地下水的优势范文

导语：如何才能写好一篇地下水的优势，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：地下水位；时空分布；神经网络；思维进化；预测

中图分类号：P641

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）8003705

1引言

不科学的地下水使用和管理模式所造成的后果已经成为严重的世界性问题，尤其是在发展中国家[1]，我国北部及西北大部分地区水资源严重匮乏，其干旱、半干旱气候特征和粮食作物种植Y构造成陆地实际蒸散发量大于降水量，同时地表径流量又不断减少，已经面临几乎无地表水可用的客观问题，而长期对地下水过度的开采使含水层开始疏干，地下水流场发生异变，形成地下水漏斗且导致了严重的地面沉降。地下水埋深的预测对实现地下水资源的可持续利用具有重要的指导作用。

相比较于确定性模型，利用随机模型来解决地下水水文方面的优势已经非常明显[2～4]。人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）作为随机模型中具有代表性的一种，因其在解决复杂的非线性系统问题上的良好表现使得其广泛的用于水文预测[5～7]，Lallahem等[8]、Sreekanth等[9]和霍再林等[10]分别在不同的地区将ANN用于地下水位的预测中，验证了不同ANN模型模拟地下水位的可靠性。Yang等[11]使用BPANN（Back-Propagation Artificial Neural Network， BPANN）模型模拟吉林地下水埋深，验证了ANN优于综合时间序列模型（ITS）。但传统的ANN存在固有的缺陷，如需要较多的学习样本，且训练速度慢，初始权值和阈值选择敏感程度高。

随着电脑技术的发展，使得ANN更为优化和完善，这些改进大致上可以归纳成两方面：一是使用进化算法优化ANN的计算参数或将其它理论；二是ANN结合优化传统ANN传递函数、网络结构。基于思维进化优化的神经网络（artificial neural networks optimized by mind evolutionary algorithm MEANN ），具有很强的全局优化能力，可以大幅提高传统神经网络的收敛速度和精度。

为进一步探究优化后的ANN模型在地下水水文预测中的应用前景。首次建立基于MEANN的地下水埋深预报模型，并与目前广受学者关注的基于小波分析与神经网络相结合的小波神经网络模型（waveletCneural network WNN）进行比较。

2材料与方法

2.1MEANN模型

思维进化算法[12]（Mind Evolutionary Algorithm MEA），该算法是根据对遗传算法中存在问题的思考以及对人类思维发展的分析，从而模拟生物进化过程中人类思维进化的方式，并提出了“趋同”与“异化”两个概念。它可以很大程度上提升全局搜索的效率，具有较强泛化性和全局优化能力[13]。与遗传算法相比，思维进化算法具有结构上固有并行性及避免交叉与变异算子双重性的优点，以下为其设计思路。

（1） 在解空间内随机生成一定规模的个体，根据其得分情况选出优胜个体及临时个体。

（2） 分别以上一步选出的优胜和临时个体为中心，在其周围产生一定量的新个体，从而得到对应子群体。对各子群体内部进行趋同操作至成熟，并以该子群体中最优个体的得分为整个群体得分。

（3） 子群体成熟后，将各个子群体得分在全局公告板上张贴，在子群体之间进行异化操作，完成优胜子群体与临时子群体间的替换、废弃及个体释放的过程，从而计算全局最优个体及得分。

其具体设计步骤流程见图1。

2.2WNN模型

WNN 结合神经网络和小波变换的特点，是一种以BPANN拓扑结构为基础，把小波基函数作为隐含层节点的传递函数，信号前向传播的同时误差反向传播的神经网络。两种理论的组合有效改善了传统ANN的模型效率[14，15]。且WNN 在地下水埋深的预测中具有较好的表现，有效提升传统ANN模型精度[16]。WNN的详细理论及实现过程见文献[17]。

2.3数据统计分析方法

采用均方根误差（Root mean square error，缩写RMSE）和模型有效系数（Ens）、平均绝对误差值（MAE）和相对误差值（RE）计算各模型计算结果和与实际观测值之间的误差及拟合程度，计算公式如下：

3实例应用

3.1研究区概况与数据资料来源

石家庄平原区（图2）为滹沱河流域，属太行山前冲洪积平原，位于东经114°18′～115°30′，北纬37°30′～38°40′之间，总面积为6976.4 km2，是华北平原中形成最早发展最快的浅层地下水漏斗区，近25年来浅层地下水下降平均趋势达到0.78 m/年 （图3）。年平均气温为11.5～13.5℃，多年平均蒸发量为1616.6 mm，多年平均降水量为534.5 mm，近年来由于气候变化的影响降雨量呈逐渐减少的趋势，平均减少幅度为22.91 mm/10年（图4）。区内最大河流为滹沱河，渠道为石津渠，在水利工程中影响最大的有岗南水库和黄壁庄水库。研究区自上而下可划分为4个含水组，其第1和第2含水组之间无连续隔水层，加之多年混合开采将其视为统一含水层，统称为浅层地下水，地下水水力性质属潜水-微承压水类型。浅层地下水系统底板埋深在40～60 m之间，表层多为亚砂土、豁土，下部岩性较粗，含水层岩性以卵石、卵砾石、粗砂、中砂为主[18]。

本文采用研究区28眼浅层地下水观测井1990～2015年浅层地下水埋深资料，其位置和编号见图1所示， 地下水埋深、滹沱河流量、石津渠流量、黄壁庄水库水位资料均由河北省水文水资源勘测局提供，地下水开采量和补排量数据来自于文献[19]，灌溉水量来源于《河北省水资源公报》，降雨资料来源于中国气象科学数据共享服务网。

3.2模型输入因子选择与处理

降雨入渗为石家庄平原区区主要补给源超过总补给量的50%；内滹沱河为最大的河流，河床岩性结构简单垂向连通性好，是重要的河道渗漏补给来源，除96年供水期外河道行洪量小或基本断流，到2006～2010年河道补给量仅为0.27亿m3/年。石津渠为石家庄最大渠道为主要渠系渗漏补给源。黄壁庄水库的渗漏量为研究区重要的侧向补给来源，2001年黄壁庄水库副坝完成加固防渗工程后，造成水库渗漏补给量减少57.5%，是近年来侧向补给减少的主要原因。侧向流出量只有人工开采量的6%可忽略不计，故主要排泄项为人工开采。1991～2010年各项补排情况详情见表1。

根据以上补径排条件及变化分析，结合水均衡理论，选取以年为时段：研究区年平均总降水量，滹沱河年平均流量，石津渠年平均流量，S壁庄水库年平均水位与研究区浅层地下水位埋深差值，研究区年总灌溉水量，分别反映各项补给的物理量以作为补给项因子；研究区年开采量代表排泄项因子；水井的经、纬度y和x代表方位因子，加上水井上一年地下水位埋深，共9个时间序列为输入因子。其中，因侧向补给主要受水力梯度与渗透系数影响，根据达西定律可知，当渗透系数改变时可将这一变化系数反映到水力梯度上，得到渗流速度的物理量不变。因此，为反映黄壁庄水库于2001年防渗加固后使水库渗漏补给量减少57.5%这一突变影响，将2001年后的w（t）值进行42.5%的折算以反映物理变量。为消除量纲差异，对各因子进行归一化处理，其处理公式如下：

xnor=x0-xminxmax-xmin（5）

式中： xnor为归一化后数据，x0为实际数据，xmax和xmin分别为参数样本最大与最小值。

3.3模型的建立

采用研究区1～28号水井1991～2010年资料为训练样本，2011～2015年资料为检测样本，使用MATLAB 2013a分别建立MEANN和WNN神经网络模型，采用试错法分别确定MEANN网络结构为9-12-1，种群大小为200，优胜和临时子种群个数为5，迭代次数为10；WNN的网络结构为9-10-1，迭代次数为100。

3.4结果

将模型模拟统计结果列于表2。由表2可知，相比WNN，MEANN可使RMSE减小58.2%，MAE减小53.1%，而Ens提高至0.99（P

绘制模型模拟值与实测值的散点于图5，图5所示模拟-实测值散点分布较为集中其趋势线（实线）的决定系数R2达到0.99，斜率为0.98与模拟值与实测值比例为1的虚线X=Y非常接近，表明MEANN对与实测值的拟合程度极高。而WNN的模拟-实测散点在实线附近分布较为分散，其趋势线斜率为0.83，距离1的差距较大与虚线相隔较远，即对实测值拟合程度不高。

利用反距离加权插值法对各模型模拟出的各个观测井的RMSE进行空间插值（图6），图6显示空间上MEANN模型的RMSE在一个很小的范围变化（0.50～3.00 m/年）且分布较为均匀，同时RMSE在所有区域上均明显呈现出MEANN模型小于WNN模型，说明ELM模型空间预测的稳定性较佳，WNN模型RMSE在空间上出现了明显波动（在区域的南部和东南部RMSE大幅增加），其最小RMSE出现在中部仅为0.50m/a左右，南部地区最大RMSE超过5.00m/a，甚至达到10.00m/a以上，其空间上波动幅度大于9.50 m/a，表明WNN模型在空间上精度和稳定性较差。

可以发现MEANN的综合表现（模型有效性、整体精度和空间均匀性）优于WNN模型，WNN 基于梯度下降法调整网络权值和阈值，使得模型容易陷入局部极小[20]。而MEANN使用思维算法取代梯度下降法，克服了大多数梯度下降方法训练速度慢、学习率的选择敏感和易陷入局部极小等缺点， 具有全局搜索性优化权值和阈值，有效提升模型泛化性能。

4结论

（1）利用优化后的组合模型对地下水埋深进行实地预测，实际仿真证明，MEA优化后的网络模型建模过程简单，模拟精度极高。与WNN模型相比MEANN可使RMSE减小58.2%，MAE减小53.1%，而高精度样本要增加25.8%，Ens提高至0.99（P

（2） MEANN模型可对浅层地下水埋深空间分布进行有效模拟，其模拟精度较高误差分布均匀，空间波动程度小，同时RMSE在所有区域上均明显呈现出MEANN模型小于WNN模型。显然ELM模型在精度、稳定性和空间均匀性上更优，可利用MEANN模型较精确地检验未来各开采模式下的地下水响应趋势。

（3） MEANN明显优于WNN的关键原因在于，MEANN模型在借鉴遗传算法思想上融汇了“趋同”与“异化”两种功能，可快速地得到整个解空间内的全局最优解，有效地克服梯度下降法容易陷入局部极小的缺点。表明今后针对神经网络模型优化应着力于权值和阈值调整方法的改进。

