地下水的優勢范文

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篇1

關鍵詞：地下水位；時空分布；神經網絡；思維進化；預測

中圖分類號：P641

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）8003705

1引言

不科學的地下水使用和管理模式所造成的后果已經成為嚴重的世界性問題，尤其是在發展中國家[1]，我國北部及西北大部分地區水資源嚴重匱乏，其干旱、半干旱氣候特征和糧食作物種植Y構造成陸地實際蒸散發量大于降水量，同時地表徑流量又不斷減少，已經面臨幾乎無地表水可用的客觀問題，而長期對地下水過度的開采使含水層開始疏干，地下水流場發生異變，形成地下水漏斗且導致了嚴重的地面沉降。地下水埋深的預測對實現地下水資源的可持續利用具有重要的指導作用。

相比較于確定性模型，利用隨機模型來解決地下水水文方面的優勢已經非常明顯[2～4]。人工神經網絡（Artificial Neural Network，ANN）作為隨機模型中具有代表性的一種，因其在解決復雜的非線性系統問題上的良好表現使得其廣泛的用于水文預測[5～7]，Lallahem等[8]、Sreekanth等[9]和霍再林等[10]分別在不同的地區將ANN用于地下水位的預測中，驗證了不同ANN模型模擬地下水位的可靠性。Yang等[11]使用BPANN（Back-Propagation Artificial Neural Network， BPANN）模型模擬吉林地下水埋深，驗證了ANN優于綜合時間序列模型（ITS）。但傳統的ANN存在固有的缺陷，如需要較多的學習樣本，且訓練速度慢，初始權值和閾值選擇敏感程度高。

隨著電腦技術的發展，使得ANN更為優化和完善，這些改進大致上可以歸納成兩方面：一是使用進化算法優化ANN的計算參數或將其它理論；二是ANN結合優化傳統ANN傳遞函數、網絡結構?；谒季S進化優化的神經網絡（artificial neural networks optimized by mind evolutionary algorithm MEANN ），具有很強的全局優化能力，可以大幅提高傳統神經網絡的收斂速度和精度。

為進一步探究優化后的ANN模型在地下水水文預測中的應用前景。首次建立基于MEANN的地下水埋深預報模型，并與目前廣受學者關注的基于小波分析與神經網絡相結合的小波神經網絡模型（waveletCneural network WNN）進行比較。

2材料與方法

2.1MEANN模型

思維進化算法[12]（Mind Evolutionary Algorithm MEA），該算法是根據對遺傳算法中存在問題的思考以及對人類思維發展的分析，從而模擬生物進化過程中人類思維進化的方式，并提出了“趨同”與“異化”兩個概念。它可以很大程度上提升全局搜索的效率，具有較強泛化性和全局優化能力[13]。與遺傳算法相比，思維進化算法具有結構上固有并行性及避免交叉與變異算子雙重性的優點，以下為其設計思路。

（1） 在解空間內隨機生成一定規模的個體，根據其得分情況選出優勝個體及臨時個體。

（2） 分別以上一步選出的優勝和臨時個體為中心，在其周圍產生一定量的新個體，從而得到對應子群體。對各子群體內部進行趨同操作至成熟，并以該子群體中最優個體的得分為整個群體得分。

（3） 子群體成熟后，將各個子群體得分在全局公告板上張貼，在子群體之間進行異化操作，完成優勝子群體與臨時子群體間的替換、廢棄及個體釋放的過程，從而計算全局最優個體及得分。

其具體設計步驟流程見圖1。

2.2WNN模型

WNN 結合神經網絡和小波變換的特點，是一種以BPANN拓撲結構為基礎，把小波基函數作為隱含層節點的傳遞函數，信號前向傳播的同時誤差反向傳播的神經網絡。兩種理論的組合有效改善了傳統ANN的模型效率[14，15]。且WNN 在地下水埋深的預測中具有較好的表現，有效提升傳統ANN模型精度[16]。WNN的詳細理論及實現過程見文獻[17]。

2.3數據統計分析方法

采用均方根誤差（Root mean square error，縮寫RMSE）和模型有效系數（Ens）、平均絕對誤差值（MAE）和相對誤差值（RE）計算各模型計算結果和與實際觀測值之間的誤差及擬合程度，計算公式如下：

3實例應用

3.1研究區概況與數據資料來源

石家莊平原區（圖2）為滹沱河流域，屬太行山前沖洪積平原，位于東經114°18′～115°30′，北緯37°30′～38°40′之間，總面積為6976.4 km2，是華北平原中形成最早發展最快的淺層地下水漏斗區，近25年來淺層地下水下降平均趨勢達到0.78 m/年 （圖3）。年平均氣溫為11.5～13.5℃，多年平均蒸發量為1616.6 mm，多年平均降水量為534.5 mm，近年來由于氣候變化的影響降雨量呈逐漸減少的趨勢，平均減少幅度為22.91 mm/10年（圖4）。區內最大河流為滹沱河，渠道為石津渠，在水利工程中影響最大的有崗南水庫和黃壁莊水庫。研究區自上而下可劃分為4個含水組，其第1和第2含水組之間無連續隔水層，加之多年混合開采將其視為統一含水層，統稱為淺層地下水，地下水水力性質屬潛水-微承壓水類型。淺層地下水系統底板埋深在40～60 m之間，表層多為亞砂土、豁土，下部巖性較粗，含水層巖性以卵石、卵礫石、粗砂、中砂為主[18]。

本文采用研究區28眼淺層地下水觀測井1990～2015年淺層地下水埋深資料，其位置和編號見圖1所示， 地下水埋深、滹沱河流量、石津渠流量、黃壁莊水庫水位資料均由河北省水文水資源勘測局提供，地下水開采量和補排量數據來自于文獻[19]，灌溉水量來源于《河北省水資源公報》，降雨資料來源于中國氣象科學數據共享服務網。

3.2模型輸入因子選擇與處理

降雨入滲為石家莊平原區區主要補給源超過總補給量的50%；內滹沱河為最大的河流，河床巖性結構簡單垂向連通性好，是重要的河道滲漏補給來源，除96年供水期外河道行洪量小或基本斷流，到2006～2010年河道補給量僅為0.27億m3/年。石津渠為石家莊最大渠道為主要渠系滲漏補給源。黃壁莊水庫的滲漏量為研究區重要的側向補給來源，2001年黃壁莊水庫副壩完成加固防滲工程后，造成水庫滲漏補給量減少57.5%，是近年來側向補給減少的主要原因。側向流出量只有人工開采量的6%可忽略不計，故主要排泄項為人工開采。1991～2010年各項補排情況詳情見表1。

根據以上補徑排條件及變化分析，結合水均衡理論，選取以年為時段：研究區年平均總降水量，滹沱河年平均流量，石津渠年平均流量，S壁莊水庫年平均水位與研究區淺層地下水位埋深差值，研究區年總灌溉水量，分別反映各項補給的物理量以作為補給項因子；研究區年開采量代表排泄項因子；水井的經、緯度y和x代表方位因子，加上水井上一年地下水位埋深，共9個時間序列為輸入因子。其中，因側向補給主要受水力梯度與滲透系數影響，根據達西定律可知，當滲透系數改變時可將這一變化系數反映到水力梯度上，得到滲流速度的物理量不變。因此，為反映黃壁莊水庫于2001年防滲加固后使水庫滲漏補給量減少57.5%這一突變影響，將2001年后的w（t）值進行42.5%的折算以反映物理變量。為消除量綱差異，對各因子進行歸一化處理，其處理公式如下：

xnor=x0-xminxmax-xmin（5）

式中： xnor為歸一化后數據，x0為實際數據，xmax和xmin分別為參數樣本最大與最小值。

3.3模型的建立

采用研究區1～28號水井1991～2010年資料為訓練樣本，2011～2015年資料為檢測樣本，使用MATLAB 2013a分別建立MEANN和WNN神經網絡模型，采用試錯法分別確定MEANN網絡結構為9-12-1，種群大小為200，優勝和臨時子種群個數為5，迭代次數為10；WNN的網絡結構為9-10-1，迭代次數為100。

3.4結果

將模型模擬統計結果列于表2。由表2可知，相比WNN，MEANN可使RMSE減小58.2%，MAE減小53.1%，而Ens提高至0.99（P

繪制模型模擬值與實測值的散點于圖5，圖5所示模擬-實測值散點分布較為集中其趨勢線（實線）的決定系數R2達到0.99，斜率為0.98與模擬值與實測值比例為1的虛線X=Y非常接近，表明MEANN對與實測值的擬合程度極高。而WNN的模擬-實測散點在實線附近分布較為分散，其趨勢線斜率為0.83，距離1的差距較大與虛線相隔較遠，即對實測值擬合程度不高。

利用反距離加權插值法對各模型模擬出的各個觀測井的RMSE進行空間插值（圖6），圖6顯示空間上MEANN模型的RMSE在一個很小的范圍變化（0.50～3.00 m/年）且分布較為均勻，同時RMSE在所有區域上均明顯呈現出MEANN模型小于WNN模型，說明ELM模型空間預測的穩定性較佳，WNN模型RMSE在空間上出現了明顯波動（在區域的南部和東南部RMSE大幅增加），其最小RMSE出現在中部僅為0.50m/a左右，南部地區最大RMSE超過5.00m/a，甚至達到10.00m/a以上，其空間上波動幅度大于9.50 m/a，表明WNN模型在空間上精度和穩定性較差。

可以發現MEANN的綜合表現（模型有效性、整體精度和空間均勻性）優于WNN模型，WNN 基于梯度下降法調整網絡權值和閾值，使得模型容易陷入局部極小[20]。而MEANN使用思維算法取代梯度下降法，克服了大多數梯度下降方法訓練速度慢、學習率的選擇敏感和易陷入局部極小等缺點， 具有全局搜索性優化權值和閾值，有效提升模型泛化性能。

4結論

（1）利用優化后的組合模型對地下水埋深進行實地預測，實際仿真證明，MEA優化后的網絡模型建模過程簡單，模擬精度極高。與WNN模型相比MEANN可使RMSE減小58.2%，MAE減小53.1%，而高精度樣本要增加25.8%，Ens提高至0.99（P

（2） MEANN模型可對淺層地下水埋深空間分布進行有效模擬，其模擬精度較高誤差分布均勻，空間波動程度小，同時RMSE在所有區域上均明顯呈現出MEANN模型小于WNN模型。顯然ELM模型在精度、穩定性和空間均勻性上更優，可利用MEANN模型較精確地檢驗未來各開采模式下的地下水響應趨勢。

（3） MEANN明顯優于WNN的關鍵原因在于，MEANN模型在借鑒遺傳算法思想上融匯了“趨同”與“異化”兩種功能，可快速地得到整個解空間內的全局最優解，有效地克服梯度下降法容易陷入局部極小的缺點。表明今后針對神經網絡模型優化應著力于權值和閾值調整方法的改進。

（4） 將思維進化算法與傳統神經網絡相結合，避免了單一方法的不足，同時可以有效地反應地下水埋深的非線性動態特征?？勺鳛樽匀蝗藶殡p重影響下淺層地下水埋深高精度預測的推薦模型。

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關鍵詞：城市地下給水管網優化設計

Abstract: The urban underground water supply network is an important municipal infrastructure, how to optimize the design of urban underground water supply network is currently the underground water supply network design focus of attention, therefore, to study and optimize the urban underground pipe network design has very important practical significance. In this paper, underground water supply network as the starting point in the analysis of urban underground water supply network design problems, based on the optimization of the city through the elaborate underground water supply network design principles discussed optimize the urban underground water supply network design strategy, aimed optimize the urban underground in the description of the importance of water supply network in order for the transformation of urban underground water supply network to provide a reference.

