趙各莊井水溫動態(tài)主要干擾因素研究

韓孔艷,崔博聞,邢成起

趙各莊井水溫動態(tài)主要干擾因素研究

韓孔艷,崔博聞,邢成起

（北京市地震局，北京 100080）

趙各莊井由淺層冷水和深部熱水混合，周邊村莊和農用抽水井對其有干擾。受地下水開采影響，2002—2011年6月，水位、水溫呈下降趨勢，且3月中下旬出現(xiàn)水位下降，水溫上升，可用冷熱水混合機理進行解釋，即淺層冷水被開采，井水位下降，井區(qū)流入井筒內的冷水比例變小，水溫上升。該井還受降雨的影響，每年6月中下旬，水位上升，水溫變化多樣，推測與降雨強度及其分布有關。2002—2004，2008—2010及2014年，降雨量少，水位上升小，水溫變化平穩(wěn)；2005—2007及2011—2013年，降雨量大且分布集中，水位快速、大幅回升，水溫快速下降后緩升至平穩(wěn)。對水溫動態(tài)的分析中應重視對干擾因素的研究，正確識別干擾，積累相似干擾，總結受干擾影響的形態(tài)特征，為排除干擾、提取正常動態(tài)規(guī)律提供了新的方法。

水溫；井水位，趙各莊井；降雨；干擾識別

0 引言

影響井水溫動態(tài)的因素較多，已基本查明的有地下水開采、降雨補給、地表水補給、井水擾動、地震波、固體潮等。對水溫微動態(tài)（同震與潮汐效應）及成因機理的研究進行的較多，魚金子（1997）[1]、陳大慶（2007）[2]用氣泡逃逸機制對同震效應進行了解釋；石耀霖（2007）[3]用力學彌散觀點對水溫同震階變進行了解釋；車用太（2008）[4]提出了熱對流和熱傳導機制；魚金子（2012）[5]、車用太（2014）[6]提出了水熱動力學與地熱動力學機制，認為同震響應和潮汐動態(tài)是由帶熱的水流引起的，震后恢復是由水與外圍巖石的熱傳導或熱流作用引起的；武安緒（2010）[7]也發(fā)現(xiàn)趙各莊井流體對汶川大地震有很好的同震響應。地下水開采、降雨補給及井擾動對水溫動態(tài)的影響也有相關研究，車用太（1996、2003）[8-9]對水溫動態(tài)的影響因素進行了總結，對成因機理進行了解釋；劉成龍（2003）[10]對太平莊井流體干擾因素進行過研究，認為地下熱水開采，造成了水位、水溫同步下降；盛艷蕊（2010）[11]曾發(fā)現(xiàn)黃驊井多次出現(xiàn)水位上升、水溫同步或滯后下降變化，通過試驗認為水位變化是由外界環(huán)境影響引起的，水溫變化是冷水下滲引起的次生現(xiàn)象。水溫動態(tài)的影響因素較普遍存在，因此在井水溫動態(tài)分析中必須高度重視對干擾的研究，且各干擾因素的影響時段不同，其造成了不同周期的變化影響。在排除干擾，提取地震異常信息時，可綜合考慮不同數(shù)學方法和取樣時間,正確識別各類干擾因素的影響動態(tài)，尋求識別與排除各類干擾的技術方法。

趙各莊井自2002年開始進行數(shù)字化水位、水溫觀測，觀測段為冷熱混合水，周邊有村莊和農用抽水井的干擾影響。趙各莊井水位觀測數(shù)據(jù)有規(guī)律年變動態(tài)，其水溫數(shù)據(jù)自2005年起出現(xiàn)較大起伏，而相應時段的水位亦有同步變化，其形態(tài)不全相同，但同步時段極其相似，推測為外界的干擾引起。為進一步改進觀測技術，改善臺站環(huán)境，應對趙各莊水溫數(shù)據(jù)的影響因素進行探討，并解釋其可能的影響機理。通過對已知明顯干擾的排除，能有效識別異常動態(tài)，加強水溫觀測在震情分析預報中的效能。

