寧夏南部及鄰區地震觀測井地下水埋藏類型綜合評價*

丁風和，賀嘉偉，欒博文，楊學峰，儲 翔

(寧夏回族自治區地震局，寧夏 銀川 750001)

0 引言

用于地震前兆觀測的地下水觀測井大都是從20世紀70年代以來相繼改建和新建的，其類型主要有潛水、承壓水以及混合水。經過幾十年的觀測，井孔觀測條件、觀測狀況是否發生變化，值得進一步了解。另外，井水位觀測不僅觀測到地震異常信息，還觀測到一些與地震無關的干擾信息，其動態變化能直接或間接地反映井水位觀測的質量和可信度。利用不同的數理模型和方法進行井孔含水層地下水埋藏類型的分析和判別，將為科學嚴謹地判定水位觀測的質量和可信度評價、水位觀測的準入(退出)機制、觀測井(點)的勘選等提供有效途徑，可進一步提升觀測井地下水監測的有效性和科學性。

截至目前，利用多方法進行地震觀測井地下水埋藏類型的綜合分析和研究鮮有報道，但利用不同方法進行地下水埋藏類型的診斷研究，國內外學者進行了不同程度的嘗試，主要有：①Rasmussen和Crawford(1997)提出了利用井水位對氣壓的階躍響應函數可進行地下水埋藏類型的定量診斷。近年來，國內外學者采用該方法開展了相關研究(Toll，Rasmussen，2007；Darner，Sheets，2012；楊柳等，2014；丁風和等，2017；Ching-Fang，2018)，并給出了井水位對氣壓的階躍響應函數和滯后時間之間變化規律的關系式，定量區分了承壓水、非承壓水(潛水)和半承壓水(丁風和等，2017)。②天文觀測已對固體潮分量的頻率特性了解得很清楚，一般考慮M、O、K、S和N波5個主要分量(占全部起潮力的95%以上)。利用頻譜分析(潮汐波分量的預期響應)也可以診斷和判別含水層的地下水埋藏類型(Weeks，1979；Rojstaczer，Riley，1990；Rahi，Halihan，2013)。③利用垂直流或水平流狀態下的相位為正(超前)或為負(滯后)，來判別含水層是承壓水還是非承壓水(Roeloffs，1996；Shi，Wang，2016)。

本文利用寧夏南部及鄰區的6口地震觀測井的數字化水位和氣壓等資料，基于井水位對氣壓的階躍響應函數方法、頻譜分析法、潮汐波群相位超前或滯后法3種方法來診斷和判別各井含水層的地下水埋藏類型。結合各井點近幾年水化學離子樣品測量結果，利用Piper(1944)三角圖評價其水-巖平衡狀態。最后，綜合評價了各井井-含水層系統的地下水埋藏類型。

1 資料整理與處理

目前寧夏南部及鄰區用于地震前兆監測的潮汐波清晰、氣壓效應明顯的數字化水位觀測井主要有海原甘鹽池井、西吉王民井、固原東山坡井、平涼柳湖井、平涼鐵路井和靜寧威戎井，具體空間位置如圖1所示，其基本信息見表1。

圖1 本文研究的6口井的空間位置

表1 本文研究的6口井基本信息

本文研究的6口井水文地質條件不盡相同：①海原甘鹽池井地處海原斷裂帶內部的甘鹽池拉分盆地中，隔水層為黏沙土，有較好的封閉性，觀測含水層為第四系盆地邊緣裂隙含水層，巖性孔隙大，透水性較好，易受降雨和淺層水的影響。②西吉王民井位于新生代斷陷盆地內，該區覆蓋著較厚的第四系黃土。觀測含水層為第三系向斜承壓水，巖性為砂巖。補給來源為大氣降水和基巖裂隙水，地下水補給源遠，徑流途徑長。③固原東山坡井位于新生代斷陷谷地內，斷層及節理裂隙發育。觀測含水層是第三系的中粒砂巖層，地下水類型以裂隙水為主，富水程度取決于所處的構造位置及構造性質。井水補給主要為東、西、南基巖山區的側向徑流和大氣降水，較低的地形條件，成為地下徑流匯集的有利地帶。④平涼柳湖井位于六盤山東側的階地上，為柳湖公園的補給水井。含水層巖性主要為砂礫巖，補給來源為涇河上游和斷裂帶裂隙水。⑤平涼鐵路井位于六盤山東麓斷裂附近的河流谷地內。主要含水層為白堊系砂巖、礫巖，地下水類型為裂隙承壓水。含水層封閉性較好，一定程度受降雨影響。⑥靜寧威戎井附近構造復雜，主要含水層為石英砂巖，承壓裂隙孔隙水。含水層封閉性較好，一定程度受降雨影響。

