城市地下水环境场变异与土结构相互作用的理论分析

孔洲(山东科技大学，山东 青岛 266590)

0 引言

城市区域的地下水以及岩土结构的研究以及管理是城市地质环境治理的最主要因素，也是防治城市地质灾害的要素。随着经济的发展以及社会的进步，高层建的建设对地下地质环境的变化产生较多的影响，岩土的表部特征、岩土结构都影响了地下水的结构以及环境场，从不同的角度进行地下水环境的研究以及图结构相互作用的分析，强化治理水平，让城市建设更加科学、可持续。

1 城市地下水动力厂变异对岩土结构的影响

城市地下水的动力场变异是影响城市岩土结构最常见的方式。城市地下水下降引起地面水位以及孔隙水压的变化会间接地改变岩土的孔隙特点，土壤之间的颗粒应力传播也会发生变化。地下水的动力条件发生改变岩土结构在段时间内会发生颗粒充足、碰撞、沉积、流失以及孔隙压力收缩的情况，最终会引发城市地质结构的变化，严重的时候甚至会引起地质灾害和环境地质效应的变化。

地下水在城市内存在过度采集的情况，会形成大面积的区域性降落漏斗，发生粘性土释水以及含水层、滞水层的压缩现象，进一步便会导致地面发生沉降的情况，大面积的负荷形变和低层水平位移，都会间接地引发地质灾害。地下水的楔入作用和冰楔作用对地下水周边的岩土结构产生较大的压力，岩土体裂因为受到的外界压力比较大很容易引发崩塌和滑坡的新乡。在黄土结构的城区内，就地下水的楔入作用会让土粒之间的接触效力减少，最终让岩土之间的大孔性特征发生变化，黄土因为浸水产生了沉陷现象，最终引发黄土湿陷的现象。

影响城市地下水动力场变异的原因主要有两种：

一种是地质结构内内外动力变化情况受到各种自然因素错综影响，地下水的赋存的外在地形环境变化最终让城市地下环境的水环境以及土壤性质都受到较多的影响。

一种是城市人类工程在建设以及开采的过程中过度使用资源，外在的人为作用给地质环境造成了一定的负荷，地下水与岩土结构之间作用互相渗透、互相影响，最终造成城市地下水的动力厂变异。

2 城市地下水化学场变异对沿途结构的影响

城市区域的地下水化学性质活泼易于发生变化，城市地下水涵盖了地下水、地表水以及大气水，三类水资源循环扰动，天然的成分正在逐渐减少，人类生活的各类污染物质逐步流入到地下水系统中，造成城市岩土机率增大，加之地下水的影响很容易发生氧化还原反应。

城市地下水的组成成分较为复杂，不同类型的地下水有不同的原始化学反应条件，在化学反应的过程中与周围的岩土以及介质发生不同的反应，包括溶滤作用、混合作用、浓缩作用以及生物化学作用。城市地下水增加了大气降水使得土壤中的水矿化度提高，渗透水中的有机质氧化消耗溶解氧，使得地下结构中的二氧化碳含量提升，城市土壤中植被的种植会分泌出大量的有机酸，有机酸溶解岩土中的矿物成分融入地下水中会改变地下水的pH 值和化学成分，而土壤中植被根部分泌的二氧化碳酒也会降低土壤的pH 值，酒促进许多矿物质融入到水中，一旦化学平衡被打破，地下水的化学成分也会发生较大的改变。

由于人类的外部活动干扰给地下水的化学性质、物理性质以及生物性质发生变化，造成地下水的化学场都发生变异，尤其是城市的地下水是一个复杂、动态的系统工程，影响因素众多，主要的化学场变化因素有以下几点：

第一，地下水中的二氧化碳分压不断提高，空气中的二氧化碳含量随着生态环境的改善而不断加强，例如温室效应、冰川熔化导致咸水内流进入到地下水系统，给原有的淡水体系化学场造成影响，水内二氧化碳含量的增加造成钙、镁等难溶解的岩土结构物质都融入到地下水系统内，造成地下水硬度增加。

第二，地下水中的氢离子、硫离子的浓度不断提高。大量的塑料制品在土壤结构中的掩埋以及分解都给生态环境的稳定带来较大的压力，尤其是二氧化硫的增加引发酸雨现象使得地下水内的氢离子和二氧化硫的浓度都大大增加，地下水中各项酸性离子的增加对岩土中的方解石、白云石产生腐蚀作用，使其被化学反应引发地下水中的钙离子以及镁离子含量增加，可见，地下水的化学场发生改变给岩土结构的稳定性造成了较大的影响。

