通遼井水位和水溫動(dòng)態(tài)變化影響因素分析

丁風(fēng)和，韓曉雷，哈里白，戴 勇，魏建民

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特 010070）

通遼井水位和水溫動(dòng)態(tài)變化影響因素分析

丁風(fēng)和1，韓曉雷1，哈里白2，戴 勇1，魏建民1

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特 010070）

結(jié)合區(qū)域地下水開采、降雨等資料，對(duì)通遼井水位、水溫的趨勢(shì)和年變化影響因素進(jìn)行了分析。同時(shí)，利用水位M2波潮汐因子分析和水溫梯度試驗(yàn)及結(jié)果等，證實(shí)了該井地下水類型為混合水，區(qū)域地下水開采和降雨是水位和水溫同向變化的主要影響因素。另外，冷水下滲說更能合理地解釋該井水位、水溫的同步同向變化。

水位和水溫；影響因素；冷水下滲說；通遼井

0 引言

水位水溫觀測(cè)一直以來是地震前兆監(jiān)測(cè)的主要手段之一，尤其是 “十五”數(shù)字化觀測(cè)以來，高精度連續(xù)的水位和水溫觀測(cè)，為揭示井-含水層系統(tǒng)中有關(guān)流體的熱動(dòng)力學(xué)等方面的信息提供了可能。前人在水位水溫影響因素、響應(yīng)機(jī)理及動(dòng)態(tài)特征的物理機(jī)制等方面取得了諸多成果[1-9]。譬如，冷水下滲說、熱彌散說和氣體逸出說是目前解釋水位、水溫同步變化的主要機(jī)理。觀測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、環(huán)境的干擾情況（補(bǔ)給和排泄等）以及氣象因素（降雨和氣壓等）的影響，都會(huì)造成水位和水溫反映構(gòu)造應(yīng)力的偽變化。通遼井水位2011年以來一直呈趨勢(shì)下降狀態(tài)，與此同時(shí)水溫呈截然相反的趨勢(shì)上漂。在這種趨勢(shì)變化的背景中，水位和水溫還存在一定年變。2014年4月上旬至9月上旬，該井水位和水溫出現(xiàn)準(zhǔn)同步的快速下降，資料分析及各類震情會(huì)商將其準(zhǔn)同步同向變化列為異常予以跟蹤。通遼井水位和水溫的這種變化是否由構(gòu)造活動(dòng)或其他因素引起？是否為地震前兆異常？為了進(jìn)一步判定其動(dòng)態(tài)變化影響因素和性質(zhì)，本文結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件、井孔基礎(chǔ)資料、水溫梯度試驗(yàn)、區(qū)域地下水開采和降雨等資料，分析了該井水位和水溫動(dòng)態(tài)變化的影響因素，從水位和水溫同步動(dòng)態(tài)變化機(jī)理上進(jìn)行了闡述。

1 井孔基礎(chǔ)資料

1.1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

通遼井地處松遼平原西南端的西遼河畔（通遼市科爾沁區(qū)城區(qū)），海拔高度約180 m，屬西遼河沖積平原。該平原呈南西-北東向展布，地形寬闊低平，西南地形略高，東北地形略低，傾向北東。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，大致以北東-北北東和北西向斷裂為主。受盆地基底構(gòu)造的影響，本區(qū)地下水主要接收上游盆地周邊地區(qū)地表水滲入地下后的水平徑流側(cè)向補(bǔ)給，水文網(wǎng)絡(luò)發(fā)育。

