地下水資源開發環境負效應及預防措施第一頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五海水入侵災害是指由于自然或人為原因，海濱地區水動力條件發生變化，使海濱地區含水層中的淡水與海水之間的平衡狀態遭到破壞，導致海水或與海水有水力聯系的高礦化地下咸水沿含水層向陸地方向擴侵，影響入侵帶內人、畜生活和工、農業生產就地用水，使淡水資源遇到破壞的現象或過程。濱海含水層在海岸線處與海水接觸，在自然狀態下，地下水補給海洋。在很多臨近海洋的地區，隨著對地下水需求量的日益增多，濱海含水層已成為重要的水源。地下水的開采，使得地下水對海洋的補給量日趨減少。當濱海含水層的抽水量超過補給量第二頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五時，海岸附近地下水位下降，海水進入濱海含水層，并逐步向內陸推進，直至達到新的平衡為止。海水入侵對社會經濟、環境和人民生活都能產生重大影響，已引起人們廣泛地關注。早在1855年就有關于倫敦海水入侵問題的報導，德國、荷蘭和日本等國也都有類似的報導。20世紀70年代以來，我國也出現了零星的海水入侵，進入80年代中期，入侵范圍逐漸擴大，情況日益嚴重。目前比較嚴重的地區有河北秦皇島、遼寧大連、山東萊州、浙江寧波等地。第三頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五淡水和海水都是可溶混流體，它們之間的接觸帶是由于水動力彌散作用而形成的過渡帶。在這個過渡帶中，混合水的密度由淡水逐漸變化為海水密度。過渡帶的寬度隨地質條件和水動力條件而異。在某些條件下，過渡帶的寬度相對于含水層的厚度比較小時，可以近似地把它看成不相溶混的兩種流體的突變界面。如沿以色列海岸帶的觀測資料表明，這種突變界面的假定是合理的，但較寬的過渡帶也是存在的。如山東萊州的觀測資料表明，界面平緩不清晰，界面附近濃度變化緩慢，甚至有起伏。對于過渡帶很寬的情況，突變界面的假設就不合適了，這時需用水動力彌散理論來研究過渡帶發生、發展和運動情況。第四頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五近年來對山東龍口-萊州地區海水入侵的研究表明[薛禹群等1992]，造成海水入侵的主要原因是過量開采地下水。當淡水的開采量超過其補給量時，截斷了原先向海洋排泄的淡水流，降低了海岸附近的地下水位，導致咸水模楔體向陸地推進，直至達到新的平衡。因而,海水入侵與抽水量大小、抽水井的分布及地下水開采利用方式有密切關系.用水量偏大、地下水補給量偏小將造成地下水位大幅度下降,出現大面積地下水位低于海平面的負值區,海水入侵則沿著負值區發展.海水入侵的分布與強抽水中第五頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五心的位置有關，咸淡水界面沿海岸線逐漸向抽水中心移動，入侵帶寬度逐漸增大，直至抽水中心為止。如強抽水中心向陸地方向移動，海水入侵將繼續向前推進，直至形成新的平衡。海水入侵方式，依據咸淡水接觸關系的幾何形態主要有面狀入侵體、帶狀入侵體、管狀入侵體、舌狀入侵體和錐狀入侵體等。在第四紀松散沉積的透水性比較均勻的含水層中,海水入侵可呈“面狀”推進。沿古河道巖層導水性好,是海水入侵的有利途徑形成沿古河道深入的“帶狀”入侵.在基巖區的斷裂帶和巖溶發育帶，海水入侵可呈“管狀”入侵。咸淡水界面的形狀與抽水井的分第六頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五布和管理運用方式有關。在抽水量大、流量相對穩定的抽水井的集中地段，咸淡水面較清晰陡峻；在抽水井分散、單井抽水量小、抽水相對不穩定的地段，咸淡水界面平緩，不夠清晰。以上第一種情況多出現在工業用水集中區和供水水源地的附近，第二種情況多出現在農業用水區。在上述類似地區，限制地下水開采是控制海水入侵的基本途徑。海水入侵發生主要原因除了人為因素影響之外，特定的自然環境引發影響也不能忽視。經調查分析，通常發生海水入侵的原因有下列因素構成：人為因素、氣候因素、地質因素、地理環境因素。第七頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五人為因素包括超采地下水、上游蓄水、鹽田擴建、陸地海產養殖等。而地質條件決定了海水入侵的方式、類型和發生強度。其內容包括地層結構、構造發育程度、地質歷史事件影響等。另外，還有氣候原因，如干旱、風暴潮等此外還有地理環境因素。自然災害的類型及強度與其所處地理環境相關，即使同一類型的自然災害由于地理環境差異的影響其強度也具有很大差異，如河流短坡降大、濱海低地面積大的地區容易發生海水入侵等。第八頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五二、海水入侵調查海水入侵勘查目的是通過對海水入侵狀況、發展趨勢和海水入侵對環境的影響等進行勘查和觀測，認識海水入侵災害及其形成規律，為海水入侵的防治提供基礎地質資料。勘查工作應遵循的一般原則是，海水入侵具有隱蔽性、且影響海水入侵的因素很多，單一的方法勘查研究海水入侵一般難以奏效，因此必須用綜合方法；以先進理論為指導、以地質觀察研究為基礎，不斷提高海水入侵的研究程度和質量；充分合理地利用區內已有的資料。第九頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五勘察內容包括海水入侵災情，海水入侵的環境背景、形成條件和影響因素，海水入侵特征、成因和規律，海水入侵的發展及其危害性預測，海水入侵的防治對策。（一）區域環境地質條件和水環境特征勘查1.地層巖性、地質構造和地貌特征及主要礦產(包括礦泉水資源)查清地層、構造的分布和性質，注意張扭性斷裂構造，其破碎帶發育，含水性能好，易于地下水富集，如與海水有直接聯系，易形成海水入侵的通道。查明工作區地貌類型、海岸地貌和地面高程。第十頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五2.含水層的巖性、結構、厚度和富水性：查清含水層的巖性和結構，含水層厚度、含水層透水性及滲透系數。對于碳酸鹽巖地層，要說明其含水層的不均勻性和成層發育的特點。3.隔水層巖性、結構與厚度。4.地下水類型，補給、徑流和排泄條件。5.地下水位、水質和水溫特征。第十一頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五6.海灣與近岸沉積查清海灣特征和近岸沉積巖性和沉積構造。砂質海灣是海水入侵的良好通道，也是古海水滯存的有利場所，內陸一側易發生嚴重的海水入侵。碳酸鹽巖海岸，海水可沿構造裂隙帶或碳酸鹽巖溶孔隙或溶洞入侵。7.地理環境演變查清氣候變遷階段，海陸變遷歷史。海進、海退時期以及古河道發育情況第十二頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五8.第四系松散沉積物查清地層巖性特征、成因類型、沉積結構與分布規律。顆粒較粗，透水性較強的沉積物，可成為海水入侵依托的介質，砂體(包括粉砂、細砂、粗砂和礫石)是發生海水入侵最為典型的物質。無論是層狀的砂層還是帶狀砂帶，都是誘導海水入侵的通道。砂層或砂帶的物質顆粒越粗，透水性越強，越容易遭受海水的侵入。海相地層也是海水入侵易發的場所，海相地層(包括瀉湖相沉積)通常與現代海水保持比較密切的水力聯系，即使沒有保持水力聯系，往往也可能滯留、封存—部分古海水，從而成為新的侵染源。因此，砂層、海相地層和古河道砂帶以及瀉湖沉積層在時空上的分布，直接影響海水入侵的發生、發展和分布規律。第十三頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五9.地下鹵水(礦化度>50g/L)