本文研究資料包括：6口井的水位和氣壓整點值數據，并使用三次樣條插值和一般多項式分段擬合值進行缺數補齊；各井的理論固體潮整點值；各井點的excel文件，內容包括時間(等間隔的整點值)列、水位列、氣壓列和理論固體潮列。需要說明的是，水位須由埋深值換算成水頭高度值，單位為m。

2 研究方法

2.1 井水位對氣壓的階躍響應函數

利用6口井的水位、氣壓和理論固體潮數據，通過卷積回歸方法來擬合各井階躍響應函數的最佳值，根據各井水位對氣壓的滯后時間與階躍響應函數間的關系，來判斷各井含水層系統的地下水埋藏類型(Toll，Rasmussen，2007；Darner，Sheets，2012；丁風和等，2017)。在不考慮其他因素(如補給和排泄等)時，井水位的變化量可表示為：

(1)

式中：為滯后時間；是選擇的最大滯后時間；Δ()為時刻的水位變化量；()為滯后時刻的氣壓單位脈沖響應函數； Δ(-)為-時刻的氣壓變化量；()為固體潮響應系數；Δ(-)為-時刻的固體潮變化量。

井水位對氣壓的階躍響應函數可表示為：

(2)

式中：()為井水位對氣壓的階躍響應函數，可由氣壓單位脈沖響應函數()累加求和得到。

2.2 頻譜分析方法

利用各井的數字化水位和氣壓整點值數據，通過頻譜分析(M波、O波、K波、S波和N波5個主要分量的頻率特性)和各潮汐波分量的預期響應，來診斷和判別各井含水層的地下水埋藏類型。一般情況下，地下水埋藏類型和潮汐波預期響應存在一定的對應關系(Rahi，Halihan，2013)，見表2。

表2 含水層埋藏類型和潮汐波預期響應的對應關系

2.3 潮汐波群相位超前或滯后方法

利用井水位觀測中的相位變化，即相位為正(超前，垂直流)或為負(滯后，水平流)，來判斷各井地下水埋藏類型(Roeloffs，1996；Shi，Wang，2016)。另外，潮汐因子作為井水位觀測系統靈敏度的主要參量，其值的大小反映出井含水層裂隙發育及堅硬程度。一般情況下，潮汐因子在(0.22～10)×10mm體應變范圍內，井水位觀測系統的靈敏度(潮汐響應)越高，其含水層介質越堅硬且難以變形(劉序儼等，2009)。潮汐因子和相位滯后等潮汐參數可由維尼迪克夫調和分析方法得到。

3 各井含水層地下水埋藏類型特征分析

3.1 井水位對氣壓的響應函數

利用卷積回歸方法擬合各井水位對氣壓的滯后時間與階躍響應函數間的關系，發現6口井的井水位對氣壓的滯后時間(12 h)和對氣壓的階躍響應函數()之間存在如下關系：

()=e+

(3)