Keywords: urban underground water supply network optimization

中圖分類號：TU821.3文獻標識碼：A文章編號：2095-2104(2013)

一、城市地下給水管網設計存在的問題

當前，城市地下給水管網設計的現狀不容樂觀，還存在著諸多亟待解決的問題，這些問題主要表現在供水管漏耗嚴重、管網布局不合理和供水安全性較差三個方面，其具體內容如下：

供水管漏耗嚴重

供水系統是城市中的基礎設施，供水管漏耗嚴重是城市地下給水管網設計存在的問題之一。供水系統中的給水管道由于年久失修，管材質量差，供水管網漏耗嚴重，造成爆管以及各種形式的明漏、暗漏。由于給水管網埋于地下,看不見,較容易被忽視，在給水管網設計中，往往使給水管網的輸配水能力小于凈化處理能力，致使管網的輸配水能力與水廠的生產能力不配套，管網超負荷送水，增加了供水管的能耗和漏耗。

管網布局不合理

管網布局不合理也在一定程度上制約著城市地下給水的發展。在城市地下水管網布局中，管網布局不合理受兩個因素的制約，一是傳統供水管網規劃的束縛，現有的供水管網沒有跟上時代的要求，無法滿足當前形勢的需要；二是由于城市經濟、文化中心的調整，原本不發達的地域變成商業繁華地區，人口集中的區域增大，人們對生活用水的質量和要求逐步提高，使得水管網已經不適應當前的供水要求。

供水安全性較差

城市地下給水管網設計中存在的問題，還表現在供水安全性較差方面。給水管網系統是一個龐大復雜的“反應器”，經水廠處理合格的水，在管網中會發生一系列的物理、化學及生物反應而導致水質下降。另外，供水安全性較差還由于天氣的影響，供水壓力過高、道路的施工措施欠妥、地下管道埋設過淺、抗重壓能力較差等原因，導致管道因不堪重負而經常發生爆管現象。

二、優化城市地下給水管網設計的原則

優化城市地下給水管網設計，應遵循三個原則，即結合實際，有的放矢；實事求是，協調發展；強化服務，提高水質，下文將逐一進行分析。

結合實際，有的放矢

結合實際，有的放矢，是優化城市地下給水管網設計應遵循的原則之一。在城市地下給水管網設計中，應根據城市供水管網的實際情況，統籌規劃，改造原有的城市地下給水管網設計的不足之處，與此同時，突出近期改造重點，有的放矢地對供水漏損和供水安全影響較大的管網以及對管網后續改造起到承上啟下作用的部分主干管，優先實施改造。

實事求是，協調發展

實事求是，協調發展，是優化城市地下給水管網設計的又一原則。在優化城市地下給水管網設計中，為確保規劃目標可行，應通過調查研究，核實基礎數據，在實事求是的基礎上，依據工程實施條件和地方財力，分階段合理調整工程規模和目標。另外，優化城市地下給水管網設計，還應從大局著眼，依據城市總體規劃，考慮到城市建設與地下給水管網的協調發展，緊密結合城市建設進行改造。

強化服務，提高水質

優化城市地下給水管網設計還應遵循提高服務水平，促進節約用水的原則。在設計城市地下給水管網的過程中，應緊密圍繞提高服務水平和節約資源的目標，不斷強化服務，提高水質，進而提高管網整體質量。對城市地下給水管網建設而言，只有逐步完善供水系統，增加配水能力、提高供水服務壓力、改善供水水質，才能減少管網事故率、降低供水損失、保障供水安全、促進節約用水。

三、優化城市地下給水管網設計的策略

城市地下給水管網是重要的市政基礎設施, 優化城市地下給水管網設計，要把握好兩個方面的內容，一方面要優化城市地下給水管網設計內容；另一方面要優化城市地下給水管網設計模型。下文將進一步深入探討。

優化城市地下給水管網設計內容

城市給水系統規劃是城市總體規劃的組成部分。城市給水系統作為供給城市生產和生活用水的工程設施，其規模非常龐大、性能日趨復雜。從城市給水系統的系統構成上來看，城市給水系統一般由取水泵站、水處理廠、給水泵站、增加泵站、供水管網和水塔、蓄水池等設施組成。給水管網系統的基本功能是經水處理廠處理過的符合國家衛生標準要求的水由給水泵站經給水管網送到用戶。為滿足城市供水的要求, 保障工業生產和群眾生活，優化城市地下給水管網設計，應綜合優化對水源，供水系統、排水系統的設計，主要應把握好兩個關鍵點，一是管線布置的優化方案。在優化城市地下給水管網設計的過程中，給水管網規劃、定線是管網設計的初始階段，必須在管網規劃和設計階段進行合理的規劃和優化設計，管網應布置在整個供水區域內，保證供水安全可靠，力求以最短距離敷設管線；二是管線布置既定條件下管道系統的優化設計。管線布置既定條件下管道系統的優化設計，應對新建的給水管網適當加以簡化，去掉不影響管網的水力計算的支管或管線。

優化城市地下給水管網設計模型

要想對水管網系統進行更好的優化和設計，還應優化城市地下給水管網設計模型。對優化城市地下給水管網設計而言，應建立城市地下給水管網設計模型，對水管網系統進行細致的分類，分類標準的不同使分類后產生的效果也不盡相同。一般來說，按水源是否用加壓可以分為壓力流和重力流給水管網；按照水源的個數可以為單水源和多水源給水管網；按照管網形式可以分為枝狀和環狀給水管網。其中，環狀管網的特征是管道縱橫相互接通，形成環狀。對環狀給水管網的優化最先采用的是線性規劃的模型，它是利用目標函數對其流量進行預分配；其次在計算目標函數基礎上，反復調整流量分配，從而達到較理想的效果。這種模型對城市地下給水管網設計而言具有一定的優越性，突破了給水管網樹狀的困境，但仍存在著非線性弊端。近年來，隨著對環狀網的深入研究，對環狀網非線性弊端的彌補采取了一種新的方式，即采用泵站送水的方式，但泵站送水在城市地下給水管網建設的費用和造價上提高了成本，包括了管網的靜態費用和泵站的動態費用，其約束條件是非常復雜的約束集合，無形中增加了非線性規劃的求解難度。目前，許多學者通過簡化模型或限定某些約束條件，利用非線性規劃的方法解決實際問題。

結語

總之，城市給水管道工程是城市基礎設施建設工程不可或缺的部分,城市地下給水管網設計是一項綜合的系統工程，具有長期性和復雜性。在了解城市地下給水管網設計存在的問題的基礎上，遵循結合實際，有的放矢；實事求是，協調發展；強化服務，提高水質的原則，把握好優化城市地下給水管網設計內容和優化城市地下給水管網設計模型兩個關鍵點，不斷探索優化城市地下給水管網設計的策略，只有這樣，才能促進城市地下給水管網設計水平的提高，進而提高整個城市供水系統的使用效率。

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關鍵詞:結構連接;建筑植筋;界面處理。

近幾年,由于經濟的發展帶動建筑市場的繁榮,樓房建筑越來越密集,土地資源的短缺,在既有的土地上增建的建筑越來越多,對于規劃容許的條件下做局部的增建改建,以最有限的土地獲取最大的使用空間,同時為了滿足一定的使用功能要求,對相鄰的地下建筑進行連接,筆者在近幾年接觸的改建擴建工程中新舊結構的連接及細部構造采用了下面的做法,特別是針對地下有防水要求地下室結構連接,收到了較好的防水效果?，F選以一個較為典型的工程實例剖析如下:

1.工程概況

遼寧電力有限公司綜合樓工程新舊車庫連接,連接位置位于新建綜合樓底下一層車庫與原辦公樓一層車庫相連。連接部分位于地下一層基底標高為-5.700m,頂部標高為-1.500m,該地區常年穩定的地下水位為-3.500m,地下水位較高,因此本工程的施工對于防水要求較高,特別是接建的工程,連接部分為8m寬汽車通道和3m寬人行通道。具體的連接做法為將原有的辦公樓地下一層400mm厚的防水剪力墻鑿出相應的通道口,然后對鑿出的剪力墻洞口頂部進行植筋增加梁進行加固,對于剪力墻的洞口同新建通道洞口進行植筋,增加四周剪力墻、板及樓板連接帶,通過橡膠止水帶與新建通道進行連接。

2.施工操作具體方法及步驟

2.1根據放線要求,在新、舊樓通道連接之前,需要先將原車庫與新車庫之間的外墻體拆除,同時不能破壞所需要的建筑結構。具體做法是用水鉆先在即將拆除墻體的四周打孔,為防止打孔位置發生偏移,要求打孔前每隔一定距離都要用水準儀和經緯儀來測量定位。

2.2結構連接處植筋施工。

根據設計圖紙的要求,在原建筑物上需要有新鋼筋植入的地方,采用鉆孔植筋的方法來植入鋼筋并使之和原建筑結構相連接牢固。

施工工藝:定位 鉆孔 清孔 鋼材除銹 錨固膠配制 植筋 固化、保護 檢驗

植筋過程中,應注意的幾點問題為:首先植筋的位置應準確,植筋的長度必須符合設計要求,植筋膠應現配現用,植筋膠有一個固化過程,植筋后夏季12小時內不得擾動鋼筋,若有較大擾動宜重新植。 植筋膠在常溫、低溫下均可良好固化,若固化溫度25℃左右,2天即可承受設計荷載;若固化溫度5℃左右,4天即可承受設計荷載,且錨固力隨時間延長繼續增長。 植筋后3～4天可隨機抽檢,檢驗可用千斤頂、錨具、反力架組成的系統作拉拔試驗。一般加載至鋼材的設計力值,檢測結果直觀、可靠。植筋的質量與結構連接的質量牢固與否有直接的關系,必須嚴把植筋質量關。植筋后養護并檢驗合格后方可進行下一工序施工。

