“7·19”暴雨對峰峰冀24井涌水的影響

王 江，張子廣，單連君，丁志華，盛艷蕊，馬廣慶

(河北省地震局，石家莊 050021)

“7·19”暴雨對峰峰冀24井涌水的影響

王 江，張子廣，單連君，丁志華，盛艷蕊，馬廣慶

(河北省地震局，石家莊 050021)

針對邯鄲峰峰冀24井在2016年7月18—20日遭受平均降雨量超過200 mm的暴雨期間，水位埋深于7月19日起持續(xù)上升，至8月5日超過11.50 m后，井口出現(xiàn)自2001年數(shù)字化觀測以來首次涌水的現(xiàn)象，對該井水位與降雨量變化、井水樣品水化學(xué)、穩(wěn)定同位素進行分析，認為涌水是“7·19”暴雨補給受地質(zhì)構(gòu)造控制，在泉域排泄區(qū)的集中排泄所致。

冀24井 水位；“7·19”暴雨；黑龍洞泉群

0 引言

整個雨季降雨影響地下水的成果研究多，內(nèi)容包括降雨入滲補給量的物理、示蹤及模擬等方法預(yù)測計算[1-3]，水資源評價[4]，災(zāi)害分析及預(yù)測[5]。單次降雨對地下水的影響研究較少。同時，降雨對于地下水影響的研究采用水文觀測站的水物理資料為主，水化學(xué)分析較少。地震觀測井主要觀測承壓含水層應(yīng)力變化導(dǎo)致的水位及水體交換的溫度、化學(xué)變化，對于單次降雨影響地下水的研究較少。

2016年7月18日12時至20日8時，河北省中南部山區(qū)出現(xiàn)1996年以來特大暴雨，峰峰礦區(qū)最大降水量達674 mm。峰峰冀24井為靜水位觀測井，南部緊鄰邯鄲峰峰礦區(qū)黑龍洞泉群(圖1左)。黑龍洞泉屬于華北地區(qū)的子牙河水系，是邯鄲地區(qū)的重要水源地。該井水位埋深在暴雨后快速上升，至8月5日井水位上升超過11.5 m后井口涌水(圖1右)，這是該井自2001年有數(shù)字化觀測記錄以來的首次自流。涌水現(xiàn)象引起邯鄲市政府、峰峰礦區(qū)(縣市級)政府環(huán)境及地震相關(guān)部門高度重視，河北省地震局受邀組織涌水異常核實工作。

圖1 冀24井涌水實景照

汶川地震引起國內(nèi)部分流體觀測井井噴，反映了地震波傳播及含水層受應(yīng)力變化的狀態(tài)。經(jīng)查詢中國地震臺網(wǎng)中心及河北省地震臺網(wǎng)目錄，“7·19”暴雨同時間并未發(fā)生大型地震，因此該井涌水不是同震響應(yīng)。為確定此次涌水受暴雨影響，本文從水文地質(zhì)、該井所在區(qū)域歷年降雨量對地下水補給的研究成果、現(xiàn)場采集樣品的水化學(xué)及同位素分析等方面進行分析。

1 “7·19”暴雨

7月18—21日，受低渦和副高外圍暖濕氣流共同影響，河北省出現(xiàn)2016年最強的一次降水天氣過程，全省平均降水量154.6 mm，強降水主要集中在南部太行山沿線(邯鄲中西部、邢臺西部、石家莊西部)以及保定東北部、廊坊中秦皇島等地區(qū)，累計過程最大點降雨量為邯鄲峰峰礦區(qū)北響堂674 mm、較大日雨量為邯鄲磁縣北賈壁551 mm。本次強降水過程共有127 個縣(市)出現(xiàn)暴雨，84 個縣(市)出現(xiàn)大暴雨，僅7月20日就有119 個縣(市)出現(xiàn)暴雨，為歷史單日暴雨范圍最大[6](圖2)。“7·19”暴雨過程來勢猛，具有量大、雨強、面廣、致災(zāi)重的特征，是“96·8”以來最大的一次暴雨洪澇過程。

