撫松井水位觀測干擾因素分析

綦 偉，李仲巍，劉達峰，金 偉，張 磊

（吉林省龍崗火山監測站，吉林 撫松 134528）

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撫松井水位觀測干擾因素分析

綦 偉，李仲巍，劉達峰，金 偉，張 磊

（吉林省龍崗火山監測站，吉林 撫松 134528）

摘要：選取2007—2014年撫松井水位、氣壓、降雨等數據及該井周邊抽水資料進行了相關分析，旨在歸納總結相關干擾因素對水位動態變化影響特點及規律。分析表明，該井水位微動態變化與氣壓呈負相關系，水位年變主要受遠程徑流補給調制。工業及民用抽水及周邊環境改變對水位影響關系復雜，對近年來撫松井水位趨勢下降有較大影響。

關鍵詞：撫松井；降雨；抽水

0　引言

地下水位觀測是地震流體監測的重要組成部分。地震是地殼運動和構造活動的強烈表現形式。地震孕育和發生過程中,能引起局部或區域尺度深、淺部介質的結構、力學、物理化學性質的變化。作為地殼中普遍賦存和活躍的組分的地下水,其動態變化能較靈敏地反映地震和構造活動的信息。國內眾多震例總結表明，無論是在震前、震時或震后，都能觀測到較多的地下水位異常。同時，由于受到降水、地下水開采及周圍自然環境改變的影響，在地下水觀測中也存在相當多的干擾異常。這些干擾因素的影響機理十分復雜，如何處理、離分或剔除這些因素的影響，對于地震前兆的提取，進而做出科學的地震預測十分重要。撫松井自2007年6月開始觀測以來，至2014年底，資料連續，有較規律的年變，氣壓和固體潮效應明顯[1]。自2010年以來，該井周邊的工業抽水和農用灌溉井陸續增加，加之附近種植開發項目的實施，對該井水位觀測影響較大。本文選取撫松井2007—2014 年的水位數據、氣壓降雨及觀測井周邊井抽水資料進行綜合分析，歸納總結降雨與抽水等因素對該井水位的影響，以期給出水位觀測動態變化的正常背景，為地震和火山監測預報提供有價值的資料。

1　觀測井基本情況

1.1觀測井周邊地質構造和水文條件

撫松井的地質構造位于渾江斷裂帶北東端上，井孔與斷裂帶最小距離為10km。渾江斷裂帶作為吉林省內規模較大、切割較深的斷裂帶，貫穿通化、白山二個地區。斷裂總體走向NE50o，綿延180km，為鐵嶺隆起與太子河渾江凹褶斷束兩個三級大地構造單元的分界，斷裂帶西北側為龍崗斷塊，東南側為渾江凹褶斷束。西南段的斷裂西北盤太古界逆沖于中、晚元古界之上，北東段由于被新生代玄武巖掩蓋，斷裂形跡不明，但航磁資料證實斷裂延至撫松縣抽水鄉一帶。該斷裂帶控制晚古生代以及以后的沉積，中生代以來仍繼續活動。新生代以來，該斷裂構造仍呈繼承性活動[2]。受斷裂構造控制，通化－撫松一帶小震活動較為頻繁。觀測井周圍地表被第四系亞粘土夾碎石覆蓋，地表以下為中生界上侏羅系，主要巖性以輝石安山巖、多斑安山巖、安山凝灰巖為主，夾有流紋巖。在井孔及附近巖心裂隙面上出現淋濾性黃褐色和白色硅質薄膜，硅質薄膜出現在深層裂隙面上，這說明巖層裂隙發育的比較好。地下水賦存于基巖裂隙中，一般淺層裂隙水單井涌水量30～50m3/d,本井深層裂隙水單井涌水量9.84m3/d，地下水具有局部相對承壓水性質。

1.2井孔結構與觀測儀器

撫松觀測井井口海拔758m，完鉆井深151m，0～51m段套管口徑為127mm，51～151m段為146mm，其中111～151m段為濾水管（圖1）。0到72米用黃土狀亞粘土封井，72到102m用白粘土球止水封井，隔水層厚10m。水位探頭埋深23.0m；觀測層含水段5.6m，觀測井涌水量每小時0.41m3/d，應為弱含水層；其滲透性較差，滲透系數為0.03m/d；水化學類型為重碳酸鈣型，礦化度為0.41g/L,硬度為204mg/L。撫松井為一井多套儀器觀測，水位儀為LN-3A數字化水位，水溫儀器為SWA-1A數字化水溫儀，探頭投放深度分別為23米和140米。輔助測項為氣象三要素。2013年12月16日增加水位觀測儀器，ZKGD3000-N（中科光大）水位探頭投放深度為23米,二套水位儀并行參比運行。

