運(yùn)城東郭井水位異常與孔隙度變化的分析

姚林鵬，劉國俊，李 民，李曉銳，王洪峰

(1.山西省地震局夏縣中心地震臺(tái),山西 夏縣 044400；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站,山西 太原 030025)

0 引言

由于地下水存在普遍性、流動(dòng)性和難壓縮性，當(dāng)它處于一個(gè)封閉的承壓系統(tǒng)時(shí)，井水位的動(dòng)態(tài)變化能夠客觀、靈敏地反映地殼中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的改變。前人已有的研究認(rèn)為，承壓井水位的動(dòng)態(tài)能夠反映含水層孔隙率的變化[1]，而研究含水層孔隙率的變化能夠有助于分析井水位出現(xiàn)異常變化的成因[2]。

楊柳等，武曉軍等利用華北地區(qū)及黑龍江地區(qū)承壓井水位資料進(jìn)行含水層參數(shù)的計(jì)算，來反映該地區(qū)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)[3-4]；方慧娜利用井水位氣壓效應(yīng)反演含水層參數(shù)，對汶川地震前后四川、安徽地區(qū)的南溪、邛崍和巢湖井的井水位動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析，認(rèn)為地震導(dǎo)致了含水層參數(shù)的變化或者對井孔周圍地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生了影響[5]；丁風(fēng)和等研究了蘇皖地區(qū)5口井含水層介質(zhì)在孔隙度和滲透系數(shù)的變化情況，結(jié)合井-含水層系統(tǒng)，在受力與層儲(chǔ)水水均衡兩種不同狀態(tài)下的微動(dòng)態(tài)變化模型，分析了各井水位出現(xiàn)同步上升變化現(xiàn)象在水動(dòng)力學(xué)上的成因機(jī)制[6]。

該文針對運(yùn)城東郭井2013-2017年出現(xiàn)了多次較大幅度的水位異常，擬通過地下流體動(dòng)力學(xué)和巖石力學(xué)等相關(guān)理論，對東郭井?dāng)?shù)字化水位、配套氣壓等資料進(jìn)行處理，求解井水位動(dòng)態(tài)變化中的潮汐因子與氣壓系數(shù)，進(jìn)一步求解含水層孔隙度。在討論含水層在受應(yīng)力變化和水均衡，兩種不同狀態(tài)下的微動(dòng)態(tài)變化后，梳理東郭井-含水層系統(tǒng)中孔隙度隨時(shí)間的變化情況，與井水位的異常變化進(jìn)行分階段對比，明確2013-2017年東郭井幾次大的水位異常變化，所反映的地下水動(dòng)力或構(gòu)造活動(dòng)的變化信息，為晉陜豫交界區(qū)的區(qū)域震情研判和跟蹤提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 觀測井基礎(chǔ)信息與資料選取及處理

1.1 觀測井基礎(chǔ)信息

東郭井是山西省地震局“十五”期間，自籌資金建成的一口地震地下流體觀測井，位于汾渭斷陷帶的運(yùn)城盆地，海拔高程400 m，構(gòu)造上位于中條山斷裂，呈弧形向東南的凸出點(diǎn)(見第34頁圖1)。井深614.71 m，觀測含水層深度485 m，為第三系上新統(tǒng)松散巖，地下水類型為孔隙承壓水，成井時(shí)水位埋深21.18 m，水面溫度10 ℃。

1.2 資料選取及處理

選取2013-2017年，東郭井“十五”數(shù)字化水位變化數(shù)據(jù)，和同測點(diǎn)配備的氣壓變化整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，進(jìn)行如下整理。將水位和氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行逐月檢查、整理，缺數(shù)時(shí)，結(jié)合多次樣條插值與一般多項(xiàng)式分段擬合結(jié)果進(jìn)行替代，干擾及校測等產(chǎn)生的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)加以改正，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠；利用回歸法獲得僅余氣壓項(xiàng)和固體潮項(xiàng)的水位整點(diǎn)值資料。

