，陳亞新，曾國芳.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)灌溉排水與鹽堿化防治[M].北京：水利水電出版社，1993.（WANG Lunping，CHEN Yaxin，ZENG Guofang.Irrigation，Drainage and Salinization Control in Hetao Irrigation District of Inner Mongolia[M].Beijing：China Water Power Press，1993.（in Chinese））
[2]馬斌，解建倉，汪妮，等.多水源引水灌區(qū)水資源調(diào)配模型及應用[J].水利學報，2001，（9）：5963.（MA Bin，XIE Jiancang，WANG Ni，et al.Optimal Operation Model for Multireservoir in Irrigation Area and Its Application[J].Journal of Hydraulic Engineering，2001，（9）：5963.（in Chinese））
[3]楊慶娥，李恒太，王曉琳，等.邯鄲市南水北調(diào)供水區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)度研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2007，5（4）：3739.（YANG Qinge，LI Hengtai，WANG Xiaolin，et al.Study on Joint Optimal Operation of MultiSource Water Supply of SouthtoNorth Water Transfer Project in Handan[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2007，5（4）：3739.（in Chinese））
[4]Bharati L.，Rodgers C.，Erdenbergere T.，et al.Integration of Economic and Hydrologic Mmodels：Exploring Conjunctive Irrigation Wwater Use Strategies in the Volta Basin[J].Agricultural Water Management，2008，95（8）：925936.
[5]Safavi H.R.，Darzi F.，Marino M.A.SimulationOptimization Modeling of Conjunctive Use of Surface Water and Groundwater[J].Water Resources Management，2010，（24），19651988.
[6]吳麗，田俊峰.區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與用水協(xié)調(diào)的優(yōu)化模型及評價.南水北調(diào)與水利科技，2011，9（4）：5154.（WU Li，TIAN Junfen.Optimal Model of Coordination between Industrial Structure and Water Resources Utilization as well as its Evaluation[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2011，9（4）：5154.（in Chinese））
[7]Bogachan Benli，Suleyman Kodal.A Nonlinear Model for Farm Optimization with Adequate and Limited Water Supplies Application to the Southeast Anatolian Project （GAP） Region[J].Agricultural Water Management，2003，62：187203.
[8]趙鎖志，孔凡吉，王喜寬，等.地下水臨界深度的確定及其意義探討―以河套灌區(qū)為例[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報，2008，29（4）：164197.（ZHAO Suozhi，KONG Fanji，WANG Xikuan，et al.Confirming of Critical Depth of Groundwater Level and Discussion on its SignificanceTake Hetao Irrigation Area for Example[J].Journal of Inner Mongolia Agricultural University，2008，29（4）：164197.（in Chinese））
關鍵詞：地下水脆弱性；分布特征；演化特征；地下水位
evolution features and respond to groundwater depth variationof groundwater vulnerability in north china plain
meng su-hua, fei yu-hong, zhang zhao-ji, qian yong, li ya-song, liu zhong-pei
(the institute of hydrogeology and environmental geology, cags, shijiazhuang 050061, china)
abstract: groundwater depth was increased due to extensive exploitation and utilization of groundwater, and led to the variation of groundwater vulnerability, which have guidance meaning for taking rational measures to protect groundwater. using the improved drastic model to assess groundwater vulnerability of 1959，1984 and 2005, the results showed that groundwater vulnerability of north china plain were mainly moderate, low and high, the very low and very high vulnerability were of small proportion. comparing with 1959, the area of very low and low vulnerability expanded, while area of moderate, high and very high vulnerability reduced in 2005. change rate of groundwater vulnerability areas from 1984 to 2005 was faster than that from 1959 to 1984. the degree that groundwater vulnerability decreases is positive correlation with water table decline.
key words: groundwater vulnerability；distribution features；evolution features；groundwater level
1968年法國的margat［1］首次提出地下水脆弱性的概念，在其后幾十年間各國學者從不同角度給出了不同的定義。1993年美國國家科學研究委員會［1］給出了比較廣泛認可的地下水脆弱性定義:污染物到達最上層含水層之上某特定位置的傾向性與可能性。與此同時,這個委員會將地下水脆弱性分為兩類:本質(zhì)脆弱性和特殊脆弱性。本質(zhì)脆弱性指不考慮人類活動和污染源而只考慮水文地質(zhì)內(nèi)部因素的脆弱性，它具有相對靜態(tài)、不可變和人為不可控制性。但由于人類活動對地下水環(huán)境的長期強烈累計影響，使影響地下水脆弱性的某些因子的狀況發(fā)生變化，使地下水脆弱性在空間和時間上發(fā)生演變［2］。
地下水脆弱性評價是地下水資源保護和管理的重要依據(jù)，它作為一種預防地下水污染的重要手段已被廣泛運用到水井水源地的保護和流域地下水資源的綜合管理之中［3］。本文對華北平原1959年、1984年和2005年的地下水脆弱性進行了評價和對比分析，探討了華北平原地下水本質(zhì)脆弱性在人類活動影響下的時空演變特征及對埋深變化的響應。
1 研究區(qū)背景
華北平原位于
將drastic模型直接應用到華北平原地下水脆弱性評價中，難以獲得高質(zhì)量評價結(jié)果。有些參數(shù)對研究區(qū)地下水脆弱性評價并無實際意義，如在本區(qū)，地勢平坦，地形坡降由山前1‰～2‰變?yōu)闁|部濱海平原的0.1‰～0.2‰，按照drastic方法的評分標準［9］，全研究區(qū)的地形參數(shù)評分均為10分，故可不考慮。另外華北平原土壤類型比較單一，也可不考慮。含水層介質(zhì)用含水層累積厚度代替，含水層累積厚度指含水系統(tǒng)中砂層和卵礫石層的累積厚度，反映了地下水儲水空間的大小，厚度越大，儲水空間越大，地下水的稀釋能力越強。因此本研究選取地下水位埋深、凈補給量、包氣帶綜合巖性、含水層累積厚度、滲透系數(shù)5個因子作為評價指標，采用如下模型：
d.rw.d+r.rw.r+i.rw.i+t.rw.t+c.rw.c=dritc（1）
式中：d、r、i、t、c—地下水位埋深、凈補給量、包氣帶綜合巖性、含水層累積厚度和滲透系數(shù)；r—評價指標評分等級；w-評價指標的權(quán)重；dritc—脆弱性綜合指數(shù)。
2.2 指標意義及分級
各指標按10個等級評分（表1）。地下水位埋深和凈補給量采用drastic的評分標準，包氣帶綜合巖性采用專家打分法，遵循砂質(zhì)顆粒評分間距小，土質(zhì)顆粒評分間距大的原則。滲透系數(shù)和含水層累積厚度評分參照雷靜［8］的模擬結(jié)果。評分值越大，表示地下水脆弱性越高。
地下水位埋深、凈補給量和滲透系數(shù)采用“華北平原地下水可持續(xù)利用調(diào)查評價”監(jiān)測數(shù)據(jù)，包氣帶綜合巖性和含水層累積厚度由鉆孔資料計算。
table 1 ranges andratings for dritc factors評分地下水位埋深/m凈補給量/mm含水層累積厚
100～2>25410～0>100 由于區(qū)域地下水位下降，包氣帶厚度增大，為準確識別包氣帶對地下水脆弱性的影響，本次研究采用厚度加權(quán)法對包氣帶巖性進行評分，方法是，收集區(qū)內(nèi)2 800個水文地質(zhì)鉆孔，采用vb編程逐個鉆孔逐層計算，公式如下：
a=∑a.ih.i∑h.i（2）
