寧德一號(hào)井水位突跳現(xiàn)象分析①

黎己余， 鄭辰禾， 林稚穎， 楊鼎鴻， 程慶斌， 鄧 聰

(福建省地震局，福建 福州 350003)

地下流體廣泛存在于地殼中，具有流動(dòng)性，對(duì)地殼活動(dòng)的響應(yīng)十分靈敏，因此地下水動(dòng)態(tài)活動(dòng)對(duì)于地震活動(dòng)和構(gòu)造活動(dòng)的響應(yīng)也非常靈敏[1]。近年來，大力發(fā)展地下流體監(jiān)測(cè)工作，在中國(guó)進(jìn)行流體監(jiān)測(cè)較為常見的組合為同井(泉)進(jìn)行靜水位、水溫，動(dòng)水位、水溫、溶解氣或水質(zhì)等方式。寧德地震臺(tái)根據(jù)臺(tái)站實(shí)際情況，2004年開展寧德一號(hào)井“單井綜合觀測(cè)”模式探索工作，自主研發(fā)井口裝置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單井綜合觀測(cè)[2-3]。目前，寧德一號(hào)井中有靜水位、水溫和氣氡等測(cè)項(xiàng)。地震觀測(cè)數(shù)據(jù)是開展地震分析預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，確保地震觀測(cè)數(shù)據(jù)能可靠地用于地震科學(xué)研究具有重要意義。從歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化時(shí)，主要受到自然環(huán)境、場(chǎng)地環(huán)境、觀測(cè)系統(tǒng)、人為干擾和地球物理事件等因素影響[4-15]。 2019年7月25日至8月12日寧德一號(hào)井水位多次出現(xiàn)大幅度異常變化。本文中通過逐一排查后得出恒流泵故障是造成水位出現(xiàn)大幅異常變化的結(jié)論。

1 寧德一號(hào)井概況及觀測(cè)系統(tǒng)

寧德一號(hào)井位于寧德地震臺(tái)院內(nèi)，該井成井于1998年，井深63 m，井孔孔徑127 mm，終孔孔徑110 mm，裸孔段為39.25～52.97 m，含水層巖石為燕山早期花崗巖，裂隙發(fā)育，涌水量1.5 L/s，礦化度為1.5 mg/L的基巖裂隙水，詳見鉆孔柱狀圖(圖1)。寧德一號(hào)井恒流泵設(shè)定總流量為0.005 L/s，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在進(jìn)行恒定小流量抽水前后，觀測(cè)井中水位值均處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)(靜水位受固體潮、日變、年變等因素影響，水位測(cè)值在相對(duì)固定值附近波動(dòng))，兩者之間僅存在一個(gè)固定的差值。該差值受恒流泵流量的影響較大，當(dāng)流量為0時(shí)，水位為靜水位，在H0處波動(dòng)；當(dāng)流量為F1時(shí)，水位處于H1附近波動(dòng),ΔH=H0-H1是一個(gè)相對(duì)固定差值。

圖1 寧德一號(hào)井鉆孔柱狀示意圖Fig.1 Borehole histogram of Ningde No.1 well

2004年2月數(shù)字化觀測(cè)至今，寧德一號(hào)井觀測(cè)儀器經(jīng)過“十·五”項(xiàng)目改進(jìn)，觀測(cè)模式未改變，為單井綜合觀測(cè)，現(xiàn)有前兆觀測(cè)儀器包括，LN-3A水位儀、SZW-2水溫儀、SD-3A測(cè)氡儀、BG2015R測(cè)氡儀(正式運(yùn)行)；需要說明的是，LN-3水位儀作為備用儀器，不向國(guó)家臺(tái)網(wǎng)報(bào)送數(shù)據(jù)，但處于運(yùn)行狀態(tài)，如有需要可實(shí)時(shí)從儀器中提取相關(guān)數(shù)據(jù)。寧德一號(hào)井觀測(cè)系統(tǒng)及儀器連接方式見圖2。

圖2 寧德一號(hào)井設(shè)備連接示意圖Fig.2 Equipment connection diagram of Ningde No.1 well

(1) 井口裝置：寧德一號(hào)井井口裝置由恒流泵(大、小2個(gè)恒流泵)和自主研發(fā)的程控定量“脫氣-集氣”裝置兩部分組成。大恒流泵流量控制在200 ml/min，主要用于采集深層水進(jìn)行鼓泡脫氣，小恒流泵流量控制在100 ml/min，主要用于循環(huán)表層井水，確保井水處于較為新鮮狀態(tài)[1]。大恒流泵抽送的井水經(jīng)過“脫氣-集氣”裝置 “鼓泡-脫氣-集氣”環(huán)節(jié)，將溶解在水中的氣(待測(cè)氣)稀釋出并輸送往測(cè)氡儀閃爍室內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)。