分析可知：①(定義域)的范圍為0～12 h，()的范圍為0～1。②隨著的增大，海原甘鹽池井、固原東山坡井、平涼鐵路井和靜寧威戎井()也增大。表明系數<0時，()隨的增大而增大，井-含水層系統的地下水埋藏類型為承壓水。③隨著增大，西吉王民井和平涼柳湖井()則遞減。表明系數>0時，()隨著的增大而減小，井-含水層系統地下水埋藏類型為潛水和半承壓水。因此，系數的正負決定著井-含水層系統地下水的埋藏類型。④不管6口井的井-含水層系統的地下水埋藏類型如何，其系數都小于零，的大小與井孔的形狀、尺寸(結構)和含水層的水力特性有關(Rasmussen，Crawford，1997；王麗亞等，2012)。⑤前期由于受到明顯的井孔存儲效應和皮膚效應(又稱薄壁效應)的影響(Rasmussen，Crawford，1997；Toll，Rasmussen，2007；王麗亞等，2012)，隨著的增加，海原甘鹽池井、固原東山坡井、平涼鐵路井和靜寧威戎井的()都呈增加趨勢，后期變化相對平穩(此時又稱最佳階躍響應函數)，轉變成相應的含水層模型。因此，從井-含水層系統承壓性強弱看，平涼鐵路井最強，靜寧威戎井次之，固原東山坡井最弱。⑥西吉王民井和平涼柳湖井的井-含水層系統地下水埋藏類型為潛水和半承壓水，且與成井時依據貯存埋藏條件定性判別的地下水埋藏類型有一定差別(圖2和表3)。分析其原因可能有兩點：一是這2口井雖然在承壓區(具有承壓性)內，但由于比較靠近補給區或排泄區，受控于區域地形地貌、構造特征以及裂隙發育程度等，使得井孔中的地下水與外界有著一定的水力聯系；二是井管年久失修，存在腐蝕破損現象，地表水和淺層水很容易進入井管內，與外界的水力聯系也很密切。

圖2 6口井的水位對氣壓的階躍響應函數與滯后時間的擬合關系

表3 6口井的水位對氣壓的階躍響應函數與滯后時間的關系統計

3.2 頻譜分析方法

選取研究時段內6口井的水位整點值數據，得到其各自水位的頻譜分析結果(圖3、4)。①引起海原甘鹽池水位變化的主要潮汐分波主要有M、S、N、O和K波。其中，S波振幅最大，達到3.2 mm，由表2可知，該井含水層系統地下水埋藏類型為半承壓水。②西吉王民井、固原東山坡井、平涼柳湖井、平涼鐵路井和靜寧威戎井水位變化中，5種潮汐波分量都有，且不同程度的出現P和Q波，但M波振幅都最大，分別達到6.2、2.7、15.3、13.8、31.2 mm。由表2可知，這5口井含水層系統地下水埋藏類型都為承壓水。

圖3 6口井水位對各潮汐波分量的響應情況

3.3 潮汐波群相位超前或滯后方法

基于井水位頻譜分析結果，利用維尼迪科夫潮汐波群相位超前或滯后方法，分別計算了研究時段內各井M波和S波的潮汐因子和相位滯后的均值及其相應的均值誤差。結果表明：

(1)海原甘鹽池井水位的S波以及西吉王民井、固原東山坡井、平涼柳湖井、平涼鐵路井和靜寧威戎井水位的M波潮汐因子均值都高于井水位觀測系統的最低靈敏度0.22 mm/10體應變(圖5a中虛線)。這6口井的井含水層介質的裂隙發育程度、孔隙度大小和外界存在水力聯系的強弱，由高到低分別為固原東山坡井、海原甘鹽池井、西吉王民井、平涼鐵路井、平涼柳湖井和靜寧威戎井。

(2)只有海原甘鹽池井和平涼柳湖井相位滯后的均值高于0°，分別為31.31°和2.65°，處于垂直流狀態下。其余4口井相位滯后的均值都低于0°(圖5b中虛線)，處于水平流狀態，且相位滯后最明顯的是固原東山坡井。因此，基于潮汐波群相位超前或滯后確定的6口井地下水埋藏類型中，固原東山坡井、西吉王民井、平涼鐵路井、靜寧威戎井為承壓水，其余2口井為半承壓水或非承壓水。

圖4 6口井水位的周期-振幅譜分析結果

圖5 6口井潮汐因子均值及其均值誤差(a)及相位滯后均值及其均值誤差(b)

