衡水冀16井水位异常变化调查与分析

罗 娜，王 静，宋 昭，赵志远，解 真，高登平

（河北省地震局红山基准台，河北 邢台 055350）

衡水冀16井水位异常变化调查与分析

罗 娜，王 静，宋 昭，赵志远，解 真，高登平

（河北省地震局红山基准台，河北 邢台 055350）

衡水冀16井水位2014年10月27日突升之后并维持在高值变化，在高值变化的同时出现多次阶升阶降变化形态。此井井深为1700.41米，突升幅度为0.0588m，以前从未出现过上述情况，该异常变化是否是前兆异常？为了确定异常性质，从供电系统、观测仪器、对比观测、环境干扰等方面进行调查和分析，最终排查出是泄流口排水池堵塞造成水位变化，不是地震前兆异常，对异常变化机理进行初步分析，为判断水位异常变化积累了经验。

水位； 突升；阶变；异常分析

0 引言

地下水是地壳中最活跃的组分之一，它广泛分布于地壳岩体之中，当形成具有一定封闭条件的承压系统时，其动态对地壳应力应变状态变化就有着较为灵敏的响应，是地下流体学科最主要的观测手段之一［1-2］。地下水位变化伴随着地球内部岩石的受力变形、破裂，地下水位动态不仅可以直接反映含水层受力状态变化引起孔隙压力的变化，还可以反映出含水层地下水径流的速度与流量等渗流场的变化［3-4］。通过分析地下水位动态来揭示地震发生过程具有明确的理论依据，大量震例资料表明在很多大地震前水位出现了异常变化，例如：2008年汶川地震前4个月时间内，泸州13井水位上升变化了0.8m［5］；孙振璈等研究发现1998年张北6.2级地震前，延庆五里营井水位在上升趋势异常的背景下，与1997年09月18日突然升高0.189m，之后又出现幅度达0.075m的方波脉冲异常［6］； 1999年3月11日张北MS5.6级地震前，马17井水位上升型异常和阶变型异常都很明显［7］。因此地下水位观测在地震监测预报中起着非常重要的作用。

数字化水位观测与模拟观测相比，具有数据传输速度快，数据信息量极大等优点，增加了水位高频、短周期信息，为跟踪地震短临异常信息提供了有利条件［8］，但同时也更容易受到干扰。地下水动态变化包括宏观动态和微观动态，地下水动态的异常变化可能是区域构造活动的作用结果［9-12］，也可能是受观测系统、地下水开采、漏电、观测环境变化等因素影响的结果［13-15］。因此有效识别水位异常形成原因，及时排除与识别各种干扰变化，并对异常性质做出分析判断，是地下流体资料应用的关键问题之一，对于震情跟踪和预测具有现实和迫切意义。

衡水冀16井（简称衡水井）水位2014年10月27日出现突升之后并维持在高值变化，在高值变化同时出现多次阶升阶降变化，此井是动水位观测深水井，可能有利于记录含水层介质应力应变状态的迅速调整。衡水井之前从未出现过如此大幅度的变化，此次异常变化和1998年张北地震前延庆五里营井短临异常形态相类似，但是变化幅度相对较小；和五里营井由于泄流管憋气导致水位出现50cm尖峰状波动形态特征也不同。该异常是否是前兆异常？为识别异常性质，对衡水井观测仪器、供电系统及观测环境进行了调查与研究，最终找到了干扰源排除了异常，使衡水井水位恢复了正常观测。

