大興黃村井水溫動(dòng)態(tài)分析

韓孔艷 邢成起 楊明波 崔博聞

（中國(guó)北京100080北京市地震局）

大興黃村井水溫動(dòng)態(tài)分析

韓孔艷 邢成起 楊明波 崔博聞

（中國(guó)北京100080北京市地震局）

對(duì)黃村井水位、水溫觀測(cè)資料進(jìn)行分析，并結(jié)合井孔水文條件、水溫傳感器放置位置及水溫梯度特征，對(duì)水溫潮汐特征、機(jī)理及影響因素進(jìn)行研究，結(jié)果表明，水溫具有潮汐特征，與該井觀測(cè)含水層良好的滲透性及傳感器合理放置位置有關(guān)。該研究以期為有效提取黃村井水溫前兆異常信息及合理解釋同震效應(yīng)提依據(jù)，為改造井孔結(jié)構(gòu)及合理放置傳感器提供借鑒意義。

水溫動(dòng)態(tài)；水溫梯度；觀測(cè)井；潮汐

0 引言

隨著井水溫度觀測(cè)精度的提高，發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的觀測(cè)井能記錄到水溫前兆異常、同震響應(yīng)特征及水溫的潮汐效應(yīng)。多位學(xué)者對(duì)水溫動(dòng)態(tài)特征（車(chē)用太等，1996，2008；谷元珠等，2003；張子廣等，2007；楊竹轉(zhuǎn)等，2010）、形成機(jī)理及影響因素進(jìn)行研究。井水溫潮汐方面的研究表明，水溫潮汐為次生效應(yīng)，是在潮汐力作用下含水層發(fā)生變形，井—含水層間及井筒內(nèi)水流引起熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。觀測(cè)井孔水文地質(zhì)條件及含水層的深度、厚度、導(dǎo)水性、水溫傳感器相對(duì)于觀測(cè)含水層的位置及上下水溫梯度特征，均影響到水溫微動(dòng)態(tài)特征。

大興黃村井為2012年新增流體觀測(cè)井，觀測(cè)資料顯示其具有一定的潮汐特征，且與水位潮汐呈同步反向變化，目前對(duì)該井的動(dòng)態(tài)特征及成因機(jī)理研究較少。為探討水溫動(dòng)態(tài)特征及其成因機(jī)理，有效提取水溫前兆異常等信息，本文將結(jié)合井孔水文條件、水溫傳感器位置及水溫梯度特征，對(duì)黃村井水溫特征進(jìn)行分析。

1 觀測(cè)井概況

大興黃村井位于大興工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)西蒙西木業(yè)集團(tuán)院內(nèi)，地處南苑—通縣斷裂南側(cè)，為工廠廢棄排水井，終孔深度554 m，深度78 m以上為第四系松散堆積層，主要巖性為粘土、粘土夾礫石，78 m以下為震旦寒武紀(jì)灰?guī)r，80—140 m為角礫巖夾有溶洞，180—200 m為灰?guī)r夾頁(yè)巖，下設(shè)套管深度到78 m，見(jiàn)圖1。

自2012年10月，黃村觀測(cè)井采用ZKGD3000-G型水位、水溫綜合觀測(cè)儀進(jìn)行水位、水溫觀測(cè)。水溫傳感器分辨率優(yōu)于0.000 1℃，儀器短期穩(wěn)定性為0.000 1℃/d，精度優(yōu)于0.1% F.S，數(shù)據(jù)采樣率為1次/min。井水溫度儀器安裝通常是先進(jìn)行溫度梯度測(cè)量，

然后將探頭固定在井孔條件和電纜線(xiàn)許可范圍內(nèi)梯度變化較小的范圍處，以期從地下水溫觀測(cè)資料中提取較為可靠的地震前兆信息。

大興黃村井溫度梯度測(cè)量從井口下20 m處開(kāi)始，每隔20 m測(cè)量一個(gè)值，150 m以下每隔10 m測(cè)量一個(gè)值，共13個(gè)深度測(cè)點(diǎn)，取得12個(gè)井段的梯度值，溫度梯度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖1。該井太陽(yáng)能輻射熱的影響深度（負(fù)梯度井段）在深度60 m以上，除120—140 m梯度值為10.198℃/hm（可能與該段內(nèi)存在較大角礫巖溶洞有關(guān)），其他梯度值在0.326℃/hm—1.23℃/hm，遠(yuǎn)小于全球地殼的地溫平均梯度值3℃/hm。溫度梯度測(cè)量后，水溫傳感器放置在井口以下200 m深度處。

