井水位與固體潮—氣壓作用關系研究

葛建宏

摘要： 井水位受到多種因素影響，最初學者們研究井水位、固體潮和氣壓之間的關系，但是分析兩種綜合作用井水位的研究較少。本研究通過理論分析基于水—巖耦合理論得出井水位和固體潮—氣壓綜合作用之間的模型變化，得出井水位受固體潮、氣壓單項因素的影響不大，和兩項因素綜合作用關系密切。

關鍵詞： 井水位;固體潮;氣壓

【中圖分類號】P315.723 【文獻標識碼】A【文章編號】1674-3733（2020）16-0205-01

1井水位氣壓效應的研究

大氣壓強的變化是造成深井水位變化的主要因素之一。地下水位的變化受到氣壓動態(tài)的影響，稱為地下水位氣壓效應。而井水位是地下水位的直觀反應，氣壓變化瞬時作用于井水位，使得井水位與周圍含水層的水頭出現差異，這一現象亦叫做井水位的氣壓效應。關于井水位氣壓效應的研究，國外國內外學者采用不同地區(qū)的水位和氣壓觀測資料對水位的氣壓效應進行了研究，分別給出了水位觀測數據氣壓效應的基本特征及其影響機理。

在1663年BlaisePascal發(fā)現露天的井水位和氣壓之間存在關系，Jacob（1940）首次提出了氣壓效應，并用一個線性表達式把氣壓變化和井水位改變的關系表示出來，即井水位隨氣壓變化的程度大小[1]。在1985年蘇聯水文地質學家朗格也提出，除了涌水量之外氣壓也是影響井水位的因素之一，自此人們開始關注井水位的氣壓效應。

我國學者張昭棟利用地下流體動力學和彈性理論得出含水層水頭隨其氣壓變化的方程，但是沒有考慮到水層和井空間水來回滲漏的情況，因此沒有得出水位和氣壓之間的滯后關系研究。之后，他將含水層和井之間的滲流關系考慮在內，導出氣壓變化對承壓含水層的地下水位影響微分方程，并討論了方程的解，從而得出類似于Jacob推導出的氣壓效率表達式，并提出了氣壓效率與氣壓系數的區(qū)別。宋金穎在2012年研究井孔儲存和氣壓波動導致的井水位波動和滯后關系，得出了承壓含水層井孔水位波動和氣壓波動之間的公式。

目前對于井水位氣壓效應的研究主要集中在承壓含水層，對于潛水含水層研究較少。根據前人研究成果，水位與氣壓呈現負相關的特征，水位滯后于氣壓。

2井水位和固體潮關系研究

Bredehoeft J D（1967）研究了各種要素對井水位變化的影響，并建立了地下水位與固體潮的函數關系，成為研究地下水對氣壓效應及固體潮的理論基石;

我國學者車以太等人在1989年研究井水位和潮汐之間的變化，他們得出潮差是引潮力作用下引起的周期性變化，因為彈性變形出現的壓縮和膨脹引起巖石裂縫周期性的升降和張閉[7]。黃躍進、許書元等人分析永安冷凍廠的深井水位觀測數據計算潮汐因子，并對固體潮的觀測精度進行計算[8]。張昭棟、陳學忠等人以豫01井為例計算固體潮和加卸載相應和井水位對固體潮應變的相應率，發(fā)現在發(fā)生地震時相應和相應率會發(fā)生變化，他們使用兩種方法計算固體潮和加卸載相應比。史浙明和王廣才對不同深度承壓井的潮汐進行對比分析，來探索微動態(tài)與地震的關系;劉陽等通過對潮汐效應的分析，解釋了潮汐效應機理，并得出了潮汐效應沒有滯后性。

3井水位對固體潮—氣壓的綜合作用的響應

固體潮和氣壓是連續(xù)作用與井水系統的兩個重要的非構造應力，因為固體潮和氣壓兩者周期性和頻率相近，所以兩種力在大小、方向和變化幅度上經常有規(guī)律的周期性變化，這兩種力回在巖石發(fā)生彈性形變時呈現可變化、高頻率的變化。國外學者HsiehP A、Bredehoeft、WeeksEP等人，國內學者張昭棟、鄭金涵等人研究了固體潮和氣壓對井水位的影響，但是這些學者們多從固體潮或者氣壓的單一角度分析。通過查閱近年來的文獻發(fā)現井水位會受到固體潮和氣壓的雙重影響，所以需要將這兩種作為綜合性因素進行分析。

固體潮的構造力與降雨、冰雪荷載不同，這種構造力不會因時間變化衰弱，因此固體潮屬于地殼彈性變化，是日月引潮力作用地球導致的。除此之外引潮力和含水層巖石發(fā)生彈性形變時和會導致空隙水壓發(fā)生變化，出現井水位潮汐現象。氣壓屬于面荷載，在同一水平面上氣壓的荷載分布相對均勻，通常情況會在幾十甚至幾百公里范圍內保持一致。

如果井水周圍的含水層是均質的多彈性介質，當含水層或含水層上層覆蓋的介質發(fā)生彈性變化時氣壓和固體潮會對井水發(fā)生線性疊加的作用。通過研究案例發(fā)展，此時兩個水平方向的引潮力對井水位的作用力較少，井水位的變化△h和吹響引潮力的可用△h=Btz△gz來表示。在這個公式中△g表示垂直方向引潮力的變化數值，Btz表示井水位對垂直方向引潮力的影響系數，此時的變化屬于以為變化，這個公式表示了井水位和引潮力相應的物理關系。因為氣壓和固體潮兩者對井壁會產生共同作用，即在氣壓增量之后△P和垂直方向的引潮力△gz會相互作用，使得井水層之間出現壓力差，在這種壓力差的作用下井含水層會發(fā)生水量交換，使得井壁內外的水壓相對平衡。

在（△P+h）|rw-=（a△P+Btz△gz）|rw+這個公式中井壁內部會受到氣壓的影響使得井水的△P出現水量變化;井壁外部會受到氣壓的直接作用讓井水面的含水層空壓出現改變，即a△P和垂直引潮力兩者會相互作用，導致含水層空壓變化，即Btz△gz發(fā)生改變，總結公式可得到△hd=Bp△P-Btz△gz。

結語

影響井水位的因素很多，氣壓和固體潮只是其中兩個因素。通過對學者們的研究發(fā)現，研究成果從最初的氣壓、固體潮影響到現在氣壓、固體潮綜合研究，在今后研究中學者們還會考慮到更多影響因素，得出更全面的分析。

參考文獻

[1]Jacob. C. E.， On the flow of water in an elastic artesian aquifer. 1940，21（2）： 574- 586.

[2]張昭棟，段會川，王昌文等. 1991.一種計算井水位氣壓效率、固體潮系數和海潮系數的新方法[J].地震.06：48-53.

[3]張昭棟，鄭金涵，馮初剛. 1989.井水位的固體潮效應和氣壓效應與含水層參數間的定量關系[J].西北地震學報.11（3）：47-52.

[4]張昭棟，鄭金涵，馮初剛.1986.氣壓對水井水位觀測的影響[J].地震.1：42-46.

[5]宋金穎. 周期性海潮和氣壓波動引起的地下水流和氣流的解析研究[D].中國地質大學（北京），2012.