2.3結構連接處C60高強灌漿料施工

由于本工程對于原剪力墻墻體連接部位植筋增加的剪力墻體及底板、樓板,由于增加部位梁的截面及剪力墻的截面都比較小,同時接建部位的混凝土的強度要求也較高,設計上要求為C60高強無收縮灌漿料。再此處施工中最關鍵的部位就是施工過程中的新舊混凝土的連接處的界面處理,由于設計中未考慮到此處的界面處理,筆者根據幾年的施工經驗,特別是地下防水混凝土的施工及維修,通過市場的實地考察,最后確定采用水泥基滲透結晶材料來對本工程的新舊混凝土連接處進行專業處理,此處的界面處理是最關鍵的環節,同時也是考慮到在竣工使用過程中此處是否存在滲漏的關鍵施工步驟。同時對于水泥基滲透結晶防水材料用于此處的施工步驟必須嚴格按照要求進行施工,因為此處的施工是最關鍵的環節,也是本工程施工成與敗的關鍵,因此對于此處的界面處理筆者當年的施工步驟如下:

①清理基面:對于鑿除完的剪力墻基層表面應干凈、牢固,對基層表面的油污、油漆、泛堿等必須處理清除干凈。陰陽角等特殊部位預先進行細部處理,再進行大面積施工。

②濕潤基面:施工前15分鐘左右將施工面提前用干凈水澆透,但注意不得有明水。

③秤量凈水:嚴格掌握好水灰比,一般凈水重量按晶威10份:3份凈水,用秤稱量。

④配比攪拌:水泥基滲透結晶防水涂料使用前應特別注意攪拌均勻,因為防水涂料有較多的填充料,如果攪拌不均勻,不僅涂刮困難,而且未攪拌均勻的顆粒留在涂層中,將會影響防水效果,拌料時要掌握好料、水的比例,一次拌料不宜太多,混合時用手提式電動攪拌器攪拌約5分鐘;料漿需在30分鐘內用完,料漿變稠時要頻繁攪拌,中間不能加水。

2.4 待養護三天后方可進行下一步C60高強無收縮灌漿料施工。

2.5同時對于相連接處的伸縮縫部位應注意的關鍵問題是在C60高強無收縮灌漿料及新建通道的防水混凝土施工過程中橡膠止水帶的位置必須正確,嚴格杜絕由于澆筑混凝土導致的止水帶移位而影響伸縮縫部位的防水效果,并且施工過程中嚴格保證止水帶的搭接長度。

3.結束語

通過近幾年施工過的改擴建工程的施工經驗,筆者在有防水結構連接的工程中有以下的體驗,對于防水結構要求的建筑物的連接,最重要的環節就是下面的三點:一是將新舊連接處的界面處理問題解決好,二是凡是連接必然涉及到的就是植筋,對于植筋的強度必須保證,以此來保證結構的牢固性,三是涉及到接建的部分必然涉及伸縮縫和止水帶,止水帶在施工過程必須要保證不移位,保證施工質量。并滿足使用功能。

參考文獻:

[1]建筑結構補強加固技術編寫組.建筑結構補強加固技術[M].北京中國鐵道出版社,1987。

[2]CECS25:混凝土結構技術加固規范[S]。

[2]王祖華.混凝土與砌體結構[M].廣州:華南理工大學出版社.1996。

作者簡介:

篇4

關鍵詞：唐宋時期；黃河中下游；水旱災害

中圖分類號：K242 文獻標識碼：A 文章編號：1673-2596（2016）09-0036-02

唐宋時期的黃河中下游地區是我國主要農業產區，在社會發展歷史中占有重要地位，同時，歷史記錄中該地區地區也是水旱災害頻發地區。唐宋時期各級政府對黃河中下游地區水旱災害問題十分重視，并制定有預防、抗災減災以及災后救治等較為全面系統的政策措施和救助機制。由于近年來我國黃河中下游地區自然災害頻發，損失巨大。因此，研究唐宋時期該區域水旱災害發生狀況及政府應對，對現代社會防災減災工作具有重要借鑒和指導意義。

一、唐宋時期黃河中下游地區水旱災害及其影響

（一）水旱災害的成因

首先，氣候條件方面：黃河中下游地區位于我國中東部，屬于大陸季風氣候，降水集中于夏秋兩季，冬春降水較少，全面降水偏低，因此在唐宋時期黃河中下游地區降水實況呈現兩極分化態勢――冬春旱災，夏秋水災。其次，地勢條件方面：受構造運動影響黃河中下游地區呈現出中間偏低而南北偏高的階地性地形，地貌以高原、山地為主，境內河流呈網狀密布，渭河兩岸支流眾多，受階梯狀地形影響河流比降大水流湍急。一方面，地勢平均海拔偏高，阻礙水汽進入從而誘發旱災，另一方面河網直流密布，夏秋雨水集中時期容易誘發水災。再次，生態條件方面：黃河中下游地區在唐宋時期地表覆蓋率較低，缺少地被植物的保護，對空氣的濕度調節能力弱導致土壤保墑性差，加之降水量低容易發生旱災；另一方面，雨水集中的夏秋季節，由于缺少植被保護，土壤固結性差，容易發生泥石流，加重水災影響。

（二）水旱災害的影響

1.對農業的影響

水旱災的發生無疑對黃河中下游糧食產區的農業生產帶來了極大破壞，常引起農作物減產、絕收，農業用田遭到毀壞。春末、夏末是黃河中下游地區旱災多發期，而這時也是小麥和水稻等主要糧食作物生長需要大量水分的關鍵時期，旱災會致使其減產甚至枯死絕收。夏秋多發的水災不僅會淹沒農田，摧毀農作物，還會沖垮田地，導致大批良田被毀。

2.對社會發展的影響

一方面，水災會直接導致百姓傷亡、房屋被淹、農作物被毀，就史料記載，唐咸亨元年大雨造成山洪溺死者超過五千。另一方面水旱災害導致農業發展受阻，糧食生產大幅減少，在農業為天的唐宋時期，大量百姓因饑餓而死。此外，水旱災后過后通常會頻發瘟疫等各類疾病，由于醫療衛生條件差，造成大批災民死亡。

3.對統治王朝的影響

唐宋時期黃河中下游地區水旱災害頻發，一方面，災民數量驟升，為賑災救濟，中央財政面臨著巨大的財政壓力，而災民聚集也容易誘發社會動亂，影響內部安定團結。另一方面，受封建思想的影響，許多災民將水旱災害歸因于天譴，一些不利于統治階級的言論在民間散播，統治階級對民眾的思想管制受到了一定威脅。

二、唐宋時期黃河中下游地區水旱災害的治理策略

（一）災前預防

災前預防措施對于真正解決災害問題有著重要意義。首先，完善水利工程機構及設施。唐宋時期政府大興水利工程建設，建立并完善了自中央至地方全國性的水利管理機構，嚴格制定相關法令對農業灌溉、河渠提防的修筑及保護等問題進行了監管，將水利管理作為官員考核重要指標；其次，通過賦稅方式建立了諸如太倉、正倉等倉廩積極進行糧食儲備，隨時應對水旱災害造成的糧食短缺問題。再次，唐宋時期建立了完備的水旱災害申報機制和檢查制度，災害發生后得以通過縣――州――中央逐級奏報，保證了中央及地方機關應對災害的實效性，搶占災害防治先機。水利工程的完善、儲糧備荒舉措的推行以及災害申報機制的健全使政府在面對水旱災害時有了更多的應對空間。

（二）災害治理

唐宋時期，政府在面對黃河中下游地區頻繁發生的水旱災害時積極采納了系列措施，全力降低災害帶來的損失。首先，統治者將祈禳歸入到國家禮儀制度中。唐宋時期受封建思想的影響，從中央到百姓普遍將水旱災害歸咎于天譴，是上天神明對人類活動的懲罰。唐宋時期便采用多種形式的祭祀活動祈求神靈眷顧，陰陽平衡；以帝王為首的統治階級采取“避正殿、減膳、撤樂”等舉措回應上天譴責，表達自我反省、憂國憂民、與民眾共渡難關的決心。從統治者的角度來看，這種祭祀活動雖有祈求神明的初衷，但其真正的效果卻體現在向百姓展現統治階層與民共苦的思想，實現穩定民心的效果。其次，在政策方面免除受災地區的賦稅，并調動賑濟糧實行災民救助，靈活采用賑給、賑貸、賑糶等賑濟方式保證災民生命安全，“開倉放糧”是唐宋時期解決水旱災害最直接、最有效的手段，一方面強化了民眾對政府的信任力度，統治階層地位得以鞏固；另一方面災民數量大幅減少，消除了社會不安定因素。再次，地方與中央的無縫配合，地方政府雖然在中央的統一調配下之行救災任務，但同時與中央共同承擔災害造成的損失，也就是說用于賑災的資金一部分來自中央財政，還有一部分則有地方自己承擔。

（三）災后修復

災后的補救措施同預防、救治相輔相成。應災救治雖然能夠在短時期內取得實效，但并不能使災民完全擺脫災害影響。由此，唐宋時期政府采取了多種有利于人民修養生息的措施。首先，采取制度化的e復（e免、給復）舉措減免災民經濟負擔，災后一段時間內受災地區可免交賦稅，保證了寬松的生產恢復環境，這有助于穩定受災民眾的情緒，促使其投入的新生活當中。在相對寬松的賦稅環境下，受災地區的生產、生活得以恢復，經濟發展逐漸復蘇。其次，政府綜合采取幫助喪葬、房屋修葺、贖子等慈善恤民舉措安撫民眾，及時解決受災民眾的吃住問題，緩和社會矛盾，減低了水旱災害造成的次生危害。再次，統治階層厲行節儉為減輕賦稅創造條件；利用授田等優惠措施鼓勵流民返鄉恢復農業生產。

三、唐宋時期黃河中下游地區水旱災害對現代社會的啟示

（一）重視民本思想

唐宋政府在水旱災害時的各種應對機制從本質上講是為了鞏固中央對地方對百姓的統治地位，只有從民眾那里才能獲得長遠利益。所謂的“仁政”實施的物質基礎歸根結底還是來源于百姓，所以上述種種舉措未能從根本上使民眾擺脫水旱災帶來的悲苦境遇，在唐宋時期水旱災害肆虐 、餓殍遍地、民眾窮困的現象依舊周期性出現。盡管如此，我們也應正確認識到在賑災過程中民本思想體現出的價值。對保護民眾生命財產、推動農業發展以及維護社會穩定等多方面都起到了重要的積極作用。從災前預防、災害治理到災后修復，從中央到地方都是以民眾利益為根本出發點，盡管從長遠看利益最大方是統治階級，但不可否認的是民眾的困難得到了切實解決，生產生活得到了有效恢復。

現代社會中，自然災難發生時政府方面應樹立強烈的民本意識，從受災群眾的基本需求出發，在政策上、執政上體現出對民眾的支持和關懷。今天的社會主義建設與唐宋時期的封建統治大不相同，當今社會的實際統治者是人民，政府的執政思想體現的就是廣大民眾的思想，只有切實解決了民眾所需，民眾所求，才能幫助受災群眾從困難中走出來。