查清鹵水分布特征、濃度和成因類型。鹵水入侵是古海水入侵的一種特殊類型。由于潛水鹵水層與現代海洋有密切的水力聯系，因此，能得到現今海水的頂托作用．。當陸地地下淡水水位下降時，地下鹵水在海水頂托作用下，迅速沿含水層擴散、侵染淡水。10.水資源評價地下水補給量調查，查明地下淡水補給條件的變化情況、尤其是補給量的減少和減少原因。進行勘查區水資源供需平衡分析和水資源綜合評價。第十四頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五（二）海水入侵災害形成條件和影響因素調查1.地下水位降落漏斗調查在開采地下水歷史較長、機井密度較大的城市，每1~2年要統測一次豐、枯水期水位，了解集中開采區地下水位降落漏斗的規模和發展趨勢。查明漏斗中心的水位、漏斗面積及形狀。了解地下水位下降幅度和下降速度。2.地下水開采量調查在機井開采量調查的基礎上，應對集中開采區的代表性機井每1~2年進行一次豐、枯水期開采量調查。分析研究機井密度、水位下降幅度與機井開采量變化關系。查明地下水開采量的超采趨勢。第十五頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五3.氣候查明氣候干旱和風暴潮情況(風暴潮入侵陸地范圍。4.水利工程查明地表水系特征，主要河流開發狀況和新水系格局5.陸地水化學特征查明地表水化學特征和地下水化學特征。6.水質污染情況查明地表水水質污染情況及排放量，查明地下水污染情況。7.海水養殖業對水質的影響如果有鹽場、海水養殖場等，應查明建場時間、面積(擴大面積)。第十六頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五（三）海水入侵規模、特點、類型、成因和程度勘查要求1.海水入侵范圍一般采用邊界條件分析、水化學分析、鉆探和物探資料分析等手段。主要依據是：(1)與海水有直接聯系的埋藏砂層或碳酸鹽巖裂隙帶(構造)，在空間分布上應具有連續性。區域范圍內氯離子含量都大于250mg/L；對于海水入侵規模大的地區，視電阻率小于30·m低阻電性層在區域范圍內由海岸向陸地在整體上逐漸變化。查明海水入侵范圍和面積(km2)，縱向伸入內陸推進速度(m/a)，氯離子含量及其變化.第十七頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五2.海水入侵的方式海水入侵范圍比較大時可用地層電性特征分析技術查明海水入侵方式。咸淡水接觸關系的幾何形態主要有面狀入侵體、帶狀入侵體、管狀入侵體體和錐狀入侵體等。3.海水入侵成因查明是人為原因，還是自然原因(地質原因、氣候原因或地理環境因素)，或其復合作用所形成。第十八頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五4.海水入侵通道海水入侵通道，是指海水沿松散、破碎地層入侵淡水含水層之海水濃度最大的區帶。依據Cl-含量和視電阻率數值變化，查明通道位置、通道數量、埋深和寬度。5.海水入侵程度（四）海水入侵災害的災情調查主要調查直接經濟損失、社會影響和對環境的破壞。1.危害對象人身健康：查明是否有新地方病或原有地方病人數較明顯增加，增加原因是否與水質有關。第十九頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五生態環境和水環境：查明高大喬本、灌木、植物群落退化情況，查明泉水、礦泉水源地情況。工農業等國民經濟情況：查明農作物減產情況，耕地退化情況；查明供水井報廢數量及原因；查明工業企業新開辟水源地情況，工業設備壽命縮短情況及原因。2.危害區域查明災害影響的范圍，按不同程度可適當分區。3.海水入侵災害的損失評估在全面調查統計資料的基礎亡,采用現實成本逐項核算或其它辦法確定直接經濟損失對社會的影響及對周圍環境的影響進行評估。第二十頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五（五）海水入侵勘查技術要求1.遙感解譯主要用于海水入侵對較大范圍環境影響的勘查和觀測，例如海水入侵所造成的危害，某些社會經濟狀況等。通過航片、衛片解譯，要求判斷下列問題：土地利用；植被、土壤和地表水的分布；地下水的時空變化，古河道的分布范圍；地質構造基本輪廓；新構造形跡、裸露及隱伏的線性構造位置。宜用1:10000~1:30000航空像片。用不同的波段、時相獲取不第二十一頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五不同內容的影像，最佳時相應該選擇在不同作物或土地類型、光譜反射差異最大的季節。對多波段TM的不同組合方式進行線性構造和大河道影像判讀，繪制TM影響線性構造解譯圖和古河道TM影像解譯圖。2.區域水文工程地質測繪主要任務是查明海水入侵地區的地貌、地層巖性、地質構造、水文地質特征和類型以及礦產(鹵水)資源。咸淡水層的空間分布范圍，天然或開采條件下的補、徑、排轉化關系。海水入侵范圍、特點及其危害。測繪范圍除海水入侵范圍外，可適當擴大到生態環境可能受海水入侵影響的地區。測繪圖件比例尺一般為1:25000~1:10000，特殊情況下，可適當地提高精度。第二十二頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五3.地球物理勘探主要查明以下問題：圈定海水入侵空間分布界線，圈定海水入侵通道，觀測咸淡水界面運移規律，入侵區域地下水中Cl-濃度的變化趨勢。國內常用物探方法有電測井、井液電阻率、無線電波透視、地層電性特征分析等。應結合具體情況選用，以提高應用效果為原則。地層電性特征分析適用于大范圍而鉆孔密度比較小的地區。在第四紀地層厚度大、沉積分布比較均勻的地區，測出的曲線比較圓滑，使用量板法解釋比較好；在第四紀地層比較薄、巖性變化比較大，特別是在基巖地區測出的曲線一般拐折多變，用拐點切線法或簡易拐點切線法解釋比較好。地球物理勘探精度一般應與水文地質測繪比例尺相適宜。第二十三頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五4.鉆探對于城市，或范圍不大且已有較多水文地質鉆孔的地區，應盡量利用已有的鉆孔，適當補充一些鉆孔。在鉆孔較少的地區布置新的鉆孔時，要和觀測網(點)綜合考慮，鉆孔盡量一孔多用。鉆探的主要任務是查明海水入侵體的空間分市及其空間變化規律，查明鹵水體的空間分布形態，查明地下水Cl-濃度沿水平方向和垂直方向的變化規律，查明海水入侵通道的位置及延伸情況，各含水層分層采樣進行水質分析。第二十四頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五勘探線的布置：分海水入侵和鹵水入侵兩種情況布置勘探線及鉆孔。對于海水入侵，一般布置或垂直海岸線和垂直河流的勘探線；對于鹵水入侵，在垂直方向上要按淺、中、深不同深度布置，平面上沿鹵水體的縱軸和橫軸布置。鉆孔深度的確定：一般有錢、中、深不同的深度以控制其變化。深鉆一般應穿過入侵含水體或鹵水體的底部。第二十五頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五5.室內和野外測試水質分析的主要任務是劃分地下水化學類型，研究區域地球化學；研究區域Cl-含量、礦化度的特征；查明地下水污染物質成份和含量、污染源、污染途徑和污染范圍；研究地方病與海水入侵的關系；研究生態環境變化與海水入侵的關系。野外測試的任務是野外現場實測海水入侵地區不同地點的水溫和水的含鹽度；為查明地下水開采與海水入侵的關系,可在抽水過程中定時測定Cl-含量的變化;工廠,城鎮,農灌區及其下游地第二十六頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五下水已受污染或可能受到污染的地區，應分析與工廠排污和使用農藥、化肥有關的有毒物質和組分，同時，對有機污染的綜合指標進行分析，并在同一孔中進行取樣分析，以了解污染發展趨勢。樣品采取及分折精度應執行《水樣的采取、保存與送檢規程》。同位素分析用于鑒別地下水變咸的成因。分別在地下水、海水、鹵水和雨水中取樣測試對比，雨水、地下淡水各取1個樣。第二十七頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五（六）動態監測1.動態監測的目的動態監測主要用于海水入侵勘查階段的觀測以及治理后的效果觀測，目的是為了揭示海水入侵的發展規律，查明地下水位和水質的時空變化規律，包括地下水位動態的年際變化，地下水位變化相關分析，地下水位與開采量、降水尾和蒸發量的關系，地下水質的時、空變化，地下水位動態與海水入侵相關規律分析。根據統計數據，分析地下水位負值區與海水入侵面積之間的關系。第二十八頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五2.觀測網的布置原則觀測網的布置應以較少觀測點控制較大的面積，獲得大量典型動態資料，具體布設應考慮：（1）觀測剖面原則上應垂直海岸線布置，輔助斷面則應考慮查明邊界條件的需要及垂直河流布量。例如：大致垂直于海岸線，穿過地下水水位負值區；如有河流穿過負水位區，則除沿剖面線外，還需布設垂直河流，穿過負水位區的剖面線，使三條剖面線上的測點在平行海岸線方向上也組成橫剖面線；有鹵水帶的地區，要大致垂直于鹵水帶，并進入(水位負值)漏斗區。第二十九頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五（2）控制不同類型的含水層(組)，特別是有海水入侵危險的含水層。觀測重點是主要供水目的層和已發生海水入侵的含水層。（3）控制地下水水位下降漏斗區和海水入侵區。（4）控制不同的水文地質單元。（5）觀測網的密度，一般不應超過省級網點和地區級網點的（6）場地空曠，易于按設計要求布孔，少占耕地。第三十頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五3.觀測孔的布置原則為了確定咸淡水交界面的位置及其移動規律內，應按從界面起由密到疏的原則布置；過渡帶內觀測孔的數量和布置主要考慮數值模擬的需要。淡水區除考慮數值模擬需要外，還考慮界面移動速率，以保證在研究期間至少一組孔始終在淡水區內；為了有較高的觀測精度井觀測水位、濃度、密度等沿垂向的變化，不能用完整井，必須在差不多同一地點(孔距小于1m)至少布置三個不同孔深的觀測孔，分別控制含水層的頂部、中部和底部(決定于含水層的厚度，如厚度超過20m，則應多于3個)，過濾器長度盡量短(不超過0.5m)，并仔細止水。第三十一頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五如果在一個大口徑井中設置不同深度的幾個觀測管來代替上述裝置，則必須保證嚴格分層止水，以防止境內發生垂向水流(此時所得觀測結果完全不代表含水層內的真實變化，因而毫無意義)。單個觀測孔不能用長過濾器，其長度應不大于0.5m，并仔細止水。安置深度在整個場區內可均勻地采用不同的值。第三十二頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五4.地下水觀測點的選擇和建設可以保持觀測時間的連續性，作為水質觀測的點應該是常年作用的生產井或泉。觀測孔的施工技術要求，必須符合水文地質鉆探質量標準和有關規定。每個觀測孔必須建立卡片，作為永久檔案資料。卡片內容包括：統一編號（代碼）、原編號、觀測點類別、位置、坐標、井位示意圖、地層巖性柱與井結構圖、觀測目的層的起止深度、孔口安裝、觀測項目、建并日期、始測日期、觀測記事、其他。觀測孔的安裝、測量、清淤等按有關規定處理。第三十三頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五5.地下水位觀測過程中的技術要求及質量保證地下水的觀測項目是測量靜水為埋藏深度與高程。水位觀測頻率每5d定時觀測1次。觀測日期一般要求為逢五或十日。南方巖溶地區每3d觀測1次，水位枯、豐兩季加密至每天觀測3次。在1:10000地形圖上進行觀測點定位，求得觀測點地面高程。Z在觀測點上釘一高程樁，確定其高程值，以確定水位高程。觀測記錄時，同時記錄相關情況，如抽水、降雨或灌溉等。如用自記水位計自動監測，連續觀測要求測量精度1mm，每5d手測校核1次。每半年重測側繩標記，防止測繩拉長引起的測量誤差。記錄如需修改，必須用鉛筆輕輕劃去(保留原來記錄清晰性)，重新寫上，不得涂抹或用橡皮擦去。第三十四頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五6.地下水化學成分觀測過程中的技術要求與質量保證地下水化學成分觀測項目包括水平和垂直方向的地下水化學成份，主要指標為Cl-濃度、礦化度、總硬度和Br-濃度。除在不同觀測點上取樣外，還應從不同深度取水樣(如10m、30m、60m)。取樣瓶需事先清洗3遍，用水泵抽取活水樣，用抽取的水樣把取樣瓶再清洗3遍。取完樣后立即把水樣瓶密封，并貼上標簽。取樣點位置，取樣時間和水樣編號要在現場登記在取樣本上。記錄取樣時的環境條件，如抽水或降雨等。水化學簡分析每月—次，在兩項水化學簡分析取樣之間取樣單獨測定C1-濃度，每半月測定一次。每次采一個重復樣進行平等測試對比，鉀、鈉一般用差減法測試，每次對一個水樣的鉀、鈉獨立進行測試，并與差減法測試對比。第三十五頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五三、海水入侵的災情評估海水的密度為1.025g/cm3，淡水的密度為1g/cm3。所以含水層中的淡水經常“飄浮”在海水之上。海水和談水是可以相混溶的，兩者之間存在一個鹽分濃度變化的過渡帶。過渡帶的地下水礦化度3.5g/L漸變到1.0g/L左右。上世紀末本世紀初，Bado-Ghyben和Hemberg分別進行了歐洲濱海含水層內界面的研究，其目的在于確定界面的形狀和位置與濱海區地下水各均衡要素之間的關系。對于相對靜止的海水來說，淡水區可認為是按靜水壓強分布的，也可以用動力平衡代替靜力平衡，但這時要假設水流運動是穩定的，在淡水區內水為水平運動（圖13-1）。第三十六頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五在海平面以下深度為hs的咸淡水界面上，有 （13-1）式中——咸水和淡水的容重；