（4） 将思维进化算法与传统神经网络相结合，避免了单一方法的不足，同时可以有效地反应地下水埋深的非线性动态特征。可作为自然人为双重影响下浅层地下水埋深高精度预测的推荐模型。

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关键词：城市地下给水管网优化设计

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

中图分类号：TU821.3文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

一、城市地下给水管网设计存在的问题

当前，城市地下给水管网设计的现状不容乐观，还存在着诸多亟待解决的问题，这些问题主要表现在供水管漏耗严重、管网布局不合理和供水安全性较差三个方面，其具体内容如下：

供水管漏耗严重

供水系统是城市中的基础设施，供水管漏耗严重是城市地下给水管网设计存在的问题之一。供水系统中的给水管道由于年久失修，管材质量差，供水管网漏耗严重，造成爆管以及各种形式的明漏、暗漏。由于给水管网埋于地下,看不见,较容易被忽视，在给水管网设计中，往往使给水管网的输配水能力小于净化处理能力，致使管网的输配水能力与水厂的生产能力不配套，管网超负荷送水，增加了供水管的能耗和漏耗。

管网布局不合理

管网布局不合理也在一定程度上制约着城市地下给水的发展。在城市地下水管网布局中，管网布局不合理受两个因素的制约，一是传统供水管网规划的束缚，现有的供水管网没有跟上时代的要求，无法满足当前形势的需要；二是由于城市经济、文化中心的调整，原本不发达的地域变成商业繁华地区，人口集中的区域增大，人们对生活用水的质量和要求逐步提高，使得水管网已经不适应当前的供水要求。

供水安全性较差

城市地下给水管网设计中存在的问题，还表现在供水安全性较差方面。给水管网系统是一个庞大复杂的“反应器”，经水厂处理合格的水，在管网中会发生一系列的物理、化学及生物反应而导致水质下降。另外，供水安全性较差还由于天气的影响，供水压力过高、道路的施工措施欠妥、地下管道埋设过浅、抗重压能力较差等原因，导致管道因不堪重负而经常发生爆管现象。

二、优化城市地下给水管网设计的原则

优化城市地下给水管网设计，应遵循三个原则，即结合实际，有的放矢；实事求是，协调发展；强化服务，提高水质，下文将逐一进行分析。

结合实际，有的放矢

结合实际，有的放矢，是优化城市地下给水管网设计应遵循的原则之一。在城市地下给水管网设计中，应根据城市供水管网的实际情况，统筹规划，改造原有的城市地下给水管网设计的不足之处，与此同时，突出近期改造重点，有的放矢地对供水漏损和供水安全影响较大的管网以及对管网后续改造起到承上启下作用的部分主干管，优先实施改造。

实事求是，协调发展

实事求是，协调发展，是优化城市地下给水管网设计的又一原则。在优化城市地下给水管网设计中，为确保规划目标可行，应通过调查研究，核实基础数据，在实事求是的基础上，依据工程实施条件和地方财力，分阶段合理调整工程规模和目标。另外，优化城市地下给水管网设计，还应从大局着眼，依据城市总体规划，考虑到城市建设与地下给水管网的协调发展，紧密结合城市建设进行改造。

强化服务，提高水质

优化城市地下给水管网设计还应遵循提高服务水平，促进节约用水的原则。在设计城市地下给水管网的过程中，应紧密围绕提高服务水平和节约资源的目标，不断强化服务，提高水质，进而提高管网整体质量。对城市地下给水管网建设而言，只有逐步完善供水系统，增加配水能力、提高供水服务压力、改善供水水质，才能减少管网事故率、降低供水损失、保障供水安全、促进节约用水。

三、优化城市地下给水管网设计的策略

城市地下给水管网是重要的市政基础设施, 优化城市地下给水管网设计，要把握好两个方面的内容，一方面要优化城市地下给水管网设计内容；另一方面要优化城市地下给水管网设计模型。下文将进一步深入探讨。

优化城市地下给水管网设计内容

城市给水系统规划是城市总体规划的组成部分。城市给水系统作为供给城市生产和生活用水的工程设施，其规模非常庞大、性能日趋复杂。从城市给水系统的系统构成上来看，城市给水系统一般由取水泵站、水处理厂、给水泵站、增加泵站、供水管网和水塔、蓄水池等设施组成。给水管网系统的基本功能是经水处理厂处理过的符合国家卫生标准要求的水由给水泵站经给水管网送到用户。为满足城市供水的要求, 保障工业生产和群众生活，优化城市地下给水管网设计，应综合优化对水源，供水系统、排水系统的设计，主要应把握好两个关键点，一是管线布置的优化方案。在优化城市地下给水管网设计的过程中，给水管网规划、定线是管网设计的初始阶段，必须在管网规划和设计阶段进行合理的规划和优化设计，管网应布置在整个供水区域内，保证供水安全可靠，力求以最短距离敷设管线；二是管线布置既定条件下管道系统的优化设计。管线布置既定条件下管道系统的优化设计，应对新建的给水管网适当加以简化，去掉不影响管网的水力计算的支管或管线。

优化城市地下给水管网设计模型

要想对水管网系统进行更好的优化和设计，还应优化城市地下给水管网设计模型。对优化城市地下给水管网设计而言，应建立城市地下给水管网设计模型，对水管网系统进行细致的分类，分类标准的不同使分类后产生的效果也不尽相同。一般来说，按水源是否用加压可以分为压力流和重力流给水管网；按照水源的个数可以为单水源和多水源给水管网；按照管网形式可以分为枝状和环状给水管网。其中，环状管网的特征是管道纵横相互接通，形成环状。对环状给水管网的优化最先采用的是线性规划的模型，它是利用目标函数对其流量进行预分配；其次在计算目标函数基础上，反复调整流量分配，从而达到较理想的效果。这种模型对城市地下给水管网设计而言具有一定的优越性，突破了给水管网树状的困境，但仍存在着非线性弊端。近年来，随着对环状网的深入研究，对环状网非线性弊端的弥补采取了一种新的方式，即采用泵站送水的方式，但泵站送水在城市地下给水管网建设的费用和造价上提高了成本，包括了管网的静态费用和泵站的动态费用，其约束条件是非常复杂的约束集合，无形中增加了非线性规划的求解难度。目前，许多学者通过简化模型或限定某些约束条件，利用非线性规划的方法解决实际问题。

结语

总之，城市给水管道工程是城市基础设施建设工程不可或缺的部分,城市地下给水管网设计是一项综合的系统工程，具有长期性和复杂性。在了解城市地下给水管网设计存在的问题的基础上，遵循结合实际，有的放矢；实事求是，协调发展；强化服务，提高水质的原则，把握好优化城市地下给水管网设计内容和优化城市地下给水管网设计模型两个关键点，不断探索优化城市地下给水管网设计的策略，只有这样，才能促进城市地下给水管网设计水平的提高，进而提高整个城市供水系统的使用效率。

参考文献：

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关键词:结构连接;建筑植筋;界面处理。

近几年,由于经济的发展带动建筑市场的繁荣,楼房建筑越来越密集,土地资源的短缺,在既有的土地上增建的建筑越来越多,对于规划容许的条件下做局部的增建改建,以最有限的土地获取最大的使用空间,同时为了满足一定的使用功能要求,对相邻的地下建筑进行连接,笔者在近几年接触的改建扩建工程中新旧结构的连接及细部构造采用了下面的做法,特别是针对地下有防水要求地下室结构连接,收到了较好的防水效果。现选以一个较为典型的工程实例剖析如下:

1.工程概况

辽宁电力有限公司综合楼工程新旧车库连接,连接位置位于新建综合楼底下一层车库与原办公楼一层车库相连。连接部分位于地下一层基底标高为-5.700m,顶部标高为-1.500m,该地区常年稳定的地下水位为-3.500m,地下水位较高,因此本工程的施工对于防水要求较高,特别是接建的工程,连接部分为8m宽汽车通道和3m宽人行通道。具体的连接做法为将原有的办公楼地下一层400mm厚的防水剪力墙凿出相应的通道口,然后对凿出的剪力墙洞口顶部进行植筋增加梁进行加固,对于剪力墙的洞口同新建通道洞口进行植筋,增加四周剪力墙、板及楼板连接带,通过橡胶止水带与新建通道进行连接。

2.施工操作具体方法及步骤

2.1根据放线要求,在新、旧楼通道连接之前,需要先将原车库与新车库之间的外墙体拆除,同时不能破坏所需要的建筑结构。具体做法是用水钻先在即将拆除墙体的四周打孔,为防止打孔位置发生偏移,要求打孔前每隔一定距离都要用水准仪和经纬仪来测量定位。

2.2结构连接处植筋施工。

根据设计图纸的要求,在原建筑物上需要有新钢筋植入的地方,采用钻孔植筋的方法来植入钢筋并使之和原建筑结构相连接牢固。

施工工艺:定位 钻孔 清孔 钢材除锈 锚固胶配制 植筋 固化、保护 检验

植筋过程中,应注意的几点问题为:首先植筋的位置应准确,植筋的长度必须符合设计要求,植筋胶应现配现用,植筋胶有一个固化过程,植筋后夏季12小时内不得扰动钢筋,若有较大扰动宜重新植。 植筋胶在常温、低温下均可良好固化,若固化温度25℃左右,2天即可承受设计荷载;若固化温度5℃左右,4天即可承受设计荷载,且锚固力随时间延长继续增长。 植筋后3～4天可随机抽检,检验可用千斤顶、锚具、反力架组成的系统作拉拔试验。一般加载至钢材的设计力值,检测结果直观、可靠。植筋的质量与结构连接的质量牢固与否有直接的关系,必须严把植筋质量关。植筋后养护并检验合格后方可进行下一工序施工。

2.3结构连接处C60高强灌浆料施工

由于本工程对于原剪力墙墙体连接部位植筋增加的剪力墙体及底板、楼板,由于增加部位梁的截面及剪力墙的截面都比较小,同时接建部位的混凝土的强度要求也较高,设计上要求为C60高强无收缩灌浆料。再此处施工中最关键的部位就是施工过程中的新旧混凝土的连接处的界面处理,由于设计中未考虑到此处的界面处理,笔者根据几年的施工经验,特别是地下防水混凝土的施工及维修,通过市场的实地考察,最后确定采用水泥基渗透结晶材料来对本工程的新旧混凝土连接处进行专业处理,此处的界面处理是最关键的环节,同时也是考虑到在竣工使用过程中此处是否存在渗漏的关键施工步骤。同时对于水泥基渗透结晶防水材料用于此处的施工步骤必须严格按照要求进行施工,因为此处的施工是最关键的环节,也是本工程施工成与败的关键,因此对于此处的界面处理笔者当年的施工步骤如下:

①清理基面:对于凿除完的剪力墙基层表面应干净、牢固,对基层表面的油污、油漆、泛碱等必须处理清除干净。阴阳角等特殊部位预先进行细部处理,再进行大面积施工。

②湿润基面:施工前15分钟左右将施工面提前用干净水浇透,但注意不得有明水。

③秤量净水:严格掌握好水灰比,一般净水重量按晶威10份:3份净水,用秤称量。

④配比搅拌:水泥基渗透结晶防水涂料使用前应特别注意搅拌均匀,因为防水涂料有较多的填充料,如果搅拌不均匀,不仅涂刮困难,而且未搅拌均匀的颗粒留在涂层中,将会影响防水效果,拌料时要掌握好料、水的比例,一次拌料不宜太多,混合时用手提式电动搅拌器搅拌约5分钟;料浆需在30分钟内用完,料浆变稠时要频繁搅拌,中间不能加水。

2.4 待养护三天后方可进行下一步C60高强无收缩灌浆料施工。

2.5同时对于相连接处的伸缩缝部位应注意的关键问题是在C60高强无收缩灌浆料及新建通道的防水混凝土施工过程中橡胶止水带的位置必须正确,严格杜绝由于浇筑混凝土导致的止水带移位而影响伸缩缝部位的防水效果,并且施工过程中严格保证止水带的搭接长度。

3.结束语

通过近几年施工过的改扩建工程的施工经验,笔者在有防水结构连接的工程中有以下的体验,对于防水结构要求的建筑物的连接,最重要的环节就是下面的三点:一是将新旧连接处的界面处理问题解决好,二是凡是连接必然涉及到的就是植筋,对于植筋的强度必须保证,以此来保证结构的牢固性,三是涉及到接建的部分必然涉及伸缩缝和止水带,止水带在施工过程必须要保证不移位,保证施工质量。并满足使用功能。

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关键词：唐宋时期；黄河中下游；水旱灾害

中图分类号：K242 文献标识码：A 文章编号：1673-2596（2016）09-0036-02

唐宋时期的黄河中下游地区是我国主要农业产区，在社会发展历史中占有重要地位，同时，历史记录中该地区地区也是水旱灾害频发地区。唐宋时期各级政府对黄河中下游地区水旱灾害问题十分重视，并制定有预防、抗灾减灾以及灾后救治等较为全面系统的政策措施和救助机制。由于近年来我国黄河中下游地区自然灾害频发，损失巨大。因此，研究唐宋时期该区域水旱灾害发生状况及政府应对，对现代社会防灾减灾工作具有重要借鉴和指导意义。

一、唐宋时期黄河中下游地区水旱灾害及其影响

（一）水旱灾害的成因

首先，气候条件方面：黄河中下游地区位于我国中东部，属于大陆季风气候，降水集中于夏秋两季，冬春降水较少，全面降水偏低，因此在唐宋时期黄河中下游地区降水实况呈现两极分化态势――冬春旱灾，夏秋水灾。其次，地势条件方面：受构造运动影响黄河中下游地区呈现出中间偏低而南北偏高的阶地性地形，地貌以高原、山地为主，境内河流呈网状密布，渭河两岸支流众多，受阶梯状地形影响河流比降大水流湍急。一方面，地势平均海拔偏高，阻碍水汽进入从而诱发旱灾，另一方面河网直流密布，夏秋雨水集中时期容易诱发水灾。再次，生态条件方面：黄河中下游地区在唐宋时期地表覆盖率较低，缺少地被植物的保护，对空气的湿度调节能力弱导致土壤保墒性差，加之降水量低容易发生旱灾；另一方面，雨水集中的夏秋季节，由于缺少植被保护，土壤固结性差，容易发生泥石流，加重水灾影响。

（二）水旱灾害的影响

1.对农业的影响

水旱灾的发生无疑对黄河中下游粮食产区的农业生产带来了极大破坏，常引起农作物减产、绝收，农业用田遭到毁坏。春末、夏末是黄河中下游地区旱灾多发期，而这时也是小麦和水稻等主要粮食作物生长需要大量水分的关键时期，旱灾会致使其减产甚至枯死绝收。夏秋多发的水灾不仅会淹没农田，摧毁农作物，还会冲垮田地，导致大批良田被毁。

2.对社会发展的影响

一方面，水灾会直接导致百姓伤亡、房屋被淹、农作物被毁，就史料记载，唐咸亨元年大雨造成山洪溺死者超过五千。另一方面水旱灾害导致农业发展受阻，粮食生产大幅减少，在农业为天的唐宋时期，大量百姓因饥饿而死。此外，水旱灾后过后通常会频发瘟疫等各类疾病，由于医疗卫生条件差，造成大批灾民死亡。

3.对统治王朝的影响

唐宋时期黄河中下游地区水旱灾害频发，一方面，灾民数量骤升，为赈灾救济，中央财政面临着巨大的财政压力，而灾民聚集也容易诱发社会动乱，影响内部安定团结。另一方面，受封建思想的影响，许多灾民将水旱灾害归因于天谴，一些不利于统治阶级的言论在民间散播，统治阶级对民众的思想管制受到了一定威胁。

二、唐宋时期黄河中下游地区水旱灾害的治理策略

（一）灾前预防

灾前预防措施对于真正解决灾害问题有着重要意义。首先，完善水利工程机构及设施。唐宋时期政府大兴水利工程建设，建立并完善了自中央至地方全国性的水利管理机构，严格制定相关法令对农业灌溉、河渠提防的修筑及保护等问题进行了监管，将水利管理作为官员考核重要指标；其次，通过赋税方式建立了诸如太仓、正仓等仓廪积极进行粮食储备，随时应对水旱灾害造成的粮食短缺问题。再次，唐宋时期建立了完备的水旱灾害申报机制和检查制度，灾害发生后得以通过县――州――中央逐级奏报，保证了中央及地方机关应对灾害的实效性，抢占灾害防治先机。水利工程的完善、储粮备荒举措的推行以及灾害申报机制的健全使政府在面对水旱灾害时有了更多的应对空间。

（二）灾害治理

唐宋时期，政府在面对黄河中下游地区频繁发生的水旱灾害时积极采纳了系列措施，全力降低灾害带来的损失。首先，统治者将祈禳归入到国家礼仪制度中。唐宋时期受封建思想的影响，从中央到百姓普遍将水旱灾害归咎于天谴，是上天神明对人类活动的惩罚。唐宋时期便采用多种形式的祭祀活动祈求神灵眷顾，阴阳平衡；以帝王为首的统治阶级采取“避正殿、减膳、撤乐”等举措回应上天谴责，表达自我反省、忧国忧民、与民众共渡难关的决心。从统治者的角度来看，这种祭祀活动虽有祈求神明的初衷，但其真正的效果却体现在向百姓展现统治阶层与民共苦的思想，实现稳定民心的效果。其次，在政策方面免除受灾地区的赋税，并调动赈济粮实行灾民救助，灵活采用赈给、赈贷、赈粜等赈济方式保证灾民生命安全，“开仓放粮”是唐宋时期解决水旱灾害最直接、最有效的手段，一方面强化了民众对政府的信任力度，统治阶层地位得以巩固；另一方面灾民数量大幅减少，消除了社会不安定因素。再次，地方与中央的无缝配合，地方政府虽然在中央的统一调配下之行救灾任务，但同时与中央共同承担灾害造成的损失，也就是说用于赈灾的资金一部分来自中央财政，还有一部分则有地方自己承担。

（三）灾后修复

灾后的补救措施同预防、救治相辅相成。应灾救治虽然能够在短时期内取得实效，但并不能使灾民完全摆脱灾害影响。由此，唐宋时期政府采取了多种有利于人民修养生息的措施。首先，采取制度化的e复（e免、给复）举措减免灾民经济负担，灾后一段时间内受灾地区可免交赋税，保证了宽松的生产恢复环境，这有助于稳定受灾民众的情绪，促使其投入的新生活当中。在相对宽松的赋税环境下，受灾地区的生产、生活得以恢复，经济发展逐渐复苏。其次，政府综合采取帮助丧葬、房屋修葺、赎子等慈善恤民举措安抚民众，及时解决受灾民众的吃住问题，缓和社会矛盾，减低了水旱灾害造成的次生危害。再次，统治阶层厉行节俭为减轻赋税创造条件；利用授田等优惠措施鼓励流民返乡恢复农业生产。

三、唐宋时期黄河中下游地区水旱灾害对现代社会的启示

（一）重视民本思想

唐宋政府在水旱灾害时的各种应对机制从本质上讲是为了巩固中央对地方对百姓的统治地位，只有从民众那里才能获得长远利益。所谓的“仁政”实施的物质基础归根结底还是来源于百姓，所以上述种种举措未能从根本上使民众摆脱水旱灾带来的悲苦境遇，在唐宋时期水旱灾害肆虐 、饿殍遍地、民众穷困的现象依旧周期性出现。尽管如此，我们也应正确认识到在赈灾过程中民本思想体现出的价值。对保护民众生命财产、推动农业发展以及维护社会稳定等多方面都起到了重要的积极作用。从灾前预防、灾害治理到灾后修复，从中央到地方都是以民众利益为根本出发点，尽管从长远看利益最大方是统治阶级，但不可否认的是民众的困难得到了切实解决，生产生活得到了有效恢复。

现代社会中，自然灾难发生时政府方面应树立强烈的民本意识，从受灾群众的基本需求出发，在政策上、执政上体现出对民众的支持和关怀。今天的社会主义建设与唐宋时期的封建统治大不相同，当今社会的实际统治者是人民，政府的执政思想体现的就是广大民众的思想，只有切实解决了民众所需，民众所求，才能帮助受灾群众从困难中走出来。

