地下水位动态

2024-07-26

地下水位动态（精选十篇）

地下水位动态篇1

关键词：地下水系统,模糊控制,MATLAB

1 引言

地下水系统的内部是十分复杂的地理系统, 欲建立准确的数学模型, 意味着要完全认识这个系统, 并且要经过大量复杂的计算。基于此, 把地下水系统视为一个模糊系统。然而, 考虑到地下水系统的变化过程, 主要是由于系统的补给量与开采量在数量上的差异直接放映在地下水位的变化上。目前对于这3种量的变化资料容易获得。我们将地下水系统的预报过程模拟成一模糊控制过程。把补给量、开采量做为输入, 水位变化作为预报量, 输入输出间的模糊关系视为模糊变换器。

2 模糊控制系统的设计

2.1 模糊控制系统的基本结构[1,2]

图1所示为常规模糊控制器的结构图, 常规模糊控制器由五部分组成:输入量模糊化接口、数据库、规则库、推理机和输出解模糊接口。

(1) 模糊化接口, 模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制输出的求解, 它是模糊控制器的输入接口, 其主要作用是将真实确定的输入量转换成一个模糊矢量。

(2) 数据库, 数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值, 用于向推理机提供数据, 注意:输入、输出变量的测量数据集不属于数据库存放范畴。

(3) 规则库, 模糊控制器的规则是基于专家知识或熟练的手动操作人员长期积累的经验, 它是按人的直觉推理的一种语言表示形式, 通常把if部分称为“前提部”。而then部分称为“结论部”。

(4) 模糊推理, 根据输入模糊量, 由模糊控制规则完成模糊推理, 求解模糊关系方程, 以获得模糊控制量, 模糊推理方法有多种, 本文采用Mamdani方法。

(5) 解模糊, 解模糊又称为清晰化或去模糊。它实际上是从模糊控制作用空间到精确控制作用空间的映射。

2.2 输入输出量的选取

二维结构模糊控制器的输入为补给量 (A) 、开采量 (B) , 输出为水位量 (C) 。输入输出量的论域:补给量 (A) 论域取为[0, 10], 开采量 (B) 论域取为[-15, 0], 输出为水位量 (C) 论域取为[0, 5]。模糊等级划分:把补给量分为若干模糊等级, 分级太多则计算量太大, 太少又会影响精度, 可根据实际需要确定分级数, 这里将补给量分为五个模糊等级, 依次记为A1 (很少) A2 (偏少) A3 (适中) A4 (偏多) A5 (很多) 。具体补给量隶属度函数见图2。开采量和水位变幅均参照补给量的模糊等级划分规则但是每个输出量和输入量的基本论域和模糊集论域是不尽相同的。开采量分为5个模糊等级, 依次记为B1 (很少) B2 (偏少) B3 (适中) B4 (偏多) B5 (很多) , 水位变幅分为5个模糊等级, 依次记为C1 (很少) C2 (偏少) C3 (适中) C4 (偏多) C5 (很多) , 相应的隶属度函数见图3和图4。

2.3 模糊控制器规则的建立

地下水系统的特性与其控制因素间的关系蕴含在大量的输入输出数据资料中, 我们根据一定数量的已知输入输出资料以及专家经验, 运用模糊算法, 计算出模糊关系。即为模糊控制器[3]。模糊系统的输入输出数据资料以及专家的每一条经验, 都可以用一个模糊条件语言来描述, 根据专家经验并处理后, 得如下9条模糊规则:

(1) 若A3且B1, 则C1;

(2) 若A5且B1, 则C4;

(3) 若A5且B2, 则C2或C3;

(4) 若 (A2, A3或A4) 且B2, 则C2;

(5) 若A1且B2, 则C1;

(6) 若A5且B3, 则C2;

(7) 若A3且B3, 则C4;

(8) 若A4且B4, 则C5;

(9) 若A4且B5, 则C2;

将上述规则输入到MATLAB软件模糊控制器[4]的规则编辑器中如图5所示。

3 模糊控制系统仿真结果

完成上述步骤之后, 将补给量和开采量输入将要预测的数值进行预测, 预测到了要预测的数值, 如图6所示。图7为输出量的曲面观测器。

用此模糊控制模型对19年的实测数据进行拟合检验, 检验结果见图8。从图8中可以看到实测值均落在计算的预报区间内。拟合率为100%。用此模型对第20年的水位变化进行预报, 第20年的补给量为5.018, 开采量为-13.314, 该年水位变幅的预报值为1.7 (见图6) , 而该年的实测水位变幅为1.53, 预报结果令人满意。若用二元回归方程法预报, 则预报值为3.3, 显然用模糊控制模型预报比用回归方法好。

4 结论

文章应用模糊控制技术来对地下水位的动态进行预报, 无论是在实测数据进行拟合检验中, 还是在对第20年的水位预测结果与实测结果进行对比实验中都表明文章使用的预报模型能够较满意的达到对地下水位的预报效果。

参考文献

[1]诸静.模糊控制原理与应用[M].北京:机械工业出版社, 2005

[2]韩晓泉.模糊控制在光电跟踪伺服系统中的应用研究[D].中国科学院研究生院博士学位论文, 2005

[3]张国良, 曾静, 柯熙政, 等.模糊控制及其MATLAB应用[M].西安:西安交通大学出版社, 2002

济南岩溶泉域地下水位监测篇2

文章采用编制济南岩溶泉域地下水动态类型图的方法优化设计了地下水水位监测密度.通过对地下水水位多年变化趋势的分析确定了手测监测频率.选取质量好的观测孔安装了水位自计仪,提出了地下水水位监测维护措施.将对相关政府部门和每个水用户提供所需的`地下水信息,以便达到水管理者与水用户共同参与泉水保护的目的.

作者：王庆兵段秀铭高赞东徐慧珍殷秀兰李文鹏周仰效 WANG Qing-bing DUAN Xiu-ming GAO Zan-dong XU Hui-zhen YING Xiu-lan LI Wen-peng ZHOU Yang-xiao 作者单位：王庆兵,段秀铭,高赞东,WANG Qing-bing,DUAN Xiu-ming,GAO Zan-dong(山东省地质环境监测总站,济南,250013)

徐慧珍,殷秀兰,李文鹏,XU Hui-zhen,YING Xiu-lan,LI Wen-peng(中国地质环境监测院,北京,100081)

周仰效,ZHOU Yang-xiao(联合国教科文组织水资源学院,荷兰德尔福特)

冻层融冻过程地下水位变化影响分析篇3

摘要：我国季节性冻土约占土地面积的54%，而季节性冻土通过冻融影响着地下水的水位。地下水位变化受多重因素的影响，因此研究冻融对冻土的影响一般不直接测量地下水位变化，而是通过对土壤各物理因素的分析，从而得到冻土对地下水的影响。

关键词：冻结期；冻融期；季节性冻土；地下水

中图分类号： P641.1 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）20-168-2

1 研究方法

冻层冻融过程地下水位变化一般不直接测量地下水位试验来的出结论，而是通过对地下水势、土壤温度、土壤含水量周期观测及土壤入渗试验，综合其他相关试验数据及当地气候资料，从而得到试验的数据及相关曲线，分析地下水的动态特征，而后得出结论[1-6]。

2 冻结期土壤水分动态变化及地下水位的变化

季节性冻土在冻结过程中由地表开始自上而下逐渐加厚，在温度梯度、水势梯度、毛细力及分子力等的作用下，液态水在一定的深度范围上渗，遇到冻层下界面冻结成冰晶，大于这个深度范围，液态水下渗，本文把这个深度称为水分零通面（简称零通面）[6]。地下水的埋深与该水分零通面的关系决定了地下水的补给或损耗。

2.1 潜埋型地下水位变化

当地下水埋深小于水分零通面，地下水直接向上入渗补给土壤水以形成冻层，在其他条件不变时，地下水位下降[6-8]，但是具有一定的滞后性。尤其在平原或较低的地区，潜水埋藏较浅，大量潜水直接补给到土壤中，形成季节性冻土，在冻结状态下，土壤含水率可达到饱和或者过饱和状态，此时，地下水损耗较大，地下水位变化较大[8]，这种地下水损耗通常称为“潜水蒸发”。

冻结期潜水蒸发量比非冻结期大，土壤增加贮水量和累计潜水蒸发量相关性较好，潜水蒸发随着负积温的增加而增加；潜水蒸发随冻结过程时间的增大而增大；随着潜水埋深的增加呈指数递减；损耗强度随时间有一个峰值，可用幂指数方程表示[9-11]。