——在距海岸某處海平面至咸談水界面的深度和海平面以上談水的厚度。將上式移項得 （13-2）上式被稱為Ghyben—Henberg關系式。第三十七頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五圖13-1Ghyben—Henberg咸淡水界面模型（J.Bear，1979）第三十八頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五上述的咸淡水界面是指海岸地帶，由于海水與淡地下水密度不同，因而在重力分異作用下，于兩種水體之間形成一個下咸上淡、傾向大陸方向的明顯水質分界面；而在大陸內部，其分界面則近水平分布，呈上淡下咸或淡咸相間狀態。若取s=1.025g/cm3時，=1.000g/cm3，則=40，hs=40hf，即在離海岸任何距離處，穩定咸淡水界面在海平面以下的深度為海平面以上淡水深度的40倍。這一計算結果與很多實際觀測結果大體相符合。如潛水面高出海平面5m，則該處穩定的咸淡水界面位于海平面以下200m。若沿海潛水含水層水位普遍下降1m，則成淡水界面將相應上升40m。第三十九頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五海水入侵調查應查明海水入侵的原因、程度、范圍、途徑及其對環境和生態的影響。在海水入侵活動評價中，采用有限單元法，建立水動力彌散型水質模型，模擬評價區地下水動力滲流場和鹽分濃度場的動態變化過程，反映不同地下水介質條件下，地下水壓力(水位)與地下水咸化標志成分(氯離子含量、礦化度、Na/Cl等)的變化關系，依此確定不同條件下海水入侵發展速率，預測海水入侵規模（表13-1）。根據水體中化學指標的含量不同，可以進行海水入侵程度的等級劃分（表13-2）。第四十頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五表13-1海水入侵災變等級劃分表