（二）提高执政能力

唐宋时期黄河中下游地区水旱灾害的防治效果与政府的执政能力息息相关：快捷高效的灾情申报制度，完善健全的仓储应对机制，以及中央到地方从上到下的贯彻执行力都能影响到水旱灾害的实际防治效果。在以农业为主要经济支撑的唐宋时期，人类活动对环境的破坏影响并不大，水旱灾害的发生主要是不可抗力因素，因此无论在政通人和的年代还是在社会动荡的年代，水旱灾害并无规律可循。但值得注意的是，不同社会背景下的水旱灾害所造成的生产、生活、经济、社会影响是不同的。政通人和背景下，中央和地方执政能力强，社会的抗灾能力强，灾害发生后能够得到及时有效的治理，所造成的危害较小。例如，贞观十三年魏征的一封上谏书中提到，贞观初期自然灾害频发，但在政府的有效应对下政局动荡年代或统治者昏庸无能，地方官员贪污受贿的时期，水旱灾害发生后处于无人过问状态，社会救差，必然会加剧恶劣影响。而到了后期却因吏治黑暗而导致一般的灾害也能使得人们怨声载道。

（三）维护生态平衡

唐宋时期黄河中下游地区水旱灾害频发的一个重要原因是生态条件不佳，主要表现在地被植物覆盖率低，土壤松散、固结性差不利于调节生态平衡。黄河中下游地区属大陆季风气候，降水集中，水旱两极现象严重，因此维护好生态平衡，构造和谐的气候条件是根治水旱灾害的重要方式。一方面，选种抗旱能力较强的本地树种，扩大高原、山地等地形的植被覆盖率，固结土壤，防治水土流失，同时调节气候条件，增加空气湿度。另一方面，研发培育新树种应用到生态建设当中，发挥绿色植被的生态价值。此外，强化群众的生态意识，注重对现有植被进行保护，抵制乱砍滥伐，从而构建和谐的生态平衡关系。

四、结语

不可否认，水旱灾害的发生与自然环境和有关，然而人类活动造成的影响同样不容忽视，乱砍滥伐、植被破坏等现象，必然会导致水旱灾害的加速发生，鉴于生态环境对人类生存环境的重要作用，走人与自然和谐发展的道路势在必行。因此，面对水旱灾害，进行科学应对；预防和规避黄河中下游地区水旱灾害，是我们目前最重要的工作，也是作为人类生存，留给子孙们最好的礼物。

参考文献：

〔1〕袁野.唐代的洪涝灾害―两唐书・五行志有关记载研究[J].首都师范大学学报，2011（06）.

〔2〕殷淑燕、黄春长.唐代长安与洛阳都城水旱灾害研究[J].干旱区资源与环境，2014（08）.

〔3〕么振华.唐代自然灾害及救灾史研究综述[J].中国史研究动态，2014（11）.

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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.

关键词：地下洞室开挖；中导洞先行；有限元；顶拱开挖

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

中图分类号：TU9 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）01-0087-02

1工程概况

某水电站是金沙江河流规划中最下游一级巨型电站，电站装机容量6000MW，以发电为主，兼顾防洪、灌溉和拦沙，同时改善上、下游通航条件，并具有为上游梯级电站进行反调节的作用。枢纽建筑物主要有混凝土重力坝、左岸坝后厂房、右岸地下厂房、左岸通航建筑物和两岸灌溉取水口等。

2施工区工程地质

主厂房水平埋深126m～371m，铅直埋深110m～220m，厂房洞轴线走向NE30°，厂区岩层产状一般为60°～80°/SE∠15°～20°，厂房洞轴线与岩层成30°～50°夹角。主厂房地质条件复杂，岩层较差，有不稳定块体，地下水较为丰富，岩石透水性较好。主厂房第Ⅰ层顶拱岩性主要为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩透镜体及粗砂岩；岩层产状较平缓，倾角15°～20°，层状结构面对顶拱稳定影响较大，较易形成掉块或塌方；洞室顶拱以Ⅱ类围岩为主，有部分围岩为Ⅲ～Ⅳ类，厂房洞内出露的主要软弱夹层有JC2-2、JC2-3和JC2-4。JC2-2和JC2-3出露于4号机洞段顶拱、边（端）墙。JC2-4于厂房上、下游边墙出露。安装间顶拱上部分布有JC2-1，距顶拱的最小距离约6m，以8°～10°的倾角沿厂房轴线向NE侧边墙逐渐抬高。

3顶拱层开挖施工方式选择

在地下洞室开挖中，由于岩体中原有结构面的存在，再加上洞室开挖后应力重新分布与集中，以及爆破作业的影响，在洞室顶部一定范围内会形成岩石松散圈（破坏圈），当洞室跨度不太大，并且布置在坚硬完整岩石中时，松散圈内岩石相互挤压，将在洞室轮廓线外形成一个天然的岩石拱，但对于跨度大、顶拱比较平缓的地下厂房，将不利于承重岩石拱的形成。在开挖过程中，顶拱并不能依靠自身的应力调整形成具有自承能力的自然拱，要维持顶拱稳定，更多的要依靠支护的悬吊作用，当受到爆破开挖冲击荷载作用的时候，顶拱周围岩体还要考虑惯性力的作用，其受力状况相比具有自承能力的岩石拱而言，将要恶劣的多。因此，对于类似该水电站工程的大跨度地下厂房顶拱层，选择何种施工程序和开挖方法，以及如何处理开挖与支护的关系、选择合适的支护时机，都是亟待解决的关键工程技术问题。

3.1 顶拱受力特性分析在受力特征分析的基础上，利用有限元计算，对比分析不同开挖方法下厂房顶拱各特征部位的应力、位移特征，并根据动态力学特性分析结果，提出合理的大跨地下厂房顶拱层施工程序及方法。在实际施工中，针对顶拱层开挖成型质量及施工进度，并结合爆破振动监测、松动圈检测、收敛观测等成果，对该工程地下厂房顶拱层总体开挖效果作出评价，以确定合理的大跨地下厂房顶拱层施工程序和开挖方法。

3.1.1 理论分析在地下洞室开挖中，由于岩体中原有结构面的存在，再加上洞室开挖后应力重新分布与集中，以及爆破作业的影响，在洞室顶部一定范围内会形成岩石松散圈（破坏圈），在一定情况下，岩石松散圈可能与岩体分离，并试图向坑道的的方向移动，岩石的内聚力阻止这一移动，当岩石的内聚力不足以阻碍松散圈的移动时，坑道顶部就可能发生塌方。按照M.M.普罗托奇雅科洛夫（普氏）的山岩压力理论，当坑道开挖时在其上部形成的塌方上部边界具有抛物线的形状，并叫做压力拱。当洞室跨度不太大，并且布置在坚硬完整岩石中时，松散圈内岩石相互挤压，将在洞室轮廓线外形成一个天然的岩石拱，并承受因自重而产生的主要荷载；而当岩石地质条件不够理想时，塌落拱本身不能承受自身重量，也就不具有自稳能力，承重岩石拱将从塌落拱外缘开始形成，在这种情况下必须对松散圈内岩石进行加固，以促使自然拱的内边界移向隧洞的轮廓线。从上面有关自然拱的理论可以看出，隧洞顶部岩石承重拱的形成主要取决于四个因素：岩石地质条件、洞室跨度、洞室上部轮廓形状和围岩加固手段，对于同处于完整坚硬岩石中的洞室，跨度小的高拱隧洞比较容易形成岩石拱，但对于跨度大、顶拱比较平缓的地下厂房，将不利于承重岩石拱的形成。对于隧洞上部的塌落拱范围内的岩石，可以看作是在本身自重作用下产生变形的拱，而对于顶拱平缓的地下厂房，这种岩石拱更应被看作是一种梁的形式，很显然，这种“梁”的受力状况是不如拱形岩石圈的。厂房顶部的松散圈类似于一个“岩石梁”，在利用锚杆加固时，下部岩石重量基本上由其上部岩石承受，换句话说，深层部位的岩石通过一根根钢筋将下部的“岩石梁”悬吊住，这有点象桥梁中的“悬索桥”，这时锚杆所起的作用是一种悬吊作用。厂房顶拱的这种“岩石梁”特性对开挖是不利的，因为在开挖过程中，顶拱并不能依靠自身的应力调整形成具有自承能力的自然拱，要维持顶拱稳定，更多的要依靠支护的悬吊作用，当受到爆破开挖冲击荷载作用的时候，顶拱周围岩体还要考虑惯性力的作用，其受力状况相比具有自承能力的岩石拱而言，将要恶劣的多，所以在洞室开挖过程中，除设计中既有的锚杆支护数量外，还要对岩石加强支护，特别是对一些潜在的不稳定楔形体和拱顶部位，要加大锚杆的长度，必要时还要采取预应力锚杆和锚索的支护措施。

3.1.2 有限元分析利用ANSYS有限元计算软件针对不同断面洞室进行应力计算分析，计算模型的选取以该工程一小断面隧洞和地下厂房顶拱层开挖作为参考原型。计算选用平面应变分析方法，模型考虑线弹性，只考虑重力的作用，岩石物理力学参数选取如下：弹性模量20Gpa，泊松比0.22，密度2700kg/m3。计算得出的应力等值线图如图1、2所示。由图1中可看出，在小隧洞的拱顶部位出现了比较连续的水平压应力区，并且等值线呈现与拱顶轮廓线平行的趋势，隧洞岩体的相互挤压将其所受的竖直方向的压应力向拱座的方向传递，计算结果在一定程度上反映了隧洞上方岩石拱的形成机理。而对于跨度较大的地下厂房，情况则不一样了，从图2中可看出，在拱顶一定范围内出现了水平拉应力，而且在洞顶轮廓线外压应力区的应力等值线并不是沿着洞室轮廓线的方向，这说明在洞顶并没有形成可以改善受力的岩石拱。从计算结果还可看出，在厂房拱角和拱座附近存在比较严重的压应力集中，这也是值得注意的问题。

3.1.3 顶拱层不同开挖程序的有限元分析利用ANSYS有限元计算软件对厂房顶拱在两种开挖方法下的应力分布进行分析，考虑中导洞领先和两侧导洞超前两种情况，最终计算得到的应力分布情况如图3、图4所示。从图3中反映的应力分布情况来看，两侧导洞超前洞周应力状况还是比较良好的，只是在两个拱角部位有比较明显的应力集中，中间保留岩柱部分存在竖直向的压应力，这和东风主变室顶拱施工中的情况是吻合的。采用中导洞领先时，虽然洞室跨度减小了，但因为洞室形状近似于矩形，受力情况不理想，从图4中可看出，洞室顶部在拱冠部位存在一定的水平拉应力区，但范围并不大，但是竖直向却存在较大范围的拉应力区，这可能是由于中导上部轮廓近乎是直线，所以顶部并没有形成比较明显的到达洞室边墙外侧的岩石拱(压应力区)，导致导洞顶部松散圈范围比较大，四个边角部位有明显的应力集中，在施工中必须采取措施避免这种情况的出现。