圖1 黃村井孔柱狀、水溫探頭安裝及溫度梯度測(cè)量（a）井孔柱狀；（b）水溫探頭安裝示意；（c）溫度梯度Fig.1 The columnar section,water temperature sensor installation and measurement results of water temperature of Huangcun well

2 水溫動(dòng)態(tài)

大興黃村井2012年10月—2015年11月水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)在16.445℃—16.627℃范圍內(nèi)變化。2012年數(shù)據(jù)變化0.091 4℃，2013年數(shù)據(jù)變化0.136 5℃，2014年變幅為0.094 4℃，2015年數(shù)據(jù)變化幅度為0.162℃。在年變形態(tài)上，水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)表現(xiàn)為夏秋季水溫下降而冬春季水溫將升高的特點(diǎn)。

黃村井水位觀測(cè)數(shù)據(jù)在年動(dòng)態(tài)上表現(xiàn)為夏秋季節(jié)上升，冬春季節(jié)下降，其趨勢(shì)動(dòng)態(tài)與水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)基本呈同步相反變化，即水位升高，水溫降低；水位降低，水溫升高（圖2）。取2012年10月—2015年11月時(shí)值、日均值觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性的計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。取置信水平α=0.01，時(shí)值樣本數(shù)大于1 000，當(dāng)相關(guān)系數(shù)大于0.081時(shí)，說(shuō)明兩者在顯著

水平α=0.01上相關(guān)；樣本數(shù)大于200，當(dāng)相關(guān)系數(shù)大于0.181，說(shuō)明兩者在顯著水平α=0.01上相關(guān)。2013年日均值樣本344個(gè)，2014年為216個(gè)，2015年為302個(gè)，從表1可見(jiàn)，2013—2015年水位與水溫時(shí)值與日均值觀測(cè)數(shù)據(jù)均具有較高的負(fù)相關(guān)性，表現(xiàn)為同步反向協(xié)調(diào)性的變化關(guān)系，即夏秋季水位上升，水溫同步降低；冬春季水位降低，水溫同步升高。

表1 黃村井水位與水溫?cái)?shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 1 The calculation result of correlation coeffi cient between the water level and water temperature

圖2 黃村井降雨量、水位、水溫日均值變化曲線(xiàn)Fig.2 The observation curves of rainfall,water level and water temperature of Huangcun well

黃村井水溫冬春季上升、夏秋季下降的年動(dòng)態(tài)類(lèi)型應(yīng)該主要與季節(jié)性氣象因素降雨和氣溫等有關(guān)（車(chē)用太等，2003）。該井孔結(jié)構(gòu)利于降水垂直入滲且經(jīng)過(guò)短距離徑流補(bǔ)給地下水，在形態(tài)上表現(xiàn)為雨季水位上升，旱季水位下降，即夏秋季高而冬春季低的特征。根據(jù)該井水溫的溫度梯度，承壓含水層高于降雨的水溫，隨著降雨入滲補(bǔ)給地下水，冷水加入溫度高的地下水系統(tǒng)，引起地下水溫度下降，在形態(tài)上表現(xiàn)為雨季地下水水溫低，旱季水溫高，即夏秋季水溫降低而冬春季水溫升高的特征。而1月前后觀測(cè)數(shù)據(jù)的突變與冬季冰雪融水補(bǔ)給有一定關(guān)系，12月中下旬接受冬雪融水的補(bǔ)給時(shí)，水位升高，溫度更低的融水下滲，使得水溫出現(xiàn)突降，而后隨著大氣溫度的升高，太陽(yáng)輻射熱的加強(qiáng)，使得水溫逐漸回升，進(jìn)入雨季后，水溫受到降雨影響，再次出現(xiàn)下降，從而形成黃村井水溫的年動(dòng)態(tài)變化特征。

3 水溫潮汐特征分析

3.1 基本特征

隨著高精度水溫觀測(cè)技術(shù)的推廣，在中國(guó)部分觀測(cè)井記錄到水溫固體潮現(xiàn)象，即水溫動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)中峰、谷出現(xiàn)時(shí)間與重力理論固體潮曲線(xiàn)中一致，認(rèn)為水溫潮汐效應(yīng)。在潮汐力作用下含水層發(fā)生變形，井—含水層系統(tǒng)中水流狀態(tài)或流量發(fā)生變化，由含水層帶入井筒的熱量也相應(yīng)發(fā)生變化（張子廣等，2007；車(chē)用太等，2014）。