1 井孔概況

平谷趙各莊井位于平谷區(qū)城關鎮(zhèn)趙各莊村內，海拔26.2m，該井地處平谷盆地中部地勢平坦的平原區(qū)，薊縣斷裂、夏墊—程各莊斷裂西側[12]。

圖1 趙各莊井井孔柱狀圖Fig.1 The columnar section of Zhaogezhuang Well

趙各莊觀測井是1989年北京水文地質工程公司為平谷電廠水源地普查勘探時打的勘探孔，1989年8月6日成井，井深557.3m，下設套管到182.1m，第四系厚度556m，下伏薊縣系砂巖（圖1）。從2016年井下電視資料顯示,實際井深僅為203米,其實際觀測含水層應為182.1m以下的地層，觀測水類型為混合水。

該井自2001年9月開始進行數(shù)字化水位、水溫觀測，使用 LN-3型水位儀和SZW-1A型數(shù)字溫度計，溫度探頭放置在180m處，且自安裝以來位置固定未動。2011年5月水溫儀器增加了協(xié)議轉換器，并更換為SWY-1型水位儀進行觀測。

2 水溫動態(tài)特征分析

2.1 水溫動態(tài)特征

趙各莊井2002—2014年數(shù)據(jù)觀測曲線分成3個時段（圖2b、2c、2d）。2002—2004年水溫數(shù)據(jù)呈緩慢上升趨勢（圖2b），年變幅度在0.0296～0.0336℃范圍內，年變化形態(tài)上為3月—6月中上旬水溫快速上升，6月中下旬至來年3月初水溫平穩(wěn)或緩降；2005—2011年6月水溫數(shù)據(jù)呈下降變化（圖2c），年變幅度在0.128～0.432℃范圍內，年變化形態(tài)上為3月中—6月中上旬，水溫突升變化，6月中下旬至第二年3月初，水溫緩降；2011年7月—2014年水溫數(shù)據(jù)呈上升趨勢（圖2d），年變幅度在0.216～0.472℃范圍，年變化形態(tài)為6月份中下旬出現(xiàn)短暫水溫突降，其它時段變化較平穩(wěn)（除2012年數(shù)據(jù)變化大）。水溫觀測數(shù)據(jù)在2005年后除了趨勢性變化外，還頻率出現(xiàn)了短期的上升與下降交替變化，時間多在4—5月和9—11月。

2.2 水溫與水位變化關系

對比趙各莊井2002—2014年水位、水溫變化曲線，兩者在時間上有很好的一致性。

2002—2011年6月，水位總體呈趨勢下降，且每年3月左右開始下降，中間有起伏變化，6月中下旬達年低值，后逐漸回升，至翌年3月初達年內高值（圖2b、2c）。2002—2004水溫呈緩慢上升變化，2005—2011年為趨勢下降，每年3月左右—6月中下旬快速上升，其他時段平穩(wěn)或緩降變化。2011年7月—2014年，水位呈趨勢上升變化，年變?yōu)?月左右開始下降，6月中下旬達年低值，而后逐漸回升至翌年3月初，水溫總體呈現(xiàn)上升，但每年6月中下旬會有短暫突降變化（圖2d）。

圖2 2002—2014年趙各莊井水位、水溫正常動態(tài)曲線Fig.2 The observation curves of water level and water temperature of Zhaogezhuang Well from 2002 to 2014

取日均值按年進行相關計算，除2002—2004年外，其他的相關性都較差；取水位、水溫整點值按每年特定時段進行相關計算，結果顯示，3月中下旬—6月中旬的相關系數(shù)R多在-0.4245～0.9175范圍間內（2008及2012年為正值，2014年缺數(shù)），而6月下旬—11月初的相關性差異大，2003—2007年相關系數(shù)在-0.6815～-0.9209范圍內，2010—2013年相關系數(shù)在0.5874～0.9349范圍內，而2008、2009、2014年的相關性表現(xiàn)較差，可能與這些時段水溫頻繁出現(xiàn)短暫突變的影響有關。

綜上所述，趙各莊水位有很好的年變動態(tài)，即3月份左右開始下降，6月中下旬達年低值，而后逐漸回升至翌年3月初；而水溫數(shù)據(jù)的年動態(tài)表現(xiàn)出很好的一致性，但2005年后受到干擾因素的影響，其數(shù)據(jù)頻繁出現(xiàn)短暫突降變化，影響了兩者的相關性。

