专利名称：根据年地面沉降量与抽水量确定地下水可开采量的方法
技术领域：
本发明涉及一种环境地质技术领域的方法，具体是一种根据年地面沉降量与抽水量确定地下水可开采量的方法。
背景技术：
地面沉降是在自然条件和人为因素作用下，由于地壳表层土压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象。地面沉降是一种缓慢的地基压缩变形过程，这种现象常在那些新近沉积的正在发生固结的地方发生。地面沉降作为一种广泛的地质灾害，造成地下管道扭曲折断，道路起伏不平，海水倒灌，建筑物因不均匀下沉产生裂缝甚至倒塌，不仅对地面设施造成很大的破坏作用，而且也会使地下环境发生变化，给工业生产、城市建设和人们生活带来的影响是深刻和巨大的。地下流固资源的开采是引起地面沉降的主要原因。一个多世纪以前，国外就发现由于地下水抽取引起的地面沉降。意大利比萨平原现在的地面沉降速率为自然沉降的2-5倍，对深度达250m的主要含水层水位的监测表明，地下水位呈总体下降趋势，伊朗Esfahan南部因地下水开采也产生严重地面沉降。在我国也有许多地方由于地下水的开采而引起地面沉降，如上海，天津，太原等地。在世界许多城市，尤其是沿海地区，地面沉降已经成为一个严重的问题。因此，如何正确描述地下水渗流，确定地下水可开采量是地面沉降量控制的关键。
经对现有的技术文献检索发现，李勤奋、方正、王寒梅，在《上海地质》2000，No.2，pp.36-43上发表的“上海市地下水可开采量模型计算及预测”，该文介绍了应用数学模型预测控制地面沉降在一定范围内的地下水可开采量的方法。有限元数值模型也是在地下水抽取引起地面沉降计算分析中常用的较为有效的方法。但是，为使计算结果符合实际情况，需要正确地设定地下水渗流的初始条件、边界情况及在边界处的水文地质条件，地下水的取水情况等；更为重要的是需要正确确定现场土性及水文参数。以上几个条件在数学模型计算的设定中往往需要耗费巨大的人力才能得到，尤其是土层水文参数需要大量的钻孔资料，通过现场及室内试验后才能确定。实施起来并不十分经济。
发明内容
本发明针对上述现有方法中的不足，提供一种根据年地面沉降量与抽水量确定地下水可开采量的方法，使其基于某地区的年地面沉降量与年地下水开采量的关系通过回归分析直接确定地下水的可开采量，解决了预测难度与费用大的问题。
本发明是通过如下的技术方案实现的，包括以下步骤(1)收集当地地面沉降的实测资料与地下水抽取量的记录。在收集实测资料过程中要从尽可能早的年份开始，最好是有最初的抽水数据。这样就能使后面所做的年地面沉降量与年地下水抽取量的关系曲线更好的确定出地下水的可开采量。
(2)将地面沉降量与地下水开采量整理成年度地面沉降量与年度地下水抽取量的关系，并作出关系曲线图。年度地面沉降量用纵轴表示，年度地下水的开采量用横轴表示，它可以以线形坐标来分析，也可以以log坐标来分析。
(3)对年度地面沉降量与年度地下水抽取量进行回归分析，得到折线型回归式St＝a-bΔV(St-年地面沉降量；ΔV-年地下水抽取量；a、b-回归系数)。回归分析方法是用函数拟合的最小二乘法，对于给定的一组数据(即年度开采量和年度地下水抽取量)，要在函数类中找到一个函数，使其与实际情况的误差平方和最小。从而可以求出最小二乘解，即所要得到回归式。
(4)计算年可开采量基于上述回归关系式，对于设定的年地面沉降的控制值St，则可得到地下水的年可开采量ΔV＝(a-St)/b。
本发明原理为抽水引起的地面沉降是由于地下水的抽取使沉积含水层的地下水水头下降，土中的有效应力增加，引起固结而发生的。但是由于周围含水层中的地下水会向采水区作水平补给运动，在抽水速率(年抽水量)和补充速率达到平衡时，地下水位就不再下降，地层的有效应力不再增加，这时的年地下水开采量为可开采量。另外，经大量的统计资料发现，年地面沉降量与年地下水可开采量的关系为折线关系，这同固结试验中孔隙比与固结应力的关系(e-logP曲线)类似。这说明只要年开采地下水量不超过某值，地面沉降量就可以控制在一定的量值内。
本发明利用了地面沉降与地下水抽取量的已知信息，结合土体固结试验中的孔隙比变化与固结压力的相关关系e-logP曲线，运用数理统计中的回归分析法，来确定将年地面沉降量控制在某一范围内的地下水可开采量。这样避免了应用复杂数学模型时需要进行大量地层参数确定时的取样及试验的工作，是一种简洁、经济及有效的地下水可开采量的确定方法。
本发明不仅可以用于地下水开采引起地面沉降的确定，还可以在用于石油与天然气开采中引起地面沉降的领域。
图1孔隙比与固结压力的关系(e-logP曲线)图2年地面沉降量与年地下水可开采量的关系图3某地天然气田的年地面沉降量与年地下水可开采量的关系具体实施方式
结合本发明的技术方案提供以下实施例实施例利用该发明对某地天然气田在水溶性天然气生产中对深层地下水的可开采量进行了分析。