第三，城市日常的建设对生态环境的破坏和影响是比较严重的，农业上大量使用化肥、农药给地下水造成了较为严重的污染，工业废水处理不当导致有毒物质以及重金属流入到地下水系统内，造成地下水的化学成分变得非常复杂，例如地下水内氯离子的浓度提升与日益严重的生活污染严重有紧密地关系，污染物的地下水化学成分变得非常复杂，给周围的生态环境带来了较大的负担。

地下水动力场和化学场变异因素综合在一起会改变地下水的压力、水位、径流条件、渗流路径、方向以及速度，二者影响因素是互联互通的，两场之间的变异对水土介质动态系统的影响也是更加复杂、多层次的，最终会影响整个地下生态系统的稳定性以及平衡性，加剧水土化学作用，发生相应的岩土力学效应，需要重点做改善和影响效果的跟进，确保地下水系统在城市底部可以稳定运行。

3 城市地下水物理变异对土壤结构的影响

地下水的物理性质也会因为动力场、化学场的变化发生改变，地下水对岩土结构的物理作用也具有一定的影响效应。城市地下水对土体有润滑、软化以及泥化的作用，地下水的物理变异和动力条件的改变会在直接接触土壤的时候产生较多的影响，包括水赋存给地质条件变迁产生影响，间接地引发地震、滑坡以及泥石流等地质灾害。

城市地下水在与土体不连续边界的时候产生阻力作用，随着物理性质的变迁地下水对土壤的摩阻力减小，在不连续面上剪应力效力增强，诱发土体发生剪切运动，使得土体的摩擦力减小，土壤内的粘粒效果不能发挥出来，此时会大大降低地下水都周边土壤结构的润滑作用。

地下水对土体的软化和泥化作用主要表现在影响土体结构的物理性质，土体结构面中的充填物含水量随着外界环境的改变不断变化，物理性质发生从固态向塑态直至液态弱化的变化，地下水的结晶胶结作用对土体性质从强化向软化转变，最终削弱了土壤颗粒之间的连接效应，降低了土体抗剪强度，使得土壤之间的小颗粒水膜变厚，土壤结构的稳定性发生改变，地下水对土壤结构的软化和泥化作用也就大大降低。

4 城市地下水生物场变异对土体结构的影响

对于城市地下水内含有的生物种类，随着生态环境的日益复杂，城市地下水内的生态系统的复杂性也大大增强，地下水内含有的生物对于城市岩土地质结构的影响也是很多的，水土之间的影响是相互的，也是长期的。随着地下水生态环境的改变，生物废物以及工业废水等不同污染物造成地下水内的生物很容易发生突变的现象，地下水生物场的变化也造成地下岩土结构的稳定性受到影响。

城市地下水的生物场变异主要是城市人类生活不合理活动造成的，包括对地下水的过度开采、岩土体开挖运搬、地表处理、工业三废处理不断给以及生活垃圾处理不合理等生态问题都会造成地下水以及岩土表面的生物存在变异的情况，影响城市地下水生物场发生变异的因素主要有：

首先，随着城市建设而产生的许多不合理建设行为给地质环境带来了较多的压力，例如水体富营养化、地下水污染等问题都给地下水生物变异创造了促进条件，直接或间接地造成生物场变异，产生正效应以及负效应对地下的岩土结构稳定产生影响。

其次，工业三废以及温室气体的排放造成温室效应和气候变强，对地下土体以及地下水中微生物的生长环境造成了改变，间接地导致了水体内生物变异。废水废气在其中的不科学处理也让整个城市的生态系统遭受污染，生态平衡受到影响，环境条件的改变给微生物群种大量繁殖造成影响，同时也会让不相适应的种群在不健全的生态系统内被抑制，甚至是被淘汰，在一定程度上减少了微生物种类的丰富性，让水体结构以及岩土结构的生物性能都发生了改变，稳定性也受到了影响。

最后，城市建设给地下水系统结构、流动都产生了影响，地下水入渗、补给、水力联系造成地下水水力状态受到影响，加速地下水的污染进程，水环境变异出现迁移，造成微生物分布状态发生改变。受到这些因素的影响，地下岩土结构总孔隙度、孔隙数量以及分布发生改变，土壤中的微生物活性以及分布发生了变化，通气以及透水的情况都受到影响，加速了对岩土结构的破坏，也让土壤结构内的生物活性发生了较大的改变。

5 结语

城市的地下水系统是城市地质环境中最为活跃以及变化最快的要素，是地质环境研究以及地质环境保护的过程中最重要的部分，随着城市建设的加深以及加快，地下水系统发生了较多的改变，包括动力场变异、化学场变异、物理场变异以及生物场的变异，不同的变化给城市的地质岩土结构产生了较多的影响，本文分析了城市地下水不同的变异对周边土壤结构产生的影响，深度研究地下水与岩土结构之间的关系，科学利用二者之间的关系优化改善城市的地质环境稳定以及平衡，最终对我国社会的和谐长远发展奠定良好的基础。