3.2 厂房顶拱层开挖方案比选从理论分析的结果来看，厂房顶拱层在开挖后存在两个比较薄弱的地方：一个是拱座存在应力集中，而另一个就是拱冠部位可能存在的松散岩石圈。从这两个基点出发可以很容易得出对开挖程序的两种不同考虑：①先挖厂房两侧，提前加固拱座，增加施工期安全；②先挖中间导洞，减小一次开挖跨度，以保证厂房拱冠部位的局部稳定。以上两种方法的出发点都是为了保证厂房顶拱在施工期的安全，并且在实际施工中都有采用，对15座可以收集到资料的地下厂房顶拱层开挖方式进行统计，结果如下：采用两侧导洞超前开挖的工程有：十三陵、大朝山、龙滩，共3个；采用中导洞超前开挖的工程有：小湾、瀑布沟、广蓄一期、小浪底、二滩、大广坝、东风、水布垭、三板溪、百色、索风营、琅琊山，共12个。在东风水电站建设过程中，为了研究厂房顶拱层的开挖程序问题，先期在主变室顶层开挖时作了试验。在主变室顶层开挖时，首先考虑采用了两侧导洞超前的开挖方法，但在施工中发现了不少问题：①两侧导洞开挖后，中间岩柱受应力过分集中，非但没有起到支撑围岩的作用，反而在爆破中间岩柱时引起顶拱变形的突增（下沉达3.52cm），在龙滩地下厂房的开挖过程中也出现了类似情况；②中间岩柱对两侧导洞施工干扰较大，大型施工机械在导洞内无足够的回转余地；③双侧导洞开挖后，扩挖中部时顶拱轮廓线与两边已成轮廓线衔接部位的小三角体造孔困难，易形成顶部超欠挖，影响光面爆破质量，同时壁面岩石局部产生应力集中发生掉块影响施工安全。因为上述种种原因，所以在厂房施工时改用了中导洞超前的施工方法。

4开挖施工程序选择

从实例分析，针对该工程可以得出以下结论：①地下厂房顶拱层开挖过程中，最危险的部位是拱冠部位，施工中必须采取适当的措施保证拱顶部位的稳定，在拱顶暴露后应及时对其进行支护，而且支护参数可能要考虑开挖爆破的影响，在设计支护的基础上予以加强；②顶拱开挖以中导洞超前为宜，由于顶拱比较平缓，并不能很有效的在顶拱浅处形成承重岩石拱，这使得中部岩石的竖直向荷载并不能通过拱的作用很快传于拱座，所以提前加固拱座意义不大；另外，当采用两侧导洞超前的施工方法时，中间保留岩柱的压应力集中使得在后续拆除时，顶拱产生比较大的位移变形；③从方便施工的角度考虑，中导领先有利于大型施工机械的展开，主要是中导开挖后，两侧扩挖过程中，可以使得两个工作面上的开挖作业实现有序衔接；④顶拱层两侧扩挖后要及时对拱角进行支护加固，以保证顶拱开挖支护后的整体稳定。

参考文献：

[1]G H Shi. Discontinuous deformation analysis:a new numerical model for the statics and dynamics deformable block structures.Engineering Computations.1992.9(2).

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关键词：湿地 污水处理 地下水 影响

0 引言

随着社会的发展和城市化进程的加快，城市用水量越来越大且废水排放量也日渐增多，而相对的淡水资源却愈发短缺，这就要求城市发展急需采用有效的废水处理系统，将废水处理后回收利用[1]。当前城市污水处理有污水处理厂、污水灌溉、污水直接排放等，但是这些方式要么成本高、要么污染环境，面临此问题，应用湿地系统对城市污水进行处理得到了研究和运用。

湿地系统是利用生态系统原理和自然科学原理，采用植物、虫类、微生物等自然界物质对污水进行净化的过程系统[2]。湿地系统虽然对城市污水具有一定的净化处理效果，但是由于污水量的增多和湿地系统建设的不合理等原因，湿地系统污水处理时不可避免的出现各种缺陷，对地下水造成一定的影响。

1 基本概念

湿地一般可以分为自然湿地和人工湿地两类，自然湿地是指自然条件成长而形成的一块湿地区域，人工湿地是指为了某种需要，模拟自然湿地进行人工设计和建造形成了水、土、植被、动物等组成复合生态系统。

人工湿地系统一般用来处理污水，主要有人工填料和水生植物组成，主要通过利用湿地系统中的填料-水生植物（动物）-微生物等相互之间的物理、化学、生物的协调作用，通过转变、过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收、微生物分解等过程对污水进行净化处理。人工湿地系统一般分为表面流湿地、水平潜流湿地、垂直流湿地三种。

2湿地系统处理污水理论

2.1 污水处理机理

当人工湿地系统建设成熟后，填料表面和植物根系中自然生长许多微生物，进而形成生物膜和土壤间隙，污水流过时固体废物被填料和根系阻挡，有机污染物质则被吸附和异化进行去除。根系对氧的传递释放作用，改变湿地中的氧环境状态，直接将污水中的氮、磷等物质作为营养成分进行吸收，通过硝化、反硝化作用进行去除，最后通过定期更换湿地的填料、植物等使污水进行循环处理净化。总的来说，是通过植物的代谢作用、微生物的分解作用、物质的物理和化学反应机理等对污水进行处理。

2.2 湿地污水处理的作用和优势

湿地污水处理由于其建设简单、价格便宜、污水处理效果好、操作简单、维护方便、较高的氨氮去除率、较强的抗冲击负荷能力等优势特点，在生活污水和城市污水处理中得到了广泛应用，特别是农村生活污水处理、城市污水处理厂二次处理中发挥了重要的作用。同时，使污水处理和环境调解相结合，不仅可以提供水源、补充地下水、防止自然灾害，清除污染物，还可以保护植被和城市生物多样性。

2.3 湿地污水处理的缺陷

人工湿地城市污水处理虽然具有较大的优势和良好作用，但是也不可避免的出现一些问题，如人工湿地系统占地面积大、处理污水过程慢、易受到病虫害和气候变化的环境影响等缺陷存在。最主要的三个问题如下：

（1）湿地堵塞。人工湿地处理城市污水经过时间积累，各种污染物悬浮物的聚集会导致湿地系统效能降低。虽然通过吸附和沉淀可以拦截去除许多污染悬浮物和污染无机物等，但是久而久之会造成湿地堵塞。

（2）污水处理出水水质不稳定。一方面随着城市人口增加和用水量增加，进入湿地的污水浓度和污水量过大，超过湿地系统的负荷；另一方面冬季气候严重降低湿地系统污水处理效率，不但导致出水水质不达标，还导致污水流入自然污染环境。

（3）设计难以达到精准要求。生物和水力复杂性加大了对其污水处理机制、工艺动力学和影响因素的认识理解，引起的人工湿地设计和建设不合理导致人工湿地不但污水处理不合格，反而变成了污染源。

总之，湿地城市污水处理最大问题和影响就是对地下水环境造成影响，由于湿地系统的设计、建设、维护、负荷不足、机能破坏、植物更新等不及时导致污水流入地下，附带的硝态氮、磷、重金属离子等对地下水造成严重污染和影响。

3湿地处理污水对地下水的影响

人工湿地城市污水处理由于负荷过大、进水污染度过高、进水量过大、植被生态破坏、湿地系统失效等原因易出现造成地下水污染的情况。

3.1 导致地下水硝酸盐化的影响

湿地处理污水的流入使地下水的硬度和含盐量都会大幅度增加，特别是湿地污水处理后形成的硝化污泥，其中的硝态氮由于其易溶性和不易被土壤吸收性的性质特征，直接造成地下水污染，甚至引起“肥水”现象。地下水硬度和含氮量的提高，土壤中的氨离子产生硝化反应生产硝酸盐会直接加重地下水的硝酸盐变化污染。

3.2 重金属离子污染地下水的影响

城市污水由于含有工业污水所以含有大量的重金属离子，湿地系统的土壤对重金属离子具有较强的吸附作用，阻止重金属离子向地下水中移动，但是人工湿地隔离壁的破坏会导致重金属离子纵向迁移至地下水，造成地下水污染。对Zn、Cu等重金属离子进行淋滤实验可以表明，土壤汗水植物可以吸附和沉淀重金属离子，在表层10cm以下积累时，重金属离子就会出现向下移动的趋势，从而导致地下水重金属离子污染。

3.3 生物致病物质对地下水的影响

人工湿地系统由于其潮湿、植物、微生物等原因，在城市污水处理过程中，由于污染物的积累会产生各种寄生虫、细菌、病毒、有毒微生物等，这些物质流入土壤迁移至地下水中，将对地下水造成严重的污染。研究表明，一些病毒和细菌由于其微小、存活率高的特性通过迁移作用，通过土壤空隙时不会被土壤吸收和过滤，容易直接进入地下水系统，地下水受到病毒、细菌感染污染十分严重，极有可能通过传染造成大范围地下水受到污染，对地下水质环境、人们生活等都造成严重影响。

3.4 污水处理形成的有机物对地下水的影响

城市工业污水含有的、污水处理中产生的各种有机物质，在湿地污水处理过程中一般流入土壤通过迁移进入地下水系统，将对地下水造成污染，研究表明某些城市地下水受到有机物污染造成致癌物质的达几十种。

3.5 湿地污水处理对地下水的整体影响

人工湿地系统的构造是模拟自然湿地生态系统在某一区域进行挖掘建设，由于培养各种植物、营造土壤环境导致地层表层被破坏，人工湿地离地下水更加接近。一般情况下污水的排放会受到土壤的吸附、过滤、同化和沉淀等作业阻止其流入地下水，地层被人工湿地系统破坏后，污染一旦在湿地系统中出现泄漏和溢流，就极容易进入地下水，从而导致地下水受到破坏和影响。

4结论

在分析湿地系统运行机理和优缺点的基础上，表明在湿地系统遭到破坏等各种因素影响下，湿地城市污水处理会对地下水造成严重影响。

从湿地城市污水处理导致地下水硝酸盐化、重金属离子污染、产生生物致病物质、形成有毒的有机物、整体影响等方面详细分析湿地污水处理对地下水的影响。

参考文献

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塔拉滩地区位于共和盆地西南部，距海南州共和县城约3．0km由于滩地的地表水匮乏，地下水未开发利用，塔拉滩地区居民人畜饮水及农灌水均来源于低于滩地带200余米黄河抽取，而地下蕴藏有丰富的地下水资源没有利用，生态环境却因缺水而不断恶化、土地严重沙化、草原不断退化，合理开发利用地下水资源已迫在眉睫，塔拉滩地区生态环境治理和改造已刻不容缓。

