云南洱源滇20井水位受降雨影響分析

字承柱，張 立，段美芳，畢樹偉

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

地下水位變化是地下水系統(tǒng)對(duì)內(nèi)外作用力的一種響應(yīng)。一般認(rèn)為，水位變化是各種影響因素綜合作用的結(jié)果(國家地震局預(yù)測(cè)預(yù)防司，1997)。水位易受降雨、氣壓、固體潮、地應(yīng)力等多種因素的影響(張昭棟等，1989)。面對(duì)眾多干擾異常，如何對(duì)出現(xiàn)的干擾異常進(jìn)行識(shí)別和排除，如何從復(fù)雜的干擾背景下提取出地震前兆異常信息，無疑是當(dāng)前提高地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與地震預(yù)測(cè)效能的十分突出的問題(車用太等，2011)。洱源臺(tái)滇20井靜水位受降雨影響明顯，降雨期間，直接利用水位觀測(cè)值，很難準(zhǔn)確識(shí)別地震前兆異常信息。本文主要研究降雨對(duì)洱源臺(tái)滇20井靜水位的影響，并討論二者之間的相互關(guān)系，為正確識(shí)別和排除洱源臺(tái)靜水位觀測(cè)資料中的降水干擾提供依據(jù)。

1 資料分析

1.1 研究區(qū)域

圖1 洱源滇20井構(gòu)造位置圖

洱源臺(tái)滇20井位于洱源縣城，1984年10月完井，成井后自流。井觀測(cè)含水層埋深位于80.22～144.02 m、165.55～266.56 m，揭露厚度164.8 m，為蒼山變質(zhì)巖，屬基巖裂隙承壓水(云南省地震局，2012)。出水口水溫20.0±3 ℃，流量穩(wěn)定(基本保持在0.010～0.006 L/s)，pH值7.60，水質(zhì)類型為重碳酸鉀鈉型。井口位于洱源盆地中西部，構(gòu)造部位處于紅河斷裂北端，金沙江斷裂和劍川—麗江斷裂等多條斷裂交匯處，地?zé)岙惓^(qū)邊緣(郭紹忠等，1998)(見圖1)。洱源滇20井于1988年開始動(dòng)水位觀測(cè)，2008年9月5日21時(shí)水位開始下降，至6日3時(shí)下降1.53 m，其后緩慢下降，至自流井?dāng)嗔?。此后采用LN-3A型水位儀進(jìn)行靜水位觀測(cè)至今。滇20井由成井時(shí)的動(dòng)水位井變?yōu)楝F(xiàn)在的靜水位井，下文中將對(duì)現(xiàn)井水類型、主要補(bǔ)給源等進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.2 水化學(xué)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

(1)采樣與測(cè)試。為了分析滇20井主要水補(bǔ)給來源，本研究組于2018 年7月采集了洱源臺(tái)滇20井水樣進(jìn)行樣品分析。樣品容器使用去離子水清洗干凈的玻璃瓶，瓶蓋為帶螺旋的塑料蓋。為了避免樣品被污染，采樣前用所取井水清洗玻璃瓶3次，然后采用溢流法采集樣品。采好后立即蓋好瓶蓋，用封口膜纏緊瓶口。在每個(gè)取樣點(diǎn)同時(shí)取2份樣品。樣品的水化學(xué)項(xiàng)目在中國地震局地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(地下流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室單元)測(cè)定，分析設(shè)備為ICS-2000 離子色譜儀。樣品的氫氧同位素測(cè)試由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試中心完成，采用二氧化碳-水平衡法和鋅還原法測(cè)定氫氧同位素，分析設(shè)備為 MAT-253。測(cè)試 δ18O和δ2H的精度分別為±0.2‰和±1‰。測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 滇20井水樣水化學(xué)分析結(jié)果

(2)水化學(xué)分析。水樣三線圖可以表明水體的主離子組成變化，體現(xiàn)水體化學(xué)特征(沈照理等，1993)。由滇20井水樣三線圖(見圖2a)可知，該井井水屬于重碳酸鉀鈉型水。Na-K-Mg三角圖解被用來評(píng)價(jià)水巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣(蘇鶴軍等，2010)。圖2b為滇20井井水的Na-K-Mg三角圖，圖中曲線為礦物平衡線。樣品落在“未成熟水”區(qū)域，表明循環(huán)周期相對(duì)較快，水-巖之間尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，水巖作用仍在進(jìn)行，受地表水影響較大。氫氧同位素結(jié)果能夠更好地分析井水的成因。大氣降水線引自Craig(1961)，其方程δ2H=8δ18O+10。式中δ2H為氫同位素實(shí)測(cè)比值，δ18O為氧同位素實(shí)測(cè)比值。井水氫氧同位素組成與大氣降水線對(duì)比如圖2c，其結(jié)果可以用來說明樣品的來源及其相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。測(cè)值接近大氣降水線并偏右，表明為淺層地下水，主要來源為大氣降水，測(cè)區(qū)地下水與圍巖介質(zhì)發(fā)生了水-巖相互作用。

圖2 水樣的三線圖(a)、Na-K-Mg三角圖(b)、水樣氫氧同位素與大氣降水線關(guān)系圖(c)

1.3 降雨和水位變化關(guān)系

(1)水位變化特征分析。從2015～2018年水位與降雨量五日均值對(duì)比圖(見圖3)可以看出：水位曲線具有明顯的年變規(guī)律，1～5月處于低值，6～10月緩慢上升，10月達(dá)到年最高值，11～12月緩慢下降，回到低值。2018年11～12月出現(xiàn)破年變高值上升異常，經(jīng)分析出現(xiàn)此異常的原因?yàn)椋?018年4～12月期間，距離觀測(cè)井10 m左右的位置有地下排污管道施工，對(duì)水位造成了一定程度的影響，施工結(jié)束后，水位已恢復(fù)正常。