1.2 井孔概況

通遼井原為1984年施工的水文地質(zhì)勘探井，成井深度247.7m。1985年開始進(jìn)行SW-40型地下水觀測(cè)。2007年6月 “十五”數(shù)字化改造后，分別采用LN-3A數(shù)字水位儀觀測(cè)水位（水位探頭置于井下17 m處）、SZW-1A型數(shù)字式溫度計(jì)觀測(cè)水溫（水溫探頭置于井下185 m左右），同時(shí)增加了數(shù)字化氣象三要素（降雨、氣壓、氣溫）觀測(cè)，采樣率均為分鐘值。觀測(cè)含水分別為169.2～187.55 m段和195.7～247.7 m段，為第三系砂巖孔隙水和玄武巖裂隙水。該孔井深0～167.28 m段為 127 mm套管，井深167.28～181.83 m段為127 mm的濾水管，井深187.93～247.7 m段為108 mm的裸孔。

2 水位水溫的影響因素分析

2.1 多年動(dòng)態(tài)（趨勢(shì)）變化影響因素分析

2011年以來該井水位至今仍保持趨勢(shì)下降變化（圖1a）。通過同期通遼市科爾沁區(qū)年降雨量與地下水超采動(dòng)態(tài)變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果看（表1），地下水超采區(qū)面積和超采區(qū)地下水位平均埋深呈逐年增大的趨勢(shì)。另外，水位多年動(dòng)態(tài)變化（趨勢(shì)下降）受地下水開采有關(guān)[10]。

圖1 2011年以來，通遼井水位 （a）、水溫 （b）原始日均值圖Fig.1 Daily mean value curves of water level and water temperature at Tongliao well since 2011

表1 2011年以來通遼市科爾沁區(qū)年降雨量與地下水超采動(dòng)態(tài)變化統(tǒng)計(jì)表Table1 Statistics table of annual rainfall and groundwater dynamic changes since 2011 in Horqin Distrit of Tongliao City

與此同時(shí)，該井水溫自2011年以來，一直趨勢(shì)上升。動(dòng)態(tài)規(guī)律清晰，背景相對(duì)平穩(wěn)，屬于上升漂移型動(dòng)態(tài)（圖1b）。對(duì)于水溫多年上升漂移型動(dòng)態(tài)的成因一般認(rèn)為：一是大地?zé)崃髦档奈⑷醺淖冊(cè)谒疁厣系姆从?；二是由于圍巖在緩慢線性增加的應(yīng)力場(chǎng)作用下，導(dǎo)致孔隙水上升引起觀測(cè)點(diǎn)處溫度的變化；三是認(rèn)為儀器 “零飄”引起的變化[9]。通過對(duì)該井水位和水溫的變化曲線對(duì)比，屬于第三 種情況的可能性較大 （實(shí)際情況為水位趨勢(shì)下降，同時(shí)水溫趨勢(shì)上升）。

2.2 年變化影響因素分析

將通遼水位日均值和水溫旬均值曲線，進(jìn)行去直線擬合（剔除長(zhǎng)趨勢(shì)變化），同時(shí)結(jié)合區(qū)域降雨量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)（圖2）：① 水位、水溫季節(jié)性變化明顯，有較好的年變規(guī)律，都呈同步上升或下降變化。每年受地區(qū)季節(jié)性抽水和雨季（4～8月份）的影響，水位出現(xiàn)波動(dòng)性下降。9月至次年3月，因雨季、地區(qū)季節(jié)性抽水結(jié)束，井水位處于自行調(diào)整恢復(fù)階段，水位開始上升直至上升變緩。水溫在水位整個(gè)年變過程中也呈類似變化。② 降雨量少時(shí)，水溫也越低（譬如，2011年和2014年）；降雨量多時(shí)，水溫也越高（例如，2012年和2013年）。

圖2 2011年以來通遼井水位 （a）、水溫 （b）去直線擬合和區(qū)域降雨量 （c）對(duì)比圖Fig.2 Contrast map of water level，water temperature and regional rainfall at Tongliao well since 2011