種類指標特大型大型中型小型海水入侵海水入侵范圍（km2）>500500~100100~10<10（據張梁等著《地質災害災情評估理論與實踐》，1998，P28第四十一頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五

表13-2海水入侵的化學指標分級

分級指標IIIIII氯離子Cl-1/mg/L

<250250~1000>1000溴離子Br-1/mg/L

<0.550.55~3.1>3.1礦化度M/mg/L

<1.01.0~3.0>3.0入侵程度無入侵輕度入侵嚴重入侵(據劉傳正主編，《地質災害勘查指南》，2000，272)第四十二頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五四、海水入侵的預防措施海水入侵最根本的原因是地下水的過量開采，破壞了地下水的平衡，使含水層中淡水水位低于海水水頭。因而，控制和防止海水入侵最簡單的手段是減少地下水開采量，使含水層水位不再繼續下降。有海水入侵危害的地區，應大力發展節水型經濟，大力推廣節水農業和工業節水新技術，確保地下水開采量小于含水量的補給量。對于已被海水入侵的含水層，通過布置補給坑塘和回灌井的方法進行人工回灌,增大地下水的補給量。有條件的地區,應因地制宜地建造水利工程,攔蓄和利用地下徑流和地表徑流第四十三頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五充分利用流入海的洪水，擴大水資源的調蓄利用率。可在靠海岸處，平行于海岸線方向打一排回灌井，形成一條測壓水位高于海平面的壓力脊。這樣，含水層中的水將不斷由壓力脊向海水的方向流動，防止海水入侵。此外，也可在靠近并平行于海岸處設置抽水排井，形成一條較深的水位低槽，就像一條排水溝，防止海水進一步入侵。上述方法是通過水資源的平衡和控制地下水位的措施來防止海水入侵，另外，也可以通過改變含水層透水性的方法解決這個問題，如沿岸建立地下水隔水墻，以阻止海水通過。防治海水入侵必須立足于綜合整治方案，即按區域地質、水文氣候和生態環境脆弱現狀，設計綜合治理規劃并付之實施。第四十四頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五1.減少地下水開采量這是防止海水入侵的一種有效辦法，它減少開采量使其達到設計的地下水標高。當然這就意味著需水量要削減或者要按排水的間斷性供應。當削減抽水量時，使起自補給源的水力坡度變得平緩，使與入侵有關的朝向陸地的坡度被微向海洋傾斜的坡度替代，而繼續保持向海洋的淡水運流。當然在沿海，抽地下水使用時引起海水入侵使地下水變咸，人們會無意識地減少地下水開采，這就是對海水入侵的自適應控制。第四十五頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五2.人工回灌人工回灌在我國和世界許多國家已有實踐。采用人工回灌的辦法，增加地下淡水的水頭和流速，這種方法必須引用外部水源，并且必須具備淡水增加補給的自然條件。應該充分利用當地雨季的地表水，盡量減少其從地表排走的徑流量，使一部分灌入地下；從水源豐富的地方引進，甚至將污水、廢水處理之后進行回灌。回灌水源的方式目前主要有回灌井、水坑、水溝、水平回灌廓道等。回灌井遇到的技術問題是井的堵塞，包括氣體、懸浮物堵塞、化學堵塞和微生物堵塞等。第四十六頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五3.實際屏障在海水源與抽水井之間安置某些類型的隔水屏障，如開挖一條槽然后回填卵石粘土或者打一排井以灌入隔水泥漿。隔水墻是人造的不透水屏障，它可使淡水和鹽水隔絕；作法是通過灌注某種呈懸浮狀態的物質，懸浮物將固結并充填土壤中的孔隙，其形式類似橫斷地表河流的地面壩。這雖然阻止了海水的侵入，但也妨礙了盆地地下水的泄流。第四十七頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五4.抽水槽這種方法是在海岸線附近的供水井和海水源之間布置一排控制性的抽水井進行抽水，抽出的水是淡、鹽水混合水，然后排入海洋，在地下含水層中形成一個抽水槽，阻止海水入侵（圖13-2）。控制井必須以某個速率抽水，使所有向供水井方向流動的海水都能抽出來。在達到平衡以后，槽內的地下水位必須低于該盆地任何地點的水位。這種方法技術上可行，但費用較高。第四十八頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五5.水力分水嶺（地下水丘）在海水與供水井之間增加一排注水井，引入補充水，使中間水位上升，從而提供必要的水力坡度，使得水流向兩邊。淡水通過一排溝把海水和抽水井隔開的注水井注入，因為淡水和海水密度不同，根據Ghyben—Henberg關系，一定高度的淡水水位能控制海水的侵入（圖13-3）。以一定的淡水壓力來形成一個壓力屏障。6.修建排水渠在地表水供應充足的地方，可沿海修建排水渠，通過大陸排水(灌溉排水、產流、以及其它排水)在海水和開采井之間形成壓力屏障，當然只適用于潛水含水層。第四十九頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五7.聯合屏障即把抽水槽和水力分水嶺結合在一起。靠海一邊用抽水槽來完成，而水力分水嶺則靠陸地一邊。聯合屏障由兩個聯合運行的系統所組成，使得地面沉降和海水入侵減少到最低程度。此外，聯合系統避免了許多其它方面的負作用，比其它任一種系統在運行上有更大的靈活性。第五十頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五圖13-3補給水丘示意圖1-咸水體；2-開采前的天然地下水位；3-采取注水后的地下水位；4-天然狀態下的地下水流向；5-采取注水后的地下水流向第五十一頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五§13.2巖溶塌陷的災情評估及防治措施一、巖溶塌陷的概念及產生原因巖溶地面塌陷是指覆蓋在溶蝕洞穴之上的松散土體，在外動力或人為因素作用下產生的突發性地面變形破壞，其結果多形成圓錐形塌陷坑。巖溶地面塌陷是地面變形破壞的主要類型，多發生于碳酸鹽巖、鈣質碎屑巖和鹽巖等可溶性巖石分布地區。激發塌陷活動的直接誘因除降雨、洪水、干旱、地震等自然因素外，往往與抽水、排水、蓄水和其他工程活動等人為因素密切相關，而后者往往規模大、突發性強、危害也就大。巖溶地面塌陷發現于碳酸鹽巖分布區，其形成受到環境和人類活動的雙重影響。第五十二頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五1.可溶巖及巖溶發育程度可溶巖是由巖溶地面塌陷形成的物質基礎，而巖溶洞穴的存在則為地面塌陷提供了必要的空間條件。大量塌陷事件表明，塌陷主要發生在覆蓋型巖溶和裸露型巖溶分布區，部分發育在埋藏型巖溶分布區。溶穴的發育和分布受巖溶發育條件的制約，一般主要沿構造斷裂破碎帶、褶皺軸部張裂隙發育帶、質純層厚的可溶巖分布地段、與非可溶巖接觸地帶分布。巖溶的發育程度和巖溶洞穴的開啟程度，是決定巖溶地面塌陷的直接因素，可溶巖洞穴和裂隙一方面造成巖體結構的不完整，形成局部的不穩定；另一方面為容納陷落物質和地下水的強烈運動提供了充分的空間條件。一般情況下，巖溶越發育，溶穴的開啟性越好，洞穴的規模越大，則巖溶地面塌陷也越嚴重。第五十三頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五2.覆蓋層厚度、結構和性質松散破碎的蓋層是塌陷體的主要組成部分，由基巖構造成的塌陷體在重力作用下沿溶洞、管道頂板陷落而成的塌陷為基巖塌陷。塌陷體物質主要為第四系松散沉積物所形成的塌陷叫土層塌陷。據南方十省區統計，土層塌陷占塌陷總數的96.7%。3.地下水運動地下水運動是塌陷產生的動力條件——主要動力。地下水的流動及其水動力條件的改變是巖溶塌陷形成的最重要動力因素，地下水徑流集中和強烈的地帶，最易產生塌陷，這些地帶有：第五十四頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五（1）巖溶地下水的主徑流帶；（2）巖溶地下水的（集中）排泄帶；（3）地下水位埋藏淺、變幅大的地帶（地段）；（4）地下水位在基巖面上下頻繁波動的地段；（5）雙層（上為孔隙、下為巖溶）含水介質分布的地段，或地下水位急劇變化的地段；（6）地下水與地表水轉移密切的地段。第五十五頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五地下水位急劇變化帶是塌陷產生的敏感區，水動力條件的改變是產生塌陷的主要觸發因素。水動力條件發生急劇變化的原因主要有降雨、水庫蓄水、井下充水、灌溉滲漏、嚴重干旱、礦井排水、強烈抽水等。此外，地震、附加荷載、人為排放的酸堿廢液對可溶巖的強烈溶蝕等均可誘發巖溶地面塌陷.第五十六頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五二、巖溶塌陷勘查及預報（一）勘查工作內容的一般要求(1)查明巖溶塌陷的發育現狀、歷史過程及其危害性。(2)確定巖溶塌陷的成因、類型、形成條件和地質模式，研究其分布規律。(3)確定巖溶塌陷發育的動力因素，研究其動態特征及其與塌陷的相關關系。(4)確定巖镕塌陷的機制及其臨界條件。(5)研究巖溶塌陷綜合評價預測和信息管理系統，評價其穩定性。(6)確定巖溶榻陷的前兆現象與監測預報方法，研究預警措施。(7)研究巖溶塌陷的防治工程方案和措施。