式中：a—巖性加權(quán)平均評分值；a.i—計算層段內(nèi)不同巖層的評分（表2）；h.i—計算層段內(nèi)各巖層厚度，計算層段為地面到地下水位部分。
table 2 ranges and ratings forvadose zone media
巖性黏土粉質(zhì)黏土粉土細粉砂粉砂細砂中砂粗砂卵石礫石
評分02.545.57899.5102.3 權(quán)重確定
根據(jù)本研究劃分的分區(qū)，采用層次分析法確定山前沖洪積平原、海河沖積湖積平原、東部沖積海積平原和古黃河沖洪積平原的權(quán)重，如表3所示。cr=-0.003，說明判斷矩陣具有較好的一致性。權(quán)重越大，對地下水脆弱性影響越大。
table 3 weight of evaluation factors in different partitions
平原類型
埋深包氣帶綜合巖性滲透系數(shù)凈補給量含水層累積厚度山前沖洪積平原0.230.310.130.230.1
海河沖積湖積平原0.280.340.10.210.07
東部沖積海積平原0.300.320.10.210.07
古黃河沖洪積平原0.310.340.10.170.082.4 評價結(jié)果分析
應用上述改進的地下水脆弱性評價指標體系，采用2 km×2 km正方形剖分單元（共計34 253個），由式（1）計算求得每個剖分單元的綜合指數(shù)，然后利用mapgis編繪地下水脆弱性分區(qū)圖(圖1－圖3)，劃分為低脆弱性、較低脆弱性、一般脆弱性、較高脆弱性和高脆弱性5個等級。
從區(qū)域分布上看，華北平原地下水脆弱性以一般脆弱性、較低脆弱性和較高脆弱性為主，低脆弱性和高脆弱性所占比例較小（表4）。高及較高脆弱性地區(qū)主要分布在山前平原沖洪積扇地帶、古黃河沖洪積平原東部地區(qū)。山前平原巖性顆粒粗，滲透系數(shù)大，含水層累積厚度較薄；古黃河沖洪積平原東部地下水位埋深淺、含水層累積厚度偏薄、滲透系數(shù)較大。低脆弱性區(qū)與淺層地下水降落漏斗分布基本一致，其余地區(qū)為一般及較低脆弱性。
table 4 percentage of groundwatervulnerability in northchinaplain on different times
（%） 年份低脆弱性較低脆弱性一般脆弱性較高脆弱性高脆弱性
1959013.1266.6020.000.28
19840.1227.1359.7812.810.16
20056.0546.7040.466.750.04圖1 1959年華北平原地下水脆弱性分布圖
fig.1 groundwater vulnerability of 1959 innorthchinaplain
圖2 1984年華北平原地下水脆弱性分布圖
fig.2 groundwater vulnerability of 1984 innorthchinaplain圖3 2005年華北平原地下水脆弱性分布圖
fig.3 groundwater vulnerability of 2005innorth china plain
山前平原，1959年以一般和較高脆弱性為主，2005年以一般和較低脆弱性為主。海河沖積湖積平原，1959年主要為一般脆弱性；1984年主要為較低脆弱性與一般脆弱性，寧晉縣分布有小面積低脆弱性；2005年以較低脆弱性和低脆弱性為主。東部平原地下水脆弱性基本未變化。古黃河沖洪積平原沿黃一帶地下水脆弱性未變化，在淺層地下水開采強度較大的臨西縣、臨清市、冠縣、濮陽市、新鄉(xiāng)市地下水脆弱性明顯降低。
3 地下水脆弱性變化及對埋深變化的響應
3.1 變化特征
分析地下水脆弱性變化程度知，1984年與1959年相比，部分地區(qū)脆弱性降低一級；2005年與1984年相比，研究區(qū)地下水脆弱性以不變和降低一級為主，在寧晉、饒陽、肥鄉(xiāng)，開采比較強烈的肅寧脆弱性降低了兩級。與1959年相比，2005年山前平原和海河沖積湖積平原地下水脆弱性普遍降低一級，在地下水位降幅大的地區(qū)（主要為淺層地下水位漏斗分布區(qū)）脆弱性降低了二級，東部平原及沿黃地帶地下水脆弱性級別基本未變。
對比不同年份的地下水脆弱性面積變化速率（表5），1984年-2005年地下水脆弱性各級面積變化速度遠高于1959年-1984年。說明20世紀80年代后，工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，地下水的開采量增加，地下水位埋深增大，人類活動對地下水脆弱性產(chǎn)生了重要影響。
table 5 area change coefficient of groundwater vulnerability in north china plain
km2/a時 間低脆弱性區(qū)較低脆弱性區(qū)一般脆弱性區(qū)較高脆弱性區(qū)高脆弱性區(qū)
1959年-1984年6781-379-400-7
1984年-2005年3931 298-1 281-402-83.2 地下水脆弱性對埋深變化的響應
在上述5個評價指標中，地下水位埋深受補給量和開采量的影響而變化，包氣帶綜合巖性和含水層累積厚度與地下水位埋深的大小直接相關。自20世紀70年代中后期以來，區(qū)域降水量減少，地下水補給量減少，且開采量增大，導致地下水位大幅度下降，埋深增大。
據(jù)華北平原地下水可持續(xù)利用調(diào)查評價項目成果，1959年地下水動力場基本保持天然狀態(tài)［10］；1984年“57”項研究顯示，山前平原區(qū)淺層地下水位普遍下降5～20 m，中東部及濱海平原區(qū)略有下降；2001年，山前地下水位普遍下降10～30 m，中東部普遍下降5～10 m，濱海平原區(qū)普遍下降0～5 m［11］。
本研究根據(jù)2 800個鉆孔資料和水文地質(zhì)條件，厘定了包氣帶巖性、含水層累積厚度和地下水位埋深變化對脆弱性評價影響，結(jié)果表明，影響地下水脆弱性的主導因素為地下水位埋深的變化。
下面通過統(tǒng)計分析的方法來研究地下水位埋深變化對地下水脆弱性的影響機制，表6為2005年相對于1959年在不同地下水位降幅（間距為2 m）范圍內(nèi)的地下水脆弱性變化。從表6可以看出，當?shù)叵滤唤捣鶠?~6 m時，對地下水脆弱性的影響較小；隨著地下水位降幅的增大，地下水脆弱性級別不變化的概率呈逐漸減小的趨勢(90.46%～3.94%)，同時脆弱性降低一級的概率增大(9.36%～87.28%)；當?shù)叵滤唤捣鶠?1 m時，地下水脆弱性降低二級的可能性開始出現(xiàn)，并且隨著地下水位降幅增大，地下水脆弱性降低二級的概率逐漸增大(2.20%～48.73%)；當?shù)叵滤唤捣?8～22 m時，脆弱性降低一級的概率達到最大值87.28%，然后隨地下水位降幅增加概率逐漸減小(87.28%～44.49%)。當?shù)叵滤唤捣鶠?4~38 m時，脆弱性降低二級的概率達到最大值48.73%，同樣隨地下水位降幅增加概率逐漸下降(48.73%～37.25%～21.26%)。綜上得出：地下水脆弱性變化程度與地下水位降幅呈正相關性。當?shù)叵滤幌陆禃r，地下水脆弱性不同程度的變化概率隨地下水位下降幅度增大而增大，隨后隨地下水位降幅增大而減小，發(fā)生更大程度的變化。隨地下水位持續(xù)下降，其它影響因素也發(fā)生變化，地下水脆弱性變化與地下水位降幅的關系也逐漸減弱。
表6 1959年-2005年地下水脆弱性隨地下水位降幅變化的概率
地下水位降幅/m脆弱性級別不變概率（%）脆弱性降低一級概率（%）脆弱性降低二級概率
人們對地下水脆弱性評價時往往只考慮當前狀況，而對各指標的變化及對脆弱性的影響程度考慮甚少。本次工作通過分析大量鉆孔資料和地下水動態(tài)監(jiān)測資料，發(fā)現(xiàn)伴隨淺層地下水位下降，地下水位埋深增大，包氣帶厚度增大，降雨入滲補給量減少(同樣降雨量條件下），不僅增加了污染物在進入含水層前降解的機會，還降低了污染物可能的進入量，從而使得地下水脆弱性降低。
當?shù)叵滤唤捣鶠?~6 m時，對地下水脆弱性的影響較小；隨著地下水位降幅的增大，地下水脆弱性降低一級的概率增大；當?shù)叵滤唤捣鶠?1 m時，地下水脆弱性降低二級的可能性開始出現(xiàn)；當?shù)叵滤唤捣?8~22 m時，脆弱性降低一級的概率達到最大值87.28%。當?shù)叵滤唤捣鶠?4~38 m時，地下水脆弱性降低二級的概率達到最大值48.73%。
參考文獻:
［1］ jaroslav vrba, alexander zaporozec. guidebook on mapping groundwater vulnerability［m］. international contributions to hydrogeology founded by g. ccastany, e. groba, e. romijn. 1984,(16).
［2］ 嚴明疆,申建梅,張光輝.人類活動對滹滏平原地下水資源脆弱性影響分析［j］. 地球?qū)W報, 2006,27 (增刊):217-222. (yan ming-jiang, shen jian-mei, zhang guang-hui. analysis of impact of human activities on the vulnerability of groundwater resource in the hufu plain［j］. acta geoscientica sinica, 2006,27 (supp.):217-222.(in chinese))
［3］ 嚴明疆，申建梅，張光輝，等．人類活動影響下的地下水脆弱性演變特征及其演變機理［j］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2009,23(2):1-5.(yan ming-jiang, shen jian-mei, zhang guang-gui, et al. impact of human activ ities on the groundwater sentivity and transmuting characters in hutuohe river area［j］. journal of arid land resources and environment, 2009,23(2):1-5. (in chinese))
［4］ 張兆吉，雒國中，王昭，等. 華北平原地下水資源可持續(xù)利用研究［j］.資源科學,2009,31(3):355-360.(zhang zhao-ji, luo guo-zhong, wang zhao, et al. study on sustainable utilization of groundwater in north china plain［j］. resources science,2009,31(3):355-360. (in chinese))
［5］ antonakos a k, lambrakis n j. development and testing of three hybrid methods for the assessment of aquifer vulnerability to nitrates,based on the drastic model,an example from ne korinthia,greece［j］. journal of hydrology,2007,333:288-304.