2.3 水位M2波潮汐因子分析

流體觀測(cè)井的固體潮響應(yīng)變化在一定程度上能反映出井-含水層系統(tǒng)的承壓性，即承壓性越強(qiáng)，固體潮效應(yīng)也愈明顯，反之亦然。為進(jìn)一步論證通遼井的承壓性及是否受淺層水的影響，又分析了該井水位的潮汐響應(yīng)特征。從水位的M2波潮汐因子曲線可以看出（圖3），水位M2波潮汐因子值基本在0.12 mm/10-9上下波動(dòng)，遠(yuǎn)小于承壓井水位觀測(cè)系統(tǒng)的最低靈敏度0.22 mm/10-9，這進(jìn)一步確定該井易受淺層水影響（以混合水為主），含水層中的水不完全是承壓水所致[11]。

圖3 2011年以來通遼井水位M2波潮汐因子曲線Fig.3 M2wave tide factor curve of water level at Tongliao well since 2011

3 水溫梯度試驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)該井2001年間隔1m的水溫梯度測(cè)量結(jié)果和2015年間隔10m的水溫梯度測(cè)量結(jié)果可以看出，兩次水溫梯度測(cè)量結(jié)果基本一致。

2001年水溫梯度測(cè)量結(jié)果表明：井下30～50 m深度段左右，水溫由負(fù)梯度變?yōu)檎荻?。說明井管可能由于長(zhǎng)年受井水腐蝕，封閉性變差，該深度段內(nèi)可能有潛水混入井孔所致[6，8]；2015年水溫梯度測(cè)量結(jié)果表明：水溫由負(fù)梯度變?yōu)檎荻鹊纳疃确秶?5～85 m左右。除了與這次水溫梯度測(cè)量精度較低外，其原因也可能與井孔封閉性變差，該深度段內(nèi)有潛水混入井孔有關(guān)；在井下165～190 m段（恰好位于169.2～187.55m含水層段內(nèi)，且基本處于濾水管護(hù)壁段。水溫探頭就置于該含水層段內(nèi)的185 m處，圖4中紅線所示位置），兩次水溫梯度測(cè)量結(jié)果都表明，該深度段水溫梯度存在明顯的線性度較差、封閉性不好的現(xiàn)象[8]。另外，從兩次水溫梯度測(cè)量結(jié)果的差異性看，目前不同深度內(nèi)的井水溫度明顯比2001年時(shí)的要高。其原因可能與水溫儀存在零飄（測(cè)量值偏大）、兩次水溫梯度測(cè)量時(shí)間（大地地溫變溫帶隨季節(jié)變化特征有明顯的差異等）的不同、區(qū)域大地?zé)崃髦档淖兓纫蛩赜嘘P(guān)。

4 水位水溫同步變化機(jī)理分析

通遼井所處區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，這些斷裂可能溝通了不同地層中的含水層，使井區(qū)的地下水之間具有良好的水力聯(lián)系。前述對(duì)通遼井水位、水溫的多年動(dòng)態(tài)（趨勢(shì)）和年變化影響因素分析，也佐證了這點(diǎn)。該井水位整體表現(xiàn)為：當(dāng)區(qū)域降雨量增大時(shí)、地下水開采量減小時(shí)、周圍淺井水位上升時(shí)，該井水位出現(xiàn)同步上升，反之亦然。地下水類型為混合水，區(qū)域地下水開采和降雨是水位變化的主要影響因素。

