山西静乐观测井水位干扰分析

刘俊芳吕 芳郭 宇高文玉郭宝仁

1）中国山西035403定襄地震台

2）中国太原030021山西省地震局

3）中国山西030025太原大陆裂谷动力学国家野外观测站

山西静乐观测井水位干扰分析

刘俊芳1），3）吕 芳2），3）郭 宇1），3）高文玉1），3）郭宝仁1），3）

1）中国山西035403定襄地震台

2）中国太原030021山西省地震局

3）中国山西030025太原大陆裂谷动力学国家野外观测站

山西静乐观测井具有含水层系统对地壳应力—应变响应灵敏的优势，其水位变化对应地震，可间接反映地壳应力—应变特征。2015年7月以来，静乐井水位快速上升，对观测环境、仪器及人为干扰进行分析，并进行同层地下水开采及抽水试验，分析该井水位异常原因，结果发现，降雨量、抽水试验对静乐井水位变化影响不大，而生产用同层地下水开采量减小是该井水位变化的主要原因。

水位；干扰分析；地下水开采；调查；异常

0 引言

地下流体观测可以获得地球深部信息，地下水位异常可能是最直接的宏观短临地震前兆，地下水位观测已广泛用于地震监测，是开展地震监测的重要手段。降水及人为开采造成水位升降，并因此影响水位观测是不可避免的。调查研究观测井水位异常及干扰因素具有积极意义。多个研究者对山西地下流体观测井水位异常进行研究，孟彩菊（2010）认为，水位变化影响短水准高差，二者相关性及年最大变化量的异常与山西地震带内发生的地震有较好对应。沈晓松等（2012）研究太原井水位异常，认为与煤窑关闭、汾河清水复流工程、关井压采、黄河水大量引用具有直接关系。杨晓芳等（2013）研究认为，地震波引起含水层介质及孔隙压力变化，导致观测井内上下层水体进入井孔，水温表现为台阶变化。近年来山西静乐井水位变化明显，文中对引起井水位变化的各种干扰因素进行分析，探讨水位变化与地下水开采的关系。

1 观测井概况

山西静乐井位于晋西北汾河上游，地质构造处于吕梁山断块隆起区、静乐盆地东缘、东碾河断裂带上，出露基岩为寒武系、奥陶系碳酸盐岩系，上覆第四系砂砾石层。静乐井深362.92 m，观测层为中奥陶灰岩裂隙承压水，含水层岩石溶洞发育，井区处于强径流区，地下水补给为来自北、南山区基岩裸露区的大气降雨补给和东碾河河水沿断裂破碎带入渗补给。

多年观测资料表明，静乐井水位干扰因素主要有观测系统、自然环境和人为干扰。其中：观测系统干扰包括仪器故障、电源干扰、路由器死机、通信单元故障等；自然环境干扰包括雷电、刮风和降雨干扰等；人为干扰包括模拟换纸干扰和校测、仪器更换等。

2 井水位正常动态特征

2.1 趋势变化特征

从1983—2015年静乐井水位日均值曲线（图1）可以看出，该井水位长趋势变化呈现4个阶段：1983—1998年为高值期，1999—2006年为低值期，2007—2011年为高值期，2012—2015年为低值期。2012年以来的趋势性转折变化主要由周围工业用井抽水干扰影响所致。

图1　静乐水位长趋势曲线Fig.1 Long-term trend curve of Jingle well water level

2.2 年动态特征

多年的观测资料显示，静乐井水位具有较规律的年变动态特征，表现为两峰两谷型，高水位期在每年5月、9月，低水位期为2月、7月。文中选择井水位趋势变化的4个阶段的部分年份进行分析，静乐井水位受气压、固体潮和降雨影响。由图2可知，降雨量大的年份静乐井水位变幅大，可见降雨是影响该井水位动态变化的主要因素。

图2　静乐水位日均值年变化Fig.2 Annual change of daily average water level of Jingle well

3 井水位异常变化

3.1 井水位快速上升

静乐井水位2007年7月23日—10月3日累计上升1.89 m，之后持续高值（图1）。2013年—2015年6月受生产用同层地下水开采影响，水位处于低值，2015年7月水位突然快速上升，且已超过多年平均值（图2），是否为地震前兆异常亦或受同层地下水开采影响所致，在此进行分析。