第五十七頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五（二）勘查區巖溶環境調查研究目的是了解勘查區所處的巖溶工程地質環境的特征及其組成要素的分布規律,以保證勘查工作的質量.調查研究方法主要是綜合分析研究已有助各種資料,必要時進行補充的路線調查.調查研究范圍以達到上述目的為原則,一般應包括一個完整的水文地質.1.地形地貌單元調查研究的主要內容：調查研究山川形態與走勢,地形切割起伏特征,地表水文網的配置格局,夷平面和階地的發育特征和分布高程,地貌成因類型與形態特征,各地貌單元的分布,組成物質與形成時代等。著重調查巖溶地貌形態的成因類型和形態組合類型及其分布。第五十八頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五2.氣象與水文(1)氣象要素中著重調查降水特征，包括多年長周期豐、貧水年變化特征，多年平均降水量，年降水量分布特征，單次最大降水量及持續時間，最大降水強度(以小時計)等。(2)水文要素包括地表匯流面積，徑流特征，河、湖及其它地表水體(包括季節性淹沒的洼地)的流量和水位動態，包括最高洪水位和最低估水位及出現日期和持續時間，汛期洪水頻率及變幅等。第五十九頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五3．地層調查研究組成地質環境的地層層序及時代、成因類型、巖性巖相特征與接觸關系及其工程地質特征。其中，側重對碳酸鹽巖及其它可溶巖和第四系松散沉積物的調查研究，(1)對碳酸鹽巖及其它可溶巖，調杏研究其巖石成分和結構構造，非可溶巖夾層的巖性、厚度與分布，劃分巖溶層組類型。第六十頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五(2)對第四系松散沉積物，調查研究其巖性結構、沉積年代和成因類型及其厚度與分布。注意調查紅粘土、軟土及其它特殊土類的巖性成分、結構、厚度及埋藏分布條件、根據上述特征劃分其巖性、結構類型，—般可作如下劃分：第六十一頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五①均一結構：均一粘性土層或均—砂土層。由單一土層組成，其中夾層的單層厚度小于lm，累計厚度小于總厚度的10%。的兩種巖性土層或兩種不同時代、不同成因類型的土層組成。②多層結構：雙層狀粘性土-砂礫石層或雙層狀砂礫石-粘性土層，由同一成因類型的兩種巖性土層或兩種不同時代、不同成因類型的土層組成。③多層結構：多層狀粘性土夾砂礫石層或多層狀粘性土、砂礫石層。由同一成因類型的多種巖性土層或多種不同時代、不同成因類型的土層組成。第六十二頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五4．地質構造調查研究區域構造骨架與構造線方向，主要構造的形態特征、產狀、性質、規模與分布，其形成時期與組合關系。著重調查斷裂構造、其規模、產狀、力學性質、組合與交切關系，以及破碎帶的性狀與特征。對節理裂隙，要注意調查其在不同構造部位、不同巖性中的發育特征與發育方向，著重調查裂隙密集帶的發育與分布。第六十三頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五5．新構造運動與地震(1)調查研究新構造運動的性質與特征。根據地震活動性、地形變特征、地貌差異及水熱活動等跡象判定活動性斷裂，注意調查其產狀規模和破碎帶特征，切割的最新地層及最新充填情況，判明其活動時期、活動特點及強度。著重調查構造現今活動跡象，根據地形變資料，分析現今活動特征。(2)搜集歷史地震資料，了解震中位置與震級，分析評價地震活動水平。搜集附近地震臺站測震資料，了解地震活動規模及其與區域構造的關系。著重調查歷史上破壞性地震所引起的各種地震效應，調查研究與塌陷有關的各種現象，如噴砂、冒水、地面開裂、塌陷、砂土液化、地下水位驟然升降的異常變化等.第六十四頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五6．巖溶發育特征(1)調查研究巖溶的形態、規模、組合特征及其分布，統計分析不同條件下巖溶發育密度。分析研究巖溶發育與巖溶層組類型、構造、地貌及地下水動力條件的關系，了解巖溶發育與分布規律。(2)以巖溶層組類型及巖溶地貌特征為基礎，結合地表巖溶形態、巖溶率及蓄水性等指標，評價巖溶的發育程度，一般可劃分為強、中、弱三級。第六十五頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五(3)對覆蓋巖溶區、著重調查研究淺層巖溶洞隙的發育特征，包括其形態、規模、組合特征、連通情況及充填狀況，分析研究強巖溶發育帶在平面上的分布和剖面上的發育深度。注意調查研究隱伏于松散覆蓋層之下的巖溶形態及其分布特征．如漏斗、洼地、槽谷等，分析研究其與淺層巖溶發育的關系第六十六頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五7．巖溶水文地質條件(1)調查研究巖溶地下水的類型及其特征巖溶地下水總體上具有賦存狀態復雜(集中管道狀或分散網絡狀)，動態變化迅猛，徑流通暢，流態多變的特點。這些特征在不同的地區，由于其補、徑、排條件的不同又有明顯的差異。影響補、徑、排條件的因素除了地質構造外，主要是受地貌，即碳酸鹽巖的出露條件、地形切割程度及水文網的配置格局所控制，不同的地貌類型具有不同巖溶地下水特征。據此可將巖溶地下水劃分為三種類型：巖溶山地(棵露型巖溶)的巖溶地下水，巖溶平原、盆地、谷地(覆蓋型巖溶)的巖溶地下水和河湖近岸地帶的巖溶地下水。第六十七頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五(2)調查研究巖溶水文地質結構調查研究各巖溶含水層組的層位、巖性、含水介質類型、富水性及水化學特征，其埋藏和分布條件，其相互間的水力聯系及與第四系孔隙水和地表水體的關系，分析研究巖溶水文地質結構的類型及特征。(3)調查研究巖溶水系統的組成與分布特征調查研究巖溶泉和地下河的發育與分布特征，結合巖溶水文地質結構，分析研究巖溶水系統的組成和分布特征，其補給、徑流、排泄的水動力條件及其水位、流量的動態變化持征。第六十八頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五(4)調查研究覆蓋巖溶區的地下水流場特證。著重調查研究巖溶水的流場特征和水位(水頭)埋深與基巖面的關系及其動態變化。巖溶水主徑流帶的分布與水動力特征。近河(湖)地段注意調查研究巖溶地下水、上覆土層水與地表水之間的補排關系、洪水漲落過程所引起的它們之間的水位(頭)差及水力坡降的變化，以及洪水倒灌的影響范圍。對于第四系覆蓋層包括粘性土層，注意調查其含水性及其分布，以及與巖溶地下水的水力聯系與水頭差。巖溶地區第四系粘性土常為坡,殘積成因,多第六十九頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五含砂礫質、且垂直裂隙發育，因而具有不均一的含水性，往往組成弱含水層。許多塌陷區部發現有隱伏土洞，上洞最發育的部位有兩個，一是基巖面附近，一是地下水的季節變動帶。后一部位往往位于土層剖面的中部。土洞的形成從另一側面表明上層中有水流的滲透作用。因此第四系粘性土不能一概當作相對隔水層，而應具體了解其滲透性和含水性，它們對粘性土蓋層中土洞和塌陷的形成有著相當重要的意義。第七十頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五（三）巖溶塌陷監測巖溶塌陷研究中，要監測地面、建筑物的變形和井泉或水庫水量、水位變化，地下洞穴發展動態，及時發現塌陷前兆現象，對預防、減輕塌陷災害損失非常重要。在地面塌陷頻繁發生地區或潛在地面塌陷區內，可采取以下監測和預報措施：(1)在具備地面塌陷的三個基本條件(即塌陷動力、塌陷物質、儲運條件)與巖溶低洼地形地區，在抽排地下水的井孔附近，應對地面變形(開裂、沉降)進行監測。第七十一頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五(2)進行宏觀水文監測，當出現地表積水或突然干枯，放水灌溉及雨季前期降雨都可視為可能發生塌陷的前兆。(3)注意收集或及時發現具塌陷前兆的異常現象，如出現建筑物開裂或作響、植物傾斜變態、井泉或水庫突然干枯或冒水、逸氣，地下水位突升突降，地下有土層塌落聲及動物驚恐等異常現象，皆應警惕塌陷即將來臨。第七十二頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五(4)監視井泉內、坑道與水庫滲漏點的地下水位降深是否超過設計允許值，地下水位升降速度有否驟然變化，滲漏水中泥沙含量是否高。另外可以在井孔內安裝伸縮性水準儀，中子探針計數器、鉆孔深部應變儀，及其他常規測量儀器等監測地下變形異常。(5)塌陷時地表會發生變形，地球物理場亦會發生一定的變化，利用這種特性，在洞穴上部埋設裝有聚氯乙烯銅線的混凝土管，當臨塌陷或大塌陷前，地表覆蓋層發生變形時，混凝土管就會被折斷從而發出警報；也可以監測重力的變化，將重力變化的信號轉換為音響的報警裝置進行報警。第七十三頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五三、巖溶塌陷的災情評估（一）巖溶塌陷等級劃分巖溶塌陷應查明：塌陷的位置、范圍及面積；塌陷量；塌陷區的環境水文地質條件；塌陷原因以及發展趨勢。依據塌陷面積進行等級劃分（表13-3）

