赤城井水溫趨勢轉(zhuǎn)折上升原因分析

張子廣，盛艷蕊，馬利軍，王曰風(fēng)，朱振興，丁志華

（1.河北省地震局預(yù)測研究中心，石家莊 050022；2.河北省地震局張家口中心臺，河北 張家口 075000）

0 引言

近年來井水溫高精度數(shù)字化觀測越來越普及，已是地下流體學(xué)科重要觀測項目之一。水溫對地震的孕育過程具有靈敏的響應(yīng)特征，越來越受到有關(guān)學(xué)者的關(guān)注?，F(xiàn)今井水溫響應(yīng)地震機(jī)理、水溫動態(tài)各種特征研究、水溫前兆異常及震例分析已有諸多研究成果［1－9］。

赤城井水溫數(shù)字化觀測始測于2002年，觀測儀器為SZW－1A 型數(shù)字式溫度計。2010年底至2011年初該井水溫由下降趨勢轉(zhuǎn)折上升，2012—2013年度震情會商提出作為趨勢異常進(jìn)行跟蹤。通過觀測環(huán)境調(diào)查與分析，認(rèn)為赤城井水溫趨勢轉(zhuǎn)折上升的原因主要是縣城境內(nèi)河道環(huán)境治理的影響，是地震前兆異常的可能性不大。

1 井孔基本參數(shù)

赤城地震臺地處燕山北麓，山地丘陵區(qū)，內(nèi)陸氣候；臺基巖性及地質(zhì)年代為太古界紅旗營組花崗片麻巖。構(gòu)造部位位于北票－張家口與赤城－沙城斷裂交匯處。地理坐標(biāo)為115.8°E，40.9°N。赤城井處于潮白河水系白河流域，白河河道總流域面積4 048.3km2，赤城縣境內(nèi)長141.9km，流域面積4 040km2，河道比降為10‰～15‰。兩岸地勢較開闊，河道多年平均流量7.1 m3／s，枯水季節(jié)最小流量0.27m3／s［10］。赤城井完鉆69.59 m，現(xiàn)井深69.45 m，成井日期為1977年8月，第四系厚度11.9m，套管深度54m，直徑146mm，觀測層深度54.00～69.45m，孔口標(biāo)高886.8m。含水層巖性為花崗片麻巖，地下水類型裂隙承壓水，水位埋深20～26m，水溫11℃～12℃。受北部云州水庫放水影響，往往出現(xiàn)水位加速上升，水溫同步下降現(xiàn)象。

2 水溫動態(tài)特征

赤城井2001年數(shù)字化改造后，流體測項包括水位和水溫，輔助測項有同層水溫和氣壓。水溫有2套儀器并行觀測，即水溫（地?zé)幔?、水?（地?zé)?）?！八疁?”是九五數(shù)字化改造之前安裝的儀器，“水溫”則是2001年數(shù)字化改造時新增安裝的觀測儀器。水溫和水溫1分別置于井下58m 和53m 處。多年來，記錄較為穩(wěn)定且觀測動態(tài)同步，逐年呈現(xiàn)溫度緩慢下降的態(tài)勢（圖1）。

圖1 赤城井水溫、水位日均值曲線

數(shù)字化改造新增的“水溫”，置于井下58m 處，2002—2004年觀測不穩(wěn)定，尤其是2004年5—7月，觀測值連續(xù)上升，由5月1日的11.773 7 ℃上升至7月31日12.224 4℃，從8月初開始與水溫1同步變化（圖2）。上升原因沒有查明。赤城井沒有進(jìn)行溫度梯度測量。

圖2 2002—2004年水溫、水溫1日均值曲線

3 水溫趨勢轉(zhuǎn)折上升原因分析

近幾年赤城井周圍主要的環(huán)境改變是白河河道縣城段治理，因此，從河道治理方面入手，調(diào)查了白河河道縣城段治理和云州水庫放水的基本情況，收集了井孔附近的地溫觀測資料。

3.1 白河河道縣城段治理

白河河道縣城段是白河綜合治理第一期工程，即白河灣公園。于2009年8月開工，2010年10月9日完成蓄水，蓄水量40 萬m3，枯水期蓄水量35萬m3。白河灣公園蓄水湖面面積17萬m2，水面高程876.3m。工程范圍從上游小榆溝匯入口到廟區(qū)下游山嘴，治理河道長度2 400m，建設(shè)橡膠壩2座，船閘1座，硬化湖底20萬m2，圖3是白河灣公園位置圖。

白河河道地層主要為沖洪積的砂礫卵石層，與湯泉河（白河支流）河道地層相同，滲漏量較大。為了保證蓄水減少滲漏，對河道蓄水位以下，采用復(fù)合土工膜覆蓋上澆混凝土的方法進(jìn)行了河道防滲處理。湯泉河河道防滲處理后，日均滲漏水位下降為0.013～0.020m／d，低于設(shè)計0.025m／d標(biāo)準(zhǔn)［11］。據(jù)了解白河河道治理后日均滲漏水位下降也能達(dá)到0.013～0.020m／d。