［6］ 王宏偉, 劉萍, 吳美瓊．基于地下水脆弱性評價方法的綜述［j］．黑龍江水利科技,2007，35(3):43-45.(wang hong-wei, liu ping, wu mei-qiong. review of the evaluation methods of groundwater vulnerability［j］. heilongjiang science and teclnology of water conservancy, 2007，35(3)：43-45. (in chinese))
［7］ 賀新春，邵東國，陳南祥，等．幾種評價地下水環(huán)境脆弱性方法之比較［j］.長江科學院院報，2005，22(3)：17-24.(he xin-chun, shao dong-guo, chen nan-xiang, et al. research on methods of groundwater vulnerability evaluation［j］.journal of yangtze river scientif ic research institute,2005,22(3):17-24. (in chinese))
［8］ 雷靜,張思聰. 唐山市平原區(qū)地下水脆弱性評價研究［j］.環(huán)境科學學報,2003,23(1):94-99.(lei jing, zhang si-cong. study on the groundwater vulnerability assessment in tangshan plain area［j］.acta scientiae circumstantiaei, 2003,23(1):94-99. (in chinese))
關鍵詞：工程地質(zhì)；地質(zhì)勘察；水文地質(zhì)
【分類號】：F284
1水文地質(zhì)的工程地質(zhì)勘察分類
1.1綜合狀況水文地質(zhì)勘察
為了能夠促進經(jīng)濟與社會的發(fā)展進程，水文地質(zhì)勘察屬于一項基本形式的水文地質(zhì)性質(zhì)調(diào)研工作，提交相應的地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)研報告與綜合情況水文地質(zhì)圖。其相應的具體任務為有效確認地區(qū)地下水的實際類型、分布狀況、埋藏情況、地下水相應的化學成分、動態(tài)性質(zhì)與地下水資源等各個方面[1]。
1.2供水狀況水文地質(zhì)勘察
供水狀況水文地質(zhì)勘察作為一種進行勘察地下區(qū)域水源的勘察性質(zhì)工作，其具體包含了城市供水勘察、礦山、港灣、機場、站點、村落與市鎮(zhèn)等各個方面[]。特殊形式的水文地質(zhì)工作環(huán)節(jié)中，通過測繪、物探、鉆探、測試與監(jiān)測等各種具體方法確定相應的含水層分布狀況，埋藏條件、地下水相應的構(gòu)成條件、水質(zhì)狀況與動態(tài)變化狀況等方面。
1.3工程狀況水文地質(zhì)勘察
為了能夠避免地下水對于工程項目建設的實際性危害與水文地質(zhì)相應的具體勘察工作。比如進行地下水的引流狀況調(diào)查，可以避免進行地下水相應的滲漏勘察，從而可以有效降低地下水相應的水位探測，在實際操作處理過程中通常是包含了具體的巖土工程勘察類。
1.4特殊項目水文地質(zhì)調(diào)查
為了能夠有效預防與治療流行性疾病等進行相應的具體水文地質(zhì)調(diào)查，使用地下水相應成分與各種元素進行水文地質(zhì)勘察，為了能夠?qū)崿F(xiàn)含水層儲的合理使用，使用冷庫對于地下水污染狀況進行控制的水文地質(zhì)調(diào)查。
2水文地質(zhì)的工程地質(zhì)勘察問題
2.1地下水類型
依據(jù)特殊性質(zhì)，地下水相應的賦存介質(zhì)分為松散形式巖類狀孔隙水、碎屑巖形式裂隙相應的孔隙水、碳酸鹽形式巖裂相應的隙喀斯特水、火山巖形式相應的裂隙孔隙水與基巖形式相應的裂隙水等各種類型[2]。
2.2靜水位與變化程度
天然形式的地基承載力相應的設計值可以計算出砂土的地震液化程度，進行膨脹土相應的脹縮深度、基礎深度與邊坡穩(wěn)定程度的確定性評價。基坑位置相應的側(cè)土壓力主要用于計算基坑相應的降水量與地下工程規(guī)模，涌水量計算，計算相應的深基坑，地下室底板相應的抗浮計算，判斷巖石滲透變形等方面的一系列具體問題，應當需要靜水位相應的地下水資料。
地下水位相應的地形、氣象、水文與人等各方面的因素與變化，集中收集地區(qū)相應的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)相應的鄰近區(qū)域或者經(jīng)過長期觀察與調(diào)查，查明分析地下水相應的水位變化特征。通常情況下隨著季節(jié)改變而改變，隨著潮汐海岸的作用，河流與湖泊岸邊洪水的直接影響，人工排水區(qū)與抽水等有關影響。
2.3地下水相應的徑流、補給、排泄
依據(jù)地形、氣象、水文、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、含水層分布情況等各種因素，研究并分析地下水相應的流動與動態(tài)特性。地下分布的相應水流量，依據(jù)水位線圖的有關因素進行確定。
2.4建筑材料腐蝕評價
需要為腐蝕性評價實現(xiàn)分析，應當對飲用水進行適宜性的評價分析。評價腐蝕相應的二級或者三環(huán)境評價，依據(jù)地層相應的滲透性評價，弱透水層定義為以粉砂與粘土，強透水層定義沙質(zhì)土壤。
2.5測定水文地質(zhì)參數(shù)
依據(jù)實際的工程要求，經(jīng)過抽水試驗、滲透試驗、注水試驗與水壓試驗等形式測定地下水相應的流速，測定并進行長期觀測從而分析滲透系數(shù)、影響半徑、導水系數(shù)、水供應、釋水因子、吸收率、地下水實際流速流量與孔隙水壓力等各方面實際參數(shù)。
對于一般形式的工程實際測量過程當中，通常只需要做到簡單形式的抽水實驗，應當提供相應的滲透系數(shù)。關鍵性的重要項目應當需要實行兩次以上相應的降水抽水實驗，至少應當需要有一個觀察孔的具體安排，最大程度的下降方法相對應工程設計應當需要達到降水設計相應的降深的一半程度[3]。
3水文地質(zhì)的工程地質(zhì)勘察工作建議
3.1地下水水質(zhì)污染狀況調(diào)查
對于我國目前階段的水質(zhì)出現(xiàn)嚴重污染的實際狀況，所以應當發(fā)展的全面充分調(diào)查地下水的水質(zhì)情況，當作一項主要工程來把控執(zhí)行。在具體的工作部署上為大流域或者經(jīng)濟發(fā)展相應的重點地區(qū)、城市群地區(qū)與農(nóng)牧業(yè)重點開發(fā)地區(qū)不斷發(fā)展。建議這項具體工作實行進地下水和環(huán)境地質(zhì)實際調(diào)查項目環(huán)節(jié)中單獨分離出來，成為一個單獨形式的具體項目。
3.2建設區(qū)域性國家級示范基地
第一個實行聯(lián)合構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)綜合評價相應地下水資源的實際目的，在若干年后以評估潛在形式的地下水資源作為關鍵點，能夠符合國家的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移發(fā)展目標，進行能源基地的大力建設。
3.3提升地下水均衡實驗基地建設水平
需要強化水文地質(zhì)標準參數(shù)，為各個不同區(qū)域相應的地下水科學實驗基地，發(fā)展與地下水有關的具體科學實驗項目。西北區(qū)域除了需要測試地下水相應的蒸發(fā)蒸騰相關性研究，應當充分結(jié)合各種不同的實際地貌類型，研究各種不同介質(zhì)水和相應的入滲機理，東部區(qū)域應當依據(jù)各種不同區(qū)域，研究相應的包氣帶水分運移土壤水分與鹽分的水，充分合理地運用內(nèi)容的變革化研究。
3.4充分實行地下水監(jiān)測具體性項目規(guī)劃
全面實行地下水相應的監(jiān)測網(wǎng)絡建設，引入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與自動傳輸系統(tǒng)，同時提升一部分具有代表性意義的實際監(jiān)測點。由我國開始實行實際監(jiān)測措施以來，不可以直接反映出真實狀況的數(shù)據(jù)，應當需要一部分新型的監(jiān)測孔，這作為實行國土資源部對于地下水監(jiān)測，為了能夠防止地下水出現(xiàn)過度開采污染的現(xiàn)象[4]。
3.5積極落實新興理論、新型技術與新穎方法的研究與應用
遙感技術、同位素技術、數(shù)值模擬技術與信息技術等各種實用技術是提升水文地質(zhì)特征的主要技術方法。目前階段所研究的相應服務不斷得到擴大，有利于降低相應的實際工作量，為相應的決策與分析提供一定程度的技術支持和管理。地下水相應的系統(tǒng)理論在水文地質(zhì)中的實際應用，地下水運動與分析相應的水資源評價具有相應的基本理論，需要充分結(jié)合中國的實際情況，實現(xiàn)進一步完善與提高的目的。
3.6強化區(qū)域性綜合研究與專題研究
我國相應地域廣闊，相應的自然地理與地質(zhì)條件顯得十分復雜，地質(zhì)條件相對比較復雜，我國地下水相應的分布與演化存在著重要影響作用。中國相應的地質(zhì)調(diào)查局已經(jīng)確定地區(qū)性研究院，是一家具體性質(zhì)的轉(zhuǎn)型研究機構(gòu)，也作為區(qū)域性管理中心，培訓相互的水文地質(zhì)專家的相應理論與結(jié)合實際應用的實際專家，不斷大力提升我國的水文地質(zhì)研究進程。
3.7強化地下水合理使用
不斷維持實施工程學院的全局性與長期性特點，進行定向形式的問題研究。在實際的國民經(jīng)濟具體發(fā)展規(guī)劃體系當中，相應規(guī)劃的有關水文地質(zhì)工作過程的面對著帶非常巨大的實際機遇。國家應當需要的以水文地質(zhì)工作作為相應的出發(fā)點與落腳點，充分結(jié)合經(jīng)濟與社會發(fā)展的實際需要，實行服務經(jīng)濟社會的有效性發(fā)展，水文工作才可以顯示巨大的生命力。依據(jù)政府的相關職能部門，應當不斷提升地下水開發(fā)使用與保護的有關政策環(huán)節(jié)的具體戰(zhàn)略研究，保證地下水這一項寶貴資源相應的自然屬性與社會屬性能夠?qū)崿F(xiàn)緊密與經(jīng)濟結(jié)合的目標，實現(xiàn)能夠適合于我國基本國情與自然環(huán)境達到綜合和協(xié)調(diào)目的具體辦法。
參考文獻
[1]吳波.工程地質(zhì)勘察中水文地質(zhì)測試與研究[J].中國新技術新產(chǎn)品，2009（21）.
[2]范中林.工程地質(zhì)勘察中水文地質(zhì)問題的影響[J].科技創(chuàng)新導報，2009（18）.