3.2 井水位地下应力响应分析排除前兆异常

静乐井水位可记录国内外6.5级以上地震的同震响应。水位对地震的响应为震荡型水震波，震荡幅度大小和周期长短与井—含水层系统特征有关。水震波主要由地震面波引起，其响应幅度与震级正相关（图3）。

图3　静乐水位同震震荡曲线（a）2015年4月25日尼泊尔8.1级地震；（b）2015年7月3日新疆和田6.5级地震；（c）山西朔州水位（2015年1月—5月）与华北地震对应关系；（d）静乐水位（2015年4月1日—18日）与华北地震对应关系Fig.3 The magnitudes of earthquakes concussion type graph of Jingle well water level

根据吕芳（2015）等的研究，静乐井对地壳应力—应变的响应能力取决于井—含水层系统的特征参数，如含水层厚度（d）、渗透系数（K）、导水系数（T）、井孔半径（rw）等。根据Cooper等（1965）、张昭栋等（1999）的研究，井—含水层系统对地壳应力—应变的响应能力与导水系数、渗透参数、固有周期、有效水柱高度成正比，与井孔半径成反比，与含水层岩性关系密切，一般灰岩含水层观测井对地壳应力—应变的响应能力大于其他岩性的含水层。静乐井观测层属于中奥陶灰岩裂隙承压水，地壳应力—应变响应能力大于其他岩性的含水层。因此，静乐井能较为灵敏地反应地下应力变化的特征。

由图3（c）可见，2015年4月15日15：39内蒙古阿拉善左旗MS6.1地震前（4月1日—15日），朔州观测井（距震中约701.04 km）水位持续下降约0.414 m，变幅3.54%，达到异常变化范围；震后水位持续下降，至4月24日降到最低，共下降0.772 m，变幅6.2%，之后逐渐回升至正常状态。静乐井在此次MS6.1地震震中东南方向，距震中约657.71 km。由图3（d）可见，静乐井水位在该地震前（4月12日—15日15：38）上升0.053 m，震后（4月15日15：43—16日0：51）急速下降0.049 m，变化幅度均为0.5%。静乐井水位2015年7—9月快速上升约0.93 m，但无地震对应。

综上所述，静乐井水位2015年7月快速上升，不是地震前兆异常，应为干扰所致。

4 井水位干扰分析

静乐井水位呈季节性趋势变化，引起水位测值产生变化原因多样，结合井水位动态特征，从观测环境、观测仪器及人为干扰、生产用同层地下水开采及相关抽水试验等，分析2015年7月静乐井水位快速上升干扰因素。

4.1 观测环境

（1）静乐井水位短期动态变化与观测环境间接相关，距观测井约200 m的东碾河河水雨季上涨，枯水季节河水流量减小，水位回落，河水涨落对水位变化具有荷载作用。

（2）静乐井水位受降雨影响，随降雨补给趋势上升。李自红等（2011，2015）和张淑亮等（2009）分析认为，上升幅度与雨量正相关，由井—含水层特征及井区环境条件分析，降雨是导致水位快速上升的主要原因。而静乐井水位与降雨之间，并不是每次强降雨都会造成水位大幅度上升。水位上升伴随强降雨，只有在应力场快速积累过程中，降雨的调制作用才会造成水位高值异常（图4）。2015年降雨量与往年同期相比无明显变化，因此，7月以来水位的快速上升受降雨量影响的可能性较小。通过分析降雨、水温与水位的变化（图4），排除降雨对静乐井水位的影响。

图4　静乐井水位、水温日均值与降雨量对比Fig.4 The comparison of daily average of water level and water temperature at Jingle well with rainfall

4.2 观测仪器及人为干扰

静乐水位出现不明原因变化，于2015年5月通过同层观测数字水位仪（SWY-Ⅱ）对比观测，发现两套仪器的水位曲线变化趋势一致（图5），排除仪器及人为干扰。

图5　静乐井同层水位同步观测仪器对比Fig.5 The comparison of synchronized observation instruments with the same layer water level of Jingle well