第七十四頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五表13-3巖溶塌陷災變等級劃分表

（據張梁等著《地質災害災情評估理論與實踐》1998，P28）種類指標特大型大型中型小型地面塌陷巖溶塌陷面積（km2）>2020~1010~1.0<1.0采空塌陷面積（km2）>55~1.01.0~0.1<0.1第七十五頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五（二）巖溶塌陷的災情預測預測步驟包括以下三個：1.查明研究區的地質、水文地質條件。2.調查已有塌陷點的塌陷特征、分布規律及形成條件（環境及觸發因素），確定出現塌陷的綜合判斷指標。3.考慮塌陷發展趨勢和對環境的影響程度，對研究區進行塌陷預測分區，提出地表各種重要設施的保護方案和預防措施。通常,采排地下水或礦坑突水時，在水位降落漏斗內，容易產生巖溶塌陷的地段如下：第七十六頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五1.淺部巖溶發育強烈，可溶巖頂板起伏較大，并有洞口和裂口，洞穴無充填物或充填物少，且充填物多為砂、碎石、粉質粘土的地段。2.采排地下水點附近或地下水位降落漏斗范圍中心（特別是地下水的主要補給徑流方向上）地段。3.構造斷裂帶（特別是新構造斷裂帶）背、向斜軸部，可溶巖與非可溶巖的接觸部位。4.溶蝕洼地、積水低地和池塘、沖溝地段。5.第四系土層為砂、粉質粘土，且厚度小于10m地段。6.河床及其兩側附近。第七十七頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五地面塌陷預測可考慮的影響因子：1.排水量（Q）2.水位降低值（S）3.蓋層物理、力學性質的指標（ηi）4.蓋層厚度（M）5.巖溶發育程度的指標（K）6.表征構造破壞程度的參數（G）7.預測擴展半徑時要考慮時間8.預測時間、強度時，要考慮到抽水中心的距離第七十八頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五地面塌陷在時間上具有突發性，空間上具有隱蔽性，其預報為當前的前沿課題。可用于巖溶地面塌陷的探測方法和儀器有地質雷達（探溶洞）、淺層地震、電磁波、聲波透視（CT）等。近年來，用GIS技術中的空間數據管理、分析處理和建模技術對潛在塌陷危險性進行預測，效果良好。目前國內巖溶塌陷災情評估的方法，主要采用經驗公式法、多元統計分析法，也可根據巖溶類型、巖溶發育程度、覆蓋層厚度和覆蓋層結構，進行巖溶塌陷活動程度判定（表13-4）。第七十九頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五四、巖溶塌陷的防治措施我國對巖溶塌陷的防治工作開始于60年代，目前已有一套比較憲整和成熟的方法、防治的關鍵是在掌握礦區和區域塌陷規律的前提下，對塌陷做出科學的評價和預測，即采取以早期預測、預防為主，治理為輔、防治相結合的辦法。塌陷前的預防措施主要有：合理安排廠礦企業建設總體布局；河流改道引流，避開塌陷區;修筑特厚防洪堤,控制地下水位下降速度和防止突然涌水,以減少塌陷的發生;建造防滲帷幕，避第八十頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五表13-4巖溶塌陷活動程度判定表（據張梁等著《地質災害災情評估理論與實踐》1998，P67）第八十一頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五免或減少預測塌陷區的地下水位下降，防止產生地面塌陷；建立地面塌陷監測網。塌陷后的治理措施主要有：塌洞回填；河流局部改道與河槽防滲；綜合治理。一般來說，巖溶塌陷的防治措施包括控水措施、工程加固措施和非工程性的防治措施。第八十二頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五（一）控水措施1.地表水防水措施：防地表水進入塌陷區，可以：（1）清理疏通河道，加速泄流，減少滲漏；（2）對漏水的河、庫、塘鋪底防漏或人工改道；（3）嚴重漏水的洞穴用粘土、水泥灌注填實。2.地下水控水措施根據水資源條件，規劃地下水開采層位、開采強度、開采時間，合理開采地下水，加強動態監測。危險地段對巖溶通道進行局部注漿或帷幕灌漿處理。第八十三頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五（二）工程加固措施1.清除填堵法：用于相對較淺的塌坑、土洞。2.跨越法：用于較深大的塌坑、土洞。3.強夯法：用于消除土體厚度小，地形平坦的土洞；4.鉆孔充氣法：設置通風調壓裝置，破壞巖溶封閉條件，減小沖爆塌陷發生的機會。5.灌注填充法：用于埋深較深的溶洞。6.深基礎法：用于深度較大，不易跨越的土洞，常用樁基工程。7.旋噴加固法：淺部用旋噴樁形成一“硬殼層”，（厚10～20m即可），其上再設筏板基礎。第八十四頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五（三）非工程性的防治措施1.開展巖溶地面塌陷的風險評價。2.開展巖溶地面塌陷的試驗研究，找出臨界條件。3.增強防災意見，建立防災體系。巖镕塌陷的防治盡管難度較大，但只要因地制宜地采取綜合的措施，巖溶塌陷災害是完全可以防治的。第八十五頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五§13.3地面沉降的災情評估及防治措施一、地面沉降的概念及產生原因地面沉降（LandSubsidence）是指在自然因素或人為因素影響下發生的幅度較大、速率較大的地表高程垂直下降的現象。地面沉降，又稱地面下沉或地陷，是指某一區域內由于開采地下水或其它地下流體所導致的地表淺部松散沉積物壓實或壓密引起的地面標高下降的現象。意大利威尼斯城最早發現地面沉降。之后隨著經濟發展，人口增加和地下水（油氣）開采量增大，世界上許多國家如美國、日本、墨西哥、歐洲和東南亞一些國家均發生了嚴重的地面沉降。第八十六頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五地面沉降的特征是主要發生于大型沉積盆地和沿海平原地區的工業發達城市及油氣田開采區。其特點是涉及范圍廣，下沉速率緩慢，往往不易被察覺；在城市內過量開采地下水引起的地面沉降，其波及的面積大；地面沉降具有不可逆特性，就是用人工回灌辦法，也難使地面沉降的地面回復到原來的標高。因此地面沉降對于建筑物、城市建設和農田水利設施危害極大。經過對地面沉降的長期觀測和研究,對地面沉降的主要原因已取得比較一致的看法。地面沉降的原因頗多，有地質構造、氣候等自然因素,也有人為原因.人類工程活動是主要原因之一,人類第八十七頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五工程活動既可導致地面沉降，又可加劇地面沉降，其主要表現在以下幾方面：1.大量抽取液體資源(地下水、石油等)、地下氣體(天然氣、沼氣等)活動是造成大幅度、急劇地面沉降的最主要原因；2.采掘地下團體礦藏(如沉積型煤礦、鐵礦等)形成的大范圍采空區，及地下工程(隧道、防空洞、地下鐵道等)是導致地面下沉變形的原因之一。3.地面上的人為振動作用(大型機械、機動車輛等及爆破等引起的地面振動)在一定條件下也可引起土體的壓密變形。4.重大建筑物、蓄水工程(如水庫)對地基施加的靜荷載，使地基土體發生壓密下沉變形。