關鍵詞：平原地區(qū)；地下水資源；合理開發(fā)
中圖分類號：P641文獻標識碼： A
一、平原地下水資源概況
1、第一輪地下水資源評價
完成于2000年，利用資料系列為1986一1999年。評價分平原、崗區(qū)、山區(qū)三個地質(zhì)地貌單元，其中平原區(qū)采用多年平均水均衡法，計算了多年平均水位埋深4m條件下的天然補給資源、可采資源;崗區(qū)根據(jù)年內(nèi)最低與最高水位差值計算調(diào)節(jié)(可采)資源;山區(qū)利用水文分析法計算其天然資源。
計算結(jié)果:河南省平原區(qū)地下水天然補給資源為128.51億m3/a、可采資源128.47億m3/a;崗區(qū)調(diào)節(jié)(可采)資源18.62億m3/a;山區(qū)天然資源34.90億m3/a。扣除重復量后，全省多年平均地下水天然補給資源量實際為179.44億m3/a，其中平原、崗區(qū)占80.55%(144.54億m3/a)。
該評價成果廣泛應用于河南省工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國民經(jīng)濟規(guī)劃，一直沿用至二十世紀末期。
2、第二輪地下水資源評價
完成于2012年，評價分平原崗地區(qū)、山區(qū)兩個地質(zhì)地貌單元。在地下水系統(tǒng)劃分的基礎上，平原崗地區(qū)采用多年平均水均衡法，計算了多年平均地下水天然補給資源及水位埋深4m條件下的可開采資源;山區(qū)利用地下水徑流模數(shù)法、可采系數(shù)法分別計算其多年平均天然資源、可開采資源。
計算結(jié)果:全省地下水天然補給資源量多年平均為164.58億m3/a，約占全省水資源總量的40 %，其中山區(qū)為38.87億m3/a;平原(含崗地)為131.77億m3/a，二者重復量為6.06億m3/a;淺層地下水可開采資源量多年平均為163.00億m3/a，其中山區(qū)為28.47 m3/a，平原(含崗地)為134.54億m3/a;按地下水類型分，在全省地下水天然資源量中，松散巖類孔隙水占77 %，巖溶裂隙水占12 %a，基巖裂隙水占11%0
河南屬北方缺水省份，水資源貧乏且分布不均，全省人均水資源占有量僅為全國人均水平的1/5，地下水對保障社會經(jīng)濟發(fā)展具有舉足輕重的作用。近二十年來，我省地下水資源量減少約15億m3，導致這一結(jié)果的主要原因是降水量的減少和因人類不合理開采而造成的地下水位持續(xù)下降，改變了降水人滲補給條件，其次為人類水利工程活動。為滿足社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需求，地下水資源的開采應做到開發(fā)與保護并重，避免開發(fā)利用中產(chǎn)生不良環(huán)境地質(zhì)問題，發(fā)揮其最大的社會、環(huán)境和經(jīng)濟效益。
二、有關地下水資源相關概述
(1)地下水定義。地下水就是賦存并運移于地下巖土空隙中的水。含水巖土分為兩個帶，上部是包氣帶，即非飽和帶，在這里，除水以外，還有氣體;下部為飽水帶，即飽和帶，飽水帶巖土中的空隙充滿水。狄義的地下水是指飽水帶中的水。
( 2)地下水利用的利與弊。有利的方面是①分布廣泛，便于就地開采使用;因干凈、不易被污染，水質(zhì)普遍較優(yōu);③不占用地表空間; ④動態(tài)比較穩(wěn)定; ⑤水量受氣候變化影響較小，具有較大到調(diào)蓄能力等。有弊的方面是①不合理的灌溉可造成次生鹽堿化;②過量開采，可造成在沿海地區(qū)，海水入侵，水質(zhì)惡化，地面沉降，使區(qū)內(nèi)建筑物失去穩(wěn)定，不同含水層之間誘發(fā)水力聯(lián)系，產(chǎn)生水的混合作用，使水質(zhì)惡化，巖溶區(qū)地面塌陷; ③其它，如礦坑涌水、基礎及邊坡的穩(wěn)定問題等。
( 3)地下水對我國經(jīng)濟發(fā)展的重要作用。全國地下水淡水大然補給量8837億立方米/年，占全國水資源總量的1/ 3;我國農(nóng)村普遍飲用地下水，地下水灌溉面積占全國耕地面積的40%;全國660多個城市中，利用地下水供水的400多個;全國城市總供水量中，地下水供水量占30%，華北、西北城市分別高達72%和66%。自上世紀70年代以來，地下水的開采量以平均每年25億立方米的速度遞增，說明經(jīng)濟發(fā)展對地下水的依賴程度越來越高。
三、地下水資源開發(fā)利用中存在的問題
地下水資源是指在一定期限內(nèi)，能提供給人類使用的，且能逐年得到恢復的地下淡水量。是水資源的組成部分。通常以地面入滲補給量(包括大然補給量和開采補給量)計算其數(shù)量。因此，地下水資源的開采一般不應超過補給量，否則會給環(huán)境帶來危害.使生態(tài)條件惡化。
黃淮平原淺層地下水是該地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水和鄉(xiāng)鎮(zhèn)人畜用水的主要水源，地下水開采強度大。開封、鄭州、新鄉(xiāng)等地，均出現(xiàn)地下水超采。地下水過量開采已造成了一系列生態(tài)環(huán)境問題。
(1)地下水資源污染嚴重。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)藥、化肥、生活污水及工業(yè)“二廢”的排放量日益增大，而這些污水大部分未經(jīng)處理直接排入環(huán)境，構(gòu)成了地下水的主要污染源。據(jù)監(jiān)測，目前全國多數(shù)城市地下水受到一定程度的點狀和面狀污染，且有逐年加重的趨勢，嚴重威脅到城市居民的飲水安全和人民群眾的健康。
（2）持續(xù)過量開采，降水漏斗不斷擴大。由于持續(xù)高強度的過量開采，使得地下水資源不能得到及時補充，使得降落漏斗不斷擴大，甚至造成含水層的疏干。
(3)土地沙化。地下水位的持續(xù)下降使地下水位埋深加大。灌溉成本加人。隨著地下水位的持續(xù)下降，地下水位埋深加大，導致鑿井深度不斷增加，加大了建井成本;提水耗能增加，加大了運行費用。
（4）法律法規(guī)的不完善。我國現(xiàn)行的有關法律法規(guī)規(guī)定了地下水資源的保護措施，但是，都不夠系統(tǒng)和具體，不利于地下水資源的保護。主要表現(xiàn)在法律、法規(guī)體系很不完善，至今沒有一部系統(tǒng)的地下水資源保護法規(guī)。
四、地下水資源可持續(xù)利用的基本原則
根據(jù)我國水資源開發(fā)利用的民期實踐，從可持續(xù)發(fā)展的觀點出發(fā)，水資源可持續(xù)利用應遵循的基本原則是：水資源的可持續(xù)利用既要考慮當前的發(fā)展要求，又要考慮未來發(fā)展的需要，不以犧牲后代人的利益為代價來滿足當代人的利益需要;水資源的利用要在部門之間、地區(qū)間得到合理分配；水資源的可持續(xù)利用要與人口、社會、經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，既要達到發(fā)展經(jīng)濟的日的，又要保持人類賴以生存的水資源的持續(xù)利用環(huán)境。
（1）水資源可持續(xù)利用必須以經(jīng)濟發(fā)展為前提。首先，發(fā)展是人類水恒的主題，如果只追求“可持續(xù)”而一味地限制水資源的利用，制約社會經(jīng)濟的向前發(fā)展，是不符合人類社會發(fā)展進步的本質(zhì)的。其次，只有經(jīng)濟得到了發(fā)展，才有能力去合理利用水資源，采用有效措施保護水資源。
（2）水資源承載能力的最主要特點是客觀性和主觀性的統(tǒng)一。在一定區(qū)域內(nèi)的特定條件下，水資源總量及其變化規(guī)律是一定的，是可以把握和衡量的；水資源承載能力大小將因人類社會經(jīng)濟活動而改變，人類可以通過自身行為，尤其是社會經(jīng)濟行為來改變水資源承載能力的大小，控制其發(fā)展變化方向。因此，實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，經(jīng)濟發(fā)展是前提、管理是保證、科技是手段，三者相互滲透，相互影響。經(jīng)濟愈發(fā)達、技術愈先進，水利工程建設和管理水平也愈高，通過提高水資源的利用率，可提高水資源的承載能力。
（3）科學有效的管理是水資源可持續(xù)利用的重要保證。國際上公認，節(jié)水潛力的50%在管理。發(fā)揮好管理的四大職能――計劃、組織、協(xié)調(diào)、控制，對于水資源可持續(xù)利用具有重要意義。
（4）加大對水科技的投入，提高水資源開發(fā)利用與保護的科技含量。科技含量越高，水資源開發(fā)利用與管理的水平越高，一定的水資源的承載能力也越大。
五、河南平原灌區(qū)地下水資源可持續(xù)利用對策
地下水資源可持續(xù)利用是個系統(tǒng)工程，必須采取工程措施和非工程措施相結(jié)合，行政措施和經(jīng)濟措施相結(jié)合。
（1）加強灌區(qū)地下水資源評價預測工作。灌區(qū)地下水資源的開采必須堅持以供定需，嚴禁盲日超采。灌區(qū)地下水參與水循環(huán)，是個動態(tài)資源。因此，地下水資源評價是個民期工作，應建立河南平原地下水資源評價預測模型，開展地下水資源的實時預測預報，為地下水資源可持續(xù)利用提供決策依據(jù)。