1 衡水冀16井观测概况

衡水冀16井（以下简称衡水井）成井于1979年01月16日，是华北油田打下的勘探深井， 成井后一直自流，自流量25m3/h，1987年由石油部交地震部门使用，观测井位于衡水市深洲大屯乡陈家口村南，地势自西南向东北缓慢倾斜，海拔高度12～30m。井口标高5m，高温自流，水温79.5℃，PH值6.4，总矿化度为44.8g/L，气体总量较大，水型属氯化物重碳酸钠型水。井口终孔深度1700.41m，观测段为1500.44m至1700.41m，采水层位于下第三系孔店组的角砾岩破碎带中，上面多为泥岩，封闭良好，基底为震旦亚界碳酸岩系，上第三系1339.5m，第四系329m（图1）。该井属岩溶裂隙承压水，不受大气降雨、地表水直接渗入补给，构造部位位于华北平原沉降带冀中新河凸起高点上，属邢台—河间地震带（图2），水位观测使用的仪器是北京中科光大自动化技术有限公司生产的ZKGD3000-N型水位仪，采用辅助测管校测水位。由于观测井水温高和气体含量较大，为了降低温度和滤波作用，井口管路系统由主井管和三个副井管构成，副井管和主井管之间用金属连接管连接，水位传感器安放在第三副井管，泄流管在第一副井管上（图4）。供电系统采用太阳能直流供电，无市电接入，太阳能电池板安装于观测室屋顶，观测室机柜内放有12V蓄电池，给水位仪、3G无线路由分别供电。

图1 衡水井孔结构柱状示意图Fig.1 Schematic diagram of hole columnar structure for Heng Shui Ji No.16 Well

图2 衡水井地质构造图Fig.2 Geological structure graph of Hengshui Ji No.16 Well

图3 衡水井水位异常曲线图Fig.3 Abnormal change curve of dynamic water-level of Heng Shui Ji No.16 Well

2 异常情况概述

衡水井水位2014年10月27日04时31分至38分水位由0.1630m上升至0.2218m，上升幅度为0.0588m，水位突升之后并维持在高值变化，在高值变化的同时出现多次阶升阶降变化形态，每日出现台阶的变幅不完全相同，大致在0.006～0.009m范围内变动，且出现台阶的时间段也无一定的规律性，此井自观测以来从未出现过上述情况，从图3可以清楚的看出衡水井水位分钟值曲线的异常特征如上所述。

3 异常调查分析

3.1 供电系统、观测系统及仪器检查

根据《地震及前兆数字观测技术规范（地下流体观测）》（中国地震局，2001）的要求，对衡水井水位观测仪器及装置系统进行检查。对观测人员进行询问，没有陌生人进入观测室内，无老鼠等小动物出现（往年曾经出现老鼠把仪器和供电线路损坏情况）；对线路的连接情况及仪器的供电系统进行检查，发现线路连接正常，没有破损、漏电及虚接情况，供电电瓶正常，电压值在可用范围内，所以基本可以排除水位异常是漏电引起的。

对井口管路系统进行了检查，主井管、三个副井管、主井管与副井管之间的金属连通管连通正常。为了进一步确定校测管道的连通性，向校测管内注入约30ml的水量，观察校测管内水位缓慢下降至0.2190m左右后，水位变化趋于稳定，证明校测管至泄流管路之间管路通畅、连通性较好。

3.2 仪器对比观测实验

水位每个季度校测一次，前三个季度校测的相对误差均小于5%，标定结果为合格，表明水位传感器工作正常，水位仪记录到的数据真实、可靠。为了进一步确定数据的可靠性，2014年10月30日安装一套备用ZKGD3000-N仪器与原有观测仪器进行比测，两套仪器同时观测的时间为备用仪器生产厂家也为北京中科光大，两套仪器安装在同一井管进行观测，备用仪器供电方式采用市电供电（图4）。查看10月30日-11月01日时间段的分钟值数据曲线（图5），发现两套仪器的观测数据形态高度一致，计算两套仪器的相关系数为0.998，比测结果表明原观测仪器运行正常，记录的水位变化为仪器真实记录值，排除仪器故障导致数据变化的可能。

图4 备用仪器安装示意图Fig.4 Reserve instruments installation schematic diagram

表1 供电电瓶电压值表

图5 比测期间分钟值观测曲线Fig.5 Minute value observation curve during comparing measurement

3.3 环境干扰情况调查

对衡水井周边一定范围内的用水设施进行了专门的走访、调查，发现周边无大型项目作业和深井抽水活动，也没有新开挖1000米以上的深井存在。衡水井周围主要环境干扰情况为养鱼场、屠宰场、洗浴池等因素影响。