该地周围的关东地区的地层是由海洋环境经数十万乃至数百万年沉积而成。由于大量的海洋生物沉积于地下，经数十万乃至上百万年的地质作用，形成了质量上乘的水溶性天然气与医药用碘。自上世纪二三十年代起在东京附近就有天然气的开采活动。自1956年起在该地东部的九十九里平原地区，开始了大规模天然气与碘的开采活动。野外开采活动主要通过从地下500～2000m深处抽取地下水而获得。上世纪六十年代在该地区发现有地面沉降，1969年起开始地面沉降的观测。在过去的35年中地面最大累积沉降达0.85m。发现沉降范围的面积近800km2。九十九里观光地的海岸线后退约20m。至今(2002年)每年大面积的地面沉降达20mm，局部最大沉降达40mm。
为此，需要控制地下水的开采量来减轻或消除地面沉降。这样地下水的可开采量确定就是一个最为重要的问题。具体如下1、收集该地天然气田的地面沉降数据与地下水的抽取量；
2、将地面沉降与地下水抽取量按年份整理作成年沉降量与年净开采量关系如图3所示。由图可知，在开采量较小时，沉降量较小。但当开采量超过某关键值时，沉降量急剧增加。这说明抽水引起的附加有效应力的增加超过了地层的屈服应力(前期固结压力)，使e-logP关系达到正常固结状态，如图1所示。
3、对年沉降量与年净开采量进行回归分析，得到如下两个关系式ΔV＜57.7(×106m3/年)，St＝3.82-0.102ΔV(cm)(图3中A线)1)ΔV＞57.7(×106m3/年)，St＝22.17-0.42ΔV(cm)(图3中B线)2)4、地下水年可开采量的确定设定该地区的地面沉降不再发生，则由令St＝0，代入1)式，则ΔV＝37.5×106m3，即该地区的地下水年开采量为37.5×106m3。
设定该地区的年沉降量控制在10mm以内，则由令St＝-1，代入1)式，则ΔV＝47.3×106m3，即该地区的地下水年开采量为47.3×106m3。
设定该地区的年沉降量控制在20mm以内，则由令St＝-2，代入1)式，则ΔV＝57.1×106m3，即该地区的地下水年开采量为57.1×106m3。
设定该地区的年沉降量控制在30mm以内，则由令St＝-3，代入2)式，则ΔV＝59.9×106m3，即该地区的地下水年开采量为59.9×106m3。
由此可知，利用本发明确定某地区的地下水可开采量不需要深度地层的土性参数，不需要取样及试验工作。只收集现有的沉降观测数据与地下水抽取的资料即可。方法极为方便有效。而有关管理部门掌握有大量沉降量与地下水抽取量的数据，从此入手进行分析是非常经济有效的。
权利要求
1.一种根据年地面沉降量与抽水量确定地下水可开采量的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)收集当地地面沉降的实测资料与地下水抽取量的记录；(2)将地面沉降量与地下水开采量整理成年地面沉降量与年地下水抽取量的关系，并作出关系曲线图；(3)对年地面沉降量与年地下水抽取量进行回归分析，得到折线型回归式St＝a-bΔV，其中，St-年地面沉降量；ΔV-年地下水抽取量；a、b-回归系数；(4)计算年可开采量基于上述回归关系式，对于设定的年地面沉降的控制值St，则得到地下水的年可开采量ΔV＝(a-St)/b。
2.根据权利要求1所述的根据年地面沉降量与抽水量确定地下水可开采量的方法，其特征是，步骤(2)中，所述的关系曲线图，年度地面沉降量用纵轴表示，年度地下水的开采量用横轴表示，它以线形坐标来分析，或者以log坐标来分析。
3.根据权利要求1所述的根据年地面沉降量与抽水量确定地下水可开采量的方法，其特征是，步骤(3)中，回归分析方法是用函数拟合的最小二乘法，对于给定的一组数据即年度开采量和年度地下水抽取量，要在函数类中找到一个函数，使其与实际情况的误差平方和最小，从而求出最小二乘解，即所要得到回归式。
4.根据权利要求1所述的根据年地面沉降量与抽水量确定地下水可开采量的方法，其特征是，步骤(1)中，在收集实测资料过程中要从尽可能早的年份开始，这样就能使后面所做的年地面沉降量与年地下水抽取量的关系曲线更好的确定出地下水的可开采量。
全文摘要
一种环境地质技术领域的根据年地面沉降量与抽水量确定地下水可开采量的方法，包括以下步骤(1)收集当地地面沉降的实测资料与地下水抽取量的记录；(2)将地面沉降量与地下水开采量整理成年地面沉降量与年地下水抽取量的关系，并作出关系曲线图；(3)对年地面沉降量与年地下水抽取量进行回归分析，得到折线型回归式；(4)计算年可开采量基于上述回归关系式，对于设定的年地面沉降的控制值S
文档编号G01V9/02GK1776458SQ20051011042
公开日2006年5月24日 申请日期2005年11月17日 优先权日2005年11月17日
发明者沈水龙, 许烨霜, 唐翠萍, 蔡正银 申请人:上海交通大学