（2）堅持適度開采原則。只要控制地下水位在合理的埋深內(nèi)作“似正弦曲線”的上下波動，既不使水位過淺而造成土壤次生鹽堿化，也不使水位過深而造成入滲補給量的減少，就可達到以充分利用地下水庫調(diào)節(jié)作用為主的水資源充分和合理地利用。
（3）做好地下水庫建設工程、地下水回灌工程和污水凈化等地下水環(huán)境治理工程。應當具體明確規(guī)定上述地下水環(huán)境治理工程建設的組織、管理、實施等內(nèi)容。可以在水文地質(zhì)條件較好的地段筑建地下攔水壩修建地下水庫，也可以利用地下廢棄的礦井、巷道構(gòu)建地下水庫。
（4）合理配置水資源。以經(jīng)濟為杠桿，輔以行政手段，對各種水資源進行合理配置，統(tǒng)一水價。如沿黃地區(qū)，淺層地下水豐富，可通過政策和水價格措施鼓勵開發(fā)利用地下水，減少引黃灌溉水量，從而有效控制地下水位，防比土壤次生鹽堿化，而將引黃水量通過工程措施引入南部缺水地區(qū)，灌溉補源，增加地下水資源量。
（5）大力推廣節(jié)水技術，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)。進一步開展節(jié)水技術研究和農(nóng)業(yè)灌溉理論研究，要根據(jù)不同的自然條件、水資源條件、經(jīng)濟條件和種植結(jié)構(gòu)，選擇節(jié)水灌溉模式，提高水的利用率和效益。
（6）在水源規(guī)劃時要保證一定數(shù)量的生態(tài)用水，防比植被退化和土地沙化。
（7）要加強地下水資源的保護。嚴禁工業(yè)廢水和城市生活污水排入灌區(qū)污染地下水;對用污水灌溉的灌區(qū)嚴格管理，嚴格按污水灌溉標準接納經(jīng)處理達標的污水;要定期監(jiān)測地下水水質(zhì)和土壤的土質(zhì)。
參考文獻：
1、楊林生。水資源可持續(xù)利用管理不確定性分析方法及應用。鄭州：黃河水利出版社，2011
2、王玉玲。地下水資源的可持續(xù)利用。北京：地質(zhì)出版社，2008
關鍵詞：工程勘察 水文地質(zhì) 巖土 危害
一、水文地質(zhì)的定義
水文地質(zhì)指自然界中地下水的各種變化和運動的現(xiàn)象。水文地質(zhì)學是研究地下水的科學。它主要是研究地下水的分布和形成規(guī)律，地下水的物理性質(zhì)和化學成分，地下水資源及其合理利用，地下水對工程建設和礦山開采的不利影響及其防治等。
二、工程地質(zhì)勘察中水文地質(zhì)評價內(nèi)容
在工程勘察中，對水文地質(zhì)問題的評價，主要應考慮以下內(nèi)容：
1.應重點評價地下水對巖土體和建筑物的作用和影響，預測可能產(chǎn)生的巖土工程危害，提出防治措施。
2.工程勘察中還應密切結(jié)合建筑物地基基礎類型的需要，查明有關水文地質(zhì)問題，提供選型所需的水文地質(zhì)資料。
3.應從工程角度，按地下水對工程的作用與影響，提出不同條件下應當著重評價的地質(zhì)問題，如：
3.1對埋藏在地下水位以下的建筑物基礎中水對砼及砼內(nèi)鋼筋的腐蝕性。
3.2對選用軟質(zhì)巖石、強風化巖、殘積土、膨脹土等巖土體作為基礎持力層的建筑場地，應著重評價地下水活動對上述巖土體可能產(chǎn)生的軟化、崩解、脹縮等作用。在地基基礎壓縮層范圍內(nèi)存在松散、飽和的粉細砂、粉上時，應預測產(chǎn)生潛蝕、流砂、管涌的可能性。
3.3當基礎下部存在承壓含水層，應對基坑開挖后承壓水沖毀基坑底板的可能性進行計算和評價。
3.4在地下水位以下開挖基坑，應進行滲透和富水試驗，并評價由于人工降水引起土體沉降、邊坡失穩(wěn)進而影響周圍建筑物穩(wěn)定的可能性。
三、巖土水理性質(zhì)
巖土水理性質(zhì)是指巖士與地下水相互作用時顯示出來的各種性質(zhì)。巖土水理性質(zhì)與巖土的物理性質(zhì)都是巖：巖土的水理性質(zhì)不僅影響巖土的強度和變形，而且有些性質(zhì)還直接影響到建筑物的穩(wěn)定性。以往在勘察中對巖土的物理力學性質(zhì)的測試比較重視，對巖土的水理性質(zhì)卻有所忽視，因而對巖土工程地質(zhì)的評價是不夠全面的。巖土的水理性質(zhì)是巖土與地下水相互作用顯示出來的性質(zhì)，下面首先介紹一下地下水的賦存形式及對巖土水理性質(zhì)的影響，然后再對巖土的幾個重要的水理性質(zhì)及研究測試方法進行簡單的介紹。
1.地下水的賦存形式：地下水按其在巖土中的賦存形式可分為結(jié)合水、毛細管水和重力水三種，其中結(jié)合水又可分為強結(jié)合水和弱結(jié)合水兩種。
2.巖土的主要的水理性質(zhì)及測試辦法：
2.1軟化性，是指巖土體浸水后，力學強度降低的特性，一般用軟化系數(shù)表示，它是判斷巖石耐風化、耐水浸能力的指標。在巖石層中存在易軟化巖層時，在地下水的作用下往往會形成軟弱夾層。各類成因的粘性上層、泥巖、頁巖、泥質(zhì)砂巖等均普遍存在軟化特性。
2.2透水性，是指水在重力作用下，巖土容許水透過自身的性能。松散巖上的顆粒愈細、愈不均勻，其透水性便愈弱。堅硬巖石的裂隙或巖溶愈發(fā)育，其透水性就愈強。透水性一般可用滲透系數(shù)表示，巖上體的滲透系數(shù)可通過抽水試驗求取。
2.3崩解性，是指巖浸水濕化后，由于土粒連接被削弱，破壞，使土體崩敞、解體的特性。
2.4給水性，是指在重力作用下飽水巖土能從孔隙、裂隙中自由流出一定水的性能，以給水度表示。給水度是含水層的幾個重要水文地質(zhì)參數(shù)，也影響場地疏時間。給水度一般采用實驗室方法測定。
2.5脹縮性，是指巖土吸水后體積增大，失水后體積減小的特性，巖土的漲縮性是由于顆粒表面結(jié)合水膜吸水變厚，失水變薄造成的。
四、地下水引起的巖土工程危害
地下水引起的巖土工程危害，主要是由于地下水位升降變化和地下水動水壓力作用兩個方面的原因造成的
地下水升降變化引起的巖土工程危害。地下水位變化可由天然因素或人為因素引起，但不管什么原因，當?shù)叵滤坏淖兓_到一定程度時，都會對巖土工程造成危害，地下水位變化引起危害又可分為三種方式
1.水位上升引起的巖土工程危害。潛水位上升的原因是多種多樣的，其主要受地質(zhì)因素如含水層結(jié)構(gòu)、總體巖性產(chǎn)狀；水文氣象因素如降雨量、氣溫等及人為因素如灌溉、施工等的影響，有時往往是幾種因素的綜合結(jié)果。由于潛水面上升對巖土工程可能造成：①土壤沼澤化、鹽漬化，巖土及地下水對建筑物腐蝕性增強。②斜坡、河岸等巖土體巖產(chǎn)生滑移、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。③一些具特殊性的巖土體結(jié)構(gòu)破壞、強度降低、軟化。④引起粉細砂及粉土飽和液化、出現(xiàn)流砂，管涌等現(xiàn)象。⑤地下洞室充水淹沒，基礎上浮，建筑物失穩(wěn)。
2.地下水位下降引起的巖土工程危害。地下水位的降低多是由于人為因素造成的，如集中大量抽取地下水。采礦活動中的礦床疏干以及上游筑壩，修建水庫截奪下游地下水的補給等。地下水的過大下降，常常誘發(fā)地裂、地面沉降、地面塌陷等地質(zhì)災害以及地下水源枯竭、水質(zhì)惡化等環(huán)境問題，對巖土體、建筑物的穩(wěn)定性和人類自身的居住環(huán)境造成很大威脅。
3.地下水頻繁升降對巖土工程造成的危害。地下水的升降變化能引起膨脹性巖土產(chǎn)生不均勻的脹縮變形，當?shù)叵滤殿l繁時．不僅使巖上的膨脹收縮變形往復，而且會導致巖土的膨脹收縮幅度不斷加大，進而形成地裂引起建筑物特別是輕型建筑物的破壞。地下水升降變動帶內(nèi)由于地下水的滲透，會將土層中的鐵、鋁成分淋失，土層失去膠結(jié)物將造成土質(zhì)變松、含水量孔隙比增大，壓縮模量、承載力降低，給巖土工程基礎選擇、處理帶來較大的麻煩。
五、結(jié)束語
綜上所述，水文地質(zhì)工作在建筑物持力層選擇、基礎設計、工程地質(zhì)災害防治等方面都起著重要的作用，隨著工程勘察的發(fā)展，將受到越來越廣泛的重視，切實做好水文地質(zhì)工作將對勘察水平的提高起著極大的推動作用。
參考文獻：
關鍵詞：隧道工程；含水砂層；隧道圍巖；顆粒流；流固耦合
中圖分類號： U45 文獻標識碼： A
0 引言
隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，全國各大城市都在修建或籌建地下軌道交通，廣州地鐵5號線是廣州地下鐵道網(wǎng)絡的重要組成部分，總里程達到32公里，幾近一二號線線路長度總和，是廣州地鐵建設史上迄今為止最復雜、最困難的一條線。為我國地下鐵道建設積累了豐富的經(jīng)驗。由于該線路穿越淤泥砂層，斷裂帶、富水破碎地層、溶洞等地質(zhì)多，年降雨量大，地下水資源豐富，隧道修建過程中隧道滲漏水問題突出。目前，關于隧道工程防排水技術方面的研究較多，而關于隧道發(fā)生滲漏時圍巖地下水滲流場和應力場的耦合作用機制方面的研究卻較少，尤其是關于流固耦合作用效果下的圍巖穩(wěn)定性方面的研究則更少。由于隧道開挖形成的二次應力場改變了原巖應力場和地下水滲流場的分布，而滲流場的改變會反過來影響應力場。因此，利用流固耦合理論對連拱隧道開挖時的圍巖穩(wěn)定性進行分析具有重要的理論和實際意義。