4.3同层地下水开采

周围开采环境对观测井的影响，间接反映了井水位的动态变化。用于生产的山西天柱山化工厂2个同层开采井在测点允许范围内［图6（a）］，1号井位于静乐井上游1.5 km处，2号井在2 km处。1号井夜间抽水，2号井全天抽水，影响了该地区地下水分布，改变了静乐井水位的年变动态。根据静乐井水位资料，2012年以来水位持续低值；2013年—2015年7月受化工厂抽水干扰，每年1—2月水位上升，其他时段水位处于起伏变化态势，整体处于低值异常。

当1号井和2号井抽水作业时，静乐井水位下降，且与水温的台阶变化时间相对应［图6（b）］。当同层开采井大量抽水时，导致不同层位地下水进行交换，打破水动态平衡状态。受不同层位冷热水混入等影响，观测层水温发生变化。静乐井水温随井深增加而下降，水位下降或上升，导致地下水循环速度加快，引起水温升高或下降。观测井上游的同层地下水开采，抽走一部分低温地下水，水循环要达到平衡，部分地表水通过渗流补给，含水层温度通过热传导，温度上升；远处深层水的补给，温度下降。因此，水位下降，水温则呈现“上升—下降”起伏变化，属于非构造原因引起。

图6　静乐井水位受抽水干扰影响曲线（a）测点环境；（b）2015年6月1日—15日观测井水位、水温分钟值曲线Fig.6 The pumping interference of Jingle well water level

经调查，山西天柱山化工有限公司生产用井2012年9月至2014年8月为试生产阶段，生产用水以地表水为主，地下水间断使用；2014年9月以后为正式生产阶段，生产用水以地表水为主，地下水为辅，地表水水量不足或浑浊，使用地下水；2015年8月中旬，地表水经改造满足生产用水，地下水作为生活用水。2014年8月至2015年10月27日，山西天柱山化工有限公司生产用井抽水统计见表1。

表1　静乐井测点周围地下水生产用井抽水统计Table 1 The conditions of pumping groundwater with the production wells surrounding Jingle well

由表1可知，2015年7月以来，地下水抽水减少约6 000 m3，静乐井水位快速上升，水温也同步上升（图4）。进一步说明，工业用井抽水对静乐井水位存在干扰。

4.4 抽水试验

对化工厂进行二级水源地影响半径测定，对实验用井G1井于2015年5月26日至8月8日进行抽水试验，该井位于静乐井下游偏西约1.8 km的水源地［图6（a）］。在试验过程中，G1井抽水量较大（表2），但因G1井所处位置，且在2015年7—8月G1井抽水期间，静乐井水位呈上升趋势（图2），认为该井抽水对静乐井水位变化影响不大。

表2　静乐井测点周围地下水抽水统计Table 2 The conditions of pumping groundwater surrounding Jingle well

5 讨论

山西静乐井因同层井工业用水的抽水干扰，导致地下水位分布发生变化，水位观测资料的正常年变动态发生改变，降雨量、抽水试验对静乐井水位变化影响不大，而生产用同层地下水开采量减小是该井水位变化的主要原因。

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Abstract

The observation well of Jingle in Shanxi Province has an advantage which aquifer systems are of sensitive response to the crustal stress-strain.The corresponding to the earthquake of Jingle well water level can reflected the crustal stress-strain characteristics.The abnormality cause of the well water level is found through the analysis of the observational environment，equipment，human disturbance and the same layer of groundwater mining and pumping test.The final results indicated that the rapid rise of water level of Jingle well since July 2015 is mainly caused by the reduction of groundwater exploitation in the well from the same aquifer.

Analysis of water level observation interference of Jingle well in Shanxi Province

Liu Junfang1），3），Lv Fang2），3），Guo Yu1），3），Gao Wenyu1），3）and Guo Baoren1），3）
1） Dingxiang Seismic Station，Shanxi Province 035403，China
2） Earthquake Administration of Shanxi Province，Taiyuan 030021，China
3） National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan，Shanxi Province 030025，China

water level，interference analysis，groundwater exploitation，investigation，anomaly

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.005

刘俊芳（1986—），女，工程师，主要从事台站前兆监测分析工作