2　干擾因素分析

2.1降雨與氣壓影響

撫松井自2007年6月投入觀測以來，遠離工業區，2009年10月前附近幾公里范圍內沒有地下水開采，水位觀測受外界影響較小，荷載效應明顯，固體潮反映較好。

從圖2所示的2007—2014年撫松井水位日均值曲線看，該井水位具有較明顯的年變，屬于“冬高夏低”型，水位變化幅度約為1～2.6m，自2011年以后，水位下降趨勢明顯。

圖1和表1中給出該井周邊的降雨及總降雨量變化，從圖2可以看出，每年降雨集中分布于6～9月，其中2010—2012年降雨量較大，均在600mm以上。2010年總降雨量達到了823mm，而2014年降雨量最小，僅為322mm。對比分析降雨量和水位變化，兩者呈負相關關系，每年降雨的高峰期對應水位觀測值曲線年變谷底，亦即降雨量對水位的影響有較長時間滯后。根據車用太等人對中國井網127口深井統計分析的結果，撫松井水位年變屬于“先谷后峰”型，此類年變動態多見于觀測井距補給區較遠和地下徑流條件較差的情況,水位峰值往往對應于前一年或半年的降雨峰值[3]。由于撫松井地下潛水隔水頂板相對致密，滲透系數為0.03m/d；滲透性較差，本地的大氣降水不能直接補給，應為較遠處的水平逕流補給。從表1給出年降雨量與水位差對比分析，降雨是水位年變的主要影響因素，但降雨對水位的影響時間至少滯后半年。

表1　地脈動信號的優勢頻率與卓越周期參數

在地下水動態觀測中,氣壓對水位的影響具有普遍性。就承壓水井而言，大氣壓力通過井孔直接作用于井水面上，同時也通過上覆地層給含水層施加附加應力。氣壓發生變化時，在含水層孔隙壓力和井孔水柱壓力間便形成壓力差，導致地下水在含水層和井孔之間產生流動，從而引起井水位的升降變化。從機理上分析，氣壓和水位應為負相關關系。但從氣壓日均值曲線和水位日均值曲線圖上看（圖2），氣壓與水位似乎為正相關關系。為進一步分析問題，選取2011年4月份水位和氣壓整點值進行分析，觀測值曲線由圖3所示。

對比分析圖3所展示的水位和氣壓曲線，可以看出，不論是時間尺度為1天還是1個月，兩者都存在負相關關系。參照趙丹等人[4]的方法，此對水位和氣壓整點值繪制散點圖分析，兩者具有一定的線性相關關系。以氣壓為自變量，水位為因變量進行一元線性回歸計算，得到相關系數及回歸方程及氣壓影響系數，見表2。其中相關系數R為-0.591，氣壓影響系數為-0.0051，即氣壓每變化1hpa，則會引起水位約5mm的變化。由表1可知，撫松井附近氣壓每年變差最大約為35hpa，由此可引起的最大水位變化約為0.2m。

從機理上分析，氣壓年變與氣溫變化為負相關，即溫度愈低，氣壓愈高。水位與氣壓從機理上分析也應為負相關，但該井由于補給滯后，每年的水位高峰值出現在年底，這時氣溫也處于低值，因而出現水位與氣壓為正相關的假象。通過回歸分析計算，氣壓引起的水位變化最大變化為0.2m，而水位年變達2m以上，這主要是補給造成的。在年變曲線上，氣壓對水位的負相關影響已被補給形成的年變淹沒，水位年變曲線主要反映的是補給影響。

表2　水位與氣壓回歸分析結果

2.2水位與抽水影響

撫松井自2007年投入觀測以來，周邊影響因素較少，觀測曲線相對平穩，有明顯的年變規律。自2010年以后，其周邊工業用水井及民用灌溉井逐年增多，對觀測環境影響較大（圖4）。據初步調查，在撫松井周圍650m內共有抽水井4眼，其中距觀測井最近有抽水井距離僅為100m。這些抽水井在不同程度上對撫松井水位觀測造成影響。2010年5月19日在距離撫松井260米處的磚廠打井（井深47m），磚廠投產后，抽水對水位的影響比較明顯。為查清撫松井周邊用水對水位觀測的干擾影響，于2015年7月5日、7月8～9日，分別選取距該井100m和260m的養豬廠水井和磚廠抽水井進行抽水試驗。

第1次抽水實驗：養豬廠井，抽水時間為2015年7月5日8—15時，抽水時長為7小時，抽水泵型號為爵士力/100QJD6-50，流量：6（m3/h），揚程：50（m）。

