城市地下水環(huán)境場變異與土結(jié)構(gòu)相互作用的理論分析

孔洲(山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

0 引言

城市區(qū)域的地下水以及巖土結(jié)構(gòu)的研究以及管理是城市地質(zhì)環(huán)境治理的最主要因素，也是防治城市地質(zhì)災(zāi)害的要素。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及社會的進(jìn)步，高層建的建設(shè)對地下地質(zhì)環(huán)境的變化產(chǎn)生較多的影響，巖土的表部特征、巖土結(jié)構(gòu)都影響了地下水的結(jié)構(gòu)以及環(huán)境場，從不同的角度進(jìn)行地下水環(huán)境的研究以及圖結(jié)構(gòu)相互作用的分析，強(qiáng)化治理水平，讓城市建設(shè)更加科學(xué)、可持續(xù)。

1 城市地下水動力廠變異對巖土結(jié)構(gòu)的影響

城市地下水的動力場變異是影響城市巖土結(jié)構(gòu)最常見的方式。城市地下水下降引起地面水位以及孔隙水壓的變化會間接地改變巖土的孔隙特點(diǎn)，土壤之間的顆粒應(yīng)力傳播也會發(fā)生變化。地下水的動力條件發(fā)生改變巖土結(jié)構(gòu)在段時間內(nèi)會發(fā)生顆粒充足、碰撞、沉積、流失以及孔隙壓力收縮的情況，最終會引發(fā)城市地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，嚴(yán)重的時候甚至?xí)鸬刭|(zhì)災(zāi)害和環(huán)境地質(zhì)效應(yīng)的變化。

地下水在城市內(nèi)存在過度采集的情況，會形成大面積的區(qū)域性降落漏斗，發(fā)生粘性土釋水以及含水層、滯水層的壓縮現(xiàn)象，進(jìn)一步便會導(dǎo)致地面發(fā)生沉降的情況，大面積的負(fù)荷形變和低層水平位移，都會間接地引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。地下水的楔入作用和冰楔作用對地下水周邊的巖土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的壓力，巖土體裂因為受到的外界壓力比較大很容易引發(fā)崩塌和滑坡的新鄉(xiāng)。在黃土結(jié)構(gòu)的城區(qū)內(nèi)，就地下水的楔入作用會讓土粒之間的接觸效力減少，最終讓巖土之間的大孔性特征發(fā)生變化，黃土因為浸水產(chǎn)生了沉陷現(xiàn)象，最終引發(fā)黃土濕陷的現(xiàn)象。

影響城市地下水動力場變異的原因主要有兩種：

一種是地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)內(nèi)外動力變化情況受到各種自然因素錯綜影響，地下水的賦存的外在地形環(huán)境變化最終讓城市地下環(huán)境的水環(huán)境以及土壤性質(zhì)都受到較多的影響。

一種是城市人類工程在建設(shè)以及開采的過程中過度使用資源，外在的人為作用給地質(zhì)環(huán)境造成了一定的負(fù)荷，地下水與巖土結(jié)構(gòu)之間作用互相滲透、互相影響，最終造成城市地下水的動力廠變異。

2 城市地下水化學(xué)場變異對沿途結(jié)構(gòu)的影響

城市區(qū)域的地下水化學(xué)性質(zhì)活潑易于發(fā)生變化，城市地下水涵蓋了地下水、地表水以及大氣水，三類水資源循環(huán)擾動，天然的成分正在逐漸減少，人類生活的各類污染物質(zhì)逐步流入到地下水系統(tǒng)中，造成城市巖土機(jī)率增大，加之地下水的影響很容易發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

城市地下水的組成成分較為復(fù)雜，不同類型的地下水有不同的原始化學(xué)反應(yīng)條件，在化學(xué)反應(yīng)的過程中與周圍的巖土以及介質(zhì)發(fā)生不同的反應(yīng)，包括溶濾作用、混合作用、濃縮作用以及生物化學(xué)作用。城市地下水增加了大氣降水使得土壤中的水礦化度提高，滲透水中的有機(jī)質(zhì)氧化消耗溶解氧，使得地下結(jié)構(gòu)中的二氧化碳含量提升，城市土壤中植被的種植會分泌出大量的有機(jī)酸，有機(jī)酸溶解巖土中的礦物成分融入地下水中會改變地下水的pH 值和化學(xué)成分，而土壤中植被根部分泌的二氧化碳酒也會降低土壤的pH 值，酒促進(jìn)許多礦物質(zhì)融入到水中，一旦化學(xué)平衡被打破，地下水的化學(xué)成分也會發(fā)生較大的改變。