2.2 深埋型地下水位变化

当地下水埋深大于水分零通面时，由于水分零通面的水势最大，以其为界，土壤水分以上部分向上入渗遇到冰层冻结，以下部分下渗补给地下水（指潜水）[6]，其他条件不变的情况下，地下水位上升，但影响不是很明显。

如果冻结前土壤含水量不大，冻结期没有充足的水补给地下水并上渗冻结，地下水可能就不会上升；如果地下水埋藏深度远大于零通面，地下水位就不会受到影响，但不利于土壤保墒。

2.3 冻结期地下水位变化的其他影响因素

地下水排泄主要受到季节性丰水期和枯水期的调节，在冻结期不会有太大的影响。而地表水入渗和蒸发据冻结情况，对地下水位影响可分为两种情况：

①地下水埋藏较浅，或冻结期处于给水量充足的丰水期，土壤冻结含水量等于或大于土壤含水量，李天霄等[12]通过对大田土壤冻结过程入渗的试验，得到稳定入渗时间、稳定入渗率和累计入渗量随冻深的变化曲线，三条曲线反映了在冻结期冻层逐渐变厚时，其渗透能力迅速减小达到稳定，冻层几乎不透水，形成了隔水层，几乎不发生地表水入渗和蒸发到地表，对地下水位影响不大。

②地下水埋藏较深，或冻结期处于干旱或缺水时期，冻结期供水不足，土壤未达到饱和，此时土壤具有一定的入渗能力和蒸发能力[13]。但此时入渗及蒸发能力很弱，且地下水位较深，很少能蒸发或地表水补给，所以对地下水位变化影响也不大。

3 冻融期土壤水分动态变化及地下水水位变化

冻层融化过程要比冻结过程短很多，春季气温回升时季节性冻土开始双向融化，此时土壤液态含水量增加，水势分布发生变化，水分零通面消失。

3.1 潜埋型地下水位变化

如2.1所述，冻结期土壤贮存了大量水，当冻层融化时，易形成冻层上水，但冻层具有隔水性，所以冻层上水在融通前不会补给地下潜水。冻层下融化的土壤由于超过了持水量，所以大量释水补给地下水，地下水为上升[6-8]。

腾凯等[14]发现冻土融化后渗透系数变大，渗透性比未冻前高出数倍甚至百倍，地下潜水位的变化要比冻结时变化快；并且冻层上水逐渐聚集易形成一定厚度的冻层上潜流层，等冻层融通后，冻层上潜流层和融雪水下渗补给地下水。冻融水是年内地下水补给的重要来源[15]，郭占荣等[6]提到在西北内陆盆地，潜水年补给量的51.9%来自冻融水入渗补给；冻融期月最大补水量（细沙）是冻结期月地下水最大损耗量（砂砾石）的四倍多。

冻结期土壤不是特别干旱，地下水埋深小于零通面，冻融水一般都会补给地下潜水，使其水位上升。

3.2 深埋型地下水位变化

当地下水埋深大于零通面，地下水在冻结期不补给土壤水，冻结前土壤较为干旱，冻层贮水没达到土壤饱和，在融化过程，土壤释水，入渗途径长，到达不了地下水，地下水位不会发生明显变化。土壤含水没达到饱和，或者冻土中有空洞、虫穴、腐烂根道等，也就会有一定的渗透能力，在整个冻融过程中，融雪水和其他地表水都会下渗，也会引起地下水的变化。

4 结论

①冻结期，埋藏小于水分零通面的地下水大量补给土壤冻结，土壤含水达到饱和或过饱和，地下水位下降；埋藏大于零通面的地下水获得少量土壤水，如果埋藏较深且冻结前较为干旱，地下水位不能得到土壤水的补给，水位几乎不会受到冻融的影响；地下水埋藏小于零通面时，冻层为隔水层，几乎不发生蒸发到地表以上或地表水入渗，埋藏大于零通面时，土壤可能达不到饱和冻结，冻层虽然具有一定的渗透能力，但是由于埋藏较深，蒸发到地表或地表水下渗对地下水位影响不大。

②冻融期，水势发生变化，零通面消失。潜埋型地下水在冻结期贮存大量的水，融化时大量释水补给地下水，地下水位上升，冻融水成为地下水补给的重要来源；深埋型地下水，土壤贮水没有前者多，释水补给地下水较少或不补给，地下水位影响不大；潜埋型地下水在融通前不能得到融雪水等地表水的补给，深埋型地下水或者具有空洞、蚁穴腐烂根道等土壤的地下水能够接受融雪入渗或其他地表水的补给，水位变化依情况而定。

参考文献

[1] 付强，马效松，王子龙，等.稳定积雪覆盖下的季节性冻土水分特征及其数值模拟[J].南水北调与水利科技，2013，11（1）：81-84.

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[3] 戴长雷，孙思淼，杜新强，等.中国近年寒区地下水试验研究进展[J].资源科学，2011，33（2）：286-293.

[4] 孙化江，李洪文，崔莉.黑龙江季节性冻土分布特征、形成条件与危害及其防治[J].中国地质灾害与防治学报，1993，4（4）：72-78.

[5] 樊贵盛，贾宏骥，李海燕.影响冻融土壤水分入渗特性主要因素的试验研究[J].农业工程学报，1999，15（4）：88-94.

[6] 郭占荣，荆恩春，聂振龙，等.冻结期和冻融期土壤水分运移特征分析[J].水科学进展，2002，13（3）：298-302.

[7] 白连军，程春莲，郭福林.冻土对土壤水份动态影响的分析[J].北方园艺，1996，18（2）：56-57.

[8] 尚松浩，雷志栋，杨诗秀.冻融期地下水位变化情况下土壤水分运动的初步研究[J].农业工程学报，1999，15（2）：64-68.

[9] 周有才，赵洪书.松嫩平原土壤水分动态的研究[J].土壤学报，1979，16（3）：302-305.

[10] 雷志栋，尚松浩，杨诗秀.土壤冻结过程中潜水蒸发规律的模拟研究[J].水利学报，1999，27（6）：6-10.

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[12] 李天霄，付强，刘东.寒区冬季大田土壤入渗特性试验研究[C].第2届“寒区水资源及其可持续利用”学术研讨会论文集，2009：97-101.

[13] 张春艳，沈丽，杨大超.冻层条件下渗渠取水量的确定初探[J].黑龙江水专学报，2010，37（3）：112-114.

[14] 腾凯，柳宝田，李益新，等.季节性冻土区地下水的变化规律及开发利用[J].地下水，1996，18（1）：35-37.

地下水位动态篇4

1 水文地质条件及参数

1.1 水文地质条件

东五官水源地位于凌北镇东五官喇嘛台村,属于大凌河西支河谷平原区,区域地层自上而下为轻亚黏土、亚黏土层,厚度约1.5~2.0m,为第四纪冲、洪积层;卵石层,厚度为5.8~8.5m,上部混砂,部分混黏性土,为第四纪冲积沉积物。卵石颗粒呈亚圆形,一般粒径20~40mm,最大粒径200mm。该层透水性良好,为该区主要含水层;砂、页岩层,属志留纪,中等风化,为第四纪含水岩层的底板。该区河谷内地下水埋深为1.4~2.6m,地下水对大凌河产生补给。根据抽水试验资料,该区卵石含水层的渗透系数为170~475m/d。

1.2 水文地质参数确定

东五官水源地共有水井8眼、大井3眼、管井5眼。水井开采层位均为第四系孔隙潜水。各井距均超过影响半径,其中,距离最近的为3号小井及4号小井,井距174m,各井之间布局较为合理。

抽水试验显示,区内含水层透水性较好,但透水性变化大。勘察钻孔均为潜水完整井,渗透系数的计算采用裘布依潜水完整井公式:

式中K———含水层的渗透系数,m/d;

Q———单井出水量,m3/d;

H———含水层厚度,m;

S———潜水完整井设计水位降深,m;

R———影响半径,m;

r———井径,m。抽水试验参数计算结果见表1。

地下水资源计算参数将抽水试验成果作为主要参考依据。该区水文地质参数见表2,渗透系数平均为284m/d。

2 地下水资源量计算

该区地下水资源量计算与评价采用水均衡法[3]。该区域的地下水补给项主要包括降水入渗补给量、地下水侧向补给量及灌溉渗入补给量;排泄量主要包括人工开采量、地下水侧向排泄量及农田灌溉排泄量。

2.1 补给量计算

a.降水入渗补给量:

式中Qi降———大气降水入渗补给量,m3/d;

α降———降水入渗系数,根据当地地形、岩性特征,取0.16(根据《朝阳市水资源》,大凌河流域降水入渗补给系数在0.12~0.21);

Xi———多年平均降雨量,mm,取Xi=529.9mm;