（二）提高執政能力

唐宋時期黃河中下游地區水旱災害的防治效果與政府的執政能力息息相關：快捷高效的災情申報制度，完善健全的倉儲應對機制，以及中央到地方從上到下的貫徹執行力都能影響到水旱災害的實際防治效果。在以農業為主要經濟支撐的唐宋時期，人類活動對環境的破壞影響并不大，水旱災害的發生主要是不可抗力因素，因此無論在政通人和的年代還是在社會動蕩的年代，水旱災害并無規律可循。但值得注意的是，不同社會背景下的水旱災害所造成的生產、生活、經濟、社會影響是不同的。政通人和背景下，中央和地方執政能力強，社會的抗災能力強，災害發生后能夠得到及時有效的治理，所造成的危害較小。例如，貞觀十三年魏征的一封上諫書中提到，貞觀初期自然災害頻發，但在政府的有效應對下政局動蕩年代或統治者昏庸無能，地方官員貪污受賄的時期，水旱災害發生后處于無人過問狀態，社會救差，必然會加劇惡劣影響。而到了后期卻因吏治黑暗而導致一般的災害也能使得人們怨聲載道。

（三）維護生態平衡

唐宋時期黃河中下游地區水旱災害頻發的一個重要原因是生態條件不佳，主要表現在地被植物覆蓋率低，土壤松散、固結性差不利于調節生態平衡。黃河中下游地區屬大陸季風氣候，降水集中，水旱兩極現象嚴重，因此維護好生態平衡，構造和諧的氣候條件是根治水旱災害的重要方式。一方面，選種抗旱能力較強的本地樹種，擴大高原、山地等地形的植被覆蓋率，固結土壤，防治水土流失，同時調節氣候條件，增加空氣濕度。另一方面，研發培育新樹種應用到生態建設當中，發揮綠色植被的生態價值。此外，強化群眾的生態意識，注重對現有植被進行保護，抵制亂砍濫伐，從而構建和諧的生態平衡關系。

四、結語

不可否認，水旱災害的發生與自然環境和有關，然而人類活動造成的影響同樣不容忽視，亂砍濫伐、植被破壞等現象，必然會導致水旱災害的加速發生，鑒于生態環境對人類生存環境的重要作用，走人與自然和諧發展的道路勢在必行。因此，面對水旱災害，進行科學應對；預防和規避黃河中下游地區水旱災害，是我們目前最重要的工作，也是作為人類生存，留給子孫們最好的禮物。

參考文獻：

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〔3〕么振華.唐代自然災害及救災史研究綜述[J].中國史研究動態，2014（11）.

篇5

Abstract: In the engineering of underground cavern excavation, due to the original structure in rock mass, plus stress redistribute and concentrate after the excavation of cavern, and again, the influence of explosive, thus, the rock loose circle will form inside certain limits of the top cavern. The excavation ofa hydropower station underground workshop has two schemes, one is middle drift first and the other one is bilateral drift first. In order to obtain the better method, this thesis utilizes finite element method andrefers to the similar engineering, method one has been chosen.

關鍵詞：地下洞室開挖；中導洞先行；有限元；頂拱開挖

Key words: underground cavern excavation；the excavation of the crown；finite element；middle drift first

中圖分類號：TU9 文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）01-0087-02

1工程概況

某水電站是金沙江河流規劃中最下游一級巨型電站，電站裝機容量6000MW，以發電為主，兼顧防洪、灌溉和攔沙，同時改善上、下游通航條件，并具有為上游梯級電站進行反調節的作用。樞紐建筑物主要有混凝土重力壩、左岸壩后廠房、右岸地下廠房、左岸通航建筑物和兩岸灌溉取水口等。

2施工區工程地質

主廠房水平埋深126m～371m，鉛直埋深110m～220m，廠房洞軸線走向NE30°，廠區巖層產狀一般為60°～80°/SE∠15°～20°，廠房洞軸線與巖層成30°～50°夾角。主廠房地質條件復雜，巖層較差，有不穩定塊體，地下水較為豐富，巖石透水性較好。主廠房第Ⅰ層頂拱巖性主要為泥質粉砂巖、粉砂質泥巖透鏡體及粗砂巖；巖層產狀較平緩，傾角15°～20°，層狀結構面對頂拱穩定影響較大，較易形成掉塊或塌方；洞室頂拱以Ⅱ類圍巖為主，有部分圍巖為Ⅲ～Ⅳ類，廠房洞內出露的主要軟弱夾層有JC2-2、JC2-3和JC2-4。JC2-2和JC2-3出露于4號機洞段頂拱、邊（端）墻。JC2-4于廠房上、下游邊墻出露。安裝間頂拱上部分布有JC2-1，距頂拱的最小距離約6m，以8°～10°的傾角沿廠房軸線向NE側邊墻逐漸抬高。

3頂拱層開挖施工方式選擇

在地下洞室開挖中，由于巖體中原有結構面的存在，再加上洞室開挖后應力重新分布與集中，以及爆破作業的影響，在洞室頂部一定范圍內會形成巖石松散圈（破壞圈），當洞室跨度不太大，并且布置在堅硬完整巖石中時，松散圈內巖石相互擠壓，將在洞室輪廓線外形成一個天然的巖石拱，但對于跨度大、頂拱比較平緩的地下廠房，將不利于承重巖石拱的形成。在開挖過程中，頂拱并不能依靠自身的應力調整形成具有自承能力的自然拱，要維持頂拱穩定，更多的要依靠支護的懸吊作用，當受到爆破開挖沖擊荷載作用的時候，頂拱周圍巖體還要考慮慣性力的作用，其受力狀況相比具有自承能力的巖石拱而言，將要惡劣的多。因此，對于類似該水電站工程的大跨度地下廠房頂拱層，選擇何種施工程序和開挖方法，以及如何處理開挖與支護的關系、選擇合適的支護時機，都是亟待解決的關鍵工程技術問題。

3.1 頂拱受力特性分析在受力特征分析的基礎上，利用有限元計算，對比分析不同開挖方法下廠房頂拱各特征部位的應力、位移特征，并根據動態力學特性分析結果，提出合理的大跨地下廠房頂拱層施工程序及方法。在實際施工中，針對頂拱層開挖成型質量及施工進度，并結合爆破振動監測、松動圈檢測、收斂觀測等成果，對該工程地下廠房頂拱層總體開挖效果作出評價，以確定合理的大跨地下廠房頂拱層施工程序和開挖方法。

3.1.1 理論分析在地下洞室開挖中，由于巖體中原有結構面的存在，再加上洞室開挖后應力重新分布與集中，以及爆破作業的影響，在洞室頂部一定范圍內會形成巖石松散圈（破壞圈），在一定情況下，巖石松散圈可能與巖體分離，并試圖向坑道的的方向移動，巖石的內聚力阻止這一移動，當巖石的內聚力不足以阻礙松散圈的移動時，坑道頂部就可能發生塌方。按照M.M.普羅托奇雅科洛夫（普氏）的山巖壓力理論，當坑道開挖時在其上部形成的塌方上部邊界具有拋物線的形狀，并叫做壓力拱。當洞室跨度不太大，并且布置在堅硬完整巖石中時，松散圈內巖石相互擠壓，將在洞室輪廓線外形成一個天然的巖石拱，并承受因自重而產生的主要荷載；而當巖石地質條件不夠理想時，塌落拱本身不能承受自身重量，也就不具有自穩能力，承重巖石拱將從塌落拱外緣開始形成，在這種情況下必須對松散圈內巖石進行加固，以促使自然拱的內邊界移向隧洞的輪廓線。從上面有關自然拱的理論可以看出，隧洞頂部巖石承重拱的形成主要取決于四個因素：巖石地質條件、洞室跨度、洞室上部輪廓形狀和圍巖加固手段，對于同處于完整堅硬巖石中的洞室，跨度小的高拱隧洞比較容易形成巖石拱，但對于跨度大、頂拱比較平緩的地下廠房，將不利于承重巖石拱的形成。對于隧洞上部的塌落拱范圍內的巖石，可以看作是在本身自重作用下產生變形的拱，而對于頂拱平緩的地下廠房，這種巖石拱更應被看作是一種梁的形式，很顯然，這種“梁”的受力狀況是不如拱形巖石圈的。廠房頂部的松散圈類似于一個“巖石梁”，在利用錨桿加固時，下部巖石重量基本上由其上部巖石承受，換句話說，深層部位的巖石通過一根根鋼筋將下部的“巖石梁”懸吊住，這有點象橋梁中的“懸索橋”，這時錨桿所起的作用是一種懸吊作用。廠房頂拱的這種“巖石梁”特性對開挖是不利的，因為在開挖過程中，頂拱并不能依靠自身的應力調整形成具有自承能力的自然拱，要維持頂拱穩定，更多的要依靠支護的懸吊作用，當受到爆破開挖沖擊荷載作用的時候，頂拱周圍巖體還要考慮慣性力的作用，其受力狀況相比具有自承能力的巖石拱而言，將要惡劣的多，所以在洞室開挖過程中，除設計中既有的錨桿支護數量外，還要對巖石加強支護，特別是對一些潛在的不穩定楔形體和拱頂部位，要加大錨桿的長度，必要時還要采取預應力錨桿和錨索的支護措施。

3.1.2 有限元分析利用ANSYS有限元計算軟件針對不同斷面洞室進行應力計算分析，計算模型的選取以該工程一小斷面隧洞和地下廠房頂拱層開挖作為參考原型。計算選用平面應變分析方法，模型考慮線彈性，只考慮重力的作用，巖石物理力學參數選取如下：彈性模量20Gpa，泊松比0.22，密度2700kg/m3。計算得出的應力等值線圖如圖1、2所示。由圖1中可看出，在小隧洞的拱頂部位出現了比較連續的水平壓應力區，并且等值線呈現與拱頂輪廓線平行的趨勢，隧洞巖體的相互擠壓將其所受的豎直方向的壓應力向拱座的方向傳遞，計算結果在一定程度上反映了隧洞上方巖石拱的形成機理。而對于跨度較大的地下廠房，情況則不一樣了，從圖2中可看出，在拱頂一定范圍內出現了水平拉應力，而且在洞頂輪廓線外壓應力區的應力等值線并不是沿著洞室輪廓線的方向，這說明在洞頂并沒有形成可以改善受力的巖石拱。從計算結果還可看出，在廠房拱角和拱座附近存在比較嚴重的壓應力集中，這也是值得注意的問題。

3.1.3 頂拱層不同開挖程序的有限元分析利用ANSYS有限元計算軟件對廠房頂拱在兩種開挖方法下的應力分布進行分析，考慮中導洞領先和兩側導洞超前兩種情況，最終計算得到的應力分布情況如圖3、圖4所示。從圖3中反映的應力分布情況來看，兩側導洞超前洞周應力狀況還是比較良好的，只是在兩個拱角部位有比較明顯的應力集中，中間保留巖柱部分存在豎直向的壓應力，這和東風主變室頂拱施工中的情況是吻合的。采用中導洞領先時，雖然洞室跨度減小了，但因為洞室形狀近似于矩形，受力情況不理想，從圖4中可看出，洞室頂部在拱冠部位存在一定的水平拉應力區，但范圍并不大，但是豎直向卻存在較大范圍的拉應力區，這可能是由于中導上部輪廓近乎是直線，所以頂部并沒有形成比較明顯的到達洞室邊墻外側的巖石拱(壓應力區)，導致導洞頂部松散圈范圍比較大，四個邊角部位有明顯的應力集中，在施工中必須采取措施避免這種情況的出現。