4 各井地下水化學組分分析

地下水的地球化學敏感性是地下水系統對自然和人類活動影響的敏感程度所反映的固有屬性，且地下水系統中的化學變化相當復雜多變(張煒等，1988；Karimi，2017；Stober，Bucher，1999；張煒斌，2013；胡小靜等，2020)。判定地下水的水-巖相互作用程度，除地下水中陰、陽離子含量(絕對濃度)外，各離子的百分含量(相對濃度)也有較好的指示意義。其中，Na-K-Mg三角圖常用來評價水-巖平衡狀態和區分不同類型的水樣，能把混合水和平衡水很好地分開，樣品落在不同的范圍內，其意義也不一樣：①若落在未成熟水范圍內，表明其為淺層的地下水，主要接受大氣降水的補給，循環周期相對較快，水-巖之間尚未達到離子平衡狀態，水巖作用仍在進行。②若落在部分平衡水范圍內，表明其補給來源中除了大氣降水外，還有較深層地下水的混入，水-巖反應相對較弱，水流系統相對較為穩定，不易受到干擾；③若落在完全平衡水范圍內，說明水-巖反應較為充分，補給來源主要來自于深層地下水，大氣降水補給少。

本文收集整理了2017年以來6口井的水化學離子樣品測量結果，數據來源為李新艷等2017年地震科技星火計劃中寧夏井泉離子樣品測試結果和中國地震局地殼應力研究所全國地震觀測井水化學普查結果。對每口井中每種離子進行了均值計算，并投影到三角圖中(圖6)。由圖6可見：從水-巖平衡狀態來看，西吉王民井和固原東山坡井處于部分平衡水范圍，即地下水的補給來源中除了有大氣降水外，還有較深層地下水的混入；其余4口井都處于未成熟水范圍內，以淺表水為主，主要接受大氣降水的補給，循環周期相對較快，水-巖之間尚未達到離子平衡狀態，水巖作用仍在進行，且靠近Mg端元。

圖6 6口井多年平均水化離子三角圖

5 綜合評價

5.1 評價依據

綜上所述，井水位對氣壓的階躍響應函數方法能區分兩種類型的地下水：承壓水和非承壓水或半承壓水；頻譜分析方法可區分3種類型：承壓水、半承壓水、非承壓水；潮汐波群相位超前或滯后方法只能區分兩種類型：承壓水和非承壓水或半承壓水；水-巖平衡狀態分析方法能區分3種類型：未成熟水、部分平衡水和完全平衡水。因此，可通過上述4種方法的組合來綜合判定觀測井含水層的地下水埋藏類型，其依據是(丁風和等，2021)：

(1)當使用3種定量方法，如井水位對氣壓的階躍響應函數方法、頻譜分析方法、潮汐波群的相位超前或滯后方法都判定為承壓水，不管水-巖平衡狀態方法判定結果如何，則該井綜合判定為承壓水。

(2)當使用水-巖平衡狀態方法判定為完全平衡水時，則該井直接判定為承壓水。

(3)當使用井水位對氣壓的階躍響應函數方法和潮汐波群的相位超前或滯后方法判定為非承壓水或半承壓水，同時，使用頻譜分析方法判定為非承壓水，且水-巖平衡狀態方法表明是未成熟水時，則該井綜合判定為非承壓水。

(4)其余情況都可將觀測井綜合判定為混合水。

5.2 評價結果

利用井水位對氣壓的階躍響應函數、頻譜分析法、潮汐波群相位超前或滯后法3種方法診斷和判別了6口井含水層的地下水埋藏類型，同時，結合Na-K-Mg三角圖分析評價了各井的水-巖平衡狀態(表4)。結果表明：

表4 6口井多方法綜合判定的地下水埋藏類型結果

(1)基于3種方法診斷和判別固原東山坡井、平涼鐵路井和靜寧威戎井含水層的地下水埋藏類型都為承壓水，且與這3口井依據成井時的貯存埋藏條件定性判別的結果(裂隙承壓水和孔隙承壓水)一致。從水-巖平衡狀態來看，雖然這3口井都具有承壓性，但受控于區域地形地貌、構造特征以及裂隙發育程度等，使得井孔中的地下水與外界有著一定的水力聯系。其中，平涼鐵路井和靜寧威戎井受大氣降水的地表徑流、側向徑流和越層補給影響較大，且固原東山坡井還有較深層地下水的混入。