F———降水入渗面积,km2,取3.74km2。

经计算,补给区域内降水入渗补给量为868.75m3/d。

b.地下水侧向径流补给量:

式中Qi径———上游河谷地下水径流补给量,m3/d;

Hicp———过水断面含水层平均厚度,取7.81m;

B———过水断面宽度,地图上量得为1637m;

Kcp———计算断面含水层的渗透系数,m/d,取284m/d;

I———断面处水力坡度,根据该地区勘察经验,取0.0056。

经计算,上游河谷地下水径流补给量为20333.22m3/d。

c.农业灌溉回渗补给量:

式中Q灌———农业灌溉回渗补给量,m3/d;

Q农———农业灌溉水量,m3/d;

a'———灌溉水回渗系数,取0.35。

该区域种植作物为玉米,根据辽宁省《行业用水定额》(DB21/T 1237—2015),灌溉定额为105m3/亩,种植面积经图上量得F=3km2,则Q农=1294.52m3/d,经计算,Q灌=453.08m3/d。

该区域地下水总补给量为21655.04m3/d。

2.2 排泄量计算

a.工业开采量。该区为凌钢第二水源地,人工开采主要以凌钢工业用水为主,按现状年2013年统计,该区地下水人工开采量为15822.36 m3/d。

b.地下水侧向排泄水量:

式中Qi侧排———地下水侧向补排泄量,m3/d;

Hicp———过水断面含水层平均厚度,取3.2m;

B———过水断面宽度,地图上量得为1814m;

Kcp———计算断面含水层的渗透系数,m/d,取195m/d;

I———断面处水力坡度,根据该地区勘察经验,取0.004。

经计算,地下水侧向排泄量为4527.74m3/d。

c.农业灌溉水量。该区农业灌溉水量Q农=1294.52m3/d。

综上计算,该区地下水排泄量为21644.63m3/d。

2.3 补给量与排泄量平衡分析

通过区域补给量和排泄量平衡分析,两者差值近10.42m3/d,基本可以认定两者处于平衡状态(见表3)。

3 地下水可开采量计算

地下水可开采量是指在可预见期内,通过经济合理、技术可行的措施,在不引起生态环境恶化条件下允许从含水层中获取的最大水量。此次地下水可开采资源量计算以开采系数法进行计算[4],计算公式为

式中Q可采———区域地下水可开采量,m3/d;

ρ———开采系数,由于该区含水层开采条件良好,根据《朝阳市水资源》,凌源市开采经验系数取0.90;

Q总补———区域地下水总补给量,经计算为21655.04m3/d。经计算,该区地下水可开采资源量19489.54m3/d。

4 地下水开采水位变化

水源地位于河谷平原区,地下水与地表水联系较为密切,岩层透水性较好,枯水期地下水对河水产生补给,丰水期河水补充地下水,地下水开采量具有一定的保障。2013年对3眼井进行实时监测,1号、2号及3号大井地下水位平均埋深分别为6.50m、6.67m、5.23m。3眼井的水位变化不大,比较平缓,地下水开采不会对区域地下水位变化产生影响。地下水年内动态变化情况详见51页图。

5 结语

经过多年开采,研究区内地下水位略有下降,但地下水量是比较稳定的,东五官水源地地下水可开采量为1.95万m3/d,东五官水源地虽与喇嘛台村毗邻,但目前村民饮用的是市政自来水,东五官水源地取水不会对喇嘛台村居民生活取用水产生不利影响。因此,东五官水源地地下水可开采量是比较稳定的。

摘要：本文根据水源地水文地质条件,结合抽水试验数据资料,确定该区域含水层平均厚度、单井涌水量、渗透系数、影响半径及水力坡度等水文地质参数,采用水均衡法计算地下水资源量,分析补给量与排泄量平衡情况,采用开采系数法确定地下水可开采量,并分析区域地下水位动态变化趋势。

关键词：水均衡法,地下水资源量,地下水可开采量

参考文献

[1]王庆宇,刘凯,朱锦程.辽宁西部地区缺水因素分析及地下水资源开发利用建议[J].城市地质,2010,5(4):17-20.

[2]柴雅丽.凌源市城区水资源量浅析[J].水土保持应用技术,2013(4):37-39.

[3]李晓英,顾文钰.水均衡法在区域地下水资源量评价中的应用研究[J].水资源与水工程学报,2014,25(1):87-90.

人工降低地下水位的方案选择自测题篇5

一、单项选择题

1.人工降低地下水位是在()不断地抽出地下水，使地下水位降低到坑底以下，直至基础工程施工完毕为止。

a.基坑开挖前b.开挖过程中

c.开挖后d.基坑开挖前和开挖过程中

2.人工降低地下水位不仅是一种施工措施，也是一种()的方法。来源：

a.加固地基b.抗震

c.隔震d.加固土坡

3.人工降低地下水位的方法中()方法应用最广泛。

a.喷射井点b.电渗井点

c.管井井点d.轻型井点

4.轻型井点降低地下水位，是利用()原理，通过抽水设备将地下水从井点管内不断抽出，使原有地下水位降至坑底以下。

a.膨胀b.真空

c.压缩d.u型管

5.当基坑或沟槽宽度小于6m，且降水深度不大于5m时，井点平面布置可用()井点。

a.环状井点b.u形井点来源：

c.单排线状井点d.双排线状井点

6.如宽度大于6m，或土质不良，渗透系数较大时，则井点平面布置宜采用()井点。来源：

a.环状井点b.u形井点

c.单排线状井点d.双排线状井点

7.面积较大的基坑，井点平面布置宜用()井点。

a.环状井点b.u形井点

c.单排线状井点d.双排线状井点

8.面积较大的基坑可布置为()井点，以利挖土机械和运输车辆出人基坑。

a.环状井点b.u形井点

c.单排线状井点d.双排线状井点

9.井点管的埋设深度“的计算式中，i表示地下水降落坡度，对于环状井点，i取()。

a.1/5b.1/10

c.1/15d.1/20

10.井点管的埋设深度”的计算式中，i表示地下水降落坡度，对单排线状井点，i取()。

a.1/2b.1/3

c.1/4d.1/5

11.若计算出的"值大于井点管长度，则应()井点管的埋置面以适应降水深度的要求。

a.降低b.升高

c.不变d.不能确定

二、多项选择题

1.人工降低地下水位的方法主要有()。来源：

a.轻型井点b.喷射井点

c.电渗井点d.集水井点

e.管井井点及深井井点

2.施工时可根据()选择降低地下水位的方法。来源：

a.土的含水率b.土的渗透系数

c.要求降低水位的深度d.工程特点

e.设备条件及经济性

3.轻型井点系统的布置，应根据()因素综合确定。

a.施工季节b.基坑或沟槽的平面形状和尺寸

c.地下水位高低与流向d.降水深度要求

e.基坑或沟槽的深度及土质情况

考点47自测题答案：

一、单项选择题：1.d2.a3.d4.b5.c6.d7.a8.b9.b10.c11.a

地下水位动态篇6

【关键词】落久；动态运行；风险；方案；效益

1、背景

落久水利枢纽工程是国务院批准的《珠江流域防洪规划》确定的柳江防洪控制性工程之一，亦是2015年国务院《政府工作报告》要求今年开工建设的27项节水供水重大水利工程之一。工程位于广西融水苗族自治县境内柳江支流贝江下游，距离柳州市城区约121km。2015年7月，国家发展改革委批复了工程可行性研究报告。批复的工程建设任务以防洪为主，兼顾灌溉、供水、发电、航运等综合利用。水库总库容3.46亿m3，电站装机4.2万KW，规划灌溉面积8.84万亩，设计日均城镇及农村供水7.5万m3。工程由主坝、副坝、灌溉及供水取水建筑物、发电引水建筑物、坝后式电站厂房等组成。主坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高62.8m。可研批复工程总投资22.54亿元，总工期40个月。2015年9月落久水利枢纽工程正式开工建设，工程计划2019年全面建成并发挥效益。

柳州市地处柳江下游，是国家重点防洪城市和广西重要的工业城市。柳江历史上洪水灾害频繁，给柳州市造成了严重损失。落久水利枢纽工程建成后，与拟建的柳江上游洋溪水利枢纽工程联合调度，采取堤库结合的方式，可将柳州市区的防洪标准由目前的50年一遇提高到国务院批准的《珠江流域防洪规划》确定的100年一遇，并提高融水、柳城等县城的防洪能力。同时，可为榄口灌区提供可靠的灌溉水源，向当地电网输送清洁能源，改善融水县供水条件和水库上游航运条件，对保障并促进流域经济社会发展具有十分重要的作用。