3.2 廠房頂拱層開挖方案比選從理論分析的結果來看，廠房頂拱層在開挖后存在兩個比較薄弱的地方：一個是拱座存在應力集中，而另一個就是拱冠部位可能存在的松散巖石圈。從這兩個基點出發可以很容易得出對開挖程序的兩種不同考慮：①先挖廠房兩側，提前加固拱座，增加施工期安全；②先挖中間導洞，減小一次開挖跨度，以保證廠房拱冠部位的局部穩定。以上兩種方法的出發點都是為了保證廠房頂拱在施工期的安全，并且在實際施工中都有采用，對15座可以收集到資料的地下廠房頂拱層開挖方式進行統計，結果如下：采用兩側導洞超前開挖的工程有：十三陵、大朝山、龍灘，共3個；采用中導洞超前開挖的工程有：小灣、瀑布溝、廣蓄一期、小浪底、二灘、大廣壩、東風、水布埡、三板溪、百色、索風營、瑯琊山，共12個。在東風水電站建設過程中，為了研究廠房頂拱層的開挖程序問題，先期在主變室頂層開挖時作了試驗。在主變室頂層開挖時，首先考慮采用了兩側導洞超前的開挖方法，但在施工中發現了不少問題：①兩側導洞開挖后，中間巖柱受應力過分集中，非但沒有起到支撐圍巖的作用，反而在爆破中間巖柱時引起頂拱變形的突增（下沉達3.52cm），在龍灘地下廠房的開挖過程中也出現了類似情況；②中間巖柱對兩側導洞施工干擾較大，大型施工機械在導洞內無足夠的回轉余地；③雙側導洞開挖后，擴挖中部時頂拱輪廓線與兩邊已成輪廓線銜接部位的小三角體造孔困難，易形成頂部超欠挖，影響光面爆破質量，同時壁面巖石局部產生應力集中發生掉塊影響施工安全。因為上述種種原因，所以在廠房施工時改用了中導洞超前的施工方法。

4開挖施工程序選擇

從實例分析，針對該工程可以得出以下結論：①地下廠房頂拱層開挖過程中，最危險的部位是拱冠部位，施工中必須采取適當的措施保證拱頂部位的穩定，在拱頂暴露后應及時對其進行支護，而且支護參數可能要考慮開挖爆破的影響，在設計支護的基礎上予以加強；②頂拱開挖以中導洞超前為宜，由于頂拱比較平緩，并不能很有效的在頂拱淺處形成承重巖石拱，這使得中部巖石的豎直向荷載并不能通過拱的作用很快傳于拱座，所以提前加固拱座意義不大；另外，當采用兩側導洞超前的施工方法時，中間保留巖柱的壓應力集中使得在后續拆除時，頂拱產生比較大的位移變形；③從方便施工的角度考慮，中導領先有利于大型施工機械的展開，主要是中導開挖后，兩側擴挖過程中，可以使得兩個工作面上的開挖作業實現有序銜接；④頂拱層兩側擴挖后要及時對拱角進行支護加固，以保證頂拱開挖支護后的整體穩定。

參考文獻：

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篇6

關鍵詞：濕地 污水處理 地下水 影響

0 引言

隨著社會的發展和城市化進程的加快，城市用水量越來越大且廢水排放量也日漸增多，而相對的淡水資源卻愈發短缺，這就要求城市發展急需采用有效的廢水處理系統，將廢水處理后回收利用[1]。當前城市污水處理有污水處理廠、污水灌溉、污水直接排放等，但是這些方式要么成本高、要么污染環境，面臨此問題，應用濕地系統對城市污水進行處理得到了研究和運用。

濕地系統是利用生態系統原理和自然科學原理，采用植物、蟲類、微生物等自然界物質對污水進行凈化的過程系統[2]。濕地系統雖然對城市污水具有一定的凈化處理效果，但是由于污水量的增多和濕地系統建設的不合理等原因，濕地系統污水處理時不可避免的出現各種缺陷，對地下水造成一定的影響。

1 基本概念

濕地一般可以分為自然濕地和人工濕地兩類，自然濕地是指自然條件成長而形成的一塊濕地區域，人工濕地是指為了某種需要，模擬自然濕地進行人工設計和建造形成了水、土、植被、動物等組成復合生態系統。

人工濕地系統一般用來處理污水，主要有人工填料和水生植物組成，主要通過利用濕地系統中的填料-水生植物（動物）-微生物等相互之間的物理、化學、生物的協調作用，通過轉變、過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收、微生物分解等過程對污水進行凈化處理。人工濕地系統一般分為表面流濕地、水平潛流濕地、垂直流濕地三種。

2濕地系統處理污水理論

2.1 污水處理機理

當人工濕地系統建設成熟后，填料表面和植物根系中自然生長許多微生物，進而形成生物膜和土壤間隙，污水流過時固體廢物被填料和根系阻擋，有機污染物質則被吸附和異化進行去除。根系對氧的傳遞釋放作用，改變濕地中的氧環境狀態，直接將污水中的氮、磷等物質作為營養成分進行吸收，通過硝化、反硝化作用進行去除，最后通過定期更換濕地的填料、植物等使污水進行循環處理凈化?？偟膩碚f，是通過植物的代謝作用、微生物的分解作用、物質的物理和化學反應機理等對污水進行處理。

2.2 濕地污水處理的作用和優勢

濕地污水處理由于其建設簡單、價格便宜、污水處理效果好、操作簡單、維護方便、較高的氨氮去除率、較強的抗沖擊負荷能力等優勢特點，在生活污水和城市污水處理中得到了廣泛應用，特別是農村生活污水處理、城市污水處理廠二次處理中發揮了重要的作用。同時，使污水處理和環境調解相結合，不僅可以提供水源、補充地下水、防止自然災害，清除污染物，還可以保護植被和城市生物多樣性。

2.3 濕地污水處理的缺陷

人工濕地城市污水處理雖然具有較大的優勢和良好作用，但是也不可避免的出現一些問題，如人工濕地系統占地面積大、處理污水過程慢、易受到病蟲害和氣候變化的環境影響等缺陷存在。最主要的三個問題如下：

（1）濕地堵塞。人工濕地處理城市污水經過時間積累，各種污染物懸浮物的聚集會導致濕地系統效能降低。雖然通過吸附和沉淀可以攔截去除許多污染懸浮物和污染無機物等，但是久而久之會造成濕地堵塞。

（2）污水處理出水水質不穩定。一方面隨著城市人口增加和用水量增加，進入濕地的污水濃度和污水量過大，超過濕地系統的負荷；另一方面冬季氣候嚴重降低濕地系統污水處理效率，不但導致出水水質不達標，還導致污水流入自然污染環境。

（3）設計難以達到精準要求。生物和水力復雜性加大了對其污水處理機制、工藝動力學和影響因素的認識理解，引起的人工濕地設計和建設不合理導致人工濕地不但污水處理不合格，反而變成了污染源。

總之，濕地城市污水處理最大問題和影響就是對地下水環境造成影響，由于濕地系統的設計、建設、維護、負荷不足、機能破壞、植物更新等不及時導致污水流入地下，附帶的硝態氮、磷、重金屬離子等對地下水造成嚴重污染和影響。

3濕地處理污水對地下水的影響

人工濕地城市污水處理由于負荷過大、進水污染度過高、進水量過大、植被生態破壞、濕地系統失效等原因易出現造成地下水污染的情況。

3.1 導致地下水硝酸鹽化的影響

濕地處理污水的流入使地下水的硬度和含鹽量都會大幅度增加，特別是濕地污水處理后形成的硝化污泥，其中的硝態氮由于其易溶性和不易被土壤吸收性的性質特征，直接造成地下水污染，甚至引起“肥水”現象。地下水硬度和含氮量的提高，土壤中的氨離子產生硝化反應生產硝酸鹽會直接加重地下水的硝酸鹽變化污染。

3.2 重金屬離子污染地下水的影響

城市污水由于含有工業污水所以含有大量的重金屬離子，濕地系統的土壤對重金屬離子具有較強的吸附作用，阻止重金屬離子向地下水中移動，但是人工濕地隔離壁的破壞會導致重金屬離子縱向遷移至地下水，造成地下水污染。對Zn、Cu等重金屬離子進行淋濾實驗可以表明，土壤汗水植物可以吸附和沉淀重金屬離子，在表層10cm以下積累時，重金屬離子就會出現向下移動的趨勢，從而導致地下水重金屬離子污染。

3.3 生物致病物質對地下水的影響

人工濕地系統由于其潮濕、植物、微生物等原因，在城市污水處理過程中，由于污染物的積累會產生各種寄生蟲、細菌、病毒、有毒微生物等，這些物質流入土壤遷移至地下水中，將對地下水造成嚴重的污染。研究表明，一些病毒和細菌由于其微小、存活率高的特性通過遷移作用，通過土壤空隙時不會被土壤吸收和過濾，容易直接進入地下水系統，地下水受到病毒、細菌感染污染十分嚴重，極有可能通過傳染造成大范圍地下水受到污染，對地下水質環境、人們生活等都造成嚴重影響。

3.4 污水處理形成的有機物對地下水的影響

城市工業污水含有的、污水處理中產生的各種有機物質，在濕地污水處理過程中一般流入土壤通過遷移進入地下水系統，將對地下水造成污染，研究表明某些城市地下水受到有機物污染造成致癌物質的達幾十種。

3.5 濕地污水處理對地下水的整體影響

人工濕地系統的構造是模擬自然濕地生態系統在某一區域進行挖掘建設，由于培養各種植物、營造土壤環境導致地層表層被破壞，人工濕地離地下水更加接近。一般情況下污水的排放會受到土壤的吸附、過濾、同化和沉淀等作業阻止其流入地下水，地層被人工濕地系統破壞后，污染一旦在濕地系統中出現泄漏和溢流，就極容易進入地下水，從而導致地下水受到破壞和影響。

4結論

在分析濕地系統運行機理和優缺點的基礎上，表明在濕地系統遭到破壞等各種因素影響下，濕地城市污水處理會對地下水造成嚴重影響。

從濕地城市污水處理導致地下水硝酸鹽化、重金屬離子污染、產生生物致病物質、形成有毒的有機物、整體影響等方面詳細分析濕地污水處理對地下水的影響。

參考文獻

篇7

塔拉灘地區位于共和盆地西南部，距海南州共和縣城約3．0km由于灘地的地表水匱乏，地下水未開發利用，塔拉灘地區居民人畜飲水及農灌水均來源于低于灘地帶200余米黃河抽取，而地下蘊藏有豐富的地下水資源沒有利用，生態環境卻因缺水而不斷惡化、土地嚴重沙化、草原不斷退化，合理開發利用地下水資源已迫在眉睫，塔拉灘地區生態環境治理和改造已刻不容緩。