由于人類的外部活動干擾給地下水的化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)以及生物性質(zhì)發(fā)生變化，造成地下水的化學(xué)場都發(fā)生變異，尤其是城市的地下水是一個復(fù)雜、動態(tài)的系統(tǒng)工程，影響因素眾多，主要的化學(xué)場變化因素有以下幾點(diǎn)：

第一，地下水中的二氧化碳分壓不斷提高，空氣中的二氧化碳含量隨著生態(tài)環(huán)境的改善而不斷加強(qiáng)，例如溫室效應(yīng)、冰川熔化導(dǎo)致咸水內(nèi)流進(jìn)入到地下水系統(tǒng)，給原有的淡水體系化學(xué)場造成影響，水內(nèi)二氧化碳含量的增加造成鈣、鎂等難溶解的巖土結(jié)構(gòu)物質(zhì)都融入到地下水系統(tǒng)內(nèi)，造成地下水硬度增加。

第二，地下水中的氫離子、硫離子的濃度不斷提高。大量的塑料制品在土壤結(jié)構(gòu)中的掩埋以及分解都給生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定帶來較大的壓力，尤其是二氧化硫的增加引發(fā)酸雨現(xiàn)象使得地下水內(nèi)的氫離子和二氧化硫的濃度都大大增加，地下水中各項酸性離子的增加對巖土中的方解石、白云石產(chǎn)生腐蝕作用，使其被化學(xué)反應(yīng)引發(fā)地下水中的鈣離子以及鎂離子含量增加，可見，地下水的化學(xué)場發(fā)生改變給巖土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成了較大的影響。

第三，城市日常的建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的破壞和影響是比較嚴(yán)重的，農(nóng)業(yè)上大量使用化肥、農(nóng)藥給地下水造成了較為嚴(yán)重的污染，工業(yè)廢水處理不當(dāng)導(dǎo)致有毒物質(zhì)以及重金屬流入到地下水系統(tǒng)內(nèi)，造成地下水的化學(xué)成分變得非常復(fù)雜，例如地下水內(nèi)氯離子的濃度提升與日益嚴(yán)重的生活污染嚴(yán)重有緊密地關(guān)系，污染物的地下水化學(xué)成分變得非常復(fù)雜，給周圍的生態(tài)環(huán)境帶來了較大的負(fù)擔(dān)。

地下水動力場和化學(xué)場變異因素綜合在一起會改變地下水的壓力、水位、徑流條件、滲流路徑、方向以及速度，二者影響因素是互聯(lián)互通的，兩場之間的變異對水土介質(zhì)動態(tài)系統(tǒng)的影響也是更加復(fù)雜、多層次的，最終會影響整個地下生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及平衡性，加劇水土化學(xué)作用，發(fā)生相應(yīng)的巖土力學(xué)效應(yīng)，需要重點(diǎn)做改善和影響效果的跟進(jìn)，確保地下水系統(tǒng)在城市底部可以穩(wěn)定運(yùn)行。

3 城市地下水物理變異對土壤結(jié)構(gòu)的影響

地下水的物理性質(zhì)也會因為動力場、化學(xué)場的變化發(fā)生改變，地下水對巖土結(jié)構(gòu)的物理作用也具有一定的影響效應(yīng)。城市地下水對土體有潤滑、軟化以及泥化的作用，地下水的物理變異和動力條件的改變會在直接接觸土壤的時候產(chǎn)生較多的影響，包括水賦存給地質(zhì)條件變遷產(chǎn)生影響，間接地引發(fā)地震、滑坡以及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

城市地下水在與土體不連續(xù)邊界的時候產(chǎn)生阻力作用，隨著物理性質(zhì)的變遷地下水對土壤的摩阻力減小，在不連續(xù)面上剪應(yīng)力效力增強(qiáng)，誘發(fā)土體發(fā)生剪切運(yùn)動，使得土體的摩擦力減小，土壤內(nèi)的粘粒效果不能發(fā)揮出來，此時會大大降低地下水都周邊土壤結(jié)構(gòu)的潤滑作用。