1地下水形成的自然条件

1．1地理位置

塔拉滩位于群山环抱的共和盆地中部黄河左岸，平面上呈东宽西窄的“葫芦”状北北西向展布，南北长约25km，东西宽约66km，面积约1．38万km2。地势上以3°～10°的坡降自北西向东南倾斜，至最低处的龙羊峡水库水面海拔高度仅为2574m。涉及共和县7个乡9个行政村、有人口21885人，有草地面积208843hm2，耕地面积662hm2，牲畜存栏25．3万头(只)。因受严重缺水条件限制，经济发展相对滞后，铁盖乡全乡人均纯收入仅为1000元左右，受气候环境条件的影响，塔拉滩地区风沙大，生态环境恶化，环境治理用水也异常紧缺。

1．2气象及水文条件

塔拉滩地区具有日照强烈、冬寒夏凉、日温差较大、降水集中、干旱少雨、风沙大、无绝对无霜期、气温低、冷热剧变等特点。盆地多年平均气温1℃～5．2℃，多年平均降水量为310．5mm，多年平均蒸发量1751．4mm，一般风速9m/s～10m/s，最大风速12．3m/s～18．3m/s。共和盆地干旱少雨，自然条件较差，导致地表水系不甚发育，区内主要有三大水系:1)沙珠玉河发源于盆地西部的阿拉丘一带，汇水总面积5703km2，全长95km，由泉水汇集而成，自西向东注入达连海湖，沙珠玉河多年平均径流量16232×104m3。2)恰卜恰河是黄河一级支流，河流长约70km，流域面积817km2。山口处测得瞬时流量0．483m3/s，出山后2km～3km即渗入地下，转化为地下水，至上再次溢出，转为地表水，年径流量达2828．78×104m3/年，最终流入黄河。3)黄河发源于巴颜喀拉山北麓山区，龙羊峡坝址断面的多年平均流量为640m3/s，总径流量202×108m3/年。

1．3地质及水文地质条件

1．3．1地形地貌及地层条件滩地由一塔拉、二塔拉、三塔拉组成，塔拉台表部地形平坦开阔，三个塔拉由北而南从低级到高级呈阶梯状排列，东西向自山区至平原区由高到低，滩地带高出黄河400余米，滩地东缘的黄河谷地形呈多级阶地，其中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ级阶地已被龙羊峡水库淹没。共和盆地在第四纪早～中更新世内陆沉积环境中，堆积了厚达300m～1000m的松散堆积物，下部为一套早更新统亚粘土、亚砂土、中粗砂、粉细砂地层，表部覆盖了上更新统亚砂土、亚粘土、砂砾石、中粗砂、中细砂层，为盆地第四系孔隙水的赋存运移创造了良好空间。

1．3．2地下水的形成与分布具独立补径排水文地质系统特征的共和盆地地下水，严格受控于地质构造、地层岩性及地貌环境背景条件。滩地西部及北部的基岩山区是滩地地下水的补给区，广大滩地带富含丰富的埋藏深、分布较广的松散岩类孔隙半承压、承压水。共和西盆地是一个半封闭的盆地，南北山区是地下水的形成区，以大气降水补给为主。而山前平原和盆地中央是地下水的径流排泄区，地下水以径流为主，黄河谷地则是盆地地下水的主要排泄区。

1．3．3地下水的补径排条件

(1)滩地地下水来源于滩地周边基岩山区，周边基岩山区是滩地地下水的补给区。盆地北部的青海南山和南部的河卡南山，由于山区基岩，构造、风化裂隙发育，地形陡峭，大气降水迅速汇集沟谷或渗入基岩裂隙中，减少了水分的蒸发，有利于地表水和地下水的形成。另外山区气温低，降雪时间长达5个月，大量积雪于4月份融化，集中补给地下水，有利于地下水的形成。基岩裂隙水又以泉的形式排泄于沟谷中汇成地表径流，在出山口后大量渗入地下，形成第四系松散岩类孔隙潜水。大气降水形成山区地表水和地下水，它们是盆地地下水的主要补给来源，因此山区是地下水的补给区，山区沟谷是盆地地下水的补给通道。

(2)山前倾斜平原和盆地中央是地下水的径流区。无论是潜水、承压水或半承压水都是接受山区沟谷地下径流的补给和山区地表径流出山口后迅速入渗补给。其中盆地西部地区，山前倾斜平原地下水径流补给盆地中央带为半承压水，新哲农场以西，由于断裂及背斜的阻水作用，地下水位抬高，并形成大片沼泽、湿地，一部分地下水消耗于蒸发，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;南北山前倾斜平原地下水在山前断裂带附近形成地下跌水，补给盆地中央带地下水;沙珠玉河也从上游至下游由排泄地下水逐渐变为补给地下水;盆地东部地区，地下水主要接受西部邻区半承压水向东径流补给、沙珠玉河的侧向补给和山区地表水的渗入补给，并于恰卜恰河转弯处及黄河左岸溢出地表，分别排泄。

(3)黄河谷地是地下水排泄区。由于黄河深切，使共和盆地成为外泄盆地，共和西盆地上更新统含水层受黄河强烈切割影响，含水层直接，地下水在黄河Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ级阶地前缘形成阶梯状泄出带。

2地下水资源评价及开发利用前景

2．1地下水资源评价据前人资料，利用泉水泄出量统计法，武雷村黄河左岸—沙有村一带测得恰卜恰河谷右岸泉水泄出量Q1=6．68×104m3/d，拉干峡—武雷村黄河左岸测得泉水泄出量Q2=21．58×104m3/d，二者之和即为整个塔拉滩地区地下水天然径流量的主值，Q泄=Q1+Q2=28．26×104m3/d，由于龙羊峡水库的蓄水，部分泉水溢出点成为淹没区，2008年4月～6月测得塔拉滩地区东缘黄河左岸泉水总流量为15．571×104m3/d。恰卜恰河谷右岸泉水泄出量为5650．34m3/d，占整个塔拉滩地区泉水泄出量的3．63%，一塔拉地区东缘黄河左岸测得泉水流量2．702×104m3/d，占整个塔拉滩泉水总流量的17．35%，即一塔拉地区地下水天然径流量的主值为2．702×104m3/d，二塔拉地区东缘黄河左岸测得泉水流量7．852×104m3/d，占整个塔拉滩泉水总流量的50．53%，三塔拉地区东缘黄河左岸测得泉水流量5．017×104m3/d，占整个塔拉滩泉水总流量的32．22%。塔拉滩地区地下水水化学类型为HCO3•Cl•SO4—Na•Ca型或Cl•SO4—Na•Ca型或Cl•HCO3—Na•Ca型水，呈无色、无味、无嗅，透明，矿化度小于1．0g/L，水质达到人畜饮用及工农业用水水质标准。

2．2地下水的开发利用前景

塔拉滩地区由于地下水位埋深较大，交通不便，主要为农牧民居住，基本上没有开采地下水，地下水处于天然状态。铁盖乡位于黄河左岸塔拉台上，塔拉台高出黄河约300m～400m，目前铁盖乡居民饮用水靠从恰卜恰河谷采用泵站提水解决，农灌用水依靠从黄河采用三级泵站提灌解决。铁盖乡全乡人均纯收入仅为1000元左右，没有能力负担高昂的水费，因此大部分费用均由政府承担，每年政府需要耗费大量的财力解决铁盖乡的人畜饮用水及灌溉用水问题。而当地的地下水位埋深200m，水位高出黄河200m，开采塔拉滩地下水资源意味着可少做200m提水的无用功，还不包括泵站在运行过程中的成本及维护费用。因此合理开采地下水资源可极大的降低取水成本、减少黄河泵站运行成本及维护费用、减轻政府的经济负担，所以塔拉滩地区地下水的开发利用已势在必行。塔拉滩地区东缘黄河左岸地下水总排泄量达15．571×104m3/d，这个排泄量可近似认为是地下水天然径流量，恰卜恰河河谷右岸地下水泄出量为5650．34m3/d，一塔拉地下水排泄量为2．7×104m3/d，二塔拉地下水排泄量为7．85×104m3/d，三塔拉地下水排泄量为5．017×104m3/d。这些地下水泄出量可近似作为允许开采量的极限值，则一塔拉地区允许开采量为2．702×104m3/d，二塔拉地区允许开采量为7．852×104m3/d，三塔拉地区允许开采量为5．017×104m3/d。目前，仅在一塔拉马汉台一带有少量机井开采地下水，开采量不足2000m3/d，其余地段地下水处于天然状态，故塔拉滩地区地下水开采潜力巨大。地下水的开采方式为机井，抽水设备为深井潜水电泵。开采井宜垂直地下水流向布置。一塔拉地下水埋深100m～150m左右，含水层岩性主要为下更新统河湖相粗砂、中细砂，布井间距1．0km～1．5km，井径325mm～377mm，井深300m～400m，单井涌水量600m3/d～2000m3/d;二塔拉地下水埋深180m～250m左右，含水层岩性主要为下更新统河湖相中砂、细砂，布井间距0．8km～1．2km，井径325mm～377mm，井深500m～700m，单井涌水量在1000m3/d～3000m3/d;三塔拉地下水埋深300m～380m左右，含水层岩性为早更新世河湖相中细砂，水位埋深大，开发利用成本较大，建议开采河卡滩地下水向三塔拉地区输水，或加大二塔拉地区的开采量向三塔拉输水。