1地下水形成的自然條件

1．1地理位置

塔拉灘位于群山環抱的共和盆地中部黃河左岸，平面上呈東寬西窄的“葫蘆”狀北北西向展布，南北長約25km，東西寬約66km，面積約1．38萬km2。地勢上以3°～10°的坡降自北西向東南傾斜，至最低處的龍羊峽水庫水面海拔高度僅為2574m。涉及共和縣7個鄉9個行政村、有人口21885人，有草地面積208843hm2，耕地面積662hm2，牲畜存欄25．3萬頭(只)。因受嚴重缺水條件限制，經濟發展相對滯后，鐵蓋鄉全鄉人均純收入僅為1000元左右，受氣候環境條件的影響，塔拉灘地區風沙大，生態環境惡化，環境治理用水也異常緊缺。

1．2氣象及水文條件

塔拉灘地區具有日照強烈、冬寒夏涼、日溫差較大、降水集中、干旱少雨、風沙大、無絕對無霜期、氣溫低、冷熱劇變等特點。盆地多年平均氣溫1℃～5．2℃，多年平均降水量為310．5mm，多年平均蒸發量1751．4mm，一般風速9m/s～10m/s，最大風速12．3m/s～18．3m/s。共和盆地干旱少雨，自然條件較差，導致地表水系不甚發育，區內主要有三大水系:1)沙珠玉河發源于盆地西部的阿拉丘一帶，匯水總面積5703km2，全長95km，由泉水匯集而成，自西向東注入達連海湖，沙珠玉河多年平均徑流量16232×104m3。2)恰卜恰河是黃河一級支流，河流長約70km，流域面積817km2。山口處測得瞬時流量0．483m3/s，出山后2km～3km即滲入地下，轉化為地下水，至上再次溢出，轉為地表水，年徑流量達2828．78×104m3/年，最終流入黃河。3)黃河發源于巴顏喀拉山北麓山區，龍羊峽壩址斷面的多年平均流量為640m3/s，總徑流量202×108m3/年。

1．3地質及水文地質條件

1．3．1地形地貌及地層條件灘地由一塔拉、二塔拉、三塔拉組成，塔拉臺表部地形平坦開闊，三個塔拉由北而南從低級到高級呈階梯狀排列，東西向自山區至平原區由高到低，灘地帶高出黃河400余米，灘地東緣的黃河谷地形呈多級階地，其中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級階地已被龍羊峽水庫淹沒。共和盆地在第四紀早～中更新世內陸沉積環境中，堆積了厚達300m～1000m的松散堆積物，下部為一套早更新統亞粘土、亞砂土、中粗砂、粉細砂地層，表部覆蓋了上更新統亞砂土、亞粘土、砂礫石、中粗砂、中細砂層，為盆地第四系孔隙水的賦存運移創造了良好空間。

1．3．2地下水的形成與分布具獨立補徑排水文地質系統特征的共和盆地地下水，嚴格受控于地質構造、地層巖性及地貌環境背景條件。灘地西部及北部的基巖山區是灘地地下水的補給區，廣大灘地帶富含豐富的埋藏深、分布較廣的松散巖類孔隙半承壓、承壓水。共和西盆地是一個半封閉的盆地，南北山區是地下水的形成區，以大氣降水補給為主。而山前平原和盆地中央是地下水的徑流排泄區，地下水以徑流為主，黃河谷地則是盆地地下水的主要排泄區。

1．3．3地下水的補徑排條件

(1)灘地地下水來源于灘地周邊基巖山區，周邊基巖山區是灘地地下水的補給區。盆地北部的青海南山和南部的河卡南山，由于山區基巖，構造、風化裂隙發育，地形陡峭，大氣降水迅速匯集溝谷或滲入基巖裂隙中，減少了水分的蒸發，有利于地表水和地下水的形成。另外山區氣溫低，降雪時間長達5個月，大量積雪于4月份融化，集中補給地下水，有利于地下水的形成?；鶐r裂隙水又以泉的形式排泄于溝谷中匯成地表徑流，在出山口后大量滲入地下，形成第四系松散巖類孔隙潛水。大氣降水形成山區地表水和地下水，它們是盆地地下水的主要補給來源，因此山區是地下水的補給區，山區溝谷是盆地地下水的補給通道。

(2)山前傾斜平原和盆地中央是地下水的徑流區。無論是潛水、承壓水或半承壓水都是接受山區溝谷地下徑流的補給和山區地表徑流出山口后迅速入滲補給。其中盆地西部地區，山前傾斜平原地下水徑流補給盆地中央帶為半承壓水，新哲農場以西，由于斷裂及背斜的阻水作用，地下水位抬高，并形成大片沼澤、濕地，一部分地下水消耗于蒸發，另一部分地下水以泉的形式泄出地表形成泉集河，排泄于沙珠玉河中;南北山前傾斜平原地下水在山前斷裂帶附近形成地下跌水，補給盆地中央帶地下水;沙珠玉河也從上游至下游由排泄地下水逐漸變為補給地下水;盆地東部地區，地下水主要接受西部鄰區半承壓水向東徑流補給、沙珠玉河的側向補給和山區地表水的滲入補給，并于恰卜恰河轉彎處及黃河左岸溢出地表，分別排泄。

(3)黃河谷地是地下水排泄區。由于黃河深切，使共和盆地成為外泄盆地，共和西盆地上更新統含水層受黃河強烈切割影響，含水層直接，地下水在黃河Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級階地前緣形成階梯狀泄出帶。

2地下水資源評價及開發利用前景

2．1地下水資源評價據前人資料，利用泉水泄出量統計法，武雷村黃河左岸—沙有村一帶測得恰卜恰河谷右岸泉水泄出量Q1=6．68×104m3/d，拉干峽—武雷村黃河左岸測得泉水泄出量Q2=21．58×104m3/d，二者之和即為整個塔拉灘地區地下水天然徑流量的主值，Q泄=Q1+Q2=28．26×104m3/d，由于龍羊峽水庫的蓄水，部分泉水溢出點成為淹沒區，2008年4月～6月測得塔拉灘地區東緣黃河左岸泉水總流量為15．571×104m3/d。恰卜恰河谷右岸泉水泄出量為5650．34m3/d，占整個塔拉灘地區泉水泄出量的3．63%，一塔拉地區東緣黃河左岸測得泉水流量2．702×104m3/d，占整個塔拉灘泉水總流量的17．35%，即一塔拉地區地下水天然徑流量的主值為2．702×104m3/d，二塔拉地區東緣黃河左岸測得泉水流量7．852×104m3/d，占整個塔拉灘泉水總流量的50．53%，三塔拉地區東緣黃河左岸測得泉水流量5．017×104m3/d，占整個塔拉灘泉水總流量的32．22%。塔拉灘地區地下水水化學類型為HCO3•Cl•SO4—Na•Ca型或Cl•SO4—Na•Ca型或Cl•HCO3—Na•Ca型水，呈無色、無味、無嗅，透明，礦化度小于1．0g/L，水質達到人畜飲用及工農業用水水質標準。

2．2地下水的開發利用前景

塔拉灘地區由于地下水位埋深較大，交通不便，主要為農牧民居住，基本上沒有開采地下水，地下水處于天然狀態。鐵蓋鄉位于黃河左岸塔拉臺上，塔拉臺高出黃河約300m～400m，目前鐵蓋鄉居民飲用水靠從恰卜恰河谷采用泵站提水解決，農灌用水依靠從黃河采用三級泵站提灌解決。鐵蓋鄉全鄉人均純收入僅為1000元左右，沒有能力負擔高昂的水費，因此大部分費用均由政府承擔，每年政府需要耗費大量的財力解決鐵蓋鄉的人畜飲用水及灌溉用水問題。而當地的地下水位埋深200m，水位高出黃河200m，開采塔拉灘地下水資源意味著可少做200m提水的無用功，還不包括泵站在運行過程中的成本及維護費用。因此合理開采地下水資源可極大的降低取水成本、減少黃河泵站運行成本及維護費用、減輕政府的經濟負擔，所以塔拉灘地區地下水的開發利用已勢在必行。塔拉灘地區東緣黃河左岸地下水總排泄量達15．571×104m3/d，這個排泄量可近似認為是地下水天然徑流量，恰卜恰河河谷右岸地下水泄出量為5650．34m3/d，一塔拉地下水排泄量為2．7×104m3/d，二塔拉地下水排泄量為7．85×104m3/d，三塔拉地下水排泄量為5．017×104m3/d。這些地下水泄出量可近似作為允許開采量的極限值，則一塔拉地區允許開采量為2．702×104m3/d，二塔拉地區允許開采量為7．852×104m3/d，三塔拉地區允許開采量為5．017×104m3/d。目前，僅在一塔拉馬漢臺一帶有少量機井開采地下水，開采量不足2000m3/d，其余地段地下水處于天然狀態，故塔拉灘地區地下水開采潛力巨大。地下水的開采方式為機井，抽水設備為深井潛水電泵。開采井宜垂直地下水流向布置。一塔拉地下水埋深100m～150m左右，含水層巖性主要為下更新統河湖相粗砂、中細砂，布井間距1．0km～1．5km，井徑325mm～377mm，井深300m～400m，單井涌水量600m3/d～2000m3/d;二塔拉地下水埋深180m～250m左右，含水層巖性主要為下更新統河湖相中砂、細砂，布井間距0．8km～1．2km，井徑325mm～377mm，井深500m～700m，單井涌水量在1000m3/d～3000m3/d;三塔拉地下水埋深300m～380m左右，含水層巖性為早更新世河湖相中細砂，水位埋深大，開發利用成本較大，建議開采河卡灘地下水向三塔拉地區輸水，或加大二塔拉地區的開采量向三塔拉輸水。