3 水溫干擾因素的研究

水溫觀測數(shù)據(jù)受到多種因素的影響，普遍存在地下水開采、大氣降水的滲入補給、地表水的側向補給、潮汐作用、井水冷卻作用、觀測環(huán)境與條件的變化、以及觀測儀器的故障、老化與更新等（地震地下水動態(tài)及其影響因素分析，車用太（1985）、（2004）[13-14]）。我們于2015年對觀測儀器進行了更換，水溫數(shù)據(jù)并未得到明顯改善，因而排除儀器干擾的影響。從趙各莊井水位年變形態(tài)上看，其觀測明顯受到地下水開采和大氣降雨影響，且年變形態(tài)未改變，推測其影響一直存在，那水溫數(shù)據(jù)的短時突變是否與上述因素的變化有關？本文對比水位數(shù)據(jù)同步變化特點，結合地下水開采、區(qū)域降雨及井孔結構等特征，對影響水溫動態(tài)的干擾因素及影響機理進行了分析。

3.1 地下水開采的影響

在首都圈地區(qū)，對地下水資源的開采日益加劇，對地下熱水資源的開發(fā)利用更“突飛猛進”。區(qū)域熱水的長期大量開采利用，導致了多個觀測井水溫的多年趨勢下降，如天津張道口井、河北永清井等（車用太，2004）[14]。從2005—2011年6月趙各莊井水位、水溫變化曲線（圖2c）可看出，受長期地下水開采的影響，水位多年觀測數(shù)據(jù)一直處于下降趨勢，水溫多年數(shù)據(jù)也呈下降變化。從2002—2011年11月年動態(tài)變化圖可知（圖2b、2c）,每年3月初至6月中下旬，水位大幅下降變化，相應水溫則快速上升，且水位大幅度下降時，水溫則大幅度上升，水位下降快，水溫上升也快。根據(jù)影響時段及水位、水溫變化特征，推測其受地下水開采的干擾影響。

本文收集了趙各莊村2011—2014年月開采量數(shù)據(jù)（表1），1—6月份開采量相對較少，但由于該時段大氣降雨稀少（表2），降雨補給量也少，因而出現(xiàn)了水位下降，水溫上升的變化；7—9月開采量增大，但同時接受了大氣降雨的補給，水位開始上升，水溫也有變化。

地下水開采對趙各莊水位、水溫年動態(tài)的影響可用冷熱水混合機理進行解釋。圖3為趙各莊井水溫觀測示意圖，該井觀測層是由171～254m的淺層冷水觀測層和556.8～557.3m的深層熱水觀測層混合而成的，觀測井周邊是村莊,多數(shù)井用于農田灌溉和生活用水，其開采層多與趙各莊淺層冷水層相近，對觀測數(shù)據(jù)有一定干擾影響。即每年3月初，農田開始為春季灌溉抽取大量地下水，使得井水位出現(xiàn)下降，由于171～254m觀測含水層中的冷水被大量開采，使得井區(qū)流入觀測井筒內的冷水量減小，冷水所占比例變小，下層熱水占比例增大，導致水溫上升，因而出現(xiàn)水位下降，水溫同步上升的變化。

地下水開采對2011年7月—2014年水溫年動態(tài)的影響并不明顯（圖2c），雖然由于年降雨量的增大，水位出現(xiàn)了上升變化，但水溫數(shù)據(jù)變化較平穩(wěn)，僅有小幅震動，推測抽水影響被水溫的趨勢上升所掩蓋。

圖3 趙各莊井水溫探頭安裝示意圖Fig.3 The Water temperature sensor installation diagram of Zhaogezhuang Well