根据国家发展和改革委员会批复。落久水利枢纽工程水库正常蓄水位为153.50m，汛期限制水位为142.00m，防洪高水位为161.00m，设计洪水位为161.00m，校核洪水位为161.13m；水库总库容为3.46亿m3，防洪库容为2.50亿m3，兴利库容为1.14亿m3。根据落久水库的防洪定位和调度原则，其防洪作用是联合拟建的洋溪水库，两库联合运行，可使柳州市防洪能力从50年一遇提高到100年一遇。水库特征水位的设置充分考虑了其防洪功能的发挥，但对发电、灌溉和供水效益兼顾较少，未充分发挥水库作用。考虑到柳州市50年一遇洪水为稀有洪水，需要动用落久水库防洪库容的时间很少，且落久水库汛限水位142m与正常蓄水位153.5m之间存在一定的空间。为了更好的发挥水库枢纽的灌溉、供水、发电及航运等其它效益，本文将探讨抬高落久水库的汛期运行水位的可行性。

2、动态运行原则

（1）不影响落久水利枢纽的防洪功能发挥

落久水利枢纽工程的建设任务为以防洪为主，兼顾灌溉、供水、发电、航运等综合利用，因此，动态运行必须确保落久水利枢纽的防洪功能，即确保柳州市在发生50年一遇及更大洪水前，能将水库水位预泄至防洪起调水位142m，达到2.5亿m3的防洪库容。随着科学技术的发展和计算机技术的进步，柳州市水情自动测报系统的完善，落久水库预报预泄是可行的。本文拟定落久水库动态运行时启动预泄的条件为：预报柳州市24h后发生超过2年一遇洪水。根据柳州市11场典型洪水资料，按洋溪水库、落久水库两库联合调度规则，预泄方案启动与防洪调度开始的时间间隔为30h～84h；按落久水库单独调度规则，预泄方案与防洪调度开始的时间间隔为18h～150h。本文从防洪调度安全考虑，预泄允许时间取最小值，即18h。各典型洪水允许预泄时间见表2—1。

（2）满足自流灌溉要求

期运行水位提高，水库的灌溉、供水、发电及航运等其它效益均会有较大的提高，但水位的提高，汛期水库淹没会增加，且汛期运行水位应满足榄口灌区自流灌溉要求，水库汛期运行水位需在148m以上。

（3）保障下游河道安全

水库预泄流量不能超过下游河道的承受能力，并留有一定的余量，以确保安全。落久坝址距离贝江与柳江汇合口13.7km，经调查，此河段贝江岸边无重要设施和村庄，具备较好的预泄条件。预泄洪水汇入柳江后，柳江河段河宽约500～600m，安全泄洪流量超过20000m3/s，贝江预泄洪水（最大流量4000m3/s）对柳江影响轻微，本文不再考虑预泄洪水对柳江的影响。

落久水库下游已建有江门水电站，该电站拦河坝为混凝土重力坝，设置了5孔泄洪闸坝，布置在主河槽中，闸孔口尺寸为10×10.5m（b×h），堰顶高程100.0m，江门水电站按30年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。由于江门水电站已经建成运行，其淹没赔偿标准为10年一遇（落久坝址洪峰流量4840m3/s），本文从安全角度考虑，保留一定余量，拟定预泄最大流量为4000m3/s（相当于5年一遇洪水），采用逐级加大下泄的方式下泄。为稳妥起见，在水库预泄前设置3小时的预警时间，以确保安全。

3、动态运行方案选择

根据拟定的落久水利枢纽动态运行原则，综合考虑各方面因素，本文拟定148m、150m和153.5m三个方案分别从预泄风险和技术经济方面进行比较，成果见表3-1和3-2。

从表3-1来看，汛期运行水位148m方案的预泄时间为7.4h～9.1h（含3小时预泄预警时间），预泄时间较短，与允许的18h预泄时间有足够的空间，预泄方案可靠；汛期运行水位151m方案的预泄时间为9.7h～20.6h，虽然大部分年型未超过预泄允许时间，但有少部分年型不满足要求，且预泄时间均超过10h，存在一定的预泄风险；汛期运行水位153.5m方案的预泄时间为12.4h～24.2h，虽然大部分年型未超过预泄允许时间，但预泄时间均在15h左右，接近18h预泄允许时间，且有少部分年型不满足要求，存在较大的预泄风险。从预泄风险角度来看，汛期运行水位148m方案更可靠。

从表3-2中可见，水库库区淹没范围指标、水库预泄所需时间及工程总投资，随汛期运行水位的提高而增加，水力发电量亦有增加。汛期运行水位提高至148m，虽增加了淹没投资60.39万元，但汛期运行水位提高后可满足榄口灌区自流灌溉需求，增加供水水头，增加汛期发电量1022万KW·h，效益非常显著。而汛期运行水位从148m提高至151m或者153.5m，发电量增加有限，但淹没提高较多，方案间的淹没投资分别为1560.32万元和1323.71万元，方案间差额内部收益率均小于社会折现率8%。从技术经济角度考虑，汛期运行水位148m更优。

4、效益分析

上述研究表明，汛期运行水位148m方案既能满足榄口灌区自流灌溉要求，又能大幅度提高水库枢纽的供水、发电及航运等其它效益，基本上不增加淹没投资，且预泄方案时间较短，可靠性高，不影响落久水利枢纽工程防洪功能的发挥，具有良好的经济和社会效益，主要效益为：

（1）新增榄口灌区自流灌溉面积8.84万亩；

（2）提高融水县城供水水头6m；

（3）增加坝后电站汛期发电量1022万KW·h；

（4）增加库区航运里程5km。

5、结语

柳州市是国家重点防洪城市和广西重要的工业城市，落久水利枢纽效益的增加不能以风险的提高为代价，科学合理地制定并从风险与效益两个方面论证落久水库的动态运行水位是非常必要的。随着新理论新技术的发展，水文气象预报精度的不断提高，在洪水来临前，通过加大出力及时消落水库水位，腾空库容，可将汛期运行水位抬高。上述研究表明，将汛期运行水位提高至148m具有较强的可操作性。

参考文献

[1]广西柳江防洪控制性工程落久水利枢纽工程初步设计报告.广西柳州水利电力勘测设计研究院.2015年.

[2]建设项目经济评价方法与参数（第三版）.国家发展改革委、建设部.2006.

[3]基于预报及库容补偿的水库汛限水位动态控制研究.水文，2006

[4]水库调度设计规范（GB/T 50587-2010）

[5]水利建设项目经济评价规范（SL 72-2013）

作者简介

地下水位动态篇7

关键词：地面沉降,地下水位,动态监测,信息系统,应用

0前言

西安市因过量抽汲地下水,诱发地面沉降的发生和地裂缝的发展等环境地质问题。地面沉降及其差异性沉降,造成地面倾斜与变形,引起建筑物沉降和倾斜。地面沉降使城市排水设施基准发生变化影响使用,部分受到损坏,排水不畅。地面沉降形成槽形低洼,加剧了城市暴雨积水灾害。为科学开发和合理利用地下水资源,掌握开采地下水对环境的影响,有效地预防地面沉降和地裂缝的发展。建立一套综合性的计算机信息管理系统,及时快速地预测地面沉降与地下水位变化规律,提供预防措施,将对城市规划和建设有着现实和深远的意义。西安市地面沉降与地下水位动态监测信息管理系统,是西安基础地理信息系统的应用子系统。通过系统的应用,为城市可持续发展和减灾防灾工作提供了必要的决策支持和多元化服务。

1 系统设计

1.1 系统设计目标

西安市地面沉降与地下水位动态监测信息管理系统紧密结合地面沉降及地下水监测的业务流程,利用数据库技术、GIS技术等,在网络化的计算机软硬件基础上,实现地面沉降与地下水位动态监测的科学化和自动化管理[1],其系统目标为:

(1)实现对地面沉降与地下水动态监测数据的信息化、智能化管理。

(2)实现监测数据录入、维护、查询、统计、输出的计算机管理。

(3)实现对监测数据的规范化、科学化、标准化处理与分析。

(4)实现对分析评价所用专题图件的自动化生成与可视化表达。

(5)可进行相关综合分析。

1.2 系统功能设计

西安市地面沉降与地下水动态监测系统基本结构及各模块的具体功能如下[2]:

数据管理模块:主要应用数据库技术,实现对地面沉降监测点和地下水水位监测井的属性数据和观测数据的录入、更新、维护、查询、输出等功能。

数据分析与处理模块:主要通过模型计算实现对观测数据的数值分析,并对分析结果进行验证。

可视化图件模块:主要利用GIS的空间显示功能实现对观测数据模型分析结果曲线、曲面的显示和输出。

综合分析模块:主要通过对观测数据的模型分析结果进行进一步的分析,从而实现对地面沉降与地下水水位变化趋势的预测;分析研究地面沉降与地下水水位变化的关系模型。

2 系统建立

系统的建立严格遵循软件工程的规范程序进行,在保证系统具备科学合理的结构框架基础上,着力追求先进性和高效性,不仅要最大限度地满足用户要求、将传统作业模式计算机化,而且要尽可能地提高各项指标,如一致性、可靠性、可扩充性、兼容性和适用性等,切实提高生产效率、体现系统的优越性。因此,系统建设过程中应遵循如下原则:

(1)实用性原则:系统从笔者单位现行的管理模式及实际工作需要出发,依托GIS技术、数据库技术、网络技术进行系统设计,实现系统建设目标。

(2)标准化原则:强调标准化、规范化和统一化,保证数据格式的标准化和数据规范的标准化。

(3)可靠性及稳定性原则:可靠性与稳定性是衡量一个信息系统的关键指标。系统设计时除选用稳定性与可靠性较高的开发平台外,在系统结构设计、代码开发与系统测试上执行标准化的操作规范,采用成熟的技术与开发工具确保系统的可靠性与稳定性。

(4)适用性原则:系统易于操作,易于更新,易于管理,并能满足各层次用户的使用要求。

(5)可扩充性原则:能不断满足日后系统目标变化的要求;系统的结构设计应考虑到今后的功能扩充;能适应技术更新(如软、硬件升级更新)的要求。

(6)方便性原则:系统应提供美观实用、方便直观、具有标准Windows风格的中文图形化界面;系统运行简单方便。

(7)先进性原则:在满足系统功能要求的基础上,在尽可能降低资金投入的同时,保持系统的先进性。

西安市地面沉降与地下水动态监测系统是按照设计目标和建立原则,紧密结合西安地面沉降及地下水监测的业务流程,基于window2000系统,采用软件开发语言visual basic 6.0作为开发工具,采用Super Map作为系统开发平台研发而成。2004年完成了系统的研发,达到了系统设计目标和系统功能设计的要求。

3 系统应用效果展望

3.1 系统的应用

系统建立后,应用本系统实现了对大量地面沉降和地下水动态监测数据的信息化管理、自动化处理、可视化表达和相关变化趋势分析,实现了地面沉降及地下水监测信息管理的自动化。实现了管理、表达和分析西安多年来的地面沉降与地下水动态监测数据管理,实现监测数据的录入追加、更新、分析、趋势变化、等值线显示、编辑和输出等总体设计的要求。为研究地下水动态及对地面沉降和地裂缝的影响和对政府决策提供科学依据[2]。具体体现在以下方面:

(1)实现了地面沉降和地下水位监测数据的录入、更新、查找、统计和输出(图2)。

(2)实现了地面沉降和地下水监测点信息查询。包括单个地下水监测点图形与属性的互动查询和指定时间间隔的属性查询(图3)。

(3)实现了地面沉降、地下水位变化曲线实时生成显示和输出(图4)。

(4)实现地下水位等值线及埋深图生成、编辑和输出(图5)。

(5)实现了地面沉降、地下水位变化幅度等值线图及地裂缝分布图的生成、编辑和输出(图6)。

(6)实现了地面沉降和地下水位综合分析图的生成、编辑和输出(图7)。

(7)实现了地下水和地面沉降曲面三维显示。

3.2 系统应用效果

利用该系统对西安市地面沉降与地下水监测资料的分析,从承压水位动态与地面沉降及地裂缝的活动着手,对地面沉降发生的原因和它对地裂缝活动的影响等问题进行了深入的研究,指出了超采承压水是诱发地面沉降和地裂缝的成因。提出了控制承压水的过量开采是防治地面沉降和地裂缝危害的根本措施。要控制地裂缝的继续发展,关键是限制深层承压水的开采,控制承压水位的下降,使地面沉降趋于稳定,地裂缝强烈活动急剧变形的势头即可得到缓解,地裂缝对城市建设的危害也会减轻[4]。为我市城市规划和建设发展提供了科学依据,提高了政府管理的科学性。

该系统建成以来,先后为西安市政府有关部门提供了西安市地下水动态与地面沉降及地裂缝监测报告和综合利用研究报告。为合理开发和科学利用地下水资源提供以下建议:

(1)西安地面沉降和地裂缝的发生和发展是超采承压水引起的。建议市政府陆续关闭大部分自备井后,承压水开采量显著减少,因而大部分地区承压水位明显回升,同时地面沉降及地裂缝活动速率明显减弱[5]。

(2)目前在西安市规划区外围承压水位还在下降,这些地区城市供水管网尚未到达,开采地下水成为必然途径,这已成为我市自备井发展和地下水位下降的重点地区。建议对于新开发区中的供水问题一定要在规划中制定出可行的方案。如需城市集中供水,在基建时管网就敷设到位,若抽汲地下水,要按整个地区统一布置水源地,同时大力提倡节约用水。

(3)虽然西安部分地区承压水位明显回升,但人工补给地下水是保持地下水位上升最有效的方法之一。建议在条件成熟的地区进行人工回灌,即在用水量较少的冬春季利用黑河水人工回灌补给地下水。

3.3 系统发展展望

该系统在对西安市近40年的监测数据的管理、分析应用中已显示了其优越性,但还有需要改进的地方。主要体现在以下几个方面:

(1)西安地面沉降一直沿用水准测量进行观测,地下水位监测一直采用人工观测。观测方法落后,劳动强度大,观测数据信息采集不及时。随着传输和观测技术的发展,应开发或引进自动化监测系统,实现监测数据自动化采集和传输。达到数据采集和管理分析一体化系统,对现有系统进一步升级。

(2)西安市地面沉降与地下水动态监测系统虽实现了地下水与地面沉降的趋势和相关分析,但没有对地面沉降与地下水位的量化关系进行深入研究,下一步应重点建立地面沉降与地下水位的关系的数学模型,实现对地面沉降的科学预测。

4 结论

西安市地面沉降与地下水动态监测系统紧密结合西安地面沉降与地下水动态监测实际工作,运用GIS、数值分析和数据库等技术,建设目标明确,设计合理,功能齐全,稳定可靠,操作性强。实现了对大量地面沉降和地下水动态监测数据的信息化管理、自动化处理、可视化表达和相关变化趋势分析。通过应用为城市可持续发展和减灾防灾工作提供了必要的决策支持和多元化服务。随着系统的不断升级和完善,将在实际应用中产生更大的经济效益的社会效益。

参考文献

[1]西安市勘察测绘院.西安市地面沉降与地下水动态监测系统使用说明书[R].2004.

[2]张周平,梅文胜,姜规模.西安市地面沉降与地下水动态监测信息管理系统设计与实现[A].现代工程测量技术发展与应用研讨会论文集这[C].2005,5(1).

[3]西安市勘察测绘院.西安市地下水动态综合研究报告[R].2005.

[4]姜规模.西安市地面沉降地裂缝研究[J].城市勘测2005,3.

地下水位动态篇8

新疆南部平原区自20世纪50年代以来随着大量的农业开垦和引用地表水灌溉,导致地下水位不断升高,土壤次生盐渍化加剧。在研究土壤盐渍化的过程中常常要借助地下水模型并结合地下水数值模拟软件。在应用地下水数学模型计算中,地下水位的确定是必要前提,如果能借助时间序列分析模型对地下水位动态变化做到准确预测将大大减小监测成本。时间序列分析方法进行水位预报,是将地下水系统视为“黑箱”或“灰箱”,根据地下水位动态观测资料,提取分析历史资料本身所蕴含的信息,找出其规律,并利用这些规律,达到预报未来的目的,无须进行专门的试验来获取其它参数,并且该方法易于掌握,计算工作量小,易于应用推广[1]。本文利用时间序列分析方法,基于新疆巴音郭楞蒙古自治州(以下简称“巴州”)典型干旱平原区已有的观测数据,建立时间序列分析模型,并对模型预测的可靠性进行检验。

1 时间序列分析建模理论

时间序列分析是处理动态数据的一种有效工具。时间序列的建模是建立数据序列的过去值和未来值之间的联系。通过相应模型的研究分析,可以更本质地了解数据的内在结构和特性,达到由表及里、控制其规律、预测未来的目的[2]。

1.1 模型组成

地下水位埋深时间序列由确定性趋势组分与随机组分叠加而成,数学表达式为:

式中,swt为地下水位埋深时间序列;ft为确定性趋势组分;kt为随机组分;t为时序。

本文采用HP(Hodrick-Prescott)滤波方法将确定性趋势信息ft提取出来,然后用ARMA(移动平均)模型分析剩余的随机组分信息kt,最后分别预测确定性及随机信息,将两者线性叠加得到地下水位埋深动态的预测模型。