受強降雨影響，磁縣漳河觀臺水文站10小時流量由12.5 m3/s漲至5 200 m3/s，水位漲幅高達7.61 m；全省140 個縣(區(qū)、市)受災(zāi)，受災(zāi)人口887.82萬人，轉(zhuǎn)移人口58.4萬人，因災(zāi)死亡167人、失蹤108人，倒塌房屋10.60 萬間，農(nóng)作物受災(zāi)733.64 khm2，直接經(jīng)濟損失502.17億元，其中水利損失107.17 億元[7]，為“96·8”以來損失最嚴重的暴雨洪澇災(zāi)害。據(jù)不完全統(tǒng)計，邯鄲市共緊急轉(zhuǎn)移群眾17.4 萬人，峰峰礦區(qū)轉(zhuǎn)移受困群眾1 500 人[8]。

圖2 7月18—21日河北省降水分布(mm，左)及暴雨過程監(jiān)測(右)

2 峰峰冀24井觀測背景

2.1 觀測井概況

峰峰冀24井位于邯鄲市峰峰礦區(qū)境內(nèi)，地理坐標為36.42°N,114.22°E，井口標高130.418 m，成井深度713.13 m，403.56 m以上為灰?guī)r，465.71 m深度穿過斷層，403.56～540.49 m為白云巖。該井處于鼓山斷裂東側(cè)，邯邢斷裂西側(cè)，構(gòu)造線為NNE向。觀測層為奧陶系灰?guī)r含水層(圖3)。

圖3 峰峰冀24井井孔地層柱狀圖

該井始建于1967年，1982年開始模擬水位觀測，2001年10月開始使用SW-5型水位儀及水溫儀進行數(shù)字化觀測，2011年11月將數(shù)字化觀測儀器更新為具備網(wǎng)絡(luò)通訊等功能的SWY-1型數(shù)字水位儀及SZW-1型數(shù)字水溫儀。2014年3月使用WYY-1型氣象三要素儀器觀測氣溫、氣壓、降雨量，雨量筒為SL3-1型。其中，數(shù)字化水位儀的觀測精度0.2 %，量程0～10 m，分辨率0.1 mm；數(shù)字化水溫儀觀測精度±0.05 ℃，量程0°～70 ℃；氣象三要素儀器的溫度測量范圍-50～50 ℃，觀測精度0.1 ℃，氣壓測量范圍500～1 100 hPa，觀測精度0.2 %，雨量測量范圍0～4 mm/min，分辨率0.1 mm。

2.2 水文地質(zhì)及構(gòu)造

冀24井位于邯鄲市西南部黑龍洞泉域的排泄區(qū)黑龍洞泉群處(圖4)，地下水為奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶水[9]。該泉域處于太行山與華北平原過渡帶，地勢西高東低，屬于北溫帶半干旱大陸性季風氣候，多年(1956—2002年)平均降雨量為541.0 mm，年內(nèi)降雨多分布于5—10月。泉群多年流量一般為 7～9 m3/s，最大流量32.5 m3/s(1963年8月)，雨季11～15 m3/s，旱季6～9 m3/s。地表水系屬于海河流域子牙河、南運河水系。該井東側(cè)緊鄰滏陽河，水位觀測受降雨及河水漲落影響明顯。

圖4 峰峰黑龍洞泉域地質(zhì)構(gòu)造、水系及冀24井位置圖

降雨入滲是該泉域地下水補給的主要來源[10]。黑龍洞泉群以西為鼓山東強徑流帶，受鼓山背斜與系統(tǒng)東部邊界的控制，主要接受鼓山灰?guī)r裸露區(qū)的大氣降水入滲補給，在構(gòu)造控制下，形成以牛兒莊—峰峰礦—黑龍洞泉群為中心的強徑流帶[11]。由于工農(nóng)業(yè)開采量不斷增加及大氣降水減少，泉水多次出現(xiàn)斷流，地下水排泄形式以人工排泄為主[12-13]。

研究區(qū)內(nèi)新華夏系構(gòu)造形跡規(guī)模大，活動時間長，占主導(dǎo)地位；NS向構(gòu)造多被新華夏系改造，僅楊二莊附近及鼓山背斜表現(xiàn)片斷形跡；EW向構(gòu)造規(guī)模相對較小，僅在南部有所顯示；NW向構(gòu)造受多期破壞，構(gòu)造展布不完整，顯示了多期性和繼承性的特點[14-15]。