3.2 大氣降雨的影響

降雨對觀測井水溫動態(tài)的影響，主要表現(xiàn)在水溫動態(tài)的年起伏上，每年隨雨季到來，水位上升，水溫下降；隨著雨季結束，水位轉為下降，同時水溫轉為上升（車用太，2004）[14]，降雨引起觀測井水位、水溫變化機理可以用“冷水下滲”學說（楊竹轉，2005、2007）[15-16]進行解釋。每年的雨季到來，大氣降雨對含水層進行補給，隨著井區(qū)冷水層因受降雨量滲入補給的影響，水頭變大，井中冷水的流入量變多，井水溫度下降。一般來說降雨量越大，井水溫下降幅度也越大，雨季來得早時，井水溫開始下降的時間也越早。隨著雨季的結束，降雨滲入補給變少，井中冷水的流入量變少，井水溫度也逐漸回升。

表1 2011—2014年趙各莊村區(qū)域月開采量數(shù)據(jù)(單位：wm3)

表2 2002—2014年趙各莊井區(qū)降雨量數(shù)據(jù)（單位：mm）

圖4 趙各莊井水位、水溫及降雨量對比曲線圖Fig.4 The observation curves of water level，water temperature and rainfall of Zhaogezhuang well

大氣降雨對趙各莊觀測井的影響為每年6月中下旬（因雨季的早晚而不同），普遍出現(xiàn)水位的持續(xù)上升變化，但因每年降雨情況的不同，水溫變化形態(tài)有很大差異（圖4）。2002—2004年降雨量比較分散（表2、圖4）,最大單月降雨量僅為101.7mm,且后續(xù)無持續(xù)降雨的補給，水溫變化較平穩(wěn)；2008—2010及2014，年降雨量雖相對增多，但分布也較分散，觀測井緩慢接受降雨補給，水溫變化也較平穩(wěn)；2005—2007年強降雨總量在340～394.3mm范圍內，但補給量仍小于開采量，水位趨勢下降，水溫亦隨趨勢下降；2011—2013年降雨量為550mm、567.1mm和644mm,補給量大于開采量，水位趨勢上升，水溫亦趨勢上升變化。但由于強降雨都是集中在2～3個月內，2012年最強月降雨量更達332.8mm，所以強降雨集中補給使得井中冷水流入量快速增多，水位快速、大幅上升，水溫也快速下降，后因降雨量明顯減少，井中冷水流入比例變小，熱水流入井筒比例增大，使得水溫升高，后逐漸平穩(wěn)。

4 干擾因素的識別

趙各莊井水溫數(shù)據(jù)受地下水開采和大氣降雨的影響，長期地熱開采使水溫呈趨勢下降變化（如2005—2010年），當年內大氣降雨增多，年補給量大于年開采量時，水位將趨勢上升變化，水溫亦有相同趨勢（如2011—2014年）。開采及降雨影響也體現(xiàn)在水溫的年動態(tài)變化上，即3—6月份水位下降，水溫上升，隨著雨季到來，水位開始回升，水溫出現(xiàn)突降。本文結合月開采及月降雨情況，分析其對水溫動態(tài)的具體影響特征。

趙各莊觀測井靠近趙各莊村，周邊有大片農田，附近農用抽水井及村內生活用井多在200～300m，可能對觀測井存在同層干擾。每年3—6月會抽取地下水進行春季灌溉，生活用水量也增加（表1），水位出現(xiàn)下降變化，水溫則同步上升；6月中下旬至10月份為雨季，年內大氣降雨多集中于此，降雨補給量大于開采量，水位開始持續(xù)上升，而水溫則下降，后因降雨量減小，水溫將逐漸平穩(wěn)。

從區(qū)域降雨量可知（表2和圖4），每年1—5月份的降雨量相對稀少，但也存在個別月份有稍大降雨出現(xiàn)，如2007年5月、2008年5月、2009年4月和6月、2011年5月及2012年4月，降雨使水位出現(xiàn)了短暫上升變化，由于冷降雨的入滲補給使得水溫出現(xiàn)下降變化，后因無降雨持續(xù)補給，水位將繼續(xù)下降，井筒內冷水流入比例變小，水溫則繼續(xù)上升變化，因而水溫曲線出現(xiàn)突升突降的變化形態(tài)。6—10月的降雨季也有個月降雨量較少，補給量不足而造成水位短暫下降的變化，如2006年9月和2007年8—9月，相應水溫則短暫上升變化。如果11月份無降雨補給，則受冬季供暖開采或冬灌等活動影響，水位也會有短暫下降變化，水溫的突升變化也表現(xiàn)的更突出，如2007—2008年、2010年和2014年。2005—2011年水溫總體呈趨勢下降變化，所以水溫突升就表現(xiàn)的比較明顯；而2012—2014年水溫呈趨勢上升變化，則水溫短暫下降變化比較明顯（圖4）。