1.2 HP(Hodrick-Prescott)滤波方法

Hodrick和Prescott[3,4]采用对称的数据移动平均方法原理,设计了HP滤波器,能够从时间序列yt中得到一个平滑的序列gt(即趋势部分),gt是下列问题的解:

式中,大括号中多项式的第一部分是对波动成分的度量,第二部分是对趋势成分“平滑程度”的度量;λ为正数,调节两者的比重,称为平滑参数。

HP滤波依赖于参数λ,当λ=0时,满足最小化问题的趋势序列为yt序列;随着λ值的增加,估计的趋势更加平滑;当λ无穷大时,估计的趋势将接近线性函数。本文综合考虑趋势要素对实际序列的跟踪程度和趋势光滑度,取λ=5。

1.3 ARMA(p,q)模型[5,6]

对于一个平稳随机过程,如果它在t时刻的响应,不仅与其以前时刻的自身值有关,而且还与其以前时刻进入系统的扰动存在一定的依存关系,那么,这个系统就是自回归移动平均系统,相应模型记作ARMA。自回归移动平均模型是代表性最强、使用性最广的一维时序分析模型。

ARMA(p,q)模型满足如下方程:

式中,参数c为常数;Φ1,Φ2,Φ3…,Φp是自回归模型系数;p为自回归模型的阶数;θ1,θ2,…,θq是移动平均项系数;q为移动平均模型的阶数;εt是均值为0,方差为σ2的白噪声序列。当p=0时,ARMA(0,q)=MA(q);当q=0时,ARMA(p,0)=AR(p)。

ARMA(p,q)模型的建模过程:

Box和Jenkins的建模思想总结为如下4个步骤:

(1)对序列进行平稳性检验,如果序列不能满足平稳性条件,可以通过差分变换(单整阶数为d,则进行d阶差分)或者其他变换,如对数差分变换,使序列满足平稳性条件。

(2)通过计算能够描述序列特征的一些统计量(如自相关系数和偏自相关系数),结合AIC(赤池信息准则)与SC(施瓦茨准则)这样的信息准则来确定ARMA的阶数p和q,并在初始估计中选择尽可能少的参数。

(3)估计模型的未知参数,并检验参数的统计显著性,以及模型本身的合理性。

(4)对估计的模型进行诊断分析,以证实所得模型确实与观察到的数据特征相符。

2 地下水位埋深动态预测

本文所采用的时间序列数据选自巴州典型干旱平原区地下水位监测数据(2008年6月5日~2009年7月20日),监测步长为5天(80组地下水位埋深监测数据),因冬季冰冻原因,少量观测数据缺失,通过插值法插补。为建立准确可靠的预测模型,将80组监测数据分为两部分,选取一个水文年(2008年6月5日~2009年5月31日)70组地下水位埋深监测数据建立识别模型,利用不参与建模的2009年6月5日~2009年7月20日间10组监测数据对模型进行可靠性检验。本文利用Eviews软件对时间序列进行建模分析[7,8]。

2.1 地下水位埋深时间序列动态分析

2008年6月5日~2009年7月20日地下水位埋深时间序列随时间变化趋势如图1所示。从图1可以看出,在监测时段内,地下水位埋深随时间变化起伏明显。2008年6月5日~2008年9月15日之间,地下水位埋深相对稳定在某一均值上下呈小幅震荡,且这一均值处于较小地下水位埋深,这是因为在这一时段,正值区内棉花等作物生长时期,引河渠水进行农业灌溉使得地下水位维持在相对较高水平。2008年9月15日~翌年3月份(2009年3月25日)期间,除了有一段地下水位峰值较高(从时间上来看是由于11月底冬灌引起的)外,总体上地下水位处于较低水平,这是因为这一时段为没有作物耕作的农闲时期,由于没有人工补给,地下水位下降,在2009年2月底~3月初地下水位下降到最低水平。此后由于3月底的春灌地下水位再度回升,以后的时段又是新一轮的作物耕种生长期,地下水位回升,在不间断灌溉的干扰下,地下水位又开始在较小的水位埋深波动。

2.2 时间序列的平稳性分析

在进行分析前先对地下水位埋深序列进行平稳性检验,检验时间序列是否为平稳过程,通常采用ADF(Augmented Dickey-Fuller)方法。用ADF方法对时间序列进行平稳性检验,其检验结果如表1所示。

表1

注:sw为水位埋深序列,Dsw表示水位埋深序列的一阶差分。

sw序列一阶差分方程数学表达式[9]:

2.3 模型的建立及识别

2.3.1 确定性信息提取

如上表1所示,sw序列为非平稳序列,但一阶差分后的序列为平稳序列。对于非平稳序列通常采用差分或提取趋势项信息而化为零均值的平稳序列,本文采用HP滤波方法提取确定性趋势信息。

按照滤波分析原理,对sw序列进行滤波处理。如前所述进行滤波处理的关键是平滑λ参数的选取,其值的确定多采用经验值。由于HP滤波方法较常用于经济领域时间序列分析,因此在分析地下水位埋深动态序列时无经验值可供参考,经过反复试算拟合,并综合考虑趋势要素对实际序列的跟踪程度和趋势光滑度,最终确定取λ值为5。经HP滤波处理后的效果如图2所示。

由图2可以看到滤波信息呈现非线性的复杂特征,综合考虑建立经HP滤波提取的水位埋深趋势序列ft与时序t的趋势多项式函数,如公式(5)。

由Eviews软件进行运算,模型输出结果见下表2。

表2

注:DW为检验序列相关的统计量,AIC准则(赤池信息准则)供选择方程中滞后项数时参考,SC准则(施瓦茨准则)。

趋势序列ft与时序t趋势多项式模型如公式(6),同时为序列ft的预测模型。

由表2可知公式(6)对ft序列拟合的非常好,调整后的R2达到了0.9983,且方程各项系数均通过显著性检验。确定性趋势信息ft不仅与时序t有关,而且还存在四阶滞后,若从短期时间序列分析滞后的影响可能大于t对ft影响。

2.3.2 随机信息的ARMA模型分析

sw序列经过滤波分析提取确定性信息后所剩余部分为随机波动项kt(即sw-ft),如下图3所示,对kt序列进行平稳性分析,结果如表3所示。

表3

表3说明kt序列是平稳的,对平稳随机序列可以运用ARMA(p,q)模型进行分析。本文在建立ARMA(p,q)模型过程中,在分析自相关及偏相关系数基础上,确定p,q阶数时考虑的因素有:R2(可决系数),DW值(检验序列相关的统计量),AIC值(赤池信息准则,供选择方程中滞后项数时参考),SC值(施瓦茨准则),AIC及SC值越小越好。经过多模型分析比较,最终确定ARMA模型为:

式中,εt是均值为0,方差为σ2的白噪声序列。模型估计结果见下表4,各项系数显著,且方程通过显著性检验。

表4

随机序列kt的预测模型为:

将(6)式与(8)式叠加,可得地下水位埋深序列sw的预测模型:

2.3.3 时序预测模型识别

将HP滤波提取的确定性趋势信息与ARMA模型提取的随机信息相叠加,即可得到水位埋深序列估计模型,将计算值与sw对比,拟合效果如下图4所示,模型计算值与实测值拟合较好,且模型最终残差序列不存在序列相关,为白噪声序列,所建立的模型对序列sw所蕴含的信息提取充分,模型识别效果良好。

如图4所示计算值与实测值拟合较好,但对模型最终残差序列分析发现(如下图5),其在序列曲线的波峰波谷处波动较大,而表现为拟合效果稍差,这是由于在波峰波谷处往往对应随机因素的突变,由此产生了模型预报的误差。如在时序60(2009年4月5日)处残差值较大就是因为研究区在春季进行春灌洗盐而使地下水位迅速上升造成的,同时因为水位埋深较浅,地下水位对外界变化响应迅速,也是造成残差序列波动频繁的重要因素。

2.4 模型的验证

对识别的模型在进行预测前必须进行验证,通过验证可靠的模型方可进行预测,否则需要对模型重新进行识别,模型验证通常采用的做法是将已有数据分为两部分,一部分用来建模识别,另一部分未参与建模的数据对识别的模型进行可靠性验证。本文采用的建模及验证数据划分如前所述。利用地下水位动态预测模型(公式(9))预测未参与建模的2009年6月5日~2009年7月20日间10组地下水位埋深,并与实测值进行比较,所得结果见下表5。