(2) 供電系統(tǒng)：寧德一號(hào)井供電系統(tǒng)以交流電為主，直流電為輔，通過市電、UPS電源、電瓶和發(fā)電機(jī)等4級(jí)配備供電。存在以下幾種不同供電狀態(tài)，(1)交流供電，市電對(duì)UPS電源充電，UPS電源對(duì)儀器提供穩(wěn)定的220 V電源；(2)市電停電，UPS電源直接向儀器提供穩(wěn)定的220 V電源(續(xù)航8 h)，工作人員根據(jù)斷電時(shí)長(zhǎng)(停電通知)判斷是否啟用發(fā)電機(jī)對(duì)UPS充電；UPS與電瓶可確保觀測(cè)儀器續(xù)航10 h。

2 寧德一號(hào)井水位異常特征

寧德一號(hào)井水位數(shù)據(jù)日動(dòng)態(tài)正常，固體潮清晰(圖3)。在2019年7月25日至8月12日水位數(shù)據(jù)多次出現(xiàn)突跳現(xiàn)象，且在突跳后自行恢復(fù)正常狀態(tài)。數(shù)據(jù)突跳主要表現(xiàn)為水位急劇上升、回落，在短時(shí)間內(nèi)多次出現(xiàn)這種反復(fù)“上升-下落”的現(xiàn)象；經(jīng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)變化最大幅度為0.078 m，最大時(shí)長(zhǎng)163 min(表1)，曲線形態(tài)如圖4所示。

圖3 寧德一號(hào)井水位正常曲線圖Fig.3 Normal water level curve of Ningde No.1 well

圖4 寧德一號(hào)井水位異常時(shí)段數(shù)據(jù)(圖中紅色框指水位數(shù)據(jù)異常時(shí)段)Fig.4 Water level anomaly data of Ningde No.1 well

表1 寧德一號(hào)井水位數(shù)據(jù)異常時(shí)段

3 異常排查工作開展

3.1 其他測(cè)項(xiàng)綜合分析

寧德一號(hào)井水位數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，工作人員將同臺(tái)其他測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。同井水溫、氣氡測(cè)值未見異常(圖5)；氣壓、降雨量等輔助測(cè)項(xiàng)與水位對(duì)比分析也未見異常(圖6)；與一號(hào)井相距30 m二號(hào)井水位(2017年11月至今水位試運(yùn)行)對(duì)比分析，常態(tài)下，兩者水位曲線動(dòng)態(tài)變化具有較好的一致性；但這次一號(hào)井水位異常，二號(hào)井水位觀測(cè)曲線無異?，F(xiàn)象。通過兩者同時(shí)段觀測(cè)曲線對(duì)比分析，一號(hào)井水位無突跳時(shí)段，兩者曲線變化形態(tài)及趨勢(shì)仍具有一致性(圖7)；每日定時(shí)監(jiān)測(cè)的恒流泵總流量均在允許范圍內(nèi)(299～301)ml/min，并未發(fā)現(xiàn)流量異常。

圖5 2019年7月24～27日氣氡-水溫-水位對(duì)比曲線(圖中紅色框指水位數(shù)據(jù)異常時(shí)段)Fig.5 Gas radon，water temperature and water level comparison curve from July 24 to 27,2019

圖6 水位(a)氣壓(b)降雨量(c)對(duì)比圖Fig.6 Comparison of water level(a), air pressure(b) and rainfall(c)

圖7 2019年7月24～27日一號(hào)井(a)與二號(hào)井(b)水位對(duì)比圖(圖中紅色框指水位數(shù)據(jù)異常時(shí)段)Fig.7 Water level comparison between well No.1 and well No.2 from July 24 to 27,2019