大興黃村井水溫日變觀測(cè)數(shù)據(jù)具有一峰一谷形態(tài)（圖3），水溫潮差變幅為0.022 8℃—0.0572 ℃，日變起伏與理論固體潮變化在形態(tài)、幅度與相位上均表現(xiàn)出一致性，與井水位潮汐變化吻合，顯示水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)具有一定潮汐特征。

圖3 黃村井水溫潮汐效應(yīng)Fig.3 Tidal effects of well water temperature

3.2 形成機(jī)制

對(duì)于水溫固體潮的形成機(jī)制，前人已作過(guò)許多相應(yīng)研究，提出多種觀點(diǎn)。馬玉川（2010）通過(guò)研究井水溫潮汐認(rèn)為，當(dāng)含水層受到潮汐引力作用而膨脹變形時(shí)，含水層上部水向下運(yùn)動(dòng)使水溫下降；當(dāng)含水層受到潮汐引力作用而壓縮變形時(shí)，下部水向上運(yùn)動(dòng)則使水溫上升，認(rèn)為水溫變化是含水層受力變形結(jié)果，可稱(chēng)為巖體力學(xué)機(jī)制。魚(yú)金子等（1997）通過(guò)對(duì)太平莊井水溫潮汐效應(yīng)的研究，提出水動(dòng)力學(xué)機(jī)制。車(chē)用太等（2014）年提出水熱動(dòng)力學(xué)機(jī)制，認(rèn)為井水溫度變化由水流運(yùn)動(dòng)引起，當(dāng)含水層受力作用時(shí)，引起井—含水層與井筒內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)，在兩個(gè)水溫梯度作用下引起各深度水溫變化，當(dāng)含水層存在地下水補(bǔ)給與排泄作用時(shí)，也按此機(jī)制引起井水溫度變化。

大興黃村井水溫傳感器放置在井下200 m處變化較小的水溫正梯度帶內(nèi)[圖1(b)]，80—140 m深的角礫巖夾有溶洞，巖性松散，裂隙發(fā)育，滲透性、富水性良好等，可以推測(cè)，該井水溫變化機(jī)制為：①當(dāng)含水層受到潮汐引力作用而膨脹變形時(shí)，井筒內(nèi)的水流向含水層，水位下降，因井—含水層特征，一定量的水快速流出，使得井筒內(nèi)深部水體上移，根據(jù)水熱動(dòng)力學(xué)機(jī)制，在兩個(gè)水溫梯度作用下，井筒內(nèi)各深度處水溫變化，因處在水溫正梯度帶，探頭處水溫升高；②當(dāng)含水層受到潮汐引力作用而壓縮變形時(shí)，水體流向井筒，水位升高；由于井—含水層特征，淺層冷水快速流入井筒，加大向下垂直運(yùn)動(dòng)速率，在兩個(gè)水溫梯度作用下，井筒內(nèi)各深度處水溫發(fā)生變化，同理，探頭放置處水溫快速下降。

3.3 影響因素

水溫觀測(cè)井孔水文地質(zhì)條件是影響水溫有效信息特征的重要因素，觀測(cè)井中含水層的深度、厚度、導(dǎo)水性等均影響潮汐特征。井孔—含水層間水的相互滲流（或交換）能力，主要取決于含水層巖石的導(dǎo)水性，并與井孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，且觀測(cè)層位厚度愈大，井孔—含水層間水的相互滲流面積愈大，觀測(cè)到的潮差也變大（國(guó)家地震局地下水影響因素研究組，1985）。黃村井80—140 m為觀測(cè)含水層，滲透性、富水性良好，一定程度上增加了井筒與含水層間水的相互交換量與交換速率，能觀測(cè)到較為清晰的潮汐形態(tài)。