表5

由表5可以看出,所建立地下水位埋深动态预测模型预测精度较高,模型预测绝对误差介于-0.09 m~0.07 m之间,相对误差绝对值均小于5%,最小相对误差绝对值仅为1%,满足精度要求。因此,模型识别及验证结果理想,在外在自然及人为条件不发生突变的情况下,可以以此模型对未来短期时段地下水位埋深动态进行较为准确的预测。

3 结语

(1)本文在分析中选取研究区内多个空间离散点水位埋深动态进行时间序列建模预测分析,结果表明,在对各离散点水位埋深动态时间序列进行HP滤波提取确定性信息后,再利用ARMA模型分析随机波动序列,分别建立预测模型并叠加,均可建立理想的时间序列预测分析模型,拟合精度与预测精度均较高,但限于篇幅仅随机选取一点地下水位埋深动态进行建模预测分析。

(2)时间序列分析模型是分析随机时间序列的一种重要手段,本文选取巴州典型干旱平原区地下水位埋深监测资料作为随机时间序列,在通过HP滤波方法提取确定性趋势信息后,再利用ARMA模型进一步提取随机信息,最终确定的最优预测模型验证结果表明:对于地下水水位埋深动态的时间序列分析建模,可以比较准确的预测未来短期时段地下水位埋深动态,在一定程度上减少地下水位动态的监测成本,具有重要的实际意义。

(3)时间序列模型利用过去地下水动态观测资料进行建模是通过地下水系统过去的规律对未来进行预测,当系统的某些因素在未来时刻有较大变化时,模型预报误差将增大,同时就模型本身而言,进行长期预测,误差也有逐渐放大的趋势,因此在建模过程中不断补充近期数据,调整和优选新模型并实现动态预测,可以进一步改善预测效果。

关于地下水初见水位的讨论篇9

在岩土工程勘察过程中，按规范要求，遇地下水时都要测量地下水的初见水位和稳定水位。笔者在工作过程中发现，不同的勘察单位之间、同一个勘察单位的不同技术人员之间、不同地区的施工图审查机构之间，甚至于不同的规程、规范之间，对稳定水位的认识比较一致，但对初见水位的理解和认识往往不同，且时日已久，觉得有必要把这个问题提出来和同行们进行讨论。因为勘察一线的技术人员，特别是现场钻孔记录员或编录员，必须对初见水位的理解和测量方法得到统一。

1 初见水位的定义

虽然我国岩土工程勘察的规程、规范种类众多，除国家标准外，还有各种行业标准，再算上各种地方标准，总数几十上百本。但绝大多数对初见水位的定义没有明确描述。

在《水文地质术语》（GB/T14157-1993）[1]、《铁路工程水文地质勘察规程》（TB10049-2004）[2]和《地下铁道轻轨交通岩土工程勘察规范》（GB50307-1999）[3]中，描述的初见水位的定义分别如下：

(1)《水文地质术语》6.3.23条：

初见水位Initial Water Level：当钻孔揭露含水层时，首先发现的地下水面的高程。

(2)《铁路工程水文地质勘察规程》2.1.10条：

初见水位Initial Water Level：当钻孔揭露含水层时，初次发现的地下水面的高程。

上述两本规范对初见水位的文字表述，只是前者用“首先”、后者用“初次”，表达的意思没有不同，不应该存在理解上的争议。

(3)《地下铁道轻轨交通岩土工程勘察规范》（GB50307-1999）[3]8.3.2条的条文说明有不同的表述：“初见水位的量测，一般在工程勘察中从钻具带上的土样观测，土样由湿到很湿带水时的标高，即为初见水位”。让人感觉原本很清楚的概念，好象又不太清楚了，“由湿到很湿带水时的标高”，给人留下了无限想象和发挥的空间，于是出现了众多版本的各种解读。

2 有关初见水位的一致看法

以下内容这部分内容在众多规程、规范中一再出现，勘察同行的看法也是高度一致：

初见水位和稳定水位可在钻孔、探井或测压管内直接量测，稳定水位的间隔时间按地层的渗透性确定，对砂土和碎石土不得少于0.5h，对粉土和粘性土不得少于8h，并宜在勘察结束后统一量测稳定水位。量测读数至厘米，精度不得低于±2cm[4]。

实际操作中，大家也是在地下水位上采用不加水钻探，稳定水位应在初见水位后经一定的稳定时间后量测。

3 有关初见水位的不同观点

针对初见水位和稳定水位存在着什么关系？初见水位究竟怎么测量？各有各的说法，在网络上的讨论也是相当热烈。有代表性的是“岩土在线”（http://www.yantubbs.com/）论坛和“中国工程勘察信息网”（http://www.geot.com.cn/）论坛。

现对目前网络上和现实工作人员中的不同观点，按类合并归纳如下。

3.1 如何测量初见水位的不同观点

(1)从钻具带上的土样观测，土样由湿到很湿带水时的标高，即为初见水位。(2)观察初见水位主要看麻花钻带上来土的色泽变化，如果发亮，可能就是遇到地下水了。(3)当首次见到饱和土时，饱和土的上界可认为就是初见水位，但由于受毛细水的影响和判定方法上精度较低。(4)及时了解湿度，只要取出的土中含有自由水，那么初见水位也就基本是这个位置了（上下不会差的太多）。(5)钻头见滴水即可确定初见水位。(6)钻进过程中遇到地下水位时立即停钻测得的地下水位是初见水位。

3.2 初见水位用途的不同观点

(1)初见水位意义不大。(2)初见水位在工程中的作用主要是判定地下水是不是承压水：如果稳定水位大于初见水位则为承压水。(3)初见水位反映了地层的渗透性。

3.3 初见水位和稳定水位关系的不同观点

(1)初见饱和砂或土，既认定为初见水位，由于毛细水一般初见水位要高于稳定水位。(2)初见水位应该是在真正见到水位时测量的，因此，实测的初见水位一般低于稳定水位。(3)一般情况下，初见水位是低于稳定水位的，稳定水位应该根据规范要求的时间来量测。(4)一般初见水位总是低于稳定水位，渗透性越强，初见水位越接近于稳定水位。反之，越低于稳定水位。

4 讨论

4.1 如何测量初见水位

文献[3]和文献[1]和[2]中对初见水位的表述不一致，给大家造成了理解上的争议，不同标准之间宜协调一致。文献[3]中“土样由湿到很湿带水时的标高”的表述在实际操作中人为影响因素太大，文献[1]和[2]中对初见水位的表述更为准确。

规范讲的初见水位和稳定水位，是时间上的概念，间接反映了土的渗透性。因此地下水位指的是指地下含水层中水面的高程，根据观测时间不同，可分为初见水位、稳定水位、丰水期水位、枯水期水位等。基于这一点，笔者认为观点（6）是正确的，观点（1）～（5）值得商榷。

4.2 初见水位用途

规范要求遇地下水时都要测量地下水的初见水位，但对初见水位的用途没有叙述，显得美中不足。根据工程实践经验，土层渗透性越强，初见水位和稳定水位差别越小；土层渗透性越弱，初见水位和稳定水位差别越大，笔者认为初见水位反映了地层的渗透性。因此观点（1）显然不对；根据观点（2）有时会得出错误的结论，因为稳定水位大于初见水位的地下水，并不一定是承压水。

4.3 初见水位和稳定水位关系

初见水位是指干钻时刚好钻到地下水位左右时，立即停钻，量测的地下水位。稳定水位是指规范规定时间后，钻孔中形成的稳定的水位。因为当刚钻至地下水位时，地下水需要一个渗流的过程才能形成稳定的水位，因此一般情况下初见水位低于稳定水位，土体的渗透性越大，则初见水位越接近稳定水位。在一些水塘或河道附近（地下水受地表水补给，且地表水位比地下水位高时）钻探时就很容易发现，钻探结束后，孔中水位在不断的上升，直至稳定水位。

一般地，渗透性强的土中潜水的初见水位与稳定水位基本持平；渗透性越弱的中潜水的初见水位比稳定水位要低。而渗透性强的土中承压水的初见水位比稳定水位要低更多。当钻孔揭穿承压含水层的隔水顶板时，就见到地下水，此时的水面高程为初见水位，承压性越大，其初见水位与稳定水位差别就越大。对于承压水，正确地测定其初见水位有着相当重要的意义。

4.4 初见水位和稳定水位实测数据举例

以南京市某科技创业特别社区一期建筑（A、B）地块、一期景观及中心湖区岩土工程勘察项目为例，实测地下水初见水位及稳定水位、地下水所在地层及物理性质等成果，详见表1、表2和表3、表4、表5。

5 结束语

测量初见水位，首先要要求“干钻”，在未见地下水时，不能用水或泥浆，钻具带岩芯上来时只要注意观察，一般情况编录员都会准确测量出初见水位。

但要注意，在勘察费以米计价和无序竞争的情况下，有些钻机很少专门这样干了，笔者在参加相关质量检查过程中，时常发现勘察报告中的初见水位是假的、人为写上的。这就要求加强质量控制和现场监督，才能保证原始数据的准确性。

摘要：针对勘察同行们对地下水初见水位的不同理解,进行分析和讨论,提出了自己的看法,可供勘察同行们工作中参考。

关键词：地下水,水位,初见水位,稳定水位,讨论

参考文献

[1]国家技术监督局,GB/T14157-93《水文地质术语》[S].北京:中国标准出版社,1993.