趙各莊觀測井受多種因素的干擾影響，水溫具有多樣、復雜化的變化特征。各因素在不同時段具有不同特征的影響，在對水溫動態(tài)的分析中，應綜合考慮多因素的具體情況，并結合各因素的多年影響動態(tài)特征，判斷各時段的動態(tài)變化情況，分析其可能的地震前兆信息。

5 結論

（1）趙各莊觀測井受地下水開采和大氣降雨的影響。長期地熱開采使水溫呈趨勢下降變化（如2005—2010年）；當年內大氣降雨增多，年補給量大于年開采量時，水位將趨勢上升變化，水溫亦有相同趨勢（如2011—2014年）。

（2）每年3—6月份左右，地下水開采增多，大氣降雨補給不足，會出現(xiàn)水位下降，水溫上升變化，其影響機理可用冷熱水混合機理解釋，即淺層冷水大量被開采，使得井水位下降，流入井筒內冷水比例變小，導致水溫出現(xiàn)上升變化，但存在個別月份有稍大降雨的，水位會有短暫上升，水溫短暫下降變化。

（3）6月底—10月份為降雨集中期，降雨補給量大于開采量，水位開始持續(xù)上升，但因每年降雨情況不同，水溫變化有差異。當降雨分散時，水溫變化較平穩(wěn)，降雨集中時，水溫快速下降，后因降雨量減少，井中冷水流入比例變小，水溫會升高，后逐漸平穩(wěn)，存在個別月降雨不足，水位會出現(xiàn)短暫下降，水溫短暫上升變化。

（4）趙各莊水溫受多種因素影響，在各時段有不同變化特征。在對水溫動態(tài)的分析中，應總結觀測數(shù)據(jù)的多年動態(tài)特征，并結合各因素具體情況，來判定各時段的動態(tài)變化情況，提取可能的地震前兆信息。

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Analysis on Influencing Factors of Water Temperature of Zhaogezhuang Well

HAN Kong-yan, CUI Bo-wen, XING Cheng-qi
（Earthquake Administration of Beijing Municipality, Beijing 100080, China）

Zhaogezhuang Well water system is a mixture of the shallow cold water and the deep thermal water, which is disturbed by the wells of surrounding villages and agricultural pumpings. Affected by groundwater exploitation, the water level and water temperature showed a downward trend from 2002 to Jun. 2011, and the water level dropped in the late March and the water temperature increased. It can be explained by the mixing mechanism of cold and thermal water, that is, when the shallow cold water was exploited, the water level of the well was decreased, so the cold water flowing into the wellbore was reduced, and the water temperature raised. The water level rose and the water temperature changed in the late June of each year, which was related to rainfall intensity and its distribution. The water level of the well rose slowly and the water temperature changed smoothly in the year of 2002 to 2004, 2008 to 2010 and 2014, with less rainfall. The water level rose rapidly and the water temperature rose sharply in the year of 2005 to 2007 and 2011 to 2013 with large rainfall and concentrated distribution. The study of interference factors should be taken into account in the analysis of the normal dynamic of water temperature. In order to eliminate interference and provide new methods for extracting normal dynamic law, the interference needs to be correctly identified, and the similar interference needs to be accumulated, and the morphological characteristics of interference effects need to be summarized.

water temperature; water level；Zhaogezhuang Well; rainfall; interference recognition

P315.72

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.01.011

1674-8565（2017）01-0063-07

2011年度震情跟蹤青年課題（2011020301）；2016年度北京市地震局任務性科技專項資助（QN05）

2016-10-22

2017-01-29

韓孔艷（1982-），女，安徽省太和縣人，畢業(yè)于中國地震局地質研究所，碩士研究生，工程師，現(xiàn)主要從事首都地下流體前兆資料分析與處理工作。E-mail：kyhan106@126.com