山西靜樂觀測井水位干擾分析

劉俊芳呂 芳郭 宇高文玉郭寶仁

1）中國山西035403定襄地震臺

2）中國太原030021山西省地震局

3）中國山西030025太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外觀測站

山西靜樂觀測井水位干擾分析

劉俊芳1），3）呂 芳2），3）郭 宇1），3）高文玉1），3）郭寶仁1），3）

1）中國山西035403定襄地震臺

2）中國太原030021山西省地震局

3）中國山西030025太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外觀測站

山西靜樂觀測井具有含水層系統(tǒng)對地殼應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)靈敏的優(yōu)勢，其水位變化對應(yīng)地震，可間接反映地殼應(yīng)力—應(yīng)變特征。2015年7月以來，靜樂井水位快速上升，對觀測環(huán)境、儀器及人為干擾進(jìn)行分析，并進(jìn)行同層地下水開采及抽水試驗(yàn)，分析該井水位異常原因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降雨量、抽水試驗(yàn)對靜樂井水位變化影響不大，而生產(chǎn)用同層地下水開采量減小是該井水位變化的主要原因。

水位；干擾分析；地下水開采；調(diào)查；異常

0 引言

地下流體觀測可以獲得地球深部信息，地下水位異?？赡苁亲钪苯拥暮暧^短臨地震前兆，地下水位觀測已廣泛用于地震監(jiān)測，是開展地震監(jiān)測的重要手段。降水及人為開采造成水位升降，并因此影響水位觀測是不可避免的。調(diào)查研究觀測井水位異常及干擾因素具有積極意義。多個研究者對山西地下流體觀測井水位異常進(jìn)行研究，孟彩菊（2010）認(rèn)為，水位變化影響短水準(zhǔn)高差，二者相關(guān)性及年最大變化量的異常與山西地震帶內(nèi)發(fā)生的地震有較好對應(yīng)。沈曉松等（2012）研究太原井水位異常，認(rèn)為與煤窯關(guān)閉、汾河清水復(fù)流工程、關(guān)井壓采、黃河水大量引用具有直接關(guān)系。楊曉芳等（2013）研究認(rèn)為，地震波引起含水層介質(zhì)及孔隙壓力變化，導(dǎo)致觀測井內(nèi)上下層水體進(jìn)入井孔，水溫表現(xiàn)為臺階變化。近年來山西靜樂井水位變化明顯，文中對引起井水位變化的各種干擾因素進(jìn)行分析，探討水位變化與地下水開采的關(guān)系。

1 觀測井概況

山西靜樂井位于晉西北汾河上游，地質(zhì)構(gòu)造處于呂梁山斷塊隆起區(qū)、靜樂盆地東緣、東碾河斷裂帶上，出露基巖為寒武系、奧陶系碳酸鹽巖系，上覆第四系砂礫石層。靜樂井深362.92 m，觀測層為中奧陶灰?guī)r裂隙承壓水，含水層巖石溶洞發(fā)育，井區(qū)處于強(qiáng)徑流區(qū)，地下水補(bǔ)給為來自北、南山區(qū)基巖裸露區(qū)的大氣降雨補(bǔ)給和東碾河河水沿?cái)嗔哑扑閹霛B補(bǔ)給。

多年觀測資料表明，靜樂井水位干擾因素主要有觀測系統(tǒng)、自然環(huán)境和人為干擾。其中：觀測系統(tǒng)干擾包括儀器故障、電源干擾、路由器死機(jī)、通信單元故障等；自然環(huán)境干擾包括雷電、刮風(fēng)和降雨干擾等；人為干擾包括模擬換紙干擾和校測、儀器更換等。

2 井水位正常動態(tài)特征

2.1 趨勢變化特征

從1983—2015年靜樂井水位日均值曲線（圖1）可以看出，該井水位長趨勢變化呈現(xiàn)4個階段：1983—1998年為高值期，1999—2006年為低值期，2007—2011年為高值期，2012—2015年為低值期。2012年以來的趨勢性轉(zhuǎn)折變化主要由周圍工業(yè)用井抽水干擾影響所致。

圖1　靜樂水位長趨勢曲線Fig.1 Long-term trend curve of Jingle well water level

2.2 年動態(tài)特征

多年的觀測資料顯示，靜樂井水位具有較規(guī)律的年變動態(tài)特征，表現(xiàn)為兩峰兩谷型，高水位期在每年5月、9月，低水位期為2月、7月。文中選擇井水位趨勢變化的4個階段的部分年份進(jìn)行分析，靜樂井水位受氣壓、固體潮和降雨影響。由圖2可知，降雨量大的年份靜樂井水位變幅大，可見降雨是影響該井水位動態(tài)變化的主要因素。

圖2　靜樂水位日均值年變化Fig.2 Annual change of daily average water level of Jingle well

3 井水位異常變化

3.1 井水位快速上升

靜樂井水位2007年7月23日—10月3日累計(jì)上升1.89 m，之后持續(xù)高值（圖1）。2013年—2015年6月受生產(chǎn)用同層地下水開采影響，水位處于低值，2015年7月水位突然快速上升，且已超過多年平均值（圖2），是否為地震前兆異常亦或受同層地下水開采影響所致，在此進(jìn)行分析。