[2]铁道第一勘察设计院,TB10049-2004《铁路工程水文地质勘察规程》[S].北京:中国铁道出版社,2004.

[3]北京市城建勘察测绘院.GB50307-1999《地下铁道轻轨交通岩土工程勘察规范》[S].北京:中国计划出版社,2000.

隧道修建对地下水位的影响分析篇10

关键词：隧道,地下水,数值模拟,渗流场,控制排放

0 引言

纵观当今国内外交通隧道的发展,有两个非常明显的趋势:一是隧道越修越长;二是以隧道方式跨越水域的例子越来越多。这是经济的迅速发展,对交通运输提出了更高要求的必然结果。随着我国交通基础设施建设投入的不断增加,高等级的铁路及公路建设逐步向地理条件复杂的西部山区延伸,从而带来了大量的长、大隧道工程建设,从而带来环境问题。隧道建设对环境的影响,也往往在设计、施工过程中考虑较少。主要是在结构稳定性,可靠性方面研究较多,也就是主要考虑隧道开挖时,地下水的防、排方式的确定,涌水量的预测方面考虑较多,但是这些研究的出发点仍然是为了确保隧道结构的安全。

随着社会的发展,人们对环境的保护意识不断提高。因此,目前在考虑结构稳定性的同时还要确保不对环境造成破坏。由于隧道施工造成的地下水位的降低,水质的变化、污染,地下水循环的破坏等,都将可能引起地表塌陷,地面建筑物开裂,大泉枯竭,地表植被破坏等不良现象。

目前,地下水环境保护的施工措施和对策的研究还处于初步探索阶段,也是隧道修建与地下水环境相互关系研究的一个薄弱环节,尚无一套完整的施工措施和研究理论。

1 岩体渗流场分析数值模型

岩体渗流系统主要研究岩体系统内地下水的运动规律,以定量化评价和预测岩体系统内地下水的水头空间分布。岩体渗流数学模型归纳起来有[1]:

1)双重介质渗流数学模型;

2)裂隙网格非连续介质渗流数学模型;

3)等效连续介质模型,该模型应用方便,相当多的工程问题都可用这一模型进行近似研究,本文也应用这种模型研究。

岩体的渗流偏微分方程表示为:

其中,kxx,kyy和kzz分别为渗透系数在x,y和z方向的分量,量纲为LT-1,其中L为长度,T为时间。这里假定渗透系数主轴与坐标轴方向一致;φ为总水头L,其值为压力水头与位置水头之和;Q为单位体积流量T-1,代表流进源或流出汇的水量;Ss为孔隙介质的贮水率L-1或给水率L-1;t为时间T。

式(1)可简化为:

其中,K为渗透张量。

式(1)或式(2)加上相应的边界和初始条件,就构成了对于一个实际问题地下水流动的定解问题。但是实际工程的渗流问题边界条件往往很复杂,因而无法获得准确的解析解,必须采用数值计算方法进行求解,如有限差分法、有限元法和边界元法等,其中以有限元法的应用最为广泛。求解结果即为研究区地下水水头的分布值。

2 数值模拟与结果

2.1 数值模拟方法

本文采用MIDAS-GTS(GeotechnicalandTunnelanalysisSystem,岩土与隧道分析系统)软件进行分析计算。

模型范围如下:沿隧道走向取100m,宽度方向距左右线路中线各取101m,隧道线间距40m。隧道开挖半径为4m,初衬加二衬取为0.45m。模型总宽250m,高度方向取距地表最高点250m,则整个计算范围为250m×250m×100m。

围岩和二衬采用八节点实体等参单元,初衬采用板单元进行模拟。对不同排水方案修建隧道地下水位变化进行模拟分析。主要分析工况考虑全排模型,全封堵模型,控制排放量为30%,50%,80%五种工况。

计算模型如图1所示。

2.2 模型参数及边界条件

模型的单元划分,应用软件中K—面线划分方式,首先应用二维划分,然后扩展为三维网格。前后左右及下边界为固定边界,上表面(即地表面)采用自由面。隧道渗流边界环向施加排水边界,全排方案取自由排水,全堵方案取节点流量边界数值为零。

围岩力学参数的选取参考相关工程勘测资料,并结合规范要求和数值模拟中参数折减需要,给出围岩的物理力学参数及衬砌混凝土参数(见表1)。

本文数值计算中材料的力学模型采用Mohr-Coulomb弹塑性理论模型。

3 分析与讨论

通过建立模型计算分析,可得到不同工况下,围岩、衬砌应力云图,及其地下水位在不同时刻的浸润线位图,进而得到地下水位降低数值。

3.1 地下水作用下衬砌受力分析

由压力图可知,全排方案修建隧道衬砌所承受的孔隙压力较小,最大为0.755MPa。因此,该方案可以有效减小高水压对隧道衬砌的不良影响。而全封堵方案修建隧道时,衬砌所承受的孔隙压力明显增大,最大值达到9.76MPa。按照《公路隧道设计规范》[3]规定,标号C 30混凝土的极限抗拉强度为2.2MPa。这样,在全封堵情况下修建隧道,使得隧道设计在理论和实际受限,往往难以实现。

全排方案修建隧道虽然衬砌所受地下水孔隙压力较小,但是地下水的大量排放必然导致地下水位下降,对生态环境造成破坏,影响当地居民生产生活。因此,采用新型防排水技术控制排放修建隧道势在必行。

3.2 不同排水方案修建隧道地下水位变化

通过对不同工况的模拟分析,提取排水一月、一年、水位稳定时地下水位降低数值,绘制各工况地下水位降变化图如图2所示。

图2表明,地表水的降低值随着控制排放量的增大而增大。全封堵时最小,全排时最大。控制排放为洞室自然排放量的30%时,地下水位降低较小,仅为1.2m。此时衬砌从受力角度考虑也能够满足要求。控制排放为洞室自然排放量的50%时,水位降太大,地下水补给不能达到要求,这样将使地表植被遭到严重破坏。控制排放为洞室自然排放量的80%时,接近全排,显然该方案应该排除。

前四种工况下,地下水水位降值在同一工况下,均随着时间的推移而增大;而对于全封堵工况下,地下水水位降值随着时间的推移水位有所回升。全封堵模型完全将水堵住,地下水将在隧道附近基本停止流动而其他四种工况下不论地下水流量大小地下水均是在流动的。因此和其他工况有所不同。

4 结语

1)地下水全排方案修建隧道,对地下水环境破坏较为明显。

在短短一个月期间,就出现了较为明显的降水漏斗,同时,地表出现相对较为明显的沉降。这样将会对地表植被破坏造成严重破坏,影响当地居民的生产、生活和自然环境。

2)采用地下水全封堵方法修建隧道,对地下水环境的保护很有利。

该方案对地下水环境几乎不会受到影响,完全可以达到保护环境的目的,但是这种处理地下水的方法,在实际施工过程当中很难实现,在我国现有施工水平条件下尚不能达到这个目的。种种不利因素表明,该方案既不经济也不合理。

3)通过注浆加固,进行地下水控制排放,可以达到保护环境、安全施工两不误的目的[5]

通过软件模拟分析,可以得出当注浆圈厚度达到3m,渗透系数为0.002 1m/d时,地下水控制排放量可控制为自然排放量的30%。此时,地下水排放量与外界补给量基本一致,地下水位保持平衡,这样就达到了地下水保护的目的,同时达到了隧道合理修建、安全运营的目的。

建议隧道地下水控制排放量为最大涌水量(全排工况下排水量)的30%,此工况下,地下水水位降低很小,有利于保护环境。同时,衬砌受力也满足规范要求,这样较为经济合理。对于不同地质围岩情况要做适当调整以满足不同工况的需求

参考文献

[1]何川,谢红强.多场耦合分析在隧道工程中的应用[M].成都:西南交通大学出版社,2007.

[2]李耐霞.歌乐山隧道施工过程对水环境的影响[D].成都:西南交通大学硕士学位论文,2004.