本文以廣州地鐵五號線珠江新城―獵德區(qū)間隧道為例，針對不同顆粒分層、分別模擬了含水砂層隧道在不考慮地下水力和考慮地下水力下兩者的圍巖破壞機制，利用二維顆粒流軟件PFC2D中流固耦合分析模塊對富水暗挖隧道圍巖穩(wěn)定性進行研究。研究結(jié)果對富水地層中的隧道穩(wěn)定性設計、防排水設計以及支護措施的改進具有一定的指導意義。
1 工程地質(zhì)概況
珠江新城―獵德區(qū)間隧道沿線屬于珠江三角洲平原，位于花城大道路下，地形較為平坦，地面標高6.82～10.78米。線路經(jīng)過珠江大道與花城大道交叉路口地下人行通道（15#地道）、花城大道下沉廣場、花城大道冼村路口地下人行通道（16#過街地道）后在花城大道獵德路口前到達獵德站。區(qū)間穿越地區(qū)為廣州市新城區(qū)，道路兩側(cè)陸續(xù)已經(jīng)完成商業(yè)開發(fā)。
本區(qū)間的地層結(jié)構(gòu)屬于二元類型，即上部的第四系地層和下部的白堊系風化巖層，因此本區(qū)間的地下水類型主要也分兩大種類型：上層滯水、孔隙性潛水或微承壓水、基巖裂隙水第四系砂層是典型的透水層，直接或間接的由大氣降水的補給，同時受附近河涌水或其他地表水的滲透，基巖裂隙水的補給主要是連通性裂隙的側(cè)向補給，當基巖水的水位降低時，會產(chǎn)生上覆第四系地層的越流補給。
2 模型及計算參數(shù)的確定
2.1 PFC2D顆粒流程序簡介
與連續(xù)介質(zhì)力學方法不同的是，PFC試圖從微觀結(jié)構(gòu)角度研究介質(zhì)的力學特性和行為。簡單地說，介質(zhì)的基本構(gòu)成為顆粒（Particle），可以增加、也可以不增加“水泥”粘結(jié)，介質(zhì)的宏觀力學特性如本構(gòu)決定于顆粒和粘結(jié)的幾何與力學特性。形象地，這與國內(nèi)80年代巖石力學界比較流行的實驗室“地質(zhì)力學”模型試驗很相似，該試驗中往往是用砂（顆粒）和石膏（粘結(jié)劑）混合、按照相似理論來模擬巖體的力學特性。
PFC中的顆粒為剛性體，但在力學關系上允許重疊，以模擬顆粒之間的接觸力。顆粒之間的力學關系非常簡單，即牛頓第二定律。顆粒之間的接觸破壞可以為剪切和張開兩種形式，當介質(zhì)中顆粒間的接觸關系（如斷開）發(fā)生變化時，介質(zhì)的宏觀力學特性受到影響，隨著發(fā)生破壞的接觸數(shù)量增多，介質(zhì)宏觀力學特性可以經(jīng)歷從峰前線性到峰后非線性的轉(zhuǎn)化，即介質(zhì)內(nèi)顆粒接觸狀態(tài)的變化決定了介質(zhì)的本構(gòu)關系。因此，在PFC計算中不需要給材料定義宏觀本構(gòu)關系和對應的參數(shù)，這些傳統(tǒng)的力學特性和參數(shù)通過程序自動獲得，而定義它們的是顆粒和水泥的幾何和力學參數(shù)，如顆粒級配、剛度、摩擦力、粘結(jié)介質(zhì)強度等微力學參數(shù)。
2.2 力學模型及參數(shù)的選取
2.2.1基本模型
圍巖穩(wěn)定性的解決途徑
采用接觸剛度模型，接觸剛度與接觸力和相對位移在在法向和切向的關系通過一下兩個公式建立；
(1)
(2)
此處Fn為接觸力的法向分量，Kn為該接觸的法向剛度（力/位移）。Un為法向的重疊量；為接觸力的切向分量，為剪切剛度。
2.2.2線性接觸模型
線性接觸模型是由法向和切向剛度定義的（）由兩個接觸實體（顆粒―顆粒，顆粒―墻）。
接觸剛度的線性接觸模型計算假定兩個接觸實體的剛度串聯(lián)行動。接觸正常的割線剛度由下式給出
(3)
并且接觸剪切切線剛度由下式給出
(4)
其中上標[ A]和[B]表示兩個實體接觸。對于線性模型，正常的割線剛度，為等于正常切線剛度，由于
(5)
本區(qū)間的等效剪切波速為196.8m/s。按國家標準《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011－2001）第4.1條，廣州市軌道交通五號線珠江新城至獵德區(qū)間沿線場地土類型為中軟土，場地類別為Ⅱ類。簡化后計算材料參數(shù)如表1所示，地質(zhì)剖面圖如圖1所示
表1計算模型參數(shù)
圖1地質(zhì)剖面圖
首先模擬不考慮水力作用下圍巖變形情況，如圖2為初始開挖模型，圖3為初始開時的接觸力線。
圖2初始開挖模型
圖3 初始接觸力線
3 計算結(jié)果與分析
3.1 隧道開挖即時狀態(tài)
隧道斷面上部為半徑5 m的半圓，下部為半徑10 m的一段圓弧。假定斷面一次挖成。剛開挖隧道區(qū)域顆粒間的接觸見圖3。這時圍巖中是不存在拉應力的。且設置速度為零，下面我們將以此為基點，分別研究考慮水力和考慮水力滲流工況下的圍巖穩(wěn)定性
3.2不考慮水力作用
以圖2為基礎，在不考慮水力作用下運行1000時步的結(jié)果如圖4所示。我們可以看出，由于開挖，隧道斷面四周產(chǎn)生了較大區(qū)域的拉應力，隧道以下和左右兩側(cè)部分布較多，數(shù)
值較大，而上部較小。所有的拉應力出現(xiàn)在隧道邊界約5 m的范圍內(nèi)，這就是在這一階段隧道開挖的影響范圍。隨著時步的繼續(xù)增加，拉應力的數(shù)值和范圍還將擴大。圖5為隧道區(qū)域的速度矢量示意圖，可見越接近隧道的顆粒速度越大。圖6為拱頂位移圖，可見拱頂位置在降低，且沒有收斂。隨著時步的增加可預見隧道區(qū)域?qū)⒈煌耆采w。
圖4 計算1000時步后接觸力線
圖5 運行1000時步后速度矢量圖
圖6 拱頂豎向位置曲線
3.3考慮地下水滲流作用
地鐵隧道建設中遇到地下水的情況在東部沿海城市非常多，其中廣州地鐵5號線獵德―珠江新城區(qū)間隧道既是一例。
3.3.1流固耦合PFC2D實現(xiàn)
圖7顯示示出了一個固定的控制量，，在模型中的域，其中內(nèi)流動的流體存在一簇球狀粒子。
圖7流體通過顆粒組示意
假設流體流僅在x方向上，一個壓力梯度，只出現(xiàn)在x方向上。通過考慮力的平衡，使x方向為一個單元內(nèi)的顆粒，驅(qū)動力之和由下式給出
(6)
其中是在單位體積內(nèi)的顆粒和流體之間的相互作用力， 是
顆粒的直徑，并且非營利機構(gòu)顆粒在細胞的數(shù)目。右手邊的第一項的負號表示施加在流體上的力為正。第二項代表由壓力梯度應用到粒子的作用力。注意，此術語的減號表示在x方向正向流動壓力減小。
3.3.2流固耦合模擬
密度 左右兩側(cè)水壓 粘度
1000 2000 10-3
用數(shù)值模擬地下水滲流作用，考慮了兩種作用力同時作用的情況，地下水的浮力和向一側(cè)的壓力。應用軟件的FLUID模塊，設置流體的參數(shù)如表2。把右邊墻設置成過濾墻，以便顆粒從此處濾出。分別做了開挖后50時步、200時步、500時步、1000時步后的結(jié)果，得到了一些結(jié)論。現(xiàn)在選擇1000時步為代表以與不考慮水力作用結(jié)果相對照。計算結(jié)果表2流體力學參數(shù)
流固耦合模型如圖8和圖9所示
圖8計算1000時步后滲流場模型
圖9 計算1000時步后接觸力線
圖10和圖11分別是計算1000時步后的速度矢量場和拱頂顆粒的豎向位移曲線
圖10計算1000時步后的速度矢量場
圖11 計算1000時步拱頂豎向位置曲線
對比兩種情況的計算結(jié)果可知，考慮地下水滲流作用時的計算結(jié)果數(shù)值較不考慮的情況要小。這是由于地下水的作用產(chǎn)生向上的浮力和設置的水平向的水壓力能起到緩沖顆粒運動的效果由兩張豎向位置曲線可以得出，拱頂初始豎向位置為15.15m，在無水力作用下經(jīng)1000時步后豎向位置為13.83m而在考慮水力作用下豎向位置為14.6m，兩者相差0.77m。
4 結(jié)論
本文用顆粒離散元法建立了隧道物理力學模型，對飽和和含水砂層隧道圍巖穩(wěn)定性進行了模擬。通過分析整理計算結(jié)果，認為在砂層中開挖隧道需要考慮圍巖的變形情況，飽和動態(tài)含水砂層結(jié)構(gòu)松散，無粘聚力，自穩(wěn)能力很差。應及時采取加固措施，防止圍巖坍塌。在兩種工況中拱頂位移呈現(xiàn)的形式有不同，原因為在考慮流固耦合工況下圍巖不再只受重力作用，還包括水的浮力和水平向右的恒定水壓。
綜上，在含水砂層中開挖隧道，應在盡可能短的時間內(nèi)對斷面進行支護，防止出現(xiàn)較大的徑向位移，進而導致坍塌。
參考文獻（References）
[1] YUAN Y，JIANG X，LEE C F. Tunnel waterproofing practices in China[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2000，15(2)：227233.
[2]杜永彬 破碎帶隧道開挖支護效果的模擬[J]重慶交通大學學報（自然科學版），2009，28（1）
[3]李地元，李夕兵，張偉，等 基于流固耦合理論的連拱隧道圍巖穩(wěn)定性分析[J]巖石力學與工程學報，2007，26（5）
[4] 何安久. 連拱隧道中隔墻防、排水施工技術[J]. 地下空間與工程學報，2005，1(3)：449451.
[5] 賴遠明，吳紫汪，朱元林，等. 寒區(qū)隧道溫度場、滲流場和應力場耦合問題的非線性分析[J]. 巖土工程學報，1999，21(5)：529533.