圖3 洱源滇20井水位與降雨量五日均值對(duì)比

(2)日降雨量與水位變化的關(guān)系。據(jù)圖3可看出，水位變化受降雨影響明顯，降雨量達(dá)到一定量后引起水位上升，井水位滯后于降雨開始上升，達(dá)到高值后逐漸下降，下降過程的時(shí)間要比上升過程的時(shí)間要長(zhǎng)。洱源地區(qū)的雨季集中在6～9月，8月降雨量最大，統(tǒng)計(jì)2016年8月日降雨量與水位日變化值(見表1)，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出：日降雨量達(dá)10 mm以上會(huì)引起水位上升，降雨量越大，水位上升越高。

表2 2016年8月日降雨量與水位變化

圖4 日降雨量與水位日變化量的關(guān)系

提取2015～2018年期間日降雨量在10 mm以上的時(shí)段對(duì)應(yīng)的水位日變化量，對(duì)其關(guān)系進(jìn)行一元回歸分析(見圖4)，得到水位日變化量(y)與日降雨量(x)的關(guān)系表達(dá)式：

y=0.005x-0.005

(1)

其中，相關(guān)系數(shù)R=0.768，統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)n=62，自由度n-2=60，遠(yuǎn)大于1%和5%置信度下的相關(guān)系數(shù)0.325和0.250(徐國祥，2007)，說明水位日變化和日降雨量變化的線性相關(guān)顯著。

2 水位變化與地震關(guān)系分析

據(jù)上文分析可知，滇20井的水位上升變化受降雨影響明顯，所以判斷水位變化是否為地震前兆異常，需要首先排除降雨引起的干擾。本文選取近6年來距井口半徑50 km范圍內(nèi)5.0級(jí)以上地震進(jìn)行分析，共4次地震(見表3)。

表3 近6年來距井口半徑50 km范圍內(nèi)5.0級(jí)地震及對(duì)應(yīng)的水位前兆異常特征

2013年3月3日13時(shí)41分洱源發(fā)生5.5級(jí)地震，2013年4月17日9時(shí)45分洱源發(fā)生5.0級(jí)地震。根據(jù)滇20井水位的年變規(guī)律，11月到次年5月水位變化應(yīng)為緩慢下降趨勢(shì)。在這2次地震發(fā)生前4個(gè)月，即2012年12月至2013年3月水位出現(xiàn)破年變上升異常變化(見圖5)，期間洱源地區(qū)無明顯降雨，可以排除降雨引起水位上升變化。同時(shí)儀器運(yùn)行正常，井口周邊無干擾源，從而可以判斷此次異常為地震前兆異常。2016年5月18日00時(shí)48分云龍發(fā)生5.0級(jí)地震，5月13～17日水位出現(xiàn)上升異常變化(見圖6)，13～14日無降雨，15日降雨量為9.2 mm，16日降雨量為2.5 mm，17日降雨量為0.1 mm，通過前文分析可知，該降雨量不足以引起水位上升變化，且此次水位上升在降雨之前，期間儀器運(yùn)行正常，周邊無干擾源，可以判斷此次異常為地震前兆異常。分析表明該井水位變化能夠提供一定的地震前兆信息。在地震孕育過程中，含水層介質(zhì)受到區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的作用(Claesson et al.，2004)。孔隙巖石試件的不排液三軸壓縮試驗(yàn)表明，水位突升等震前與臨震異常與孔隙壓變化有關(guān)，臨震前震中地區(qū)部分巖石發(fā)生局部破裂或產(chǎn)生斷層蠕動(dòng)，使應(yīng)力大幅度釋放，這可能引起孔隙壓力增大，導(dǎo)致水位變化(張伯崇等，1991)。也有學(xué)者認(rèn)為區(qū)域應(yīng)力調(diào)整改變了介質(zhì)的滲透性，從而對(duì)滲流過程產(chǎn)生影響，即構(gòu)造活動(dòng)增加了含水層滲透性和流動(dòng)通道，致使其他含水層的水補(bǔ)給了井水(趙利飛等，2002; Claesson et al.，2007)，引起水位上升。這2種觀點(diǎn)的前提都是存在區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)。滇20井對(duì)臺(tái)站附近地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)有一定的反映，地震前兆異常特征為趨勢(shì)上升變化或上升異常變化。

圖5 洱源滇20井水位日均值圖

圖6 洱源滇20井水位與降雨量分鐘值圖

3 結(jié)論

借助水化學(xué)和物理分析方法，對(duì)洱源臺(tái)滇20井水位的異常上升及其補(bǔ)給來源進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:(1)滇20井井水來源主要是大氣降水，井水存在一定程度上的水巖作用。(2)通過分析大氣降水與井水的補(bǔ)給關(guān)系，水位變化與地震的關(guān)系，認(rèn)為降水與滇20井水位的顯著升高有密切關(guān)系，主要原因是大氣降水的增多引起滇20井水位升高。在排除降雨干擾的提前下，滇20井對(duì)周邊地震有一定的映震能力，地震前兆異常表現(xiàn)為破年變趨勢(shì)上升異?；蛏仙惓！?3)應(yīng)用水化學(xué)和物理結(jié)合的方法，為科學(xué)、客觀地分析井水位異常變化提供了有效的技術(shù)途徑。