3.2 周邊場(chǎng)地環(huán)境

該井自觀測(cè)以來受周邊場(chǎng)地環(huán)境影響案例較少，在受到潛在的“干擾源”影響時(shí)，主要表現(xiàn)有：① 周邊民用井抽地下水影響導(dǎo)致水位出現(xiàn)臺(tái)階或向下突跳；主要典型案例有：2017年高級(jí)中學(xué)井抽水導(dǎo)致本臺(tái)觀測(cè)水位出現(xiàn)大幅下降，下降變幅達(dá)0.7 m，臺(tái)階明顯，在停止抽水后水位恢復(fù)到新的動(dòng)態(tài)平衡。經(jīng)多方協(xié)商，高級(jí)中學(xué)于2018年3月封井不啟用。2019年5月，臺(tái)站所在轄區(qū)內(nèi)自來水管道修復(fù)，導(dǎo)致臺(tái)站周邊停水，居民啟用自挖機(jī)井采水用于生活，導(dǎo)致寧德一號(hào)井、二號(hào)井水位均出現(xiàn)下降現(xiàn)象；民用機(jī)井井深72 m，與本臺(tái)觀測(cè)井屬同一含水層，距離本臺(tái)觀測(cè)井直線距離40 m。② 受周邊基建施工停工的影響，導(dǎo)致水位短時(shí)段內(nèi)階段性出現(xiàn)趨勢(shì)變化現(xiàn)象。2019年春節(jié)期間，周邊大型施工場(chǎng)所停工休假，寧德地一號(hào)井、二號(hào)井水位數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)短時(shí)段的下降趨勢(shì)。從潛在的干擾源影響水位數(shù)據(jù)出現(xiàn)畸變現(xiàn)象分析，主要有2個(gè)方面與此次水位突跳表現(xiàn)形式不同。一是數(shù)據(jù)變化的表現(xiàn)形式，潛在干擾造成水位變化形態(tài)主要以水位下降為主，而此次異常水位為上升性突跳；二是影響的時(shí)段及時(shí)長(zhǎng)，潛在干擾源造成的水位變化畸變主要集中在白天時(shí)段，且單次影響時(shí)間較長(zhǎng)，而此次異常時(shí)段比較隨機(jī)，且異常時(shí)間較短。

2019年7月25日至8月12日寧德一號(hào)井水位數(shù)據(jù)多次出現(xiàn)大幅度異常，通過調(diào)查，并未發(fā)現(xiàn)高級(jí)中學(xué)井重新啟用和新鉆井使用；臺(tái)站周邊民用井也未出現(xiàn)抽水和注水情況；臺(tái)站周邊基建也照常施工未見明顯異?，F(xiàn)象，且寧德二號(hào)井水位也未見因周邊基建引起的異常現(xiàn)象。因此認(rèn)為此次水位出現(xiàn)異常與場(chǎng)地環(huán)境干擾影響不大。

3.3 觀測(cè)系統(tǒng)

3.3.1 現(xiàn)場(chǎng)排查

排查工作主要包含供電系統(tǒng)和觀測(cè)設(shè)備連接系統(tǒng)。① 供電系統(tǒng)排查通過對(duì)UPS電源和電瓶電壓的檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)電源電壓異常。② 針對(duì)水位有影響的設(shè)備、系統(tǒng)和連接鏈路等展開排查，均能正常工作；③ 利用測(cè)鐘進(jìn)行水位2次水位現(xiàn)場(chǎng)校測(cè)，校測(cè)結(jié)果均符合學(xué)科要求，儀器可繼續(xù)觀測(cè)，說明該水位儀在此觀測(cè)系統(tǒng)中能正常記錄水位的動(dòng)態(tài)變化(表2)；④ 利用同井LN-3水位儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，時(shí)序圖顯示LN-3儀與LN-3A儀能同步記錄到水位突跳現(xiàn)象，因此更明確水位儀能真實(shí)反映并記錄水位變化情況(圖8)。

表2 2019年7月26日水位異常期間水位現(xiàn)場(chǎng)校測(cè)結(jié)果

圖8 2019年7月25日LN-3A水位儀(a)數(shù)據(jù)與LN-3水位儀(b)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.8 Comparison of LN-3a water level gauge (a)data and LN-3 water level gauge data(b)on July 25， 2019

確定水位儀正常、測(cè)值正常后，開始加密監(jiān)控恒流泵流量，暫未發(fā)現(xiàn)流量異常，且水位測(cè)值也正常。7月27日觀測(cè)人員在巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)恒流泵抽水總量變小，經(jīng)對(duì)大小恒流泵分開測(cè)量流量，發(fā)現(xiàn)小恒流泵抽水量變小，甚至達(dá)到斷流狀態(tài)。通過電源重啟后，小恒流泵恢復(fù)正常工作，流量也穩(wěn)定在閾值內(nèi)，水位數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)。通過小恒流泵故障時(shí)段水位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)27日水位異常變化與25日具有較高的一致性，因此判定本次水位異常為受小恒流泵故障引起。另有一號(hào)井同時(shí)段氡觀測(cè)系統(tǒng)能正常運(yùn)行(含大恒流泵)，且水位觀測(cè)系統(tǒng)(含大、小恒流泵)能真實(shí)反饋水位動(dòng)態(tài)變化，水位數(shù)據(jù)在非場(chǎng)地及地震前兆因素下出現(xiàn)數(shù)據(jù)突跳畸變現(xiàn)象，水位觀測(cè)系統(tǒng)能正常工作，也進(jìn)一步證明了7月25日、27日水位數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度異常變化是受小恒流泵故障影響。