水溫傳感器相對(duì)于觀測(cè)含水層的放置位置及上下水溫梯度特征，直接影響水溫微動(dòng)態(tài)特征（魚(yú)金子等，2012）。楊明波等（2015）通過(guò)對(duì)黃村井的水溫對(duì)比觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)含水層（80—140 m）固體潮形態(tài)比較模糊，在200 m埋深處固體潮潮差較大，300 m處潮差響應(yīng)明顯減小，到400 m處固體潮響應(yīng)處于模糊狀態(tài)，說(shuō)明隨著傳感器與含水層距離的增加，來(lái)自含水層的水熱動(dòng)力影響逐漸減弱，觀測(cè)到的固體潮信號(hào)也在逐漸減弱。水溫傳感器相對(duì)于觀測(cè)含水層的合理放置位置將直接影響水溫動(dòng)態(tài)特征，由于水溫傳感器放置在正溫度梯度帶內(nèi)，且觀測(cè)含水層位于傳感器上部，使得黃村井水溫在形態(tài)上與水位潮汐呈同步反向變化特征。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)黃村井水溫動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：①水位與水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，在年變形態(tài)上表現(xiàn)為同步反向變化；②水溫年變動(dòng)態(tài)與降雨和氣溫等有關(guān)，呈夏秋季水溫降低而冬春季水溫升高的特征；③水溫日變形態(tài)具有一峰一谷形態(tài)，與理論固體潮汐、水位數(shù)據(jù)在形態(tài)、幅度與相位上表現(xiàn)出較好的一致性，具有一定潮汐特征；④觀測(cè)含水層良好的滲透性、富水性及傳感器在含水層的合理位置，使黃村井水溫觀測(cè)到一定潮汐現(xiàn)象，且水溫潮汐與水位潮汐呈同步反向變化特征。

車(chē)用太，何案華，魚(yú)金子.水溫微動(dòng)態(tài)形成的水熱動(dòng)力學(xué)與地?zé)釀?dòng)力學(xué)機(jī)制[J].地震學(xué)報(bào)，2014，36（1）：106-117.

車(chē)用太，劉成龍，魚(yú)金子.井水溫度微動(dòng)態(tài)及其形成機(jī)制[J].地震，2008，28（4）：20-28.

車(chē)用太，劉喜蘭，姚寶樹(shù)，等.首都圈地區(qū)井水溫度的動(dòng)態(tài)類(lèi)型及其成因分析[J].地震地質(zhì)，2003，25(3)：403-420.

車(chē)用太，魚(yú)金子，劉春國(guó).我國(guó)地震地下水溫度動(dòng)態(tài)觀察與研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1996，（4）：34-37。

國(guó)家地震局地下水影響因素研究組.地震地下水動(dòng)態(tài)及其影響因素分析[M].北京：地震出版社，1985.

谷元珠，車(chē)用太，魚(yú)金子，等.塔院井水溫微動(dòng)態(tài)研究[J].地震，2003，23（1）：102-108.

馬玉川.井水溫度潮汐效應(yīng)及其應(yīng)變響應(yīng)能力研究[D].北京：中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，2010：26-28.

楊明波，鄭軼文，邢成起，等.水溫傳感器放置深度研究現(xiàn)狀[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2015，36（3）：83-89.

楊竹轉(zhuǎn)，鄧志輝，楊賢和，等.井孔水溫動(dòng)態(tài)變化的影響因素探討[J].地震，2010，30（2）：71-79.

魚(yú)金子，車(chē)用太，劉伍洲.井水溫度微動(dòng)態(tài)形成的水動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究[J].地震，1997，17（4）：389-396.

魚(yú)金子，車(chē)用太，何案華.井水溫度動(dòng)態(tài)的復(fù)雜性及其機(jī)制問(wèn)題討論[J].國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，2012，6：274-274.

張子廣，張素欣，李微，等.昌黎井水溫潮汐形成機(jī)理分析[J].地震，2007，27（3）：34-40.

Analysis on the behavior of water temperature in Huangcun well

Han Kongyan，Xing Chengqi，Yang Mingbo and Cui Bowen
(Earthquake Administration of Beijing Municipality,Beijing 100080,China)

Analysis of the observation data of water level and water temperature in the Huangcun well,as well as the temperature sensor's location and the water temperature gradient,the formation mechanism and infl uencing factors of water temperature characteristics are studied by combing the characteristics of the hydrological conditions.The results show that the water temperature has tidal characteristics,which is related to the good permeability of the aquifer and the reasonable position of the sensor.The study provides the basis for the effective extraction of water temperature anomaly information and the reasonable explanation of coseismic effects.It also provides reference meaning for the reconstruction of well bore structure and the reasonable placement of sensors.

micro-behavior of water temperature，temperature gradient，observation well ，tide

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.014

韓孔艷（1982——），女，碩士，從事都地下流體前兆資料分析與處理工作。E-mail： kyhan106@126.com

2012和2016年度北京市地震局任務(wù)性科技專(zhuān)項(xiàng)

本文收到日期：2015-10-22