2 東郭井水位變化特征

2013-2017年東郭井水位變化較大，變幅在40.9～53.1 m之間，共出現(xiàn)3次大的異常變化。分別為2014年9月突升異常、2015年9月突降異常、2017年2月突升異常。根據(jù)水位的變化動(dòng)態(tài)，將5年間的變化分為4個(gè)階段：第1階段(2013年1月-2014年9月)，水位變化平穩(wěn)，表現(xiàn)為“夏低冬高”的年變形態(tài)；第2階段(2014年10月-2015年9月)，水位持續(xù)性下降，且下降速率較為平穩(wěn)；第3階段(2015年9月-2017年2月)，水位持續(xù)性上升，波動(dòng)較大；第4階段(2017年2月-12月)，水位持續(xù)性下降，下降速率較為平穩(wěn)(見圖2、表1)。

圖1 山西中條山地區(qū)水文地質(zhì)圖Fig.1 Hydrogeological map of Zhongtiaoshan area, Shanxi Province

圖2 東郭井水位年動(dòng)態(tài)變化圖Fig.2 Annual dynamic change of water level in Dongguo well

3 含水層參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化特征

3.1 氣壓系數(shù)和潮汐因子的計(jì)算

表1 東郭井水位不同階段的變化特征Table 1 Variation characteristics of water level in Dongguo well at different stages

考慮把水位變化理解為趨勢變化成分、隨機(jī)變化成分、潮汐影響成分和氣壓影響成分等幾個(gè)分項(xiàng)。利用卷積回歸法進(jìn)行潮汐影響成分的去除，然后結(jié)合一般多項(xiàng)式分段擬合結(jié)果,去除水位動(dòng)態(tài)中隨機(jī)變化成分和趨勢變化成分，余下的水位變化數(shù)據(jù)將只包含氣壓影響成分分項(xiàng)。首先,將趨勢變化表現(xiàn)明顯的氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行一階擬合去趨勢;然后,采用一元回歸方法,利用僅剩余氣壓影響分項(xiàng)的水位數(shù)據(jù)和校正后的氣壓數(shù)據(jù),求解氣壓影響系數(shù)Bp[7]。

計(jì)算潮汐影響因子的過程是先利用卷積回歸法，進(jìn)行井水位變化中氣壓影響成分的去除，再結(jié)合一般多項(xiàng)式分段擬合結(jié)果，去除水位動(dòng)態(tài)中的趨勢變化成分和隨機(jī)變化成分，余下的水位變化數(shù)據(jù)只剩潮汐響應(yīng)分項(xiàng)，使用Venedikov調(diào)和分析軟件計(jì)算各波群的潮汐影響因子Bg[8]。

3.2 孔隙度計(jì)算

在假設(shè)含水層不排水的狀態(tài)下，水位氣壓系數(shù)Bp和潮汐因子Bg可分別表示為[9-10]：

(1)

(2)

由式(1)、(2)可得：

(3)

式(1)、(2)中：α為含水層固體骨架的體積壓縮系數(shù)；β為水的體積壓縮系數(shù)，取值為4.69×10-10(m2/N)；n為含水層的孔隙度；ρ為水的密度；g為重力加速度；ρ和g相乘為水的重度，其值為0.098 hPa/mm。由式(1)、(2)得出的公式(3),消去了固體骨架的體積壓縮系數(shù)α，在已知?dú)鈮合禂?shù)Bp與潮汐因子Bg，只有一個(gè)未知數(shù)n的情況下，通過將各月氣壓系數(shù)與潮汐因子進(jìn)行代入，即可求得含水層的孔隙度n。

3.3 孔隙度變化特征分析

第35頁圖3的2013年-2017年東郭井孔隙度月值結(jié)果表明，第35頁孔隙度出現(xiàn)3次大的變化，分別為2014年10月“突升”變化、2015年9月-12月“突升-突降”變化、2016年11月-2017年2月“突升-突降”變化。3次變化將整體的孔隙度數(shù)據(jù)分成4個(gè)階段：第1階段(2013年1月-2014年9月)，孔隙度在15%左右波動(dòng)變化，從2014年4月開始緩慢下降；第2階段(2014年10月-2015年8月)，孔隙度在25%波動(dòng)，從2015年4月開始緩慢下降；第3階段(2016年1月-10月)，孔隙度在15%左右平穩(wěn)波動(dòng)；第4階段(2017年2月-12月)，孔隙度在20%左右波動(dòng)變化。

