專利名稱：根據(jù)年地面沉降量與抽水量確定地下水可開采量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)境地質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種根據(jù)年地面沉降量與抽水量確定地下水可開采量的方法。
背景技術(shù)：
地面沉降是在自然條件和人為因素作用下，由于地殼表層土壓縮而導(dǎo)致區(qū)域性地面標(biāo)高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象。地面沉降是一種緩慢的地基壓縮變形過程，這種現(xiàn)象常在那些新近沉積的正在發(fā)生固結(jié)的地方發(fā)生。地面沉降作為一種廣泛的地質(zhì)災(zāi)害，造成地下管道扭曲折斷，道路起伏不平，海水倒灌，建筑物因不均勻下沉產(chǎn)生裂縫甚至倒塌，不僅對地面設(shè)施造成很大的破壞作用，而且也會使地下環(huán)境發(fā)生變化，給工業(yè)生產(chǎn)、城市建設(shè)和人們生活帶來的影響是深刻和巨大的。地下流固資源的開采是引起地面沉降的主要原因。一個(gè)多世紀(jì)以前，國外就發(fā)現(xiàn)由于地下水抽取引起的地面沉降。意大利比薩平原現(xiàn)在的地面沉降速率為自然沉降的2-5倍，對深度達(dá)250m的主要含水層水位的監(jiān)測表明，地下水位呈總體下降趨勢，伊朗Esfahan南部因地下水開采也產(chǎn)生嚴(yán)重地面沉降。在我國也有許多地方由于地下水的開采而引起地面沉降，如上海，天津，太原等地。在世界許多城市，尤其是沿海地區(qū)，地面沉降已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)重的問題。因此，如何正確描述地下水滲流，確定地下水可開采量是地面沉降量控制的關(guān)鍵。
經(jīng)對現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，李勤奮、方正、王寒梅，在《上海地質(zhì)》2000，No.2，pp.36-43上發(fā)表的“上海市地下水可開采量模型計(jì)算及預(yù)測”，該文介紹了應(yīng)用數(shù)學(xué)模型預(yù)測控制地面沉降在一定范圍內(nèi)的地下水可開采量的方法。有限元數(shù)值模型也是在地下水抽取引起地面沉降計(jì)算分析中常用的較為有效的方法。但是，為使計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況，需要正確地設(shè)定地下水滲流的初始條件、邊界情況及在邊界處的水文地質(zhì)條件，地下水的取水情況等；更為重要的是需要正確確定現(xiàn)場土性及水文參數(shù)。以上幾個(gè)條件在數(shù)學(xué)模型計(jì)算的設(shè)定中往往需要耗費(fèi)巨大的人力才能得到，尤其是土層水文參數(shù)需要大量的鉆孔資料，通過現(xiàn)場及室內(nèi)試驗(yàn)后才能確定。實(shí)施起來并不十分經(jīng)濟(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有方法中的不足，提供一種根據(jù)年地面沉降量與抽水量確定地下水可開采量的方法，使其基于某地區(qū)的年地面沉降量與年地下水開采量的關(guān)系通過回歸分析直接確定地下水的可開采量，解決了預(yù)測難度與費(fèi)用大的問題。
本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括以下步驟(1)收集當(dāng)?shù)氐孛娉两档膶?shí)測資料與地下水抽取量的記錄。在收集實(shí)測資料過程中要從盡可能早的年份開始，最好是有最初的抽水?dāng)?shù)據(jù)。這樣就能使后面所做的年地面沉降量與年地下水抽取量的關(guān)系曲線更好的確定出地下水的可開采量。
(2)將地面沉降量與地下水開采量整理成年度地面沉降量與年度地下水抽取量的關(guān)系，并作出關(guān)系曲線圖。年度地面沉降量用縱軸表示，年度地下水的開采量用橫軸表示，它可以以線形坐標(biāo)來分析，也可以以log坐標(biāo)來分析。