3 “7·19”暴雨對觀測井涌水的分析

3.1 降雨量與井水位的關(guān)系

冀24井數(shù)字化水位埋深自2002年起，每年6—9月雨季上升，10月至次年5月下降(圖5)。2002年、2009年、2015年月均降雨量低于其他年份，對應(yīng)時間的水位月均值下降明顯，2014—2015年水位下降速率增快。

研究區(qū)內(nèi)2016年7月降雨量是黑龍洞泉域有降雨量記錄以來同比最大的一次，2016年截至第三季度的總降雨量為1983年以來的最大值?！?·19”暴雨于7月19日3時左右開始，至17時后降雨量迅速增加，分別于19日18—19時，23時出現(xiàn)2次降雨量峰值，19日累計降雨量261 mm，20日3時后， 降雨量逐漸減少(表1)。該井水位埋深在19日第一次降雨量峰值來臨前緩慢上升，幅度約0.2 m，與7月份水位日上升幅度相近；第一次降雨峰值過后，水位迅速上升，20日上升幅度超過2 m(圖6)；至8月5日4時井水從井口涌出，期間水位單日上升最大為1.985 m(20日)，日平均上升0.66 m。

圖5 冀24井2002至2016年月降雨量與水位變化

表1 “7·19”暴雨7月19—20日整點累積降雨量與水位

圖6 冀24井“7·19”暴雨時段內(nèi)降雨量與水位變化

根據(jù)暴雨導(dǎo)致地下水蓄變量的相似研究，暴雨期間農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市居民生活用水等相關(guān)企業(yè)停產(chǎn)，開采量變小，地下水的蓄變量近似于地下水補給量[16]。承壓水的補給由于入滲補給能力減弱，強降雨后，水位上升明顯，但是速率變慢，存在明顯滯后性[17]。該井東側(cè)緊鄰滏陽河，河水受暴雨過程的徑流影響明顯，導(dǎo)致該井位置受地表水及地下水共同補給。根據(jù)對河北省“96·8”暴雨分析，石家莊地區(qū)受暴雨影響地下水補給量達77.41 億立方米， 分別減緩了無極、正定和永安地區(qū)地下水位下降幅度9.33 m、6.04 m和11.26 m[18]。由于“7·19”暴雨強度超過“96·8”暴雨，因此，其補給量及對地下水位的影響程度也應(yīng)大于后者。同時，根據(jù)對黑龍洞泉多年流量分析，在維持現(xiàn)狀開采的條件下，有足夠的補給量，則在雨季及豐水年將有泉水流出，在枯水季節(jié)或枯水年份將斷流[19]。以上表明了“7·19”暴雨使該井觀測含水層受到足以使黑龍洞泉群復(fù)涌的補給，導(dǎo)致井口涌水。

3.2 水化學(xué)分析結(jié)果

“7·19”暴雨后對冀24井涌出井水及井旁200 m處黑龍洞泉群進行了水樣采集，分析了水化學(xué)離子組分(表2)，研究區(qū)內(nèi)水樣中Ca2+及HCO3-離子占絕對優(yōu)勢(圖7)。根據(jù)毫克當量計算結(jié)果，按照舒卡列夫分類法，2個樣品水化學(xué)類型均為HCO3·SO4-Ca·Mg，陽離子濃度大小依次為Ca2+gt;Mg2+gt;Na+gt;K+，陰離子濃度大小依次為HCO3-gt;SO42-gt;NO3-gt;Cl-。對比研究區(qū)內(nèi)已有研究數(shù)據(jù)[20]，發(fā)現(xiàn)本文樣品中的NO3-濃度高，這說明水質(zhì)受到了污染。

表2 峰峰黑龍洞泉域離子組分含量(加*樣品數(shù)據(jù)引自[21])

圖7 冀24井及黑龍洞泉域水樣三線圖(加*樣品數(shù)據(jù)引自[21])

