不同含水层组水位下降引发地面沉降的敏感性分析及其计算模型的构建

2014-03-23朱庆川时绍玮

海河水利 2014年5期

朱庆川，时绍玮，徐冬

（天津市控制地面沉降工作办公室，天津 300061）

1 引言

在天津市地面沉降防控工作中，通过对多年来沉降发展和地下水开采的总结，发现这样一种现象：有些地区即使严格控制地下水开采，地面沉降还在进一步发展；各含水层发生的地面沉降与其抽取的地下水量，存在着不匹配的现象[1]。对这种现象反思后初步认为，各地区、各含水层对地下水开采的沉降反应是不同的，即它们的沉降敏感性不同[2]。笔者对地面沉降、含水层地下水开采以及地下水位之间的关系进行研究，确定区域的沉降敏感性，并明确一个地区的含水层沉降敏感性，有针对性地控制地下水的开采，以达到控制地面沉降的目的[3]。

2 敏感性指标计算方法

作为安全系统工程的重要分析方法之一，事故树分析法既可以用于定性分析，也可以用作定量评价，运用逻辑推理对系统的危险因素进行辨识和评价，不仅能够分析出事故的直接原因，而且可以深入揭示事故发生的潜在影响。常应用于风险管理领域。

在本研究中，将含水岩组的沉降敏感性作为事故树的顶上事件，通过定性、定量分析，可以得到评价含水岩组沉降敏感性的综合性指标——敏感系数。

含水岩组沉降敏感性受到岩组工程地质条件、地下水开采历史、地下水位变化等一系列因素的共同影响，是各种因素的复合变量。根据这一理论构建事故树模型，如图1所示。

笔者将压缩系数、孔隙比、含水率等参数分别作为评价工程地质压缩性、密实性以及湿度的指标；区域沉降敏感性的指标——土水比作为评价地区开采情况的指标；由于抽水历史与水位变化关系密切，故将评价含水层沉降效应的指标——回归系数作为评价地区地下水位变化的指标。因此，可根据事故树，建立敏感系数的计算模型：

式中：P1为压缩性；P2为密实度；P3为湿度；P4为地下水开采情况；P5为地下水开采历史。

图1 沉降敏感性的事故树模型

2.1 定性分析

从结构重要度上来看，地下水开采量、水位变化处于同等重要度水平。由于决定工程地质特性的因素较多，因此压缩系数、孔隙比、含水率以及其他影响工程地质特性的参数结构重要度相对较小[4]。

2.2 定量评价

将压缩系数、孔隙比、含水率等参数作为相应的基本事件发生的概率，同样地，将土水比、回归系数也作为相应基本事件的发生概率，则敏感系数即为顶上事件发生概率，可以根据模型通过定量计算得到。根据敏感系数定义，经计算所得的系数为一个无量纲值，最大为1，最小为0。

3 敏感系数确定

根据以上计算方法，可以得到天津各区各层沉降敏感性大小情况，进而可以得到天津沉降区各行政区各含水岩组的沉降敏感系数。由于浅层不存在地下水开采的情况，因此仅考虑工程地质条件对其造成的影响；而第二、第三、第四及以下含水层则考虑各种因素的综合影响。经计算得到的敏感系数，见表1-2。

表1 各地区浅层沉降敏感系数

表2 各地区深部含水岩组沉降敏感系数

4 敏感系数聚类分析

根据各区各含水岩组沉降敏感系数计算结果，采用聚类方法进行分类。聚类分两种情况进行。第一种情况，不包括浅层含水层，仅在各区第二、三、四组之间比较分类。由于分类的目的是比较抽水条件下含水岩组的沉降敏感性，并据此进行地下水开采方案的调控，天津市基本不抽取浅层地下水，所以面向地下水控制的敏感性分类不包括浅层地下含水组。共有33 个单元进行聚类。第二种情况是包括浅层含水层全部单元的聚类，目的仅是比较各层根据本研究定义的敏感性概念进行的分类，衡量总体变化[5]。

4.1 聚类方法

聚类分析是一种建立分类的多元统计分析方法，它能够将一批样本（或变量）数据根据其诸多特征，按照在性质上的亲疏程度在没有先验知识的情况下进行自动分类，产生多个分类结果。类内部的个体在特征上具有相似性，不同类间个体特征的差异性较大。

聚类方法有多种，如欧氏距离法、平方欧氏距离法、切比耶夫距离法、明考斯基距离法、夹角余弦距离法等。本研究根据分类对象的散点分布特征（如图2 所示），采用平方欧氏距离法，通过计算两个体（x，y）间的平方欧氏距离来进行聚类。平方欧氏距离是两个体K 个变量值之差的平方和。数学定义为：

图2 天津含水岩组沉降敏感系数散点

4.2 聚类结果

根据工程地质特性计算浅层土的敏感系数，可以发现北辰区以及东南沿海地区（包括大港、塘沽、东丽、宁河等，下同）浅层土沉降敏感性较大，而北部武清、汉沽地区敏感性较小；中心城区及津南、西青、静海地区处于相同水平。关于深部含水层的沉降敏感性，从整个天津地区来看，除汉沽及中心城区之外，第四及以下含水组沉降敏感性较大；从区域分布来看，北辰区、静海县以及东南沿海地区沉降敏感性较大，中心城区、武清、宁河等区有些含水层沉降敏感性最小。聚类结果，见表3。

表3 含水岩组聚类结果

5 地下水开采量动态调整方案

5.1 基于含水层沉降敏感性的地下水开采方案调整方法

经计算得到各区各含水组沉降敏感系数后，根据天津市地面沉降重点控制区、一般控制区地下水压采规划，结合近年来各区地下水开采的层位分布情况，设计了一种基于沉降敏感性系数的比例压采调整法[6]。简述如下：

假设某地区2011年地下水开采总量为Q11、2015 和2020年规划开采量分别为Q15和Q20，则2011—2015年间压采量、2011—2020年间压采量分别为Q11与Q15、Q20间差值。若该地区第二、第三、第四含水岩组的沉降敏感系数分别为q2、q3、q4，则2011—2015年第二含水层的压采量为：

同样地，可以求得相应时间内第三、第四含水组压采量以及2011—2020年间各含水组压采量，进而可以求得各含水层未来开采量。

5.2 地下水压采调整结果

根据2011年地下水开采量以及2015和2020年的规划开采量，确定各地区的总压采量，然后利用各区各含水岩组的沉降敏感系数间的比例，分别确定各含水层2011—2015、2011—2020年间的压采量，见表4。

6 建议

笔者根据某一地区含水岩组沉降敏感性由岩土工程特性、地下水开采强度与方式、地下水开采历史等因素共同影响组成的复合变量这一理论基础，提出含水岩组沉降敏感性的概念，建立了面向天津整个地面沉降区的含水岩组沉降敏感性排序方案；并根据含水岩组的沉降敏感系数，建立了地下水开采动态调整方法，针对目前地下水开采存在的问题，以及根据本次敏感性分析提出的地下水开采调整方案，提出以下建议：