(3)對年度地面沉降量與年度地下水抽取量進(jìn)行回歸分析，得到折線型回歸式St＝a-bΔV(St-年地面沉降量；ΔV-年地下水抽取量；a、b-回歸系數(shù))?；貧w分析方法是用函數(shù)擬合的最小二乘法，對于給定的一組數(shù)據(jù)(即年度開采量和年度地下水抽取量)，要在函數(shù)類中找到一個(gè)函數(shù)，使其與實(shí)際情況的誤差平方和最小。從而可以求出最小二乘解，即所要得到回歸式。
(4)計(jì)算年可開采量基于上述回歸關(guān)系式，對于設(shè)定的年地面沉降的控制值St，則可得到地下水的年可開采量ΔV＝(a-St)/b。
本發(fā)明原理為抽水引起的地面沉降是由于地下水的抽取使沉積含水層的地下水水頭下降，土中的有效應(yīng)力增加，引起固結(jié)而發(fā)生的。但是由于周圍含水層中的地下水會向采水區(qū)作水平補(bǔ)給運(yùn)動，在抽水速率(年抽水量)和補(bǔ)充速率達(dá)到平衡時(shí)，地下水位就不再下降，地層的有效應(yīng)力不再增加，這時(shí)的年地下水開采量為可開采量。另外，經(jīng)大量的統(tǒng)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)，年地面沉降量與年地下水可開采量的關(guān)系為折線關(guān)系，這同固結(jié)試驗(yàn)中孔隙比與固結(jié)應(yīng)力的關(guān)系(e-logP曲線)類似。這說明只要年開采地下水量不超過某值，地面沉降量就可以控制在一定的量值內(nèi)。
本發(fā)明利用了地面沉降與地下水抽取量的已知信息，結(jié)合土體固結(jié)試驗(yàn)中的孔隙比變化與固結(jié)壓力的相關(guān)關(guān)系e-logP曲線，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的回歸分析法，來確定將年地面沉降量控制在某一范圍內(nèi)的地下水可開采量。這樣避免了應(yīng)用復(fù)雜數(shù)學(xué)模型時(shí)需要進(jìn)行大量地層參數(shù)確定時(shí)的取樣及試驗(yàn)的工作，是一種簡潔、經(jīng)濟(jì)及有效的地下水可開采量的確定方法。
本發(fā)明不僅可以用于地下水開采引起地面沉降的確定，還可以在用于石油與天然氣開采中引起地面沉降的領(lǐng)域。


圖1孔隙比與固結(jié)壓力的關(guān)系(e-logP曲線)圖2年地面沉降量與年地下水可開采量的關(guān)系圖3某地天然氣田的年地面沉降量與年地下水可開采量的關(guān)系具體實(shí)施方式
結(jié)合本發(fā)明的技術(shù)方案提供以下實(shí)施例實(shí)施例利用該發(fā)明對某地天然氣田在水溶性天然氣生產(chǎn)中對深層地下水的可開采量進(jìn)行了分析。
該地周圍的關(guān)東地區(qū)的地層是由海洋環(huán)境經(jīng)數(shù)十萬乃至數(shù)百萬年沉積而成。由于大量的海洋生物沉積于地下，經(jīng)數(shù)十萬乃至上百萬年的地質(zhì)作用，形成了質(zhì)量上乘的水溶性天然氣與醫(yī)藥用碘。自上世紀(jì)二三十年代起在東京附近就有天然氣的開采活動。自1956年起在該地東部的九十九里平原地區(qū)，開始了大規(guī)模天然氣與碘的開采活動。野外開采活動主要通過從地下500～2000m深處抽取地下水而獲得。上世紀(jì)六十年代在該地區(qū)發(fā)現(xiàn)有地面沉降，1969年起開始地面沉降的觀測。在過去的35年中地面最大累積沉降達(dá)0.85m。發(fā)現(xiàn)沉降范圍的面積近800km2。九十九里觀光地的海岸線后退約20m。至今(2002年)每年大面積的地面沉降達(dá)20mm，局部最大沉降達(dá)40mm。
為此，需要控制地下水的開采量來減輕或消除地面沉降。這樣地下水的可開采量確定就是一個(gè)最為重要的問題。具體如下1、收集該地天然氣田的地面沉降數(shù)據(jù)與地下水的抽取量；
2、將地面沉降與地下水抽取量按年份整理作成年沉降量與年凈開采量關(guān)系如圖3所示。由圖可知，在開采量較小時(shí)，沉降量較小。但當(dāng)開采量超過某關(guān)鍵值時(shí)，沉降量急劇增加。這說明抽水引起的附加有效應(yīng)力的增加超過了地層的屈服應(yīng)力(前期固結(jié)壓力)，使e-logP關(guān)系達(dá)到正常固結(jié)狀態(tài)，如圖1所示。