2．3地下水開發利用對生態環境的影響程度

塔拉灘泉水泄出量15．571×104m3/d，黃河在龍羊峽壩址多年平均流量5529．6×104m3/d，泉水泄出量僅占河水流量的0．307%，開采塔拉灘地下水對龍羊峽水庫基本上沒有影響。開采塔拉灘地下水，對黃河岸邊的泉水有明顯的影響，對由泉水形成的小湖泊影響較大，可能存在泉水斷流及小湖泊干枯現象。由于泉水及湖泊均位于龍羊峽庫區的沙漠化地區，少量泉水斷流及小湖泊干枯對生態環境影響不大。塔拉灘地下水的開采會造成泉水流量的減小，在泉口附近生長的植被減少或消失，形成土地沙化，但泉口植被原本就很稀少，因而土地沙化基本可忽略不計。塔拉灘地區地下水位埋深100m～300m，現有旱生植被對地下水沒有依賴性，因而開采地下水對塔拉灘地區植被影響甚微，僅對泉口泄出帶的植被有較大影響，從地面測繪的調查結果來看，黃河岸邊泉水泄出帶多為沙化嚴重地區，泉水泄出量的減少不會產生更嚴重生態環境的問題?，F狀條件下塔拉灘沙漠化處于擴展狀態，草場退化加劇，水土流失嚴重。塔拉灘上現有的植被與地下水位埋深沒有絲毫關系，地下水合理開采不會對現有植被造成危害，同時由于地下水的開采利用灌溉可有效的加強塔拉灘植被的生長，防止土地沙化的擴展，減少水土流失。通過對1985年～2006年的共和盆地牧草生長氣象因素分析，除了氣溫因素對牧草的生長起著決定性作用外，降雨量對牧草的生長也起著重要的作用，也就是說水對植被的生長有著至關重要的作用，合理的利用地下水資源可極大的改善塔拉灘地區的生態環境。塔拉灘地區土地沙化缺水，而地下卻蘊藏著豐富的地下水，水位高出黃河水100m～200m，就地開采地下水可節省大量的電力資源，同時開采地下水并加以開發利用可避免大量的水資源白白流失。綜上所述，開采塔拉灘地下水資源不僅不會造成生態環境的惡化，而且可以節約大量生產成本，解決人畜飲水困難，可在改善生態環境的同時加快塔拉灘的合理開發利用。

3塔拉灘地區生態環境現狀及治理措施

3．1生態環境現狀

塔拉灘總面積為2136km2，海拔2600m～3200m之間。因受缺水條件限制，土地利用率較低，經濟發展相對滯后，鐵蓋鄉全鄉人均純收入僅為1000元左右，受氣候環境條件的影響，區內風沙大，生態環境惡化，環境治理用水特別緊缺。塔拉灘地區土壤類型為栗鈣土、輕壤或沙壤。土層厚度在40cm～60cm的約占60%，100cm左右的土層不足1/3，這種土壤一旦失去植被的保護，在強風的侵蝕下極易遭風蝕，造成沙漠化及水土流失。塔拉灘原生植被優勢種為克氏針茅、紫花針茅、青海固沙草、岌岌草、扁穗冰草、細葉苔草等。由于氣候溫暖干旱，草地沙化、退化，草群的牧草種類單純，以旱生叢生禾草克氏針茅、岌岌草、青海固沙草為優勢種，伴生種有細葉苔草、針茅、賴草、早熟禾、火絨草、一裂委陵菜、多裂委陵菜等牧草。塔拉灘生態環境惡化主要表現在四個方面:1)沙漠化處于擴展狀態。2)草場退化加劇。3)水土流失日趨嚴重。4)草原鼠害猖獗，毒雜草危害嚴重。

3．2生態環境治理的措施

治理的主要措施:1)治理的核心是解決水的問題，興建水利設施，建立草原灌溉系統，實施打井取水、建池蓄水和節約用水制度，充分利用得天獨厚的地下水資源進行植樹種草、防沙固沙治理工程建設。2)做好休牧育草工程，切實抓好草地退牧休牧育草工程。3)通過營造防護林、水土保持林、林田防護林網和實施草地圍欄。4)加強退化的草場治理，培育和引進適合塔拉灘地區氣候特點的耐寒、耐旱經濟林木與優良牧草種植，實施人工種草、飛播種草、圍欄封育等措施。5)應建立健全水資源監測系統，做到科學用水、統一管理、統一規劃，提高用水效率，加強節約用水新觀念，樹立保護水資源思想意識，使水資源系統維持一種良性循環狀態，以達到水資源永續利用的目的。

4結語

(1)塔拉灘地區賦存有較豐富的松散巖類孔隙水。地下水的補給來源主要是西部鄰區半承壓水向東的徑流補給以及沙珠玉河的側向補給，其次為山區地表水的滲漏補給和南部阿讓山地下水少量的側向補給;徑流區為沙珠玉河至塔拉灘東緣之間;排泄區為塔拉灘東緣黃河左岸及東北緣的恰卜恰河拐彎處，大部分以泉的形式、少部分以地下暗流的形式排泄于黃河及恰卜恰河中。塔拉灘地區賦存有較豐富的松散巖類孔隙水，含水層為第四系早更新世河湖相中細砂層，地下水類型為承壓、半承壓水。

篇8

[關鍵詞]地下水 巖土工程 危害 預防

[中圖分類號]P641 [文獻碼]B [文章編號]1000-405X（2013）-6-193-1

水文地質條件指的是自然環境中，地下水的運動和變化情況。水文地質學就是以地下水為主要研究對象的一門學科，其主要研究內容在于地下水的形成與分布規律，地下水對于礦山開采與工程施工所產生的危害與防治措施。如何合理利用地下水資源，以及地下水的化學成分和物理性質等等。巖土工程與水文地質條件之間是相互作用、相互聯系的關系，對于水文地質條件較為復雜的區域，水文地質勘察應為巖土工程設計和施工過程中首要的考慮因素。

1 地下水對巖土工程造成的危害

1.1 地下水快速升降所導致的巖土工程危害

地下水的快速升降會導致巖土膨脹的均勻性降低。進而出現脹縮變形問題，一旦地下水發生短時間內的頻繁升降現象，則巖土會出現往復性的膨脹收縮變形，且巖土的膨脹收縮幅度會明顯增加，并產生地裂現象，并破壞輕型建筑物的穩定性和使用壽命。在自然情況下。地下水的動態壓力會較小。且不會產生較為嚴重的危害，然而，一旦地下水受到人工工程施工等因素的影響，則其天然動力平衡狀態會受到破壞，受到動水移動壓力的影響，常會對巖土工程產生較為嚴重的影響，主要表現為基坑突涌、管涌、流砂等。

1.2 地下水位降低對巖土工程造成的危害

人為因素是導致地下水位降低的主要原因，主要包括下游水庫的修建或是上游筑壩截奪地下水補給、采礦活動疏干礦床以及大量集中抽取地下水等等。若地下水位降低現象較為嚴重，則會造成水質惡化、地下水源枯竭、地面塌陷、地面沉降、地裂等惡性的地質災害，并嚴重威脅人類的生活和工作環境，以及建筑物和巖土體的穩定性。

1.3 地下水位上升對巖土工程造成的危害

導致地下水發生水位上升的原因較為復雜。主要包括施工或澆灌等人為因素；氣溫或降雨量等水文氣象因素；總體巖性產狀和含水層結構等地質因素。但大部分情況下是多種因素共同作用的結果。地下水位上升對于巖土工程造成的危害主要表現為：建筑物失穩、基礎上浮、地下洞室充水沉沒：粉土和粉細砂管涌、流砂、飽和液化等現象；破壞非凡性的巖土體結構，導致其發生軟化、強度降低等變化；河岸、斜坡、巖土層崩塌或是滑移等地質災害現象；土壤鹽漬化、沼澤化，導致地下水和巖土嚴重腐蝕建筑物。

2 防治措施

粉土層、粉砂和細砂是管涌和流砂現象發生率最高的部位，在低塑性飽和粘土中，一旦其受到擾動因素的影響，則會出現流砂現象，而粗顆粒土的流砂現象發生率則較低。因為地下水的管涌和流砂現象會導致嚴重的工程危害，因而在實際的施工過程中，應對地下水進行適當處理，從而保證工程的順利完成，提高工程施工的安全性。地下水對巖土工程危害常用的預防方法包括：

（1）帷幕設置法。

帷幕設置法指的是通過設置打設攪拌樁、地下連續墻、打設板樁或者其他防水介質的方式來避免地下水發生基坑滲入現象，這也是深基坑工程施工較為常用的危害預防方法，但仍然需要通過人工降水法來達成基坑內降水的目標。

（2）井點降水法。

井點降水法需要在基坑周圍預先設置特定數量的濾水管，通過抽水設備將地下水完全抽出，保證地下水位下降低至坑底處，并保持到工程完成。井點降水法能夠在降低流砂發生率的同時，實現巖土工程施工條件的逐步改善。另一方面，因為地下水位下降時會同時產生土體自重作用和動水壓力向下作用，進而增強地基土的自身承載能力，并壓密基底土層。井點降水法根據不同的吸水方法和原理，以及系統設置情況，分為深井井點、管井井點、電滲井點、噴射井點和輕型井點。

（3）集水井明排法。

在基坑開挖深度達到地下水位后，應將適當坡度的排水明溝設置在基坑周圍或是基坑兩側，并將集水井設置在基坑四角以及每隔30至40cm距離的位置上，保證地下水能夠進入集水井內，并通過水泵抽出基坑。通過集水井明溝排出地下水的方法具有操作簡便、經濟性好等優勢，然而，這一方法僅僅適用于地下水位較低以及土質較好的基坑開挖工程。在開挖基坑達到地下水位后，可通過集水井將地下水排出，若坑壁或坑底的土粒呈現為隨地下水流動的狀態，并持續涌入基坑，則可將其稱為流砂現象。流砂現象發生后，則巖土層的承載力會逐漸消失，并會在開挖的同時冒出。進而降低設計深度開挖的準確性，導致較大的工程施工困難。流砂現象發生的主要影響因素在于動水壓力的方向和大小。因而，保持動水壓力平衡或是減低動水壓力是最為主要的流砂防治措施，其具體方法包括：井點降低地下水位、打鋼板樁法、搶挖法等。

篇9

關鍵詞：地下水；富集規律；成因分析

中圖分類號：P64 文獻標識碼：A

四川省北部盆周山地紅層低山丘陵區水資源貧乏，區內無大中型水利設施，加之大氣降水時空分布差異極大，水資源分布時空極度不均，造成該地區缺水嚴重，人畜飲用水困難。然而區內砂、泥巖淺層風化帶內普遍賦存有地下水，通過調查，該區淺層地下水開發利用條件具如下特點：1、地下水分布普遍；2、埋藏淺、開采方便；3、水質較好、適宜飲用；4、可持續開采。結合該紅層地區農戶“居住分散、用水量少”的需水特征，紅層丘陵區的地下水資源特征與當地農村家庭的用水需求狀況具有極佳的結合點，實踐也證明開發利用地下水資源解決農村飲用水問題具有投資省、見效快、供水保障率高、水質好、少占地、易管理等優點，還會對該地區的生態環境建設提供堅實支撐。但普遍分布的淺層地下水中Fe、Mn含量普遍較高，為了充分利用好地下水資源，必須全面掌握該地區的地下水中Fe、Mn元素的分布形成和富集規律，科學開發地下水。采取簡便可行的方式處理地下水中的Fe、Mn元素，以發揮其清潔、方便和廉價的優勢。

一、地下水中Fe、Mn的危害

四川省紅層低山丘陵地區找水打井工程調查與區劃項目已實施兩期，無論是四川盆地紅層丘陵區，還是盆周山地區，紅層淺層（15～25m）地下水化學特征中最顯著、最普遍的特征就是Fe、Mn含量偏高。Fe、Mn是構成生物體的基本元素之一，但是，Fe、Mn元素過量也會給人們的生活和生產帶來很多不便和危害。