[6] Itasca Consulting Group．PFC2D Theory and Background[M]．Minneapolis，Minnesota，1999．
[13]Itasca Consulting Group．PFC2D Optional Features[M]．Minneapolis，Minnesota，1999．
[7] 吉小明，王宇會. 隧道開挖問題的水力耦合計算分析[J]. 地下空間與工程學報，2005，1(6)：848852.
[8] 吉小明. 隧道工程中水力耦合問題的探討[J]. 地下空間與工程學報，2006，2(1)：149154.
關鍵詞：城市建設 地質(zhì)環(huán)境
Abstract: this paper introduces the construction of urban geological environment and the geological disasters, and provide solutions.
Key words: the city construction geological environment
中圖分類號： TU984.11+1文獻標識碼：A文章編號：
1 城市建設地質(zhì)極限的定義
城市是人類活動的產(chǎn)物，是人類密集居住的場所， 是人類向地質(zhì)體施加作用最強烈的區(qū)域之一。
城市地質(zhì)環(huán)境是城市所在部分的地殼表層在自然條件下，依其自然規(guī)律保持著動態(tài)平衡的系統(tǒng)。它是具有自身特征和功能的空間，如果擾動過大，系統(tǒng)的平衡無法自動恢復，將產(chǎn)生一系列地質(zhì)問題甚至地質(zhì)災害。由此定義：城市建設地質(zhì)極限是城市下伏巖土體承受城市建設作用荷載能力的最大值。
2 城市建設的荷載表達
2．1 城市建設的直接荷載
2．1．1 地表建筑形成的荷載
地表建筑形成的荷載可分為靜荷載(建筑物重量)和動荷載(人類活動、風荷載、雪荷載等)兩種。單體建筑或建筑群的重量是最直觀的荷載施加方式，傳統(tǒng)的地基中附加應力的定義也是由此而來。隨著城市建筑高層化、密集化的趨勢日益明顯，建筑物荷載的強度和規(guī)模都越來越大，對地質(zhì)體的應力狀態(tài)的改變也越來越強。
2．1．2 地下開挖形成的荷載
為了滿足城市高密度人口的需要，城市正在向三維空間發(fā)展：與建筑物的高度一樣深的基坑在迅速增加,有可能誘發(fā)地震和地面變形。
2．2 城市建設的間接荷載
2．2．1 熱島效應形成的等效荷載
城市人口高度集中，市區(qū)溫度比郊區(qū)高，城市愈大表現(xiàn)愈突出。它好像溫度相對低的海洋中出現(xiàn)一個吸收陽光而溫度相對高的島嶼一樣。島嶼在氣象上產(chǎn)生的效應在城市也同樣有，所以把城市在氣象學上的效應稱為“熱島效應” 。
2．2．2 電容器效應形成的等效荷載
城市污染以后空氣的電阻率增加。云和地之間形成的電容器機構(gòu)的電容增加就使云與地之間形成的電壓差可以達到很大才放電，這樣雷電就更強烈。同時高層建筑物增多，構(gòu)件中的金屬和電子設備越用越多，增加了直接雷擊和感應雷擊的可能性。巨大的電能輸入地下，等同于附加應力聚集產(chǎn)生的變形能，即相當于外荷載對土體做功。能量儲存到一定程度，將釋放，有可能激發(fā)滑坡、塌陷和地震。
2．2．3 電磁效應形成的等效荷載
隨著城市擴大，城市上空和地下的電磁場密度和強度增加，造成了電磁場環(huán)境污染,電磁和雷擊的電流一樣是能量的一種存在形式。電磁場(波)產(chǎn)生和建筑物重量荷載一樣的作用――影響巖土的結(jié)構(gòu)，最終導致其中的附加應力傳遞分布情況改變。
2．2．4 工業(yè)生活污染形成的等效荷栽
城市居民生活、工業(yè)產(chǎn)生的垃圾、廢水、廢氣中所含污染物繁多，使地基土體所賦存的地下水環(huán)境變化，水土之間的物理化學平衡被破壞。隨著物理化學作用的活躍，土體的物質(zhì)穩(wěn)定和以物質(zhì)穩(wěn)定為基礎的土體結(jié)構(gòu)、力學性質(zhì)隨之變化。
2．2．5 地下水開采形成的等效荷栽
目前我國地下水開發(fā)程度已達40％ ～84％，許多城市超量開采地下水，地下水位下降，地基土體中的孔隙水壓力減小，有效應力增大，是間接加荷的另一個側(cè)面。由此，土體被壓縮，地面沉降，造成建筑物傾斜、倒塌、沉陷、地下水管道破裂、海水倒灌等惡果。
3 城市建設地質(zhì)極限問題的宏觀表現(xiàn)
人類在一定的區(qū)域內(nèi)建立起規(guī)則、美麗的城市的同時，也埋下了導致地質(zhì)環(huán)境混亂的種子。對于城市而言，地質(zhì)環(huán)境可以看作一種資源，并且是不可恢復資源，如：粘土層的塑性變形、殘積土的原始結(jié)構(gòu)破壞等，均很難恢復。在許多發(fā)展迅速、人口稠密的大城市，地質(zhì)環(huán)境資源破壞嚴重，處于其承載能力的邊緣，直接威脅到人類的生存和可持續(xù)發(fā)展問題。
3．1 局部地段地基變形、影響建筑物的穩(wěn)定性
當土體作為建筑物的地基時，建筑物荷載通過基礎傳到地基中去。土體中產(chǎn)生抵抗荷載的附加應力。
3．2 引發(fā)大面積的區(qū)域性地面沉降
隨著大量人口向城市聚集，城市區(qū)域的人類活動加劇。城市建筑范圍、建筑物的高度密度、等效荷載等引起的附加應力隨之增大。相鄰建筑的單體地基變形相互影響、相互疊加，在一定的地質(zhì)條件下，形成大面積、區(qū)域性的地面沉降。
3．3 激活城市下伏構(gòu)造斷裂。誘發(fā)地震
當城市荷載的規(guī)模和強度的不斷增加而持續(xù)擴大土體中附加應力的影響范圍時，城市建設將會影響到地殼巖體的應力狀態(tài)。
原始地應力是由于地球的轉(zhuǎn)動、其他星球的吸引以及地球內(nèi)部熔融物質(zhì)的作用等等因素，使地殼板塊相互碰撞、擠壓而在其中產(chǎn)生的應力。某些構(gòu)造斷裂處的巖體在原始地應力的作用下，可能已經(jīng)臨界于極限狀態(tài)的邊緣，已經(jīng)積累了大量的應變能，而從上部傳遞下來的附加應力成為壓垮駱駝的最后一根稻草。
不同地區(qū)的原始地應力相差很大，需要具體情況具體分析。
3．4 改變地基土原有的力學特性。影響地基土與建筑物的共振特性
通過前文的分析，認為城市建設荷載產(chǎn)生的附加應力有可能誘發(fā)地震。同樣，在斷層錯動后，所釋放的能量以地震波的形式由震源通過巖土體向地面的傳遞過程也將因為附加應力的存在發(fā)生變化。
土體的力學屬性既是土體固有的本性，也有可能隨環(huán)境發(fā)生改變。在土體上施加荷載，土體中的孔隙空間減少，粒間距離減少，顆粒間的連結(jié)力增大，力的傳遞方式和力的作用效果都隨之改變。那么，土體的動力特性，如土體的自振頻率(地基土層的卓越周期)、地震波在其中的傳遞速度等，也將會隨之改變。如果地震發(fā)生，地面的運動情況和地震劇烈程度必然發(fā)生變化。
3．5 破壞城市下伏第四系孔隙含水層的儲水性狀,引發(fā)新的地基穩(wěn)定問題
根據(jù)有效應力原理，城市下伏第四系孔隙含水層中地下水的滲出使其孔隙水壓力減小甚至喪失，有效應力增大，顆粒骨架變形，孔隙壓縮，產(chǎn)生地面沉降。因此，開采地下水的作用等同于地面上的外荷載，在地質(zhì)體中產(chǎn)生了附加應力。水位降低值大則附加應力大，地面沉降量就大。在地下水位持續(xù)下降的情況下，土層長期處于壓縮狀態(tài)，地面呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，影響地基穩(wěn)定。據(jù)已有資料，地下水開采強度大的地區(qū)，是地下水位降落漏斗中心區(qū)，同時也是地面沉降累計量最多的地區(qū)，三者在空間位置上吻合。
含水層在附加應力的影響下，不僅僅是壓縮變形。與此同時，孔隙含水層滲透性變差、儲水量降低、三相比例變化，從而對外力的響應也將發(fā)生變化。例如：土體隨著含水量的降低，可塑性降低，脆性增加，如果受到拉力的作用，更容易開裂，產(chǎn)生地裂縫。
與恒定荷載作用下的滲透固結(jié)不同，由于含水層中的水量及地下水水位受地下水開采和補給的控制，而不同時期地下水開采和補給量不同。因此，等效荷載以及它產(chǎn)生的附加應力、地面沉降均是時間的函數(shù)。
4 結(jié)論
(1)城市建設地質(zhì)極限是城市下伏巖土體承受城市建設作用荷載能力的最大值。
(2)城市建設等同于向城市所依附的地質(zhì)體不斷的施加荷載。荷載產(chǎn)生的附加應力在巖土體中的傳遞和分布，是觸發(fā)地質(zhì)極限的根本原因。
(3)附加應力來自于地質(zhì)體所受到的外部荷載。從細觀結(jié)構(gòu)的角度來看，外部荷載并不僅僅是以建筑物的重量和地表地下開挖這樣直接的方式出現(xiàn)的。在城市發(fā)展的進程中有很多建設行為對地質(zhì)體施加了間接荷載。熱島效應、電容器效應、電磁效應、工業(yè)生活污染、地下水開采等城市建設活動，通過改變地質(zhì)體的空間受力狀態(tài)、物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、甚至直接向地質(zhì)體內(nèi)輸入能量，在城市下伏巖土體上施加了等效荷載，從而觸發(fā)地質(zhì)環(huán)境達到極限。文中詳細分析了這些城市建設行為的荷載表達。
【關鍵詞】 供用水 節(jié)水 可持續(xù)利用
1 概述