3.3 同位素分析結(jié)果

該井涌水及黑龍洞泉水樣品的氫氧同位素測試結(jié)果及研究區(qū)域內(nèi)已發(fā)表歷史數(shù)據(jù)(表3)，根據(jù)全球降水同位素監(jiān)測網(wǎng)(Globe Network of Isotopes in Precipitation)華北平原地區(qū)最靠近邯鄲市的石家莊站1985—2003年降水的δ180和δD線性回歸得到的大氣降水線方程δD=6.810 2δ180-1.417[22]對比，本文2種水樣的氫氧同位素均位于當?shù)卮髿饨邓€以下，位置幾乎重合，表明來源主要為大氣降水(圖8)。研究區(qū)域內(nèi)不同取樣點間的氫氧同位素值存在差異，可能是由補給高程的差異或徑流過程中的混合作用導(dǎo)致。全部樣品氫氧同位素擬合線斜率與降水線較為接近，說明該區(qū)域巖溶水的補給是以大氣降雨直接入滲為主。

表3 冀24井及黑龍洞泉氫氧同位素統(tǒng)計結(jié)果

圖8 黑龍洞泉域水樣氫氧同位素分布(加*樣品數(shù)據(jù)引自[21])

4 討論與結(jié)論

“7·19”暴雨導(dǎo)致邯鄲全市約1 996 km2范圍內(nèi)降雨量超過300 mm，暴雨中心主要分布在峰峰礦區(qū)、磁縣、涉縣一帶，降雨強度超過了“96·8”暴雨洪水，為20年來最大。峰峰冀24井位于邯鄲西南峰峰礦區(qū)黑龍洞泉群的排泄區(qū)，水位資料于每年6—9月雨季上升，10月至次年5月下降，水位變化與降雨量關(guān)系密切。“7·19”暴雨后冀24井水位迅速上升，至8月5日井水從井口涌出，累積上升超過11.5 m，是該井有數(shù)字化資料記錄以來的第一次井涌。

根據(jù)19—20日的降雨量及水位變化資料及暴雨影響水位的相關(guān)資料分析，暴雨對地下水補給迅速，由于暴雨期間開采量相對減少或者維持現(xiàn)有水平，導(dǎo)致地下水蓄變量接近補給量，造成地下水位上升明顯。

井水及黑龍洞泉水樣的水化學(xué)分析結(jié)果中，Ca2+及HCO3-離子占絕對優(yōu)勢，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg，對比研究區(qū)域內(nèi)其他采樣點的離子成分發(fā)現(xiàn)，該井及黑龍洞泉水樣中的NO3-濃度較高，水質(zhì)受到了污染。

2個水樣的氫氧同位素分析結(jié)果幾乎一致，與研究區(qū)內(nèi)其他采樣點氫氧同位素的擬合直線斜率與當?shù)卮髿饨邓€相似,表明該井水與黑龍洞泉水的主要來源均為大氣降水。

因此，冀24井涌水是“7·19”暴雨導(dǎo)致的黑龍洞泉域地下水快速補給，受地質(zhì)構(gòu)造控制，徑流在黑龍洞泉群排泄區(qū)的集中排泄，由于暴雨造成的補給量大且開采量短期減少或維持現(xiàn)有水平，使該井地下水位不斷上升最終超過井口向外涌水。

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AffectionoftheRainstormonJuly19onWaterBurstinHebeiFengfengNo.24Well

WANG Jiang, ZHANG Zi-guang, SHAN Lian-jun, DING Zhi-hua, SHENG Yan-rui, MA Guang-qing

(Hebei Earthquake Agency, Shijiazhuang 050021, China)

On July 18, 2016, central and southern Hebei province suffered a rainstorm with average rainfalls of more than 200 mm. Water burst appeared in Hebei Fengfeng No.24 well on August 5 and the water level rose about 11.5 m. The wellhead appeared flowing water for the first time since the digital observations beginning in 2001. Analysis of hydrological geological background, water level change in water burst well, result of water chemistry and stable isotope shows that: the water burst in No.24 well is due to the water supply of heavy rainfall on July 19 which is controlled by geological structure and concentrated discharged in spring drainage area.

Hebei No.24 well; water level; heavy rainfall on July 19; Heilongdong springs

王江，張子廣，單連君，等. “7·19”暴雨對峰峰冀24井涌水的影響[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(4):44-50.

2017-03-29

中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(2016IES0303)；河北省地震科技星火計劃項目(DZ20150423053)

王 江(1984—)，男，山西太原人，工程師，主要從事地下流體監(jiān)測與研究.E-mail: wangj@eq-he.ac.cn

P315.7

A

1003-1375(2017)04-0044-07

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.04.008