探究城市环境水文地质灾害中的渗流场时空调控

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[摘要]随着城市化进程的不断加快，大量人口涌入到城市之中，导致城市水资源及环境问题日益严重，水资源问题尤其突出。为确保城市用水，城市长期处于过量开采地下水的状态，引起了较为严重的环境水文地质灾害，如地面沉降及塌陷等。为减少甚至避免城市环境地质灾害，采取人工调控地下水渗流场的方式，优化地下水开发量，最终环境水资源供需矛盾，降低城市环境水文地质灾害。

[关键词]城市环境 水文地质灾害 渗流场 时空调控292-2

[中图分类号] P641 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-7-

1城市水环境研究

随着城市工业化的不断进步，城市水资源污染日趋严重。在某城市中，地表水中存在着较多超标污染物，如地表水总硬度、铁、氟、化学耗氧量、锰、矿化物等含量超标。由于该城市浅层地下水埋深较低，导致存在超标污染物的地表水很容易进入到地下水之中；综合分析该城市浅层地下水，发现浅层地下水污染程度在地域分布上出现较大差异，东北方向浅层地下水污染较为严重，而西南方向上浅层地下水污染较轻，但这种低于分布上的差异与地表水污染程度有着直接的关系；城市中深层地下水中也存在着水污染现象，以点状分布在不同区域，出现这种现象的主要原因包括浅层地下水越流补给，中深层地下水与浅层地下水联合开采致使含水层出现贯通现象，或水井管封堵质量存在问题，导致地面污染水直接进入到中深层地下水，造成水质污染，一般来说，大部分中深层地下水经过处理后，能够满足我国生活饮用水标准；在城市建设过程中，会兴建大量的地下工程，对地下水位造成较大影响；浅层水水位逐渐上升的原因在于：随着浅层地下水被污染，开采量有所下降；加强地下水开采管理，让中深层地下水开采量逐渐降低，从而让中深层地下水与浅层地下水的水状差值有所降低，浅层地下水对中深层地下水补给量降低，让浅层地下水水位逐渐升高；随着地下水开采量逐渐增加，地下水降落漏斗逐渐出现，漏斗面积更是快速扩大，并逐渐稳定下来，地下水降落漏斗的出现，不仅仅会降低中深层开采井水量，还会加快中深层地下水的污染，破坏水资源环境。城市地下水系统多为多层含水系统，其模型结构如下图：

城市地下水系统多层含水系统模型结构示意图

2地下水流场管理模型的建立与分析

2.1地下水流场分解

将地下水流场分解为天然流场模型与人工流场模型两种，其模型构建如下：

将天然流场模型设为IA：

将人工流场模型设置为IB：

在以上模型公式中，h’代表天然潜水位；S代表由可控输入产生的水位降深值； （x，y，t）输入变量为不可控变量；P1（x，y，t）输入变量为可控变量；根据公式，获得h= h’+S；其中h的属于实际水位。h’为地下水初始流场，天然形成水位分布，通过天然流场模型确定水位分布；S为没有不可控输入影响，仅存在可靠输入所生成的水位降深分布，由人工流场模型去确定人为影响水位深度的分布。

2.2影响函数的建立

将天然流场模型与人工流场模型作为计算相应矩阵数字模型。设在渗流场中存在N个源点，对源点同时抽注水，并对M个观测点发生作用，在一个时段内就可以形成N×M个单位脉冲影响系数，称之为响应矩阵。如果存在L个时段，则会形成N×M×L个单位脉冲响应系数，形成三维矩阵。由此，第n个时段末对第i点所形成的水位总响应值，就代表着每个点所单独作用下的水位影响值的总和。其影响函数为：

在公式中，S（i，n）代表的是在n时段末第i点所引起的水位总响应值；（I，j，n）代表在第j点脉冲作用下，在n时段末，第i点所引起的水位总响应值；β（I，j，n-k+1）代表的是k时段时，在j点单位脉冲作用下，在n个时段末，第i点所引起的水位响应值，属于单位脉冲响应的系数；Q（j，k）代表的是在k时段，j点所产生的脉冲量。通过以上影响函数，可以计算出任何时段内，抽注水井对任意一个观测点所产生的水位回生或降深值。通过单位脉冲量，计算出未来管理期末相应矩阵，并将计算结果作为约束条件，进一步对模型优化。

2.3优化地下水开采量

进行渗流场时空调控的主要目标是在保持城市现有采井布局不发生大规模变化的基础上，满足城市开采总量的要求，并通过优化中深层地下水开采系统，对地下水漏斗形态进行调控。

2.3.1管理目标的确定

决策变量以各个管理区内开采量及城市最佳水位分布为准，计算出城市所有的计算节结点，找出全区内水位降深总和最小值，作为满足城市内供水量决策指标值：

在公式中，m为管理区计算结点的总数量；Si为在第i结点位置所显示的水位降深值。

2.3.2约束条件的设定

水位约束的主要原则：采取人工调控的方式，对城市地下水系统渗流场进行时空调控；增加浅层地下水水位降深，增加浅层地下水对中深层地下水补给，从而增加中深层地下水系统中的降落漏斗中心区水位；防止砂土液化；防止土壤盐渍化，对于地下水埋深过浅，如在一米以下，则需要调整到土壤盐渍化临界深度以下，防止土壤盐渍化。结合迭加原理，并在响应矩阵的基础上，i结点水位降深值Si应与管理区内j点开采量Qi在i节点水位降深值的迭加相等同。所以有：

在公式中，βij代表的是在管理亚区中j点开采量在i结点位置所产生的响应系数；Qj代表的是管理亚区中j开采量；NQC属于管理亚区的数量值。

供水指标约束的设定：为确保城市总供水量可以获得满足，各个管理区内开采量之和为总供水量。所以有

在公式中，D（t）代表的是管理区内规划供水指标。

管理亚区开采量约束的设定：确保管理亚区范围内，供水量能够满足城市生活用水及工业用水量，在管理亚区内，需要确保保持最低需求供水量。所以有：

在公式中，Qpj为各个管理亚区内开采量约束。通过目标函数及约束条件，对城市地下水系统开采量进行优化管理。

3结语

城市水资源的过度应用，引发一系列的环境水文地质灾害，如劣质水进入到供水层、泉水断流、地面沉降、地面塌陷等问题。随着城市工业化发展，水污染现象日趋严重，为确保城市水资源供应质量，本文提出以人工调控地下水渗流场，优化地下水资源开采量，最终降低城市环境水文地质灾害，获得最佳效益。

参考文献

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