3.2 井水位地下應(yīng)力響應(yīng)分析排除前兆異常

靜樂井水位可記錄國內(nèi)外6.5級以上地震的同震響應(yīng)。水位對地震的響應(yīng)為震蕩型水震波，震蕩幅度大小和周期長短與井—含水層系統(tǒng)特征有關(guān)。水震波主要由地震面波引起，其響應(yīng)幅度與震級正相關(guān)（圖3）。

圖3　靜樂水位同震震蕩曲線（a）2015年4月25日尼泊爾8.1級地震；（b）2015年7月3日新疆和田6.5級地震；（c）山西朔州水位（2015年1月—5月）與華北地震對應(yīng)關(guān)系；（d）靜樂水位（2015年4月1日—18日）與華北地震對應(yīng)關(guān)系Fig.3 The magnitudes of earthquakes concussion type graph of Jingle well water level

根據(jù)呂芳（2015）等的研究，靜樂井對地殼應(yīng)力—應(yīng)變的響應(yīng)能力取決于井—含水層系統(tǒng)的特征參數(shù)，如含水層厚度（d）、滲透系數(shù)（K）、導(dǎo)水系數(shù)（T）、井孔半徑（rw）等。根據(jù)Cooper等（1965）、張昭棟等（1999）的研究，井—含水層系統(tǒng)對地殼應(yīng)力—應(yīng)變的響應(yīng)能力與導(dǎo)水系數(shù)、滲透參數(shù)、固有周期、有效水柱高度成正比，與井孔半徑成反比，與含水層巖性關(guān)系密切，一般灰?guī)r含水層觀測井對地殼應(yīng)力—應(yīng)變的響應(yīng)能力大于其他巖性的含水層。靜樂井觀測層屬于中奧陶灰?guī)r裂隙承壓水，地殼應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)能力大于其他巖性的含水層。因此，靜樂井能較為靈敏地反應(yīng)地下應(yīng)力變化的特征。

由圖3（c）可見，2015年4月15日15：39內(nèi)蒙古阿拉善左旗MS6.1地震前（4月1日—15日），朔州觀測井（距震中約701.04 km）水位持續(xù)下降約0.414 m，變幅3.54%，達(dá)到異常變化范圍；震后水位持續(xù)下降，至4月24日降到最低，共下降0.772 m，變幅6.2%，之后逐漸回升至正常狀態(tài)。靜樂井在此次MS6.1地震震中東南方向，距震中約657.71 km。由圖3（d）可見，靜樂井水位在該地震前（4月12日—15日15：38）上升0.053 m，震后（4月15日15：43—16日0：51）急速下降0.049 m，變化幅度均為0.5%。靜樂井水位2015年7—9月快速上升約0.93 m，但無地震對應(yīng)。

綜上所述，靜樂井水位2015年7月快速上升，不是地震前兆異常，應(yīng)為干擾所致。

4 井水位干擾分析

靜樂井水位呈季節(jié)性趨勢變化，引起水位測值產(chǎn)生變化原因多樣，結(jié)合井水位動態(tài)特征，從觀測環(huán)境、觀測儀器及人為干擾、生產(chǎn)用同層地下水開采及相關(guān)抽水試驗(yàn)等，分析2015年7月靜樂井水位快速上升干擾因素。

4.1 觀測環(huán)境

（1）靜樂井水位短期動態(tài)變化與觀測環(huán)境間接相關(guān)，距觀測井約200 m的東碾河河水雨季上漲，枯水季節(jié)河水流量減小，水位回落，河水漲落對水位變化具有荷載作用。

（2）靜樂井水位受降雨影響，隨降雨補(bǔ)給趨勢上升。李自紅等（2011，2015）和張淑亮等（2009）分析認(rèn)為，上升幅度與雨量正相關(guān)，由井—含水層特征及井區(qū)環(huán)境條件分析，降雨是導(dǎo)致水位快速上升的主要原因。而靜樂井水位與降雨之間，并不是每次強(qiáng)降雨都會造成水位大幅度上升。水位上升伴隨強(qiáng)降雨，只有在應(yīng)力場快速積累過程中，降雨的調(diào)制作用才會造成水位高值異常（圖4）。2015年降雨量與往年同期相比無明顯變化，因此，7月以來水位的快速上升受降雨量影響的可能性較小。通過分析降雨、水溫與水位的變化（圖4），排除降雨對靜樂井水位的影響。

圖4　靜樂井水位、水溫日均值與降雨量對比Fig.4 The comparison of daily average of water level and water temperature at Jingle well with rainfall

4.2 觀測儀器及人為干擾

靜樂水位出現(xiàn)不明原因變化，于2015年5月通過同層觀測數(shù)字水位儀（SWY-Ⅱ）對比觀測，發(fā)現(xiàn)兩套儀器的水位曲線變化趨勢一致（圖5），排除儀器及人為干擾。

圖5　靜樂井同層水位同步觀測儀器對比Fig.5 The comparison of synchronized observation instruments with the same layer water level of Jingle well