3.2 320cm 地溫資料分析

收集了赤城縣氣象局近年來的氣溫和地溫觀測資料，即2008年以來320cm 的地溫月均值資料（圖4）。地溫觀測點位于赤城井南約3km 處（圖3）。

圖3 赤城井、320cm 地溫測點、白河灣公園位置示意圖

圖4 赤城氣象站320cm 地溫、氣溫曲線

3.3 云州水庫放水對水位、水溫的影響

云州水庫位于縣城北偏西，赤城井距離云州水庫約20km，水庫與縣城由白河連接。云州水庫2004年以來每年放水，水庫放水期間赤城井水位表現(xiàn)為快速上升變化，水溫則同步下降。云州水庫放水情況見表1和圖5。

表1 云州水庫歷年給北京輸水情況統(tǒng)計表

圖5 云州水庫歷年輸水量及輸水時間

3.4 水溫上升原因分析

赤城井水位2002—2010年基本呈現(xiàn)平穩(wěn)變化，2010年底開始，水位年高值有一個下降趨勢，2011年初年低值有下降趨勢（圖5）。井孔附近河道蓄水，理論上認(rèn)為不管是滲入補(bǔ)給還是地面水體荷載，水位應(yīng)呈上升變化，可實際水位趨勢出現(xiàn)了下降。對該現(xiàn)象的合理解釋是：河道防滲漏硬化，河水下滲量相對減少。

河道治理之前，云州水庫放水往往引起水位快速上升，而后快速恢復(fù)下降。如2004—2007年的幾次放水，赤城水位就是這種動態(tài)特征。河道改造之后，對應(yīng)水庫放水的水位變化，一般呈現(xiàn)上升現(xiàn)象，但上升速率和幅度沒有之前的大；水位上升之后基本保持高水位值，即便下降也是較緩的動態(tài)特征（圖5）。也就是說，河道治理之后水庫放水時，赤城井水位上升應(yīng)該是以水體荷載效應(yīng)為主，滲入補(bǔ)給為次。水溫變化特征也能佐證這一觀點：2011年以來水庫放水4次，2011年7月放水量600萬m3，水位、水溫沒有顯示；其它3次放水水位、水溫都有所反應(yīng)，但相對于以往的水位、水溫變化幅度明顯減弱。

2010年2—5月2次水位快速上升－下降是河道清淤所至，相當(dāng)于疏通了雨雪等下滲的通道，引起水位上升、水溫同步下降。

320cm 地溫資料顯示，年均值、年最高值、年最低值均表現(xiàn)出：2010年是一個轉(zhuǎn)折點，即由下降轉(zhuǎn)平或由下降轉(zhuǎn)上升的轉(zhuǎn)折點（圖4），與赤城井水溫變化特征一致，但氣溫并沒有表現(xiàn)出這一特點?？梢哉f赤城井水溫（或320cm 地溫）2010年、2011年期間的轉(zhuǎn)折回升，由氣溫引起的可能性不大，應(yīng)該是另一種影響因素，而且是同一種影響因素。

上述另一種因素是否是河道蓄水？從以下幾方面分析認(rèn)為，可能與之存在一定關(guān)系。（1）時間點耦合：赤城井水溫轉(zhuǎn)折時間與河道蓄水時間一致；（2）河道蓄水面積達(dá)17萬m3，肯定對河床及周圍區(qū)域的地下溫度有影響。對于河床而言，蓄水后水面之下的河床相當(dāng)于增加了一層保溫層，尤其是冬季，之前河床裸露，地面熱量散失較多；（3）推測認(rèn)為隨著河道蓄水面積和蓄水量逐漸持續(xù)、穩(wěn)定，河床及其周圍區(qū)域地下溫度也會逐漸穩(wěn)定。那么，對于赤城井水溫而言，可能亦會逐漸恢復(fù)原來的下降趨勢。2012年中至2013年赤城井水溫趨勢持平變化，可能就是恢復(fù)的跡象；（4）同層水溫即輔助水溫（與水位探頭同一層位）也顯示有上升趨勢（圖6）。

4 結(jié)論

綜上所述，認(rèn)為赤城井水溫2010—2011年轉(zhuǎn)折上升與白河灣公園蓄水有關(guān)系。

關(guān)注該井水溫后續(xù)變化特點，如果水溫持平或恢復(fù)下降趨勢，應(yīng)該是正常動態(tài)，否則需要進(jìn)一步深入研究。

圖6 赤城井同層水溫曲線

赤城井成井時是為地應(yīng)力觀測準(zhǔn)備的，所以成井時沒有進(jìn)行水溫梯度測量；2001年首都圈工程期間增設(shè)流體觀測，也沒有進(jìn)行梯度測量。溫度梯度的缺測給實際觀測資料分析帶來較多困難，如該井2個溫度探頭不在同一層位，應(yīng)該有溫差，但溫差多少不易給出，如果有水溫梯度資料，解釋這一現(xiàn)象就變得簡單了。井孔基礎(chǔ)資料對流體資料分析、異常核實是不可或缺的基礎(chǔ)資料，河北省現(xiàn)有的流體井網(wǎng)中，有部分井孔缺失基礎(chǔ)資料，這種缺失會對后期流體資料分析和異常核實工作帶來困難。因此，補(bǔ)充和完善井孔基礎(chǔ)資料，也是一項重要工作。

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