地下水對土體的軟化和泥化作用主要表現(xiàn)在影響土體結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)，土體結(jié)構(gòu)面中的充填物含水量隨著外界環(huán)境的改變不斷變化，物理性質(zhì)發(fā)生從固態(tài)向塑態(tài)直至液態(tài)弱化的變化，地下水的結(jié)晶膠結(jié)作用對土體性質(zhì)從強(qiáng)化向軟化轉(zhuǎn)變，最終削弱了土壤顆粒之間的連接效應(yīng)，降低了土體抗剪強(qiáng)度，使得土壤之間的小顆粒水膜變厚，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)生改變，地下水對土壤結(jié)構(gòu)的軟化和泥化作用也就大大降低。

4 城市地下水生物場變異對土體結(jié)構(gòu)的影響

對于城市地下水內(nèi)含有的生物種類，隨著生態(tài)環(huán)境的日益復(fù)雜，城市地下水內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性也大大增強(qiáng)，地下水內(nèi)含有的生物對于城市巖土地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響也是很多的，水土之間的影響是相互的，也是長期的。隨著地下水生態(tài)環(huán)境的改變，生物廢物以及工業(yè)廢水等不同污染物造成地下水內(nèi)的生物很容易發(fā)生突變的現(xiàn)象，地下水生物場的變化也造成地下巖土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到影響。

城市地下水的生物場變異主要是城市人類生活不合理活動造成的，包括對地下水的過度開采、巖土體開挖運(yùn)搬、地表處理、工業(yè)三廢處理不斷給以及生活垃圾處理不合理等生態(tài)問題都會造成地下水以及巖土表面的生物存在變異的情況，影響城市地下水生物場發(fā)生變異的因素主要有：

首先，隨著城市建設(shè)而產(chǎn)生的許多不合理建設(shè)行為給地質(zhì)環(huán)境帶來了較多的壓力，例如水體富營養(yǎng)化、地下水污染等問題都給地下水生物變異創(chuàng)造了促進(jìn)條件，直接或間接地造成生物場變異，產(chǎn)生正效應(yīng)以及負(fù)效應(yīng)對地下的巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

其次，工業(yè)三廢以及溫室氣體的排放造成溫室效應(yīng)和氣候變強(qiáng)，對地下土體以及地下水中微生物的生長環(huán)境造成了改變，間接地導(dǎo)致了水體內(nèi)生物變異。廢水廢氣在其中的不科學(xué)處理也讓整個城市的生態(tài)系統(tǒng)遭受污染，生態(tài)平衡受到影響，環(huán)境條件的改變給微生物群種大量繁殖造成影響，同時也會讓不相適應(yīng)的種群在不健全的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)被抑制，甚至是被淘汰，在一定程度上減少了微生物種類的豐富性，讓水體結(jié)構(gòu)以及巖土結(jié)構(gòu)的生物性能都發(fā)生了改變，穩(wěn)定性也受到了影響。

最后，城市建設(shè)給地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、流動都產(chǎn)生了影響，地下水入滲、補(bǔ)給、水力聯(lián)系造成地下水水力狀態(tài)受到影響，加速地下水的污染進(jìn)程，水環(huán)境變異出現(xiàn)遷移，造成微生物分布狀態(tài)發(fā)生改變。受到這些因素的影響，地下巖土結(jié)構(gòu)總孔隙度、孔隙數(shù)量以及分布發(fā)生改變，土壤中的微生物活性以及分布發(fā)生了變化，通氣以及透水的情況都受到影響，加速了對巖土結(jié)構(gòu)的破壞，也讓土壤結(jié)構(gòu)內(nèi)的生物活性發(fā)生了較大的改變。

5 結(jié)語

城市的地下水系統(tǒng)是城市地質(zhì)環(huán)境中最為活躍以及變化最快的要素，是地質(zhì)環(huán)境研究以及地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的過程中最重要的部分，隨著城市建設(shè)的加深以及加快，地下水系統(tǒng)發(fā)生了較多的改變，包括動力場變異、化學(xué)場變異、物理場變異以及生物場的變異，不同的變化給城市的地質(zhì)巖土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較多的影響，本文分析了城市地下水不同的變異對周邊土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，深度研究地下水與巖土結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，科學(xué)利用二者之間的關(guān)系優(yōu)化改善城市的地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定以及平衡，最終對我國社會的和諧長遠(yuǎn)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。