第八十八頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五5.由于在建筑工程中對地基處理不當，即地基勘探不周。從地層結構而言，透水性差的隔水層(粘土層)與透水性好的含水層(砂質土層、砂層、砂礫層)互層結構易于發生地面沉降，即在含水性較好的砂層、砂礫層內抽排地下水時，隔水層中的孔隙水向含水層流動就會引起地面沉降。根據土的固結理論可知，含水層上覆荷載的總應力P應由含水層中水體和土體顆粒共同承受。其中由水體所承受的孔隙壓力Pw并不能引起土層壓密，稱之為中性壓力。由土體承受的部分壓力直接作用于含水層固體骨架之上。可直接造成土層壓密，稱之為有效壓力Ps。水壓力Pw和有效壓力Ps共同承擔上覆荷載，即P=Pw+Ps。從孔隙承壓含水層中抽汲地下水，引起含水層中地下水位下降，水壓降低，但不會引起外部荷載的變化，這將導致有效應力的增加。第八十九頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五從成因上看，我國地面沉降絕大多數是地下水超量開采所致，地域分布具有明顯的地帶性（松散巖層區）：（1）大型河流三角洲及沿海平原區（長江、黃河、海河、遼河下游平原及河口三角洲地區）；（2）小型河流三角洲區（東南沿海地區）；（3）山前沖洪積扇及傾斜平原區（北京、保定、邯鄲、鄭州、安陽等）；（4）山間盆地和河谷地區（渭河盆地、汾河谷地）。第九十頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五二、地面沉降調查與監測地面沉降勘察有兩種情況，一是勘察地區已發生了地面沉降；一是勘察地區有可能發生地面沉降。兩種情況的勘察內容是有區別的，對于前者，主要是調查地面沉降的原因，預測地面沉降的發展趨勢，并提出控制和治理方案；對于后者，主要應預測地面沉降的可能性和估算沉降量。地面沉降原因的調查內容包括三個方面，即場地工程地質條件，場地地下水埋藏條件和地下水變化動態。第九十一頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五國內外地面沉降的實例表明，發生地面沉降地區的共同特點是它們都位于厚度較大的松散堆積物，主要是第四紀堆積物之上。沉降的部位幾乎無例外地都在較細的砂土和粘性土互層之上。當含水層上的粘性土厚度較大，性質松軟時，更易造成較大沉降。因此，在調查地面沉降原因時，應首先查明場地的沉積環境和年代，清楚沖積、湖積或淺海相沉積平原或盆地中第四紀松散堆積物的巖性、厚度和埋藏條件。特別要查明硬土層和軟弱壓縮層的分布。要時尚可根據這些地層單元體的空間組合，分出不同的地面沉降地質結構區。例如，上海地區按照三個軟粘土壓縮層和暗綠色硬粘土層的空間組合，分成四個不同的地面沉降地質結構區，其產生地面沉降的效應也不一樣。第九十二頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五從巖土工程角度研究地面沉降，應著重研究地表下一定深度內壓縮層的變形機理及其過程。國內外已有研究成果表明，地面沉降機制與產生沉降的土層的地質成因、固結歷史、固結狀態、孔隙水的賦存形式及其釋水機理等有密切關系。抽吸地下水引起水位或水壓下降，使上覆土層有效自重壓力增加，所產生的附加荷載使土層固結，是產生地面沉降的主要原因。因此，對場地地下水埋藏條件和歷年來地下水變化動態進行調查分析，對于研究地面沉降來說是至關重要的。第九十三頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五地面沉降現狀調查內容主要包括下列三方面：地面沉降量的觀測；地下水的觀測；對地面沉降范圍內已有建筑物的調查。地面沉降量的觀測是以高精度的水準測量為基礎的。由于地面沉降的發展和變化一般都較緩慢，用常規水準測量方法已滿足不了精度要求，因此地面沉降觀測應滿足專門的水準測量精度要求。進行地面沉降水準測量時一般需要設置三種標點,即基準標,也稱背景標,設置在地面沉降所不能影響的范圍，作為衡量地面沉降基準的標點；地面沉降標用于觀測地面升降的地面水準點；第九十四頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五分層沉降標，用于觀測某一深度處土層的沉降幅度的觀測標。地面沉降水準測量的方法和要求應按現行國家標準《國家一二等水準測量規范》GB12897)規定執行。一般在沉降速率大時可用等精度水準，緩慢時要用Ⅰ等精度水準。對已發生地面沉降的地區進行調查研究,其成果可綜合反映到以地面沉降為主要特征的專門環境地質分區圖上，從該圖可以看出地下水開采量,回灌量,水位變化,地質結構與地面沉降的關系。對已發生地面沉降的地區,控制地面沉降的基本措施是進行地下第九十五頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五水資源管理，我國上海地區首先進行了各種措施的試驗研究，先后采取了壓縮用水量、人工補給地下水和調整地下水開采層次等綜合措施，在上海市區取得了基本控制地面沉降的成效。在這三種主要措施中，壓縮地下水開采量使地下水位恢復是控制地面沉降的最主要措施，這些措施的綜合利用已為國內條件與上海類似的地區所采用。向地下水進行人工補給灌注時，要嚴格控制回灌水源的水質標準，以防止地下水被污染，并要根據地下水動態和地面沉降規律，制定合理的采灌方案。第九十六頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五可能發生地面沉降的地區，一般是指具有以下情況的地區，具有產生地面沉降的地質環境模式，如沖積平原、三角洲平原、斷陷盆地等；具有產生地面沉降的地質結構，即第四紀松散堆積層厚度很大；據已有地面測量和建筑物觀測資料，隨著地下水的進一步開采，已有發生地面沉降的趨勢。對可能發生地面沉降的地區，主要是預測地面沉降的發展趨勢，即預測地面沉降量和沉降過程。國內外有不少資料對地面沉降提供了多種計算方法，歸納起來大致有理論計算方法。半理論半經驗方法和經驗方法等三種。由于地面沉降區地質條件和各種邊界條件的復雜性，采用半理論半經驗方法或經驗方法，經實踐證明是較簡單實用的計算方法。第九十七頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五通常采用的地面沉降監測方法有：(1)在地面沉降區或研究區內布設水準測量點，定期進行測量，監測地面沉降的變形。(2)監測含水層地下水的抽排量、回灌量及地下水位的變化，觀測地面沉降。(3)用室內試驗(常規試驗、微觀結構研究、高壓固結、三軸剪切、長期流變、孔隙水壓力消散、室內模型試驗等)和野外試驗(抽水試驗、回灌試驗、靜力觸探等)，探索地面沉降發生、發展規律，并運用試驗取得的數據進行經驗性、理論性預測。(4)在地面沉降區及附近，設立相對沉降、孔隙水壓力和基巖等標志，監測各巖土層和含水層的變形及地下水位動態變化。第九十八頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五三、地面沉降的災情評估（一）地面沉降等級劃分地面沉降調查應查明：沉降的位置、范圍及面積；沉降量；沉降區的環境水文地質條件；沉降原因以及發展趨勢。依據地面沉降面積、累計沉降量進行等級劃分（表13-5）。第九十九頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五表13-5地面沉降災變等級劃分表引自張梁等著《地質災害災情評估理論與實踐》1998，P28