在用水井取水過程中，呈溶解狀態的Fe容易被氧化而沉淀，堵塞井壁，導致水井出水量減少甚至不得不廢棄水井。從感官上講，Fe、Mn含量偏高的水會產生令人不愉快的顏色和獨特的臭味，而且會在衣物、器具上著色，很不美觀。從生理學上講，人體攝入過量的Mn，會造成相關器官的病變。日本東京郊區曾發生過居民飲用受Mn污染的井水而患病死亡的事件。Mn對人體有慢性中毒現象，對Mn礦工人的調查資料表明，他們患有類似于精神分裂癥的強烈的精神障礙癥。對于工業用水，如造紙工業、紡織工業、食品工業、釀造工業等，過多的Fe、Mn含量會使產品的質量下降，造成很大的經濟損失。

二、Fe、Mn元素的背景特征

Fe、Mn在地下水中的存在形式主要為離子態。眾所周知，Fe、Mn均為變價元素，價態的改變可引起離子性質的變化，導致其化學性質也發生改變。如Mn離子隨電價的增高而離子半徑逐漸縮小，離子電位和電負性相應增高，引起離子的非金屬性增強表現在Mn的氧化物性質上，由堿性（低價態）向酸性（高價態）變化。Mn的親合力低于Fe的親合力，因此，Mn的二價氧化物比Fe的二價氧化物穩定區大，即使存在其他陰離子（如HCO3-、SO42-）時，可溶性的Mn的穩定區也比可溶性的Fe的穩定區大，因此，在相同條件下，地下水中的Mn2+比Fe2+易遷移富集，因而，地下水中Mn2+含量應比Fe2+含量高，但是，本區地下水形成的Mn2+、Fe2+的條件并不相同，尤其是原生沉積環境中巖石的Fe、Mn含量差異很大（見表1），Mn的豐度為505～589ppm，Fe的豐度為28778～32355ppm，相差達56倍，因此，地下水中仍然是Fe2+含量高于Mn2+離子含量，這與原生沉積環境和本次采樣試驗結果相符。

三、Fe、Mn元素的分布特征

通過以蒼溪縣紅層低山丘陵區地下水的調查以及41組水樣分析試驗（見表2）為例，四川省北部盆周山地紅層低山丘陵區地下水水質具有如下特征：

1絕大部分示范井（井深18～25m）都有Fe、Mn檢出。27組水樣中有25組Fe元素檢出，檢出率達92.6％，超標14組，超標率達34.15％，Fe含量最高達0.989mg/L，最大超標倍數為3.3倍；27組水樣中有25組Mn元素檢出，檢出率達92.6％，超標9組，超標率達21.95％，Mn含量最高達0.489mg/L，最大超標倍數達4.9倍。而14組民井、大口井（井深1.0～15.0m）水樣Fe、Mn檢出均為2組，檢出率僅14.3％，即便檢出，其值也很低。由此可見，隨著井深的增加、徑流逐漸減弱，Fe、Mn含量有逐漸增高的趨勢，加上地下水從上向下的越流補給，使Fe、Mn含量逐層積累，也導致了地下水中Fe、Mn含量隨深度的增大而增加。

2從Fe、Mn含量偏高的井孔所在的微地貌部位來看，在地下水徑流速度較快的補給區，地下水中的Fe、Mn含量相對較低；而在臺狀低山深丘平臺、緩坡帶，尤其是分布規模較大的平臺后緣、低洼寬谷等地帶，為地下水排泄區或埋藏區，地下水Fe、Mn含量相對較高且分布普遍，這與該帶地下水水位埋藏淺、處還原環境或弱氧化環境有關；該帶地下水徑流速度緩慢、以及上覆土層較厚，上覆巖土中含大量有機質，有機質成分、腐殖酸與厭氧菌的活動，致使地下水中Fe、Mn普遍偏高。

篇10

【關鍵詞】地源熱泵環境影響

中圖分類號：B845.6 文獻標識碼：A

0 引言

地源熱泵是一種新型、環保、節能的空調系統。地源熱泵利用地下水、地表水（水源熱泵）或者土壤（土壤源熱泵）作為熱源，實現夏季制冷、冬天供熱的高效節能空調系統。地源熱泵冬天從地下水、地表水或者土壤中采熱，夏季將熱量排入，減少了熱污染。Swardt、Derder[1，2]等通過試驗及數值模擬表明，地源熱泵的制熱容量、制冷系數等方面優于空氣源熱泵，而且地源熱泵的運行費用也顯著低于空氣源熱泵。

由于地源熱泵的經濟性優勢，近年來地源熱泵作為一種新型的節能空調系統應用越來越加廣泛。在政府的鼓勵和支持下，地源熱泵成了一種新的發展熱潮。目前國內市場上銷售的地源熱泵國內外品牌已經有100家左右，使用地區也已經遍布全國[3]。如此的發展浪潮下，地源熱泵所產生的環境影響也愈加受到國內外廣大學者的關注。例如地表水源熱泵會使水體局部溫度上升或者下降，地下水源熱泵的回灌不完全，可以造成地面下沉等問題，土壤源熱泵利用使土壤溫度不均勻而導致熱泵實效等。

1 水源熱泵應用度環境的影響及解決方案

1.1 地表水源熱泵對環境的影響及解決方案

地表水源熱泵直接或者利用地表水（江、河、湖泊、水庫）進行換熱的方式作為機組的冷熱源。地表水源熱泵夏季將熱量直接排入水中，冬季直接從地表水中獲取熱量，盡管地表水之間能夠散熱或者吸熱，但是排放或者吸取的熱量不能夠及時補充，就會對水體溫度場的分布造成影響。當水溫升高的時候，水中的溶解含氧量就會降低，從而加速了水中有機物的分解，更加增大了耗氧量，而且水溫的升高加速藻類植物以及水草的生長，這對水類動物也會造成影響，甚至造成魚類的死亡。

目前國內外學者對地表水源熱泵的對環境的影響以及解決方案方面的研究比較少。但是國內外學者近年來對電廠附近排水對環境的影響做過許多的調查研究，以此可以作為地表水源熱泵對環境解決方案的參考。為了限制電廠排水對環境的影響，許多國家對排水溫度做了限制，例如英國在1961年提出了最高排水溫度的規定和限制，法國70年代規定河水溫度不得超過30℃，1988年我國出臺相關政策規定江、河、湖泊、水庫等具有適用功能的地面水水域, 人為造成的環境水溫變化應限制在夏季周平均最大溫升不大于1℃ ,冬季周平均最大溫降不大于2℃ [ 4 ] 。

1.2 地下水源熱泵對環境的影響及解決方案

地下水源熱泵通過打造抽水井群將地下水抽出，與水源熱泵機組直接換熱，夏季將熱量釋放至地下水中，冬天從地下水中提取熱量，經過熱量交換后，由回灌井群回灌到地下。

地下水源熱泵，由于地下水抽出后，不能實現完全的地下回灌，因此地下水位會降低，從而使土層中孔隙水壓力降低，造成地層密度變大，地面沉降。對于沙層嚴密的地面，當水位恢復后，沉降容易消除，但是對于粘性圖層，水溫即使回復后，土層回彈性不大，這種造成的地面沉降是永久性的。我國部分地區使用地下水源熱泵回灌不徹底，造成地面沉降的情況已經出現，地面沉降可造成地面建筑物受損甚至會造成海水倒灌、河床升高等問題。

地下水源熱泵還會影響地下水質。地下水源熱泵使用中，地下水抽取、回灌過程中，地下水難免會與外界的空氣接觸，導致地下水氧化，由此而引起地質化學變化、地質生物變化等水文地質問題。而且地下水管路材料的防腐措施不徹底，也會造成管路、換熱器等出現結垢、腐蝕，從而影響水質。

為了杜絕、降低地下水源熱泵對環境的影響，我國政府已經出臺一些政策，嚴格控制地下水的開采、使用。地下水源熱泵使用前，應該對使用地區地質進行嚴格的地質勘測，在容易引起地面塌陷的條件下限制使用地下水源熱泵。地下水源熱泵也可以采用井口換熱器，不將換熱器放入地下水中，避免了地下水與空氣的直接接觸，從而減少了空氣對地下水的污染。

2 土壤源熱泵應用度環境的影響及解決方案

土壤源熱泵是利用地下土壤的熱量，通過中間介質載體在封閉的地下埋管中流動，從而實現熱泵機組與土壤之間的換熱。與地表水源熱泵相比，地下土壤5m以下全年土壤溫度穩定并且約等于當地地區年平均溫度，可以在夏冬兩季提供相對較低的冷凝溫度和較高的蒸發溫度。土壤源熱泵利用地下換熱器與土壤實現吸熱和放熱，減少了空調系統對地面空氣的熱和噪聲污染，實現了真正意義上的節能減排。但是土壤源熱泵也具有一些缺點：我國北方地區，冬季從土壤中使用的熱量大于夏季向土壤排放的熱量，使得土壤溫度逐漸降低；南方地區，夏季向土壤排放的熱量大于冬季從土壤中提取的熱量，導致了土壤的溫度逐漸升高。單一使用土壤源熱泵，土壤的溫度不能夠及時的恢復，從而導致了熱效率的下降甚至熱泵機組的實效[ 5] 。

土壤源熱泵從土壤中吸熱和排熱破壞了土壤的熱平衡，因此對土壤源熱泵加以輔助熱源，使土壤能夠及時的恢復熱量平衡。許多學者做了相關研究并在工程實踐中已有部分應用。北方地區，冬季可以使用鍋爐或者太陽能集熱器向土壤提供熱量；南方地區，夏季向土壤中排放的熱量可以通過輔助冷卻塔來散熱，或者利用周圍景觀噴泉等來散熱，也可以將廢熱回收利用，從而減少土壤源熱泵向土壤中的熱量排放[ 6] 。

3 結語

本文分析了地表水源熱泵、地下水源熱泵、土壤源熱泵對環境的影響，并且提出了一些解決方案。地源熱泵是一種真正意義上的節能、減排、節能的新型空調系統，通過對其缺點的一些控制，可以得到更加廣泛的應用前景。

[1] DE SWARDT. A performance comparison between an air-source and a ground source reversible heat pump[J].International Journal of Energy Research,2001,25(10):899-910.

[2] DERDER S. Municipality water reticulation ground-coupled reversible heat pump system as alternative to an air source system[J].American Society of Mechanical Engineer(paper), 1997,12:402-1215.

[3] 機電信 息調研 組. 2 00 6 年全 國中 央空調 市場 總結報告 ( 第七部分 水源 / 地源熱泵市 場總結報告 ) [ J] .機電信息, 200 7 , 25 : 16 - 2 7 .

[ 4 ] 張文宇. 上海世博園大型地表源熱泵對黃浦江水環境的影響分析 [ D ] . 上海: 同濟大學碩士學位論文,2007 .

[5] 殷平，地源熱泵在中國[C].2001年全國熱泵和空調技術交流會論文集，2001