4.3同層地下水開采

周圍開采環(huán)境對觀測井的影響，間接反映了井水位的動態(tài)變化。用于生產(chǎn)的山西天柱山化工廠2個同層開采井在測點(diǎn)允許范圍內(nèi)［圖6（a）］，1號井位于靜樂井上游1.5 km處，2號井在2 km處。1號井夜間抽水，2號井全天抽水，影響了該地區(qū)地下水分布，改變了靜樂井水位的年變動態(tài)。根據(jù)靜樂井水位資料，2012年以來水位持續(xù)低值；2013年—2015年7月受化工廠抽水干擾，每年1—2月水位上升，其他時段水位處于起伏變化態(tài)勢，整體處于低值異常。

當(dāng)1號井和2號井抽水作業(yè)時，靜樂井水位下降，且與水溫的臺階變化時間相對應(yīng)［圖6（b）］。當(dāng)同層開采井大量抽水時，導(dǎo)致不同層位地下水進(jìn)行交換，打破水動態(tài)平衡狀態(tài)。受不同層位冷熱水混入等影響，觀測層水溫發(fā)生變化。靜樂井水溫隨井深增加而下降，水位下降或上升，導(dǎo)致地下水循環(huán)速度加快，引起水溫升高或下降。觀測井上游的同層地下水開采，抽走一部分低溫地下水，水循環(huán)要達(dá)到平衡，部分地表水通過滲流補(bǔ)給，含水層溫度通過熱傳導(dǎo)，溫度上升；遠(yuǎn)處深層水的補(bǔ)給，溫度下降。因此，水位下降，水溫則呈現(xiàn)“上升—下降”起伏變化，屬于非構(gòu)造原因引起。

圖6　靜樂井水位受抽水干擾影響曲線（a）測點(diǎn)環(huán)境；（b）2015年6月1日—15日觀測井水位、水溫分鐘值曲線Fig.6 The pumping interference of Jingle well water level

經(jīng)調(diào)查，山西天柱山化工有限公司生產(chǎn)用井2012年9月至2014年8月為試生產(chǎn)階段，生產(chǎn)用水以地表水為主，地下水間斷使用；2014年9月以后為正式生產(chǎn)階段，生產(chǎn)用水以地表水為主，地下水為輔，地表水水量不足或渾濁，使用地下水；2015年8月中旬，地表水經(jīng)改造滿足生產(chǎn)用水，地下水作為生活用水。2014年8月至2015年10月27日，山西天柱山化工有限公司生產(chǎn)用井抽水統(tǒng)計(jì)見表1。

表1　靜樂井測點(diǎn)周圍地下水生產(chǎn)用井抽水統(tǒng)計(jì)Table 1 The conditions of pumping groundwater with the production wells surrounding Jingle well

由表1可知，2015年7月以來，地下水抽水減少約6 000 m3，靜樂井水位快速上升，水溫也同步上升（圖4）。進(jìn)一步說明，工業(yè)用井抽水對靜樂井水位存在干擾。

4.4 抽水試驗(yàn)

對化工廠進(jìn)行二級水源地影響半徑測定，對實(shí)驗(yàn)用井G1井于2015年5月26日至8月8日進(jìn)行抽水試驗(yàn)，該井位于靜樂井下游偏西約1.8 km的水源地［圖6（a）］。在試驗(yàn)過程中，G1井抽水量較大（表2），但因G1井所處位置，且在2015年7—8月G1井抽水期間，靜樂井水位呈上升趨勢（圖2），認(rèn)為該井抽水對靜樂井水位變化影響不大。

表2　靜樂井測點(diǎn)周圍地下水抽水統(tǒng)計(jì)Table 2 The conditions of pumping groundwater surrounding Jingle well

5 討論

山西靜樂井因同層井工業(yè)用水的抽水干擾，導(dǎo)致地下水位分布發(fā)生變化，水位觀測資料的正常年變動態(tài)發(fā)生改變，降雨量、抽水試驗(yàn)對靜樂井水位變化影響不大，而生產(chǎn)用同層地下水開采量減小是該井水位變化的主要原因。

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Abstract

The observation well of Jingle in Shanxi Province has an advantage which aquifer systems are of sensitive response to the crustal stress-strain.The corresponding to the earthquake of Jingle well water level can reflected the crustal stress-strain characteristics.The abnormality cause of the well water level is found through the analysis of the observational environment，equipment，human disturbance and the same layer of groundwater mining and pumping test.The final results indicated that the rapid rise of water level of Jingle well since July 2015 is mainly caused by the reduction of groundwater exploitation in the well from the same aquifer.

Analysis of water level observation interference of Jingle well in Shanxi Province

Liu Junfang1），3），Lv Fang2），3），Guo Yu1），3），Gao Wenyu1），3）and Guo Baoren1），3）
1） Dingxiang Seismic Station，Shanxi Province 035403，China
2） Earthquake Administration of Shanxi Province，Taiyuan 030021，China
3） National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan，Shanxi Province 030025，China

water level，interference analysis，groundwater exploitation，investigation，anomaly

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.005

劉俊芳（1986—），女，工程師，主要從事臺站前兆監(jiān)測分析工作