2．3地下水开发利用对生态环境的影响程度

塔拉滩泉水泄出量15．571×104m3/d，黄河在龙羊峡坝址多年平均流量5529．6×104m3/d，泉水泄出量仅占河水流量的0．307%，开采塔拉滩地下水对龙羊峡水库基本上没有影响。开采塔拉滩地下水，对黄河岸边的泉水有明显的影响，对由泉水形成的小湖泊影响较大，可能存在泉水断流及小湖泊干枯现象。由于泉水及湖泊均位于龙羊峡库区的沙漠化地区，少量泉水断流及小湖泊干枯对生态环境影响不大。塔拉滩地下水的开采会造成泉水流量的减小，在泉口附近生长的植被减少或消失，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计。塔拉滩地区地下水位埋深100m～300m，现有旱生植被对地下水没有依赖性，因而开采地下水对塔拉滩地区植被影响甚微，仅对泉口泄出带的植被有较大影响，从地面测绘的调查结果来看，黄河岸边泉水泄出带多为沙化严重地区，泉水泄出量的减少不会产生更严重生态环境的问题。现状条件下塔拉滩沙漠化处于扩展状态，草场退化加剧，水土流失严重。塔拉滩上现有的植被与地下水位埋深没有丝毫关系，地下水合理开采不会对现有植被造成危害，同时由于地下水的开采利用灌溉可有效的加强塔拉滩植被的生长，防止土地沙化的扩展，减少水土流失。通过对1985年～2006年的共和盆地牧草生长气象因素分析，除了气温因素对牧草的生长起着决定性作用外，降雨量对牧草的生长也起着重要的作用，也就是说水对植被的生长有着至关重要的作用，合理的利用地下水资源可极大的改善塔拉滩地区的生态环境。塔拉滩地区土地沙化缺水，而地下却蕴藏着丰富的地下水，水位高出黄河水100m～200m，就地开采地下水可节省大量的电力资源，同时开采地下水并加以开发利用可避免大量的水资源白白流失。综上所述，开采塔拉滩地下水资源不仅不会造成生态环境的恶化，而且可以节约大量生产成本，解决人畜饮水困难，可在改善生态环境的同时加快塔拉滩的合理开发利用。

3塔拉滩地区生态环境现状及治理措施

3．1生态环境现状

塔拉滩总面积为2136km2，海拔2600m～3200m之间。因受缺水条件限制，土地利用率较低，经济发展相对滞后，铁盖乡全乡人均纯收入仅为1000元左右，受气候环境条件的影响，区内风沙大，生态环境恶化，环境治理用水特别紧缺。塔拉滩地区土壤类型为栗钙土、轻壤或沙壤。土层厚度在40cm～60cm的约占60%，100cm左右的土层不足1/3，这种土壤一旦失去植被的保护，在强风的侵蚀下极易遭风蚀，造成沙漠化及水土流失。塔拉滩原生植被优势种为克氏针茅、紫花针茅、青海固沙草、岌岌草、扁穗冰草、细叶苔草等。由于气候温暖干旱，草地沙化、退化，草群的牧草种类单纯，以旱生丛生禾草克氏针茅、岌岌草、青海固沙草为优势种，伴生种有细叶苔草、针茅、赖草、早熟禾、火绒草、一裂委陵菜、多裂委陵菜等牧草。塔拉滩生态环境恶化主要表现在四个方面:1)沙漠化处于扩展状态。2)草场退化加剧。3)水土流失日趋严重。4)草原鼠害猖獗，毒杂草危害严重。

3．2生态环境治理的措施

治理的主要措施:1)治理的核心是解决水的问题，兴建水利设施，建立草原灌溉系统，实施打井取水、建池蓄水和节约用水制度，充分利用得天独厚的地下水资源进行植树种草、防沙固沙治理工程建设。2)做好休牧育草工程，切实抓好草地退牧休牧育草工程。3)通过营造防护林、水土保持林、林田防护林网和实施草地围栏。4)加强退化的草场治理，培育和引进适合塔拉滩地区气候特点的耐寒、耐旱经济林木与优良牧草种植，实施人工种草、飞播种草、围栏封育等措施。5)应建立健全水资源监测系统，做到科学用水、统一管理、统一规划，提高用水效率，加强节约用水新观念，树立保护水资源思想意识，使水资源系统维持一种良性循环状态，以达到水资源永续利用的目的。

4结语

(1)塔拉滩地区赋存有较丰富的松散岩类孔隙水。地下水的补给来源主要是西部邻区半承压水向东的径流补给以及沙珠玉河的侧向补给，其次为山区地表水的渗漏补给和南部阿让山地下水少量的侧向补给;径流区为沙珠玉河至塔拉滩东缘之间;排泄区为塔拉滩东缘黄河左岸及东北缘的恰卜恰河拐弯处，大部分以泉的形式、少部分以地下暗流的形式排泄于黄河及恰卜恰河中。塔拉滩地区赋存有较丰富的松散岩类孔隙水，含水层为第四系早更新世河湖相中细砂层，地下水类型为承压、半承压水。

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[关键词]地下水 岩土工程 危害 预防

[中图分类号]P641 [文献码]B [文章编号]1000-405X（2013）-6-193-1

水文地质条件指的是自然环境中，地下水的运动和变化情况。水文地质学就是以地下水为主要研究对象的一门学科，其主要研究内容在于地下水的形成与分布规律，地下水对于矿山开采与工程施工所产生的危害与防治措施。如何合理利用地下水资源，以及地下水的化学成分和物理性质等等。岩土工程与水文地质条件之间是相互作用、相互联系的关系，对于水文地质条件较为复杂的区域，水文地质勘察应为岩土工程设计和施工过程中首要的考虑因素。

1 地下水对岩土工程造成的危害

1.1 地下水快速升降所导致的岩土工程危害

地下水的快速升降会导致岩土膨胀的均匀性降低。进而出现胀缩变形问题，一旦地下水发生短时间内的频繁升降现象，则岩土会出现往复性的膨胀收缩变形，且岩土的膨胀收缩幅度会明显增加，并产生地裂现象，并破坏轻型建筑物的稳定性和使用寿命。在自然情况下。地下水的动态压力会较小。且不会产生较为严重的危害，然而，一旦地下水受到人工工程施工等因素的影响，则其天然动力平衡状态会受到破坏，受到动水移动压力的影响，常会对岩土工程产生较为严重的影响，主要表现为基坑突涌、管涌、流砂等。

1.2 地下水位降低对岩土工程造成的危害

人为因素是导致地下水位降低的主要原因，主要包括下游水库的修建或是上游筑坝截夺地下水补给、采矿活动疏干矿床以及大量集中抽取地下水等等。若地下水位降低现象较为严重，则会造成水质恶化、地下水源枯竭、地面塌陷、地面沉降、地裂等恶性的地质灾害，并严重威胁人类的生活和工作环境，以及建筑物和岩土体的稳定性。

1.3 地下水位上升对岩土工程造成的危害

导致地下水发生水位上升的原因较为复杂。主要包括施工或浇灌等人为因素；气温或降雨量等水文气象因素；总体岩性产状和含水层结构等地质因素。但大部分情况下是多种因素共同作用的结果。地下水位上升对于岩土工程造成的危害主要表现为：建筑物失稳、基础上浮、地下洞室充水沉没：粉土和粉细砂管涌、流砂、饱和液化等现象；破坏非凡性的岩土体结构，导致其发生软化、强度降低等变化；河岸、斜坡、岩土层崩塌或是滑移等地质灾害现象；土壤盐渍化、沼泽化，导致地下水和岩土严重腐蚀建筑物。

2 防治措施

粉土层、粉砂和细砂是管涌和流砂现象发生率最高的部位，在低塑性饱和粘土中，一旦其受到扰动因素的影响，则会出现流砂现象，而粗颗粒土的流砂现象发生率则较低。因为地下水的管涌和流砂现象会导致严重的工程危害，因而在实际的施工过程中，应对地下水进行适当处理，从而保证工程的顺利完成，提高工程施工的安全性。地下水对岩土工程危害常用的预防方法包括：

（1）帷幕设置法。

帷幕设置法指的是通过设置打设搅拌桩、地下连续墙、打设板桩或者其他防水介质的方式来避免地下水发生基坑渗入现象，这也是深基坑工程施工较为常用的危害预防方法，但仍然需要通过人工降水法来达成基坑内降水的目标。

（2）井点降水法。

井点降水法需要在基坑周围预先设置特定数量的滤水管，通过抽水设备将地下水完全抽出，保证地下水位下降低至坑底处，并保持到工程完成。井点降水法能够在降低流砂发生率的同时，实现岩土工程施工条件的逐步改善。另一方面，因为地下水位下降时会同时产生土体自重作用和动水压力向下作用，进而增强地基土的自身承载能力，并压密基底土层。井点降水法根据不同的吸水方法和原理，以及系统设置情况，分为深井井点、管井井点、电渗井点、喷射井点和轻型井点。

（3）集水井明排法。

在基坑开挖深度达到地下水位后，应将适当坡度的排水明沟设置在基坑周围或是基坑两侧，并将集水井设置在基坑四角以及每隔30至40cm距离的位置上，保证地下水能够进入集水井内，并通过水泵抽出基坑。通过集水井明沟排出地下水的方法具有操作简便、经济性好等优势，然而，这一方法仅仅适用于地下水位较低以及土质较好的基坑开挖工程。在开挖基坑达到地下水位后，可通过集水井将地下水排出，若坑壁或坑底的土粒呈现为随地下水流动的状态，并持续涌入基坑，则可将其称为流砂现象。流砂现象发生后，则岩土层的承载力会逐渐消失，并会在开挖的同时冒出。进而降低设计深度开挖的准确性，导致较大的工程施工困难。流砂现象发生的主要影响因素在于动水压力的方向和大小。因而，保持动水压力平衡或是减低动水压力是最为主要的流砂防治措施，其具体方法包括：井点降低地下水位、打钢板桩法、抢挖法等。

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关键词：地下水；富集规律；成因分析

中图分类号：P64 文献标识码：A

四川省北部盆周山地红层低山丘陵区水资源贫乏，区内无大中型水利设施，加之大气降水时空分布差异极大，水资源分布时空极度不均，造成该地区缺水严重，人畜饮用水困难。然而区内砂、泥岩浅层风化带内普遍赋存有地下水，通过调查，该区浅层地下水开发利用条件具如下特点：1、地下水分布普遍；2、埋藏浅、开采方便；3、水质较好、适宜饮用；4、可持续开采。结合该红层地区农户“居住分散、用水量少”的需水特征，红层丘陵区的地下水资源特征与当地农村家庭的用水需求状况具有极佳的结合点，实践也证明开发利用地下水资源解决农村饮用水问题具有投资省、见效快、供水保障率高、水质好、少占地、易管理等优点，还会对该地区的生态环境建设提供坚实支撑。但普遍分布的浅层地下水中Fe、Mn含量普遍较高，为了充分利用好地下水资源，必须全面掌握该地区的地下水中Fe、Mn元素的分布形成和富集规律，科学开发地下水。采取简便可行的方式处理地下水中的Fe、Mn元素，以发挥其清洁、方便和廉价的优势。