種類指標特大型大型中型小型地面沉降沉降面積（km2）

>500500~100100~10<10累計沉降量（m）

>2.02~11.0~0.5<0.5第一百頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五二）地面沉降的災情評估地面沉降的危害是多方面的，包括：1.損失地面標高，造成雨季地表積水，防洪能力下降；2.沿海城市低地面積擴大，海堤高度下降，海水倒灌；3.海港建筑物破壞，裝卸能力降低；4.地面運輸線、地下管線扭曲斷裂；5.城市建筑物基礎下沉脫空開裂；6.橋梁凈空減小，影響通航；7.深井井管上升，井臺破壞，供水排水系統失效；8.農田低洼地區洪澇積水，農作物減產。第一百零一頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五地面沉降的預測評價可采用統計模型、土水模型、生命旋回模型等。統計模型：大量開采地下水引起地下水位持續下降，進而引起隔水層失水固結是地面沉降的根本原因，通過統計方法建立開采量Q（或含水層水位h）與地面沉降量s(mm)之間的統計關系。該方法簡單明了，但有弱點，帶有人為性，難于了解沉降機制。土水模型：包括水位預測模型、土力學模型兩部分，可利用相關法、解析法和數值法等進行地下水位預測分析；土力學模型包括含水層彈性計算模型、粘性土層最終沉降量模型、太沙基固結模型、流變固結模型、比奧（Biot）固結理論模型、彈塑性固結模型、回歸計算模型及半理論半經驗模型（如單位變形量法等）和最優化計算方法等。第一百零二頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五(1)含水層的沉降計算方法一般采用彈性公式：

S=ΔhEγwH（13-3）式中：Δh——含水層水位變幅（m）；E——含水層壓縮或回彈模量（常采用反算值）；γw————水容重；H——含水層厚度；S——含水層變形量。第一百零三頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五(2)粘性土沉降變形的計算方法粘性土層的固結是一個緩慢的過程，土層的最終沉降量是指土層完全固結情況下的沉降量，常采用分層總和法（e—logP曲線法）：S=∑Si(13-4)

砂性土：Si=ΔPiHi(13-5)

或Si=ΔhiγwH砂(13-6)

粘性土：Si=C0ilg(13-7)

或S∞=(13-8)第一百零四頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五式中：S——土層總沉降量（cm）；

Si——第i層土層的沉降量（cm）；

S∞——土層的最終壓密量（cm）；

H砂H粘——砂層、粘性土層的厚度（cm）；

γw——水的容重（10-3kg/cm3），1kN/m3=1kPa/m2Δh——承壓水位的降低值（cm），1kN/m3=104kg/cm3E——砂層的彈性模量（MPa）；

e0、av——粘性土層的孔隙比、壓縮系數（Mpa-1）；

Hi——第i層土的厚度；

Cci、eoi——第i層土的壓縮指數、初始孔隙比；

Poi、ΔPi——第i層土層中點的自重應力、所受的附加應力；

Pci——第i層土層的先期固結壓力；

Esi——第i層土層的變形模量。第一百零五頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五反映土層平均固結程度的指標——固結度Q，定義為

Q=（13-9）

Q=≈1—0.8e-N

（13-10）

N=nt單面排水N=

n=雙面排水

CV=（13-11）第一百零六頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五式中：QN——固結度、時間因數；CVK——固結系數（cm2/s）、滲透系數（cm/s）；t—時間（s）；st——承壓水頭降低后在時間t內的壓縮量（cm）。該法曾用于對日本東京、中國上海、常州等進行了地面沉降預測，與實測結果基本吻合。第一百零七頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五生命旋回模型：該模型直接由沉降量與時間的相關關系構成，如泊松旋回模型。Verhulst生物模型和灰色預測模型等（劉毅等，1998）。地面沉降預測中有代表性的成果有美國D、C、HolmA、leak的COMPAC軟件，包括沉降預測模型、水位模型、優化調節模型、反饋計算模型。第一百零八頁，共一百八十九頁，編輯于2023年，星期五四、地面沉降的防治措施大量實踐表明，限制地下水開采或向含水層人工注水，可以控制或減