第2次抽水實驗：磚廠井，抽水時間為2015年7月8日20—7月9日8時，抽水時長為12小時，抽水泵型號為上海青蛙/ QGD1.8-50，流量：7（m3/h），揚程：80（m）。

圖5為抽水實驗期間撫松井記錄水位分鐘曲線，從圖中可以看出，第一次抽水試驗時，水位即開始下降，至抽水結束時已下降0.511m，抽水結束時水位繼續下降，至7月6日16時間時最大降幅已達0.72m。之后曲線緩慢抬升，但至第二次抽水試驗時，尚未完全恢復。

第2次抽水試驗開始時，撫松井水位觀測值并未立即下降，而是在2.5小時后才開始下降，至抽水結束時，下降0.38m，抽水結束時水位仍以原有速率下降，至7月11日9時降至最低值，最大降幅達1.06m。之后水位值曲線緩慢，直至20日方恢復至正常形態。

上述試驗表明，抽水對水位觀測有相當大的影響，抽水時的水位下降和后效影響可達幾天甚至到十天。水位觀測曲線的下降與恢復及其形態，與抽水源距井口的距離、抽水井的深度、抽水時間及抽水量以及地下水逕流補給條件有關。對撫松井而言，上述2個抽水井可能與該井水位處于同層水面上，僅一次十幾小時的抽水，已接近水位觀測的最大年變值。

從2011年10月到2014年底，撫松井水位雖還呈現出一定的年變形態，但保持了總體下降的趨勢。與此同時，該井周邊抽水井逐年增多，工業及農用灌溉用水已成常態。周邊地下水過量開采，加之撫松井門前的3000多畝的濕地開墾為藍霉基地，蓄水功能喪失，均可導致地下水位下降，這應是近年來撫松井觀測水位下降的主要原因。

3　結論與討論

綜上分析，給出如下結論：

（1）撫松井水位觀測年變主要與降雨有關，但降雨以逕流方式補給，時間上有明顯滯后；

（2）該井氣壓與水位呈負相關系，氣壓系數較小，對水位的長期變化影響較小；

（3）該井周邊的抽水對水位影響較大，近年來井水位持續下降，與大量地下水開采及周邊環境變化有關。

由于資料相對匱乏及認識水平所限，本文的分析還需深化。特別是該井及周邊的水文地質情況尚不明晰，未能進行地下水年齡測試[5]，無法給出更清楚的地下水運移的運動機制，這些都有待于今后進行更深入的工作來完善。

參考文獻：

[1]綦偉,劉俊清.撫松井數字化觀測資料分析[J].防災減災學報,2010,26（2）:26-30.

[2]李鐘巍等.撫松井水溫動態特征分析[J].防災減災學報,2010,26（1）:67-74.

[3]車用太，魚金子，張大維.降雨對深井水位動態的影響[J].地震,1993,8（4）:4-15.

[4]趙丹,王廣才.地下水位氣壓效應的消除及主要氣壓影響分波的識別[J].中國科學,2013,43（1）：79-86.

[5]張國盟,劉耀偉,張磊,等.地下水測年方法及其在地震監測中的應用展望[J]．中國地震,2015,31（1）;1-10.

ANALYSIS OF FUSONG WELL WATER LEVEL OBSERVATION INTERFERENCE FACTORS

QI Wei，LI Zhong-wei，LIU Da-feng，JIN Wei，ZHANG Lei
（Volcanic Observatory of Longgang，Jilin Fusong 134528，China）

Abstract:In this paper,the data of 2007 -2014 years,such as water level,pressure,rainfall and other data of the well water level in Fusong,were selected and analyzed.The purpose of this paper is to summarize the characteristics and laws of the factors affecting the dynamic changes of the water level.The analysis shows that the dynamic changes of the water level in the well are negative correlation with the air pressure,and the water level changes are mainly influenced by the remote runoff recharge.Industrial and civil water pumping and the surrounding environment to change the impact of the water level is complex,the trend in recent years,the water level in Fusong has a greater impact.

Key words:Fusong well;rainfall;pumping

作者簡介：綦偉(1973-)，男，漢族，吉林省撫松縣人，1996年畢業于吉林省化工學校，本科，工程師，現主要從事火山與地震觀測研究。E-mail: qw731215281@sina.com

收稿日期：2015-09-26

修訂日期：2015-10-21

基金項目：吉林省地震局“合同制科研課題項目”（編號：201511）資助

中圖分類號：P315.72

文獻標志碼：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.01.010

文章編號：1674-8565（2016）01-0059-05