3、對年沉降量與年凈開采量進(jìn)行回歸分析，得到如下兩個(gè)關(guān)系式ΔV＜57.7(×106m3/年)，St＝3.82-0.102ΔV(cm)(圖3中A線)1)ΔV＞57.7(×106m3/年)，St＝22.17-0.42ΔV(cm)(圖3中B線)2)4、地下水年可開采量的確定設(shè)定該地區(qū)的地面沉降不再發(fā)生，則由令St＝0，代入1)式，則ΔV＝37.5×106m3，即該地區(qū)的地下水年開采量為37.5×106m3。
設(shè)定該地區(qū)的年沉降量控制在10mm以內(nèi)，則由令St＝-1，代入1)式，則ΔV＝47.3×106m3，即該地區(qū)的地下水年開采量為47.3×106m3。
設(shè)定該地區(qū)的年沉降量控制在20mm以內(nèi)，則由令St＝-2，代入1)式，則ΔV＝57.1×106m3，即該地區(qū)的地下水年開采量為57.1×106m3。
設(shè)定該地區(qū)的年沉降量控制在30mm以內(nèi)，則由令St＝-3，代入2)式，則ΔV＝59.9×106m3，即該地區(qū)的地下水年開采量為59.9×106m3。
由此可知，利用本發(fā)明確定某地區(qū)的地下水可開采量不需要深度地層的土性參數(shù)，不需要取樣及試驗(yàn)工作。只收集現(xiàn)有的沉降觀測數(shù)據(jù)與地下水抽取的資料即可。方法極為方便有效。而有關(guān)管理部門掌握有大量沉降量與地下水抽取量的數(shù)據(jù)，從此入手進(jìn)行分析是非常經(jīng)濟(jì)有效的。
權(quán)利要求
1.一種根據(jù)年地面沉降量與抽水量確定地下水可開采量的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)收集當(dāng)?shù)氐孛娉两档膶?shí)測資料與地下水抽取量的記錄；(2)將地面沉降量與地下水開采量整理成年地面沉降量與年地下水抽取量的關(guān)系，并作出關(guān)系曲線圖；(3)對年地面沉降量與年地下水抽取量進(jìn)行回歸分析，得到折線型回歸式St＝a-bΔV，其中，St-年地面沉降量；ΔV-年地下水抽取量；a、b-回歸系數(shù)；(4)計(jì)算年可開采量基于上述回歸關(guān)系式，對于設(shè)定的年地面沉降的控制值St，則得到地下水的年可開采量ΔV＝(a-St)/b。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的根據(jù)年地面沉降量與抽水量確定地下水可開采量的方法，其特征是，步驟(2)中，所述的關(guān)系曲線圖，年度地面沉降量用縱軸表示，年度地下水的開采量用橫軸表示，它以線形坐標(biāo)來分析，或者以log坐標(biāo)來分析。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的根據(jù)年地面沉降量與抽水量確定地下水可開采量的方法，其特征是，步驟(3)中，回歸分析方法是用函數(shù)擬合的最小二乘法，對于給定的一組數(shù)據(jù)即年度開采量和年度地下水抽取量，要在函數(shù)類中找到一個(gè)函數(shù)，使其與實(shí)際情況的誤差平方和最小，從而求出最小二乘解，即所要得到回歸式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的根據(jù)年地面沉降量與抽水量確定地下水可開采量的方法，其特征是，步驟(1)中，在收集實(shí)測資料過程中要從盡可能早的年份開始，這樣就能使后面所做的年地面沉降量與年地下水抽取量的關(guān)系曲線更好的確定出地下水的可開采量。
全文摘要
一種環(huán)境地質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域的根據(jù)年地面沉降量與抽水量確定地下水可開采量的方法，包括以下步驟(1)收集當(dāng)?shù)氐孛娉两档膶?shí)測資料與地下水抽取量的記錄；(2)將地面沉降量與地下水開采量整理成年地面沉降量與年地下水抽取量的關(guān)系，并作出關(guān)系曲線圖；(3)對年地面沉降量與年地下水抽取量進(jìn)行回歸分析，得到折線型回歸式；(4)計(jì)算年可開采量基于上述回歸關(guān)系式，對于設(shè)定的年地面沉降的控制值S
文檔編號G01V9/02GK1776458SQ20051011042
公開日2006年5月24日 申請日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月17日
發(fā)明者沈水龍, 許燁霜, 唐翠萍, 蔡正銀 申請人:上海交通大學(xué)