(2)海原甘鹽池井、西吉王民井和平涼柳湖井不同程度地表現出承壓水的特征，但與外界水力聯系關系密切，海原甘鹽池井和平涼柳湖井受大氣降水影響顯著，西吉王民井受較深層地下水的影響。

(3)6口井的井-含水層系統承壓性由強到弱分別為平涼鐵路井、靜寧威戎井、固原東山坡井、西吉王民井、海原甘鹽池井和平涼柳湖井。

6 結論

本文利用寧夏南部及鄰區6口井的數字化水位和氣壓等資料，使用3種方法診斷和判別了各井含水層的地下水埋藏類型，并結合各井點近幾年水化學離子樣品測試結果，分析了各井的水-巖平衡狀態，綜合評價了各井井-含水層系統的地下水埋藏類型，主要得出以下結論：

(1)基于3種方法診斷和判別固原東山坡井、平涼鐵路井和靜寧威戎井含水層的地下水埋藏類型都為承壓水，與外界有著一定的水力聯系。海原甘鹽池井、西吉王民井和平涼柳湖井不同程度地表現出承壓水的特征，但與外界水力聯系關系密切。從以上結論可發現，依據成井時的貯存埋藏條件定性判別的地下水埋藏類型與多方法綜合判定的這6口井的地下水埋藏類型不一致，其原因雖然為有些井點在承壓區(具有承壓性)內，但比較靠近補給區或排泄區，受控于區域地形地貌、構造特征以及裂隙發育程度等，使得井孔中的地下水與外界有著一定的水力聯系。有些井點雖然也在承壓區內，但井管常年失修腐蝕，存在破損現象，地表水和淺層水很容易進入井管內，與外界的水力聯系也很密切。Na-K-Mg三角圖反映的水-巖平衡狀態能提供很好的佐證。

(2)各井對潮汐波群的響應幅度(振幅)、相應波群的潮汐因子與各井與外界存在水力聯系的強弱存在非常好的一致性，即響應幅度和相應波群的潮汐因子越大，井孔與外界存在水力聯系越小，反之亦然。這兩個指標可反應出井含水層介質的裂隙發育程度、孔隙度大小及裂隙發育程度等。但各井承壓性的強弱和與外界存在水力聯系的強弱有著一定程度上的不一致性。如卷積回歸方法確定的海原甘鹽池井、固原東山坡井、平涼鐵路井和靜寧威戎井都為承壓井，且從井-含水層系統承壓性強弱看，平涼鐵路井最強，靜寧威戎井次之，之后為海原甘鹽池井，固原東山坡井最弱，這與上述界定的各井與外界存在水力聯系的強弱是不一致的。另外，基于多方法綜合評價的6口井井-含水層系統承壓性由強到弱分別為平涼鐵路井、靜寧威戎井、固原東山坡井、西吉王民井、海原甘鹽池井和平涼柳湖井。以上不一致很可能與各井含水層的水力特性、裂隙發育程度、井孔結構和固體潮汐波頻率等存在差異有關。

(3)地震系統內的水位觀測井已經觀測了幾十年，目前其井孔結構、與外界水力聯系以及含水層特性等是否發生變化，相應地其產出資料的質量和信度是否可靠并不清楚；新建的觀測井以及從石油、水利和國土等部門移交過來的觀測井，如果資料缺失，如何利用這些井開展研究，通過本文研究可以找到很好的解決辦法：一是只要有≥2 d的水位(滿足潮汐波群相位超前或滯后的需要)、氣壓數字化觀測整點值資料；二是取一次水樣，進行水化學離子組分等分析，就能綜合評價這些井孔的地下水埋藏類型，最終為觀測井(點)的勘選以及提高觀測質量和資料信度等提供依據。

在本文撰寫過程中，得到了中國地震局地質研究所車用太研究員、應急管理部國家自然災害防治研究院劉耀煒研究員以及審稿專家和編輯部老師的悉心指導和幫助，在此一并表示衷心的感謝。