鶴壁市位于華北平原中部，海河流域上游，太行山東麓向華北平原過渡地帶，面積為2182km2，其中平原區(qū)（水資源評價定義面積）1353km2，山丘區(qū)面積為829km2。總?cè)丝?63萬，但人均水資源量僅為150m3，是一個嚴重缺水的城市，為滿足經(jīng)濟社會發(fā)展對水資源的需求，鶴壁市在大力開展節(jié)水工作的基礎上，長期依靠超采地下水和擠占生態(tài)用水來增加供水量，2014年下半年南水北調(diào)開始給鶴壁供水后，在一定程度上緩解了鶴壁的用水危急情況，但城市國民經(jīng)濟建設缺水，生態(tài)環(huán)境惡化和地下水超采等問題依舊非常突出，基于此，鶴壁市長期堅持“節(jié)水為先，多渠道開源”的水資源供求平衡戰(zhàn)略。厲行全面節(jié)水，并取得了一定的效果。淇河是華北地區(qū)唯一未被污染的河流，常年水質(zhì)達到國家一級標準，淇河盤石頭水庫蓄水6.08億m3。鶴壁飲用水源地水質(zhì)達標率保持100%。
2 鶴壁市水資源狀況
2014年全市水資源總量2.3815億m3，其中地表水資源量0.7603億m3，地下水資源量2.0660億m3，地表水與地下水重復計算量為0.4448億m3。全市水資源總量比上年減少0.2663億m3。產(chǎn)水系數(shù)0.22，產(chǎn)水模數(shù)10.9萬m3/km2。
2014年末地下水埋深與上年年末比較，平原區(qū)地下水埋深平均下降0.78m。平原區(qū)淺層地下水位下降區(qū)（變幅0.5m）。
2014年全市地表水水質(zhì)以有機污染為主，主要污染物為氨氮、化學需氧量。衛(wèi)河鶴壁段水質(zhì)沒有改善。
3 鶴壁市供用水現(xiàn)狀
2014年鶴壁市供水總量4.7322億m3，其中地表水源供水1.6999億m3，地下水源供水3.0323億m3。地表水源供水中，蓄水工程供水0.9802億m3，引水工程供水0.2464億m3，提水工程供水0.4733億m3；地下水源供水3.0323億m3，其中淺層水3.0323億m3。
鶴壁市區(qū)淇河段2014年共引提水1.3736億m3，其中工農(nóng)渠引水0.9680億m3（實際供水0.4840億m3），民主渠引水0.1403億m3，引淇河水入琵琶寺水庫0.0225億m3，淇濱水廠提水0.1652億m3，天賚渠引水0.0776億m3。
2014年鶴壁市用水總量4.7322億m3，其中農(nóng)田灌溉用水量3.1574億m3，占66.72%，工業(yè)用水量0.6737億m3，占14.24%，林牧漁畜用水量0.2113億m3，占4.47%，城鎮(zhèn)公共用水量0.0880億m3，占1.86%，城鎮(zhèn)生活用水量0.3511億m3，占7.42%，農(nóng)村生活用水量0.1500億m3，占3.17%，生態(tài)環(huán)境用水量0.1007億m3，占2.13%。（見表1）
2014年鶴壁市共消耗水量3.4287億m3，其中農(nóng)田灌溉耗水量2.6782億m3，占78.11%，工業(yè)耗水量0.2585億m3，占7.54%，城鎮(zhèn)公共耗水量0.0398億m3，占1.16%，林牧漁畜耗水量0.1514億m3，占4.42%，居民生活耗水量0.2202億m3，占6.42%，生態(tài)環(huán)境耗水0.0806億m3，占2.35%。（見表2）
2014年全市地下水資源量2.0659億m3，其中山丘區(qū)地下水資源量1.0902億m3，平原區(qū)地下水資源量為1.8766億m3。平原區(qū)與山丘區(qū)地下水重復計算量為0.9009億m3。
山丘區(qū)地下水資源量1.0902億m3，其中河川基流量0.3967億m3，山前側(cè)向流出量0.3001億m3，開采凈消耗量0.3934億m3。
平原區(qū)地下水總補給量為2.1489億m3，其中降水入滲補給量0.9277億m3，地表水體入滲補給量0.6488億m3，山前側(cè)滲補給量0.3001億m3，井灌回歸補給量0.2723億m3。地下水補給量中扣除井灌回歸補給量后，平原區(qū)地下水資源量為1.8766億m3。
2014年全市地下水資源模數(shù)為9.67萬m3/km2。
2014年鶴壁市水資源總量2.3815億m3，其中地表水資源量0.7603億m3，地下水資源量2.0660億m3，地表水與地下水重復計算量為0.4448億m3。全市水資源總量比上年減少0.2663億m3。產(chǎn)水系數(shù)0.22，產(chǎn)水模數(shù)10.9萬m3/km2。
市區(qū)水資源量0.6595億m3，浚縣水資源量1.0301億m3，淇縣水資源量0.6919億m3。
4 鶴壁市水資源利用程度簡析
2014年，鶴壁市平原區(qū)淺層地下水開采量為2.4178億m3，總補給量為2.1489億m3，平原區(qū)開采利用率（平原區(qū)淺層地下水開采量與總補給量的比值）為112.5%。
2014年全市農(nóng)業(yè)灌溉畝均用水量253.7m3，萬元GDP（當年價）用水量69.4m3，噸糧用水量268.3m3，工業(yè)萬元增加值（當年價）用水量16.0m3，城鎮(zhèn)居民大生活（城鎮(zhèn)居民用水、城鎮(zhèn)公共用水與城鎮(zhèn)環(huán)境用水之和）人均日用水量171.0L，農(nóng)村居民生活人均日用水量56.1L。（見表3）
2014年全市年平均降水量502.2mm，年蒸發(fā)量794.2mm，干旱指數(shù)1.58。
5 鶴壁市水資源利用程度簡析
鶴壁市通過加強節(jié)水宣傳教育等工作，提高了全民節(jié)水和水法治意識。2014年，鶴壁市有9家單位新建了節(jié)水工程，年設計節(jié)水量312.5萬噸，實際節(jié)水量291.7萬噸，節(jié)水工程利用率為80.68%，安裝節(jié)水器具10712件（套），節(jié)水器具普及率70%。同時，鶴壁市以建設節(jié)水型農(nóng)業(yè)為目標，大力發(fā)展各種農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術，由于實施節(jié)水灌溉地區(qū)的自然、經(jīng)濟、社會條件不同，灌溉對應也不同，鶴壁市因地制宜，根據(jù)不同情況使用如低壓管道輸水灌溉、渠道防滲灌溉、噴灌、微灌等各種工程形式，采用坐水種、平整土地、合理耕作、覆蓋保墑、軟管灌溉等各種田間節(jié)水技術，取得了良好的社會、經(jīng)濟、環(huán)境效果。未來鶴壁市將繼續(xù)通過水價杠桿、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等手段，提高水資源利用率，推進節(jié)水型社會建設。
參考文獻：
[1]于京要，賈軍，劉雪麗.河北省水資源供求形勢及其對策研究[J].海河水利，2015年
[2]孫乃波，張明芳，徐艷會.威海市未來城市供水形勢分析及對策研究[J].山東水利，2014年
世界上對濕地的定義多達50種。學科意義上認為，濕地是由水（經(jīng)常過濕或有淺水面）、水成土（或半水成土、或有潛育層）和挺水或濕生植物（可伴生其他水生生物）相互作用構(gòu)成，其內(nèi)部過程長期為水所控制的自然綜合體。對保護和管理具有明顯優(yōu)勢的定義是1971年在伊朗拉姆薩爾通過的《濕地公約》中的定義，即：不問其為天然或人工、常久或暫時之沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶，帶有靜止或流動、或為淡水、半咸水或咸水水體者，包括低潮時水深不超過6米的水域。
由于兼具陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的特點，濕地是地球上生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一，可提供很重要的生態(tài)服務。濕地不僅提供給人類水、食物、礦物、纖維等資源產(chǎn)品，更具有維持生物多樣性、涵養(yǎng)水源、補充地下水、蓄洪防旱、調(diào)節(jié)徑流、凈化水質(zhì)、美化環(huán)境、調(diào)節(jié)氣候、控制水土流失、保護沿海近岸地下水層不受鹽化影響、提高抵御自然災害能力、教育和科研以及文化傳承等重要功能，對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、人類生存環(huán)境、區(qū)域生態(tài)安全有著重要影響。據(jù)聯(lián)合國環(huán)境署2002年的研究數(shù)據(jù)顯示，1公頃濕地生態(tài)系統(tǒng)每年創(chuàng)造的價值高達1.4萬美元，是熱帶雨林的7倍，是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的160倍。
在全球?qū)用妫瑵竦厥亲钊菀资苋祟惤?jīng)濟開發(fā)侵犯的一個類型，也導致了濕地生態(tài)系統(tǒng)成為當前全球退化、喪失最快的生態(tài)系統(tǒng)。中國自1992年加入《濕地公約》后，積極履行締約國的義務，加強對濕地的保護，40%的濕地處于保護范圍。2004年國務院辦公廳明確提出要“搶救性保護濕地”，“十”亦明確提出我國濕地只能增加不能減少，但從中國的現(xiàn)狀看，各地自然濕地退化和人為喪失的情況仍然在加劇，濕地生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞的趨勢未能得到有效扼制，濕地維持生物多樣性、提供水、食物以及緩沖洪水、補充地下水，防止鹽化侵蝕等重要生態(tài)功能在降低或喪失。
濕地生態(tài)系統(tǒng)的完整、穩(wěn)定與健康支撐著人類的福祉。珍惜和保護已經(jīng)變得非常脆弱的濕地家園，是我們共同的責任。認識濕地，善待濕地，濕地就會善待我們，幫助我們營造美好的家園。