一、地下水中Fe、Mn的危害

四川省红层低山丘陵地区找水打井工程调查与区划项目已实施两期，无论是四川盆地红层丘陵区，还是盆周山地区，红层浅层（15～25m）地下水化学特征中最显著、最普遍的特征就是Fe、Mn含量偏高。Fe、Mn是构成生物体的基本元素之一，但是，Fe、Mn元素过量也会给人们的生活和生产带来很多不便和危害。

在用水井取水过程中，呈溶解状态的Fe容易被氧化而沉淀，堵塞井壁，导致水井出水量减少甚至不得不废弃水井。从感官上讲，Fe、Mn含量偏高的水会产生令人不愉快的颜色和独特的臭味，而且会在衣物、器具上着色，很不美观。从生理学上讲，人体摄入过量的Mn，会造成相关器官的病变。日本东京郊区曾发生过居民饮用受Mn污染的井水而患病死亡的事件。Mn对人体有慢性中毒现象，对Mn矿工人的调查资料表明，他们患有类似于精神分裂症的强烈的精神障碍症。对于工业用水，如造纸工业、纺织工业、食品工业、酿造工业等，过多的Fe、Mn含量会使产品的质量下降，造成很大的经济损失。

二、Fe、Mn元素的背景特征

Fe、Mn在地下水中的存在形式主要为离子态。众所周知，Fe、Mn均为变价元素，价态的改变可引起离子性质的变化，导致其化学性质也发生改变。如Mn离子随电价的增高而离子半径逐渐缩小，离子电位和电负性相应增高，引起离子的非金属性增强表现在Mn的氧化物性质上，由碱性（低价态）向酸性（高价态）变化。Mn的亲合力低于Fe的亲合力，因此，Mn的二价氧化物比Fe的二价氧化物稳定区大，即使存在其他阴离子（如HCO3-、SO42-）时，可溶性的Mn的稳定区也比可溶性的Fe的稳定区大，因此，在相同条件下，地下水中的Mn2+比Fe2+易迁移富集，因而，地下水中Mn2+含量应比Fe2+含量高，但是，本区地下水形成的Mn2+、Fe2+的条件并不相同，尤其是原生沉积环境中岩石的Fe、Mn含量差异很大（见表1），Mn的丰度为505～589ppm，Fe的丰度为28778～32355ppm，相差达56倍，因此，地下水中仍然是Fe2+含量高于Mn2+离子含量，这与原生沉积环境和本次采样试验结果相符。

三、Fe、Mn元素的分布特征

通过以苍溪县红层低山丘陵区地下水的调查以及41组水样分析试验（见表2）为例，四川省北部盆周山地红层低山丘陵区地下水水质具有如下特征：

1绝大部分示范井（井深18～25m）都有Fe、Mn检出。27组水样中有25组Fe元素检出，检出率达92.6％，超标14组，超标率达34.15％，Fe含量最高达0.989mg/L，最大超标倍数为3.3倍；27组水样中有25组Mn元素检出，检出率达92.6％，超标9组，超标率达21.95％，Mn含量最高达0.489mg/L，最大超标倍数达4.9倍。而14组民井、大口井（井深1.0～15.0m）水样Fe、Mn检出均为2组，检出率仅14.3％，即便检出，其值也很低。由此可见，随着井深的增加、径流逐渐减弱，Fe、Mn含量有逐渐增高的趋势，加上地下水从上向下的越流补给，使Fe、Mn含量逐层积累，也导致了地下水中Fe、Mn含量随深度的增大而增加。

2从Fe、Mn含量偏高的井孔所在的微地貌部位来看，在地下水径流速度较快的补给区，地下水中的Fe、Mn含量相对较低；而在台状低山深丘平台、缓坡带，尤其是分布规模较大的平台后缘、低洼宽谷等地带，为地下水排泄区或埋藏区，地下水Fe、Mn含量相对较高且分布普遍，这与该带地下水水位埋藏浅、处还原环境或弱氧化环境有关；该带地下水径流速度缓慢、以及上覆土层较厚，上覆岩土中含大量有机质，有机质成分、腐殖酸与厌氧菌的活动，致使地下水中Fe、Mn普遍偏高。

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【关键词】地源热泵环境影响

中图分类号：B845.6 文献标识码：A

0 引言

地源热泵是一种新型、环保、节能的空调系统。地源热泵利用地下水、地表水（水源热泵）或者土壤（土壤源热泵）作为热源，实现夏季制冷、冬天供热的高效节能空调系统。地源热泵冬天从地下水、地表水或者土壤中采热，夏季将热量排入，减少了热污染。Swardt、Derder[1，2]等通过试验及数值模拟表明，地源热泵的制热容量、制冷系数等方面优于空气源热泵，而且地源热泵的运行费用也显著低于空气源热泵。

由于地源热泵的经济性优势，近年来地源热泵作为一种新型的节能空调系统应用越来越加广泛。在政府的鼓励和支持下，地源热泵成了一种新的发展热潮。目前国内市场上销售的地源热泵国内外品牌已经有100家左右，使用地区也已经遍布全国[3]。如此的发展浪潮下，地源热泵所产生的环境影响也愈加受到国内外广大学者的关注。例如地表水源热泵会使水体局部温度上升或者下降，地下水源热泵的回灌不完全，可以造成地面下沉等问题，土壤源热泵利用使土壤温度不均匀而导致热泵实效等。

1 水源热泵应用度环境的影响及解决方案

1.1 地表水源热泵对环境的影响及解决方案

地表水源热泵直接或者利用地表水（江、河、湖泊、水库）进行换热的方式作为机组的冷热源。地表水源热泵夏季将热量直接排入水中，冬季直接从地表水中获取热量，尽管地表水之间能够散热或者吸热，但是排放或者吸取的热量不能够及时补充，就会对水体温度场的分布造成影响。当水温升高的时候，水中的溶解含氧量就会降低，从而加速了水中有机物的分解，更加增大了耗氧量，而且水温的升高加速藻类植物以及水草的生长，这对水类动物也会造成影响，甚至造成鱼类的死亡。

目前国内外学者对地表水源热泵的对环境的影响以及解决方案方面的研究比较少。但是国内外学者近年来对电厂附近排水对环境的影响做过许多的调查研究，以此可以作为地表水源热泵对环境解决方案的参考。为了限制电厂排水对环境的影响，许多国家对排水温度做了限制，例如英国在1961年提出了最高排水温度的规定和限制，法国70年代规定河水温度不得超过30℃，1988年我国出台相关政策规定江、河、湖泊、水库等具有适用功能的地面水水域, 人为造成的环境水温变化应限制在夏季周平均最大温升不大于1℃ ,冬季周平均最大温降不大于2℃ [ 4 ] 。

1.2 地下水源热泵对环境的影响及解决方案

地下水源热泵通过打造抽水井群将地下水抽出，与水源热泵机组直接换热，夏季将热量释放至地下水中，冬天从地下水中提取热量，经过热量交换后，由回灌井群回灌到地下。

地下水源热泵，由于地下水抽出后，不能实现完全的地下回灌，因此地下水位会降低，从而使土层中孔隙水压力降低，造成地层密度变大，地面沉降。对于沙层严密的地面，当水位恢复后，沉降容易消除，但是对于粘性图层，水温即使回复后，土层回弹性不大，这种造成的地面沉降是永久性的。我国部分地区使用地下水源热泵回灌不彻底，造成地面沉降的情况已经出现，地面沉降可造成地面建筑物受损甚至会造成海水倒灌、河床升高等问题。

地下水源热泵还会影响地下水质。地下水源热泵使用中，地下水抽取、回灌过程中，地下水难免会与外界的空气接触，导致地下水氧化，由此而引起地质化学变化、地质生物变化等水文地质问题。而且地下水管路材料的防腐措施不彻底，也会造成管路、换热器等出现结垢、腐蚀，从而影响水质。

为了杜绝、降低地下水源热泵对环境的影响，我国政府已经出台一些政策，严格控制地下水的开采、使用。地下水源热泵使用前，应该对使用地区地质进行严格的地质勘测，在容易引起地面塌陷的条件下限制使用地下水源热泵。地下水源热泵也可以采用井口换热器，不将换热器放入地下水中，避免了地下水与空气的直接接触，从而减少了空气对地下水的污染。

2 土壤源热泵应用度环境的影响及解决方案

土壤源热泵是利用地下土壤的热量，通过中间介质载体在封闭的地下埋管中流动，从而实现热泵机组与土壤之间的换热。与地表水源热泵相比，地下土壤5m以下全年土壤温度稳定并且约等于当地地区年平均温度，可以在夏冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。土壤源热泵利用地下换热器与土壤实现吸热和放热，减少了空调系统对地面空气的热和噪声污染，实现了真正意义上的节能减排。但是土壤源热泵也具有一些缺点：我国北方地区，冬季从土壤中使用的热量大于夏季向土壤排放的热量，使得土壤温度逐渐降低；南方地区，夏季向土壤排放的热量大于冬季从土壤中提取的热量，导致了土壤的温度逐渐升高。单一使用土壤源热泵，土壤的温度不能够及时的恢复，从而导致了热效率的下降甚至热泵机组的实效[ 5] 。

土壤源热泵从土壤中吸热和排热破坏了土壤的热平衡，因此对土壤源热泵加以辅助热源，使土壤能够及时的恢复热量平衡。许多学者做了相关研究并在工程实践中已有部分应用。北方地区，冬季可以使用锅炉或者太阳能集热器向土壤提供热量；南方地区，夏季向土壤中排放的热量可以通过辅助冷却塔来散热，或者利用周围景观喷泉等来散热，也可以将废热回收利用，从而减少土壤源热泵向土壤中的热量排放[ 6] 。

3 结语

本文分析了地表水源热泵、地下水源热泵、土壤源热泵对环境的影响，并且提出了一些解决方案。地源热泵是一种真正意义上的节能、减排、节能的新型空调系统，通过对其缺点的一些控制，可以得到更加广泛的应用前景。

[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] 机电信 息调研 组. 2 00 6 年全 国中 央空调 市场 总结报告 ( 第七部分 水源 / 地源热泵市 场总结报告 ) [ J] .机电信息, 200 7 , 25 : 16 - 2 7 .

[ 4 ] 张文宇. 上海世博园大型地表源热泵对黄浦江水环境的影响分析 [ D ] . 上海: 同济大学硕士学位论文,2007 .

[5] 殷平，地源热泵在中国[C].2001年全国热泵和空调技术交流会论文集，2001