運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,山西 夏縣 044400；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站,山西 太原 030025)

0 引言

由于地下水存在普遍性、流動性和難壓縮性，當它處于一個封閉的承壓系統時，井水位的動態變化能夠客觀、靈敏地反映地殼中應力應變狀態的改變。前人已有的研究認為，承壓井水位的動態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異常變化的成因[2]。

楊柳等，武曉軍等利用華北地區及黑龍江地區承壓井水位資料進行含水層參數的計算，來反映該地區應力應變狀態[3-4]；方慧娜利用井水位氣壓效應反演含水層參數，對汶川地震前后四川、安徽地區的南溪、邛崍和巢湖井的井水位動態進行了分析，認為地震導致了含水層參數的變化或者對井孔周圍地質構造產生了影響[5]；丁風和等研究了蘇皖地區5口井含水層介質在孔隙度和滲透系數的變化情況，結合井-含水層系統，在受力與層儲水水均衡兩種不同狀態下的微動態變化模型，分析了各井水位出現同步上升變化現象在水動力學上的成因機制[6]。

該文針對運城東郭井2013-2017年出現了多次較大幅度的水位異常，擬通過地下流體動力學和巖石力學等相關理論，對東郭井數字化水位、配套氣壓等資料進行處理，求解井水位動態變化中的潮汐因子與氣壓系數，進一步求解含水層孔隙度。在討論含水層在受應力變化和水均衡，兩種不同狀態下的微動態變化后，梳理東郭井-含水層系統中孔隙度隨時間的變化情況，與井水位的異常變化進行分階段對比，明確2013-2017年東郭井幾次大的水位異常變化，所反映的地下水動力或構造活動的變化信息，為晉陜豫交界區的區域震情研判和跟蹤提供一定的科學依據。

1 觀測井基礎信息與資料選取及處理

1.1 觀測井基礎信息

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城盆地，海拔高程400 m，構造上位于中條山斷裂，呈弧形向東南的凸出點(見第34頁圖1)。井深614.71 m，觀測含水層深度485 m，為第三系上新統松散巖，地下水類型為孔隙承壓水，成井時水位埋深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”數字化水位變化數據，和同測點配備的氣壓變化整點值數據，進行如下整理。將水位和氣壓數據進行逐月檢查、整理，缺數時，結合多次樣條插值與一般多項式分段擬合結果進行替代，干擾及校測等產生的錯誤數據加以改正，保證數據的真實可靠；利用回歸法獲得僅余氣壓項和固體潮項的水位整點值資料。

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。根據水位的變化動態，將5年間的變化分為4個階段：第1階段(2013年1月-2014年9月)，水位變化平穩，表現為“夏低冬高”的年變形態；第2階段(2014年10月-2015年9月)，水位持續性下降，且下降速率較為平穩；第3階段(2015年9月-2017年2月)，水位持續性上升，波動較大；第4階段(2017年2月-12月)，水位持續性下降，下降速率較為平穩(見圖2、表1)。

圖1 山西中條山地區水文地質圖Fig.1 Hydrogeological map of Zhongtiaoshan area, Shanxi Province

圖2 東郭井水位年動態變化圖Fig.2 Annual dynamic change of water level in Dongguo well

3 含水層參數的動態變化特征

3.1 氣壓系數和潮汐因子的計算

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、隨機變化成分、潮汐影響成分和氣壓影響成分等幾個分項。利用卷積回歸法進行潮汐影響成分的去除，然后結合一般多項式分段擬合結果,去除水位動態中隨機變化成分和趨勢變化成分，余下的水位變化數據將只包含氣壓影響成分分項。首先,將趨勢變化表現明顯的氣壓數據進行一階擬合去趨勢;然后,采用一元回歸方法,利用僅剩余氣壓影響分項的水位數據和校正后的氣壓數據,求解氣壓影響系數Bp[7]。

計算潮汐影響因子的過程是先利用卷積回歸法，進行井水位變化中氣壓影響成分的去除，再結合一般多項式分段擬合結果，去除水位動態中的趨勢變化成分和隨機變化成分，余下的水位變化數據只剩潮汐響應分項，使用Venedikov調和分析軟件計算各波群的潮汐影響因子Bg[8]。

3.2 孔隙度計算

在假設含水層不排水的狀態下，水位氣壓系數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；β為水的體積壓縮系數，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α，在已知氣壓系數Bp與潮汐因子Bg，只有一個未知數n的情況下，通過將各月氣壓系數與潮汐因子進行代入，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果表明，第35頁孔隙度出現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據分成4個階段：第1階段(2013年1月-2014年9月)，孔隙度在15%左右波動變化，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，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%左右平穩波動；第4階段(2017年2月-12月)，孔隙度在20%左右波動變化。

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

4 含水層孔隙度動態變化特征

在觀測含水層為承壓水條件下，井水位測區含水層因受力狀態改變，而引起地下水位出現動態變化的過程中，當含水層受壓變形時，孔隙度減小，孔隙壓力增強，井水位呈現上升形態；反之，當含水層受張力發生變形，孔隙度增加，孔隙壓力減弱，井水位呈現下降形態(見表2)。受力狀態的改變和水均衡過程，均可以造成水位發生上升或下降形態的變化，要區分兩種成因的不同，關鍵是了解在水位動態發生變化的過程中，孔隙度的變化情況。

表2 含水層受力狀態變化引起的地下水動態變化關系表Table 2 Dynamic change of groundwater caused by change of stress state of aquifer

含水層介質由水均衡過程改變,而引起地下水位動態變化的過程中，當含水層補給量大于泄流量，補給增強時，孔隙度增大，孔隙壓力增強，井水位呈上升變化形態；反之，補給量小于泄流量，水位呈下降變化形態(見表3)。

表3 含水層水均衡變化引起的地下水動態變化關系表Table 3 Dynamic change of groundwater caused by water balance change of aquifer

東郭井水位4個階段的變化與孔隙度的變化具有準同步性，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給量多于泄流量、補給過程增強有關；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給量、補給減弱有關；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給量多于泄流量、補給增強有關(見圖4)。

東郭井水位4個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，與應力改變過的孔隙度變化不一致，反映出水位變化與區域含水層受力狀態的改變相關性較弱，主要與含水層介質因水均衡狀態過程發生變化有關。

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 結論與討論

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

(1) 東郭井水位與孔隙度均反映出較明顯的4個階段性變化，各階段的時間跨度及變化發生點具有準同步性。

(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，即不同時間段內補給量與泄流量的大小問題，與區域含水層受力狀態的改變相關性較弱。

(3) 通過計算含水層孔隙度的變化情況，能較好地應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年出現的4個階段變化進行分析，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，孔隙度都會出現短期的大幅波動，反映出水均衡過程導致水位異常變化的復雜性，還需要進行更加深入的分析與討論。