地下水的開采除了會(huì)直接影響地下水位的動(dòng)態(tài)，還對(duì)井孔水溫造成顯著影響。這是因?yàn)?，抽水可加速地下水的排泄過程，使水流在含水層內(nèi)的流速、流量增大，流向改變，水位下降，從而破壞水溫在 “圍巖-井-水”系統(tǒng)中的平衡，使水溫測(cè)值發(fā)生變化。從前述兩次井水溫度梯度測(cè)量結(jié)果（2001年和2015年）可以看出，在井下55 m左右和169.2～187.55 m段存在兩個(gè)明顯的含水層，且后者為水溫觀測(cè)含水層。第一個(gè)非觀測(cè)含水層（井下55 m左右）以下水溫呈正梯度變化（圖4）。2014年區(qū)域降雨量偏少（枯水年），區(qū)域地下水開采量加大，由于水頭壓力差的存在，井孔內(nèi)的水向含水層內(nèi)流動(dòng)（表現(xiàn)為水位下降），井孔上部冷水向下運(yùn)移，造成水溫測(cè)值降低。反之，豐水年地下水開采量減小，對(duì)水溫觀測(cè)含水層擾動(dòng)較小，使其保持與枯水年同期較高的水溫。另外，季節(jié)性抽水結(jié)束后，深層熱水向井孔運(yùn)移，在井水位自行調(diào)整恢復(fù)上升的同時(shí)，水溫測(cè)值也升高。

圖4 通遼井水溫梯度測(cè)量結(jié)果曲線Fig.4 The water temperature gradient curves of Tongliao well

5 結(jié)語

通過對(duì)通遼井水位、水溫的趨勢(shì)和年變化影響因素分析，得出以下結(jié)論：

（1）結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件、井孔基礎(chǔ)資料、水位M2波潮汐因子分析、水溫梯度試驗(yàn)、區(qū)域地下水開采和降雨等資料，分析認(rèn)為：該井地下水類型為混合水，易受淺層水干擾，區(qū)域地下水開采和降雨是水位和水溫同向變化的主要影響因素。

（2）水位M2波潮汐因子分析進(jìn)一步確定該井易受淺層水影響（以混合水為主），含水層中的水不完全是承壓水。

（3）結(jié)合兩次溫度梯度測(cè)試結(jié)果，該井水位、水溫的同步同向變化機(jī)理與冷水下滲說更符合。

（4）鑒于該井水溫多年來一直趨勢(shì)上升，這很可能由儀器 “零飄”引起的變化。今后應(yīng)定期對(duì)溫度計(jì)石英測(cè)溫探頭進(jìn)行定標(biāo)，解決水溫長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)的漂移問題。

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Analysis of Influencing Factors on the Dynamic Changes of the Water Level and Water Temperature in Tongliao Well

DING Fenghe1，HAN Xiaolei1，HA Libai2，DAI Yong1，WEI Jianming1

（1.Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region，Hohhot 010051，China；2.Inner Mongolia Electronic Information Vocational Technical College，Hohhot 010020，China）

Based on the regional groundwater exploitation and rainfall data,the paper analyzes the trend of the water level and water temperature,and the annual influencing factors in Tongliao Well.At the same time，based on the water level M2wave tide factor analysis and temperature gradient test，the results show that：the groundwater types in the well is mixed water；the regional groundwater exploitation and rainfall are the main influencing factors of water level and water temperature changes in the same direction.In addition，cold water infiltration is more reasonable to explain the changes of water level and water temperature in the same direction.

The water level and water temperature；Influencing factors；Cold water infiltration；Tongliao Well

P315.7

：A

：1001-8662（2017）01-0049-05

10.13512/j.hndz.2017.01.008

丁風(fēng)和，韓曉雷，哈里白，等.通遼井水位和水溫動(dòng)態(tài)變化影響因素分析[J].華南地震，2017，37（1）：49-53.[DING Fenghe，HAN Xiaolei，HA Libai，et al.Analysis of Influencing Factors on the Dynamic Changes of the Water Level and Water Temperature in Tongliao Well[J].South china journal of seismology，2017，37（1）：49-53.]

2016-02-26

2016年度震情跟蹤合同制定向重點(diǎn)工作任務(wù)資助項(xiàng)目（2016020305）

韓曉雷（1963-），男，工程師，主要從事數(shù)據(jù)處理及信息網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。

E-mail：nmwlhxl@163.com.

哈里白（1981-），內(nèi)蒙古呼和浩特人，講師，主要從事信息技術(shù)方面的教學(xué)和研究。

E-mail：.