3.3.2 理論排查

通過對(duì)數(shù)據(jù)突跳時(shí)長(zhǎng)和變幅兩者間統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)異常時(shí)段變化特征：(1) 單次數(shù)據(jù)突跳范圍在80 min以內(nèi)，水位測(cè)值變化幅度與數(shù)據(jù)異常時(shí)長(zhǎng)具有明顯的線性關(guān)系，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常相鄰兩次的時(shí)間間隔較小，連續(xù)性出現(xiàn)次數(shù)多，從而導(dǎo)致流量忽大忽小，水位變化表現(xiàn)為“上升-下降”模式；(2) 異常時(shí)間大于80 min，水位變化幅度相對(duì)穩(wěn)定，變化幅度0.075 m，數(shù)據(jù)變化表現(xiàn)為“上升-平臺(tái)-下降”模式。當(dāng)恒流泵停止工作時(shí)，水位數(shù)據(jù)急速上升到新的水頭位置，并處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，啟動(dòng)恒流泵后，水位數(shù)據(jù)又下降到原有的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，其中新水頭位置與恒流泵流量大小有關(guān)(圖9)。

圖9 故障時(shí)長(zhǎng)與水位變化幅度關(guān)系圖Fig.9 Relationship between fault duration and water level change amplitude

利用地下流體相關(guān)理論可較好的說明，長(zhǎng)時(shí)間恒流泵停止工作水位，水位變化幅度較大且有上限。假設(shè)“井孔外圍”水頭高度為h0，未進(jìn)行“恒流式”綜合觀測(cè)改造時(shí)，井孔靜水位水頭值為h1，通過“恒流式”綜合觀測(cè)改造觀測(cè)時(shí)，“恒流式”動(dòng)水位水頭為h2， 對(duì)于同一觀測(cè)井而言，根據(jù)達(dá)西定律有以下物理關(guān)系，

(1)

式中，Q為流量，A和ΔL分別為達(dá)西實(shí)驗(yàn)裝置中水流橫截面積和兩個(gè)水頭之間的直線距離，K為水力傳導(dǎo)系系數(shù)，是價(jià)值和流體的函數(shù)，在確定研究對(duì)象為寧德一號(hào)井時(shí)，上述參數(shù)可認(rèn)定為是一個(gè)常數(shù)，在恒定流量下Q為個(gè)固定值，由公式(1)可知，(h0-h2)與流量Q之間具有較強(qiáng)的線性關(guān)系，當(dāng)流量Q=0時(shí)，恒定動(dòng)水位h2與井孔靜水位h1等價(jià)，同時(shí)根據(jù)公式(1)可得出：h0-h2=0，h0=h2=h1，由此也可得出當(dāng)Q為恒定值時(shí)，恒定動(dòng)水位值與井孔靜水位值保持著恒定的水頭落差Δh。因此該井中當(dāng)恒流泵工作不穩(wěn)定時(shí)，導(dǎo)致流量Q出現(xiàn)波動(dòng)，從而由公式(1)可推出水頭落差Δh=h0-h2隨之出現(xiàn)波動(dòng)，這就較好了解釋了寧德一號(hào)井水位在7月25日至8月12日出現(xiàn)突跳的現(xiàn)象。

3.3.3 故障維修

在認(rèn)定水位異常是受恒流泵異常影響，故障原因可能是恒流泵長(zhǎng)期使用導(dǎo)致管路受水垢，微生物等雜質(zhì)堵塞引起流量變小，甚至流量不通順導(dǎo)致恒流泵死機(jī)不能正常工作。對(duì)管路、軸承等零配件進(jìn)行清洗調(diào)整，將流量調(diào)整至正常水平后，水位數(shù)據(jù)暫未出現(xiàn)突跳現(xiàn)象。2019年8月10～12日，水位又出現(xiàn)了該現(xiàn)象，與恒流泵廠家聯(lián)系后，認(rèn)為是恒流泵元件老化，恒流功能不穩(wěn)，建議返廠修復(fù)。小恒流泵返廠維修期間，采用備用恒流泵，觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠(圖10)。

圖10 2019年更換更流泵后水位數(shù)據(jù)Fig.10 Water level data after replacement of flow changing pump in 2019

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)同井觀測(cè)數(shù)據(jù)，場(chǎng)地環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)校測(cè)、檢查供電等觀測(cè)系統(tǒng)等多方面分析排查，認(rèn)為水位儀運(yùn)行穩(wěn)定，場(chǎng)地環(huán)境無干擾，造成寧德一號(hào)井2019年7月25日至8月12日水位出現(xiàn)突跳的原因?yàn)楹懔鞅霉收?。結(jié)合此次異常分析及恒流泵工作特點(diǎn)，認(rèn)為在寧德一號(hào)井觀測(cè)中，恒流泵運(yùn)行穩(wěn)定與否直接影響著各測(cè)項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流泵運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控為數(shù)據(jù)分析及異常核實(shí)具有積極作用。