圖3 觀測含水層孔隙度變化圖Fig.3 Porosity change of observed aquifer

4 含水層孔隙度動(dòng)態(tài)變化特征

在觀測含水層為承壓水條件下，井水位測區(qū)含水層因受力狀態(tài)改變，而引起地下水位出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的過程中，當(dāng)含水層受壓變形時(shí)，孔隙度減小，孔隙壓力增強(qiáng)，井水位呈現(xiàn)上升形態(tài)；反之，當(dāng)含水層受張力發(fā)生變形，孔隙度增加，孔隙壓力減弱，井水位呈現(xiàn)下降形態(tài)(見表2)。受力狀態(tài)的改變和水均衡過程，均可以造成水位發(fā)生上升或下降形態(tài)的變化，要區(qū)分兩種成因的不同，關(guān)鍵是了解在水位動(dòng)態(tài)發(fā)生變化的過程中，孔隙度的變化情況。

表2 含水層受力狀態(tài)變化引起的地下水動(dòng)態(tài)變化關(guān)系表Table 2 Dynamic change of groundwater caused by change of stress state of aquifer

含水層介質(zhì)由水均衡過程改變,而引起地下水位動(dòng)態(tài)變化的過程中，當(dāng)含水層補(bǔ)給量大于泄流量，補(bǔ)給增強(qiáng)時(shí)，孔隙度增大，孔隙壓力增強(qiáng)，井水位呈上升變化形態(tài)；反之，補(bǔ)給量小于泄流量，水位呈下降變化形態(tài)(見表3)。

表3 含水層水均衡變化引起的地下水動(dòng)態(tài)變化關(guān)系表Table 3 Dynamic change of groundwater caused by water balance change of aquifer

東郭井水位4個(gè)階段的變化與孔隙度的變化具有準(zhǔn)同步性，從各階段的整體特征來看，第2階段相較于第1階段水位升高，孔隙度同步增大，反映出水位的上升變化與補(bǔ)給量多于泄流量、補(bǔ)給過程增強(qiáng)有關(guān)；第3階段相較于第2階段水位降低，孔隙度整體同步較小，反映出水位的低位變化與泄流量多于補(bǔ)給量、補(bǔ)給減弱有關(guān)；第4階段相較于第3階段水位升高，孔隙度同步增大，反映出水位的上升變化與補(bǔ)給量多于泄流量、補(bǔ)給增強(qiáng)有關(guān)(見圖4)。

東郭井水位4個(gè)階段之間的異常大幅變化，從孔隙度變化的角度來看，水位上升與下降和孔隙度增大與減小同步，與水均衡過程的孔隙度變化一致，與應(yīng)力改變過的孔隙度變化不一致，反映出水位變化與區(qū)域含水層受力狀態(tài)的改變相關(guān)性較弱，主要與含水層介質(zhì)因水均衡狀態(tài)過程發(fā)生變化有關(guān)。

圖4 水位變化與含水層孔隙度變化對比圖Fig.4 Comparison of changes in water level and porosity of aquifer

5 結(jié)論與討論

針對東郭井水位2013年-2017年發(fā)生幾次大的異常變化，通過Venedikov調(diào)和分析及氣壓影響系數(shù)、含水層參數(shù)(孔隙度)等的計(jì)算和分析，得出以下結(jié)論：

(1) 東郭井水位與孔隙度均反映出較明顯的4個(gè)階段性變化，各階段的時(shí)間跨度及變化發(fā)生點(diǎn)具有準(zhǔn)同步性。

(2) 引起東郭井水位3次異常變化的原因主要是水均衡的問題，即不同時(shí)間段內(nèi)補(bǔ)給量與泄流量的大小問題，與區(qū)域含水層受力狀態(tài)的改變相關(guān)性較弱。

(3) 通過計(jì)算含水層孔隙度的變化情況，能較好地應(yīng)用于水位異常變化的成因分析。

該研究主要對東郭井水位2013-2017年出現(xiàn)的4個(gè)階段變化進(jìn)行分析，通過孔隙度整體的變化來討論水位異常變化的因素，但在每次異常變化前后，孔隙度都會(huì)出現(xiàn)短期的大幅波動(dòng)，反映出水均衡過程導(dǎo)致水位異常變化的復(fù)雜性，還需要進(jìn)行更加深入的分析與討論。