养鱼场位于观测台站四周墙外，主要养殖项目为罗非鱼，养殖鱼塘为冷热水混合蓄水方式，所需热水取自泄流口排水池流出的热水，冷水所需为养殖场院内两口浅水井。经过核实，这两口冷水井深度约为150米，破裂的塑料输水管道流出的大量泥沙也可证明所开采的水源为浅层水，而衡水井为1700米深的热水井，观测层位于1500.44～1700.41m，与养鱼场的冷水井处于不同的观测层。该养鱼场存在已有很长时间，一直未对观测数据有明显的影响，据养鱼场工作人员介绍，该段时期，养鱼场用水与去年同期相比，没有明显变化，所以认为此次异常变化与养鱼场关系不大。

位于观测室北侧的屠宰场、洗浴池同属于陈家口村一老板，用水场所与观测井距离仅为几米，在泄流口排水池内放置4根管道连接到屠宰场宰杀池和洗浴场所中。通过详细询问看井人员通过详细调查得知，屠宰时间现在主要集中于凌晨03时至06时之间，而且由于天气转凉，近期用热水量比前期有所增加，屠宰时间和10月27日水位突升时间段相吻合。为了确定干扰源是否为泄流口排水池，在2014年11月01日12时54分将排水池排水口处的砖头移开，排水量增大，约3分钟后水位下降至0.1699m后趋于平稳（图6），恢复正常变化形态，由此验证了衡水井水位异常是排水池被堵引起的。

图6 衡水井11月01日分钟值动态曲线Fig.6 Minute value dynamic curve on Nov.1 of Heng Shui Ji No.16 Well

由于衡水井是无人值守台站，不能实时监管屠宰场人员私自行为，为了减少观测环境因素对该井孔的影响，对泄流管进行了管路改造。将出露于台站观测室外的笔直泄流管部分改为弯管管路，弯管与原有管路之间通过管箍进行密封连接，改造后的泄流管路出水口高度高于排水池，即使以后排水池泄流口被堵塞，也不会对泄流管排水量产生影响。

4 异常机理初析

衡水井排水池泄流口被堵后，随着水面上升，泄流管逐渐淹没在排水池水面下，排水口水面压力逐渐增大，排水流量减少导致水位出现上升现象。由于观测井含有大量气体，一些小气泡会附着在管壁上，大量小气泡凝聚并形成大气泡在管壁聚集，挤占了管道的部分空间，相当于泄流口管径变细，导致水位突升并维持在高水位变化；另一方面由于泄流不稳定，水流冲击力变大时，排水口和排水池水面接触处气泡破裂形成负压，另一部分会流出管道（实际观察时也发现有气泡从泄流口排出），破裂气泡所占空间被井水填补后，水流量就会变大，造成水位小幅下降；水位下降后，由于排水口面压力大的原因，一些气泡又会在管壁聚集，一个新的周期形成，造成数据反复出现台阶，因此才造成了水位在高值变化的同时出现多次阶变形态。

5 结论

本次异常核实工作确认线路连接正常，没有破损、漏电及虚接情况，供电电瓶正常，电压值在可用范围内，观测系统工作状态正常；通过对比观测，两套仪器的观测数据形态较一致，相关系数很高，证明观测仪器工作正常、观测数据真实可信；现场调查周围观测环境：屠宰场、养鱼场、洗浴池等，发现是由于工人把排水池排水口堵住造成了此次异常变化，排水通畅后，水位恢复正常动态。综合分析认为：此次衡水井水位异常变化与地震孕育、区域构造活动无关，不是地震前兆异常。

［1］ 汪成民，贾化周，车用太，等.中国地震地下水动态观测网［M］.北京：地震出版社，1990.

［2］ 车用太、鱼金子.地震地下流体学［M］.北京:气象出版社，2006.

［3］ 汪成民，车用太，万迪堃等.地下水微动态研究［M］.北京：地震出版社，1988.

［4］ 龙宇星，陈小云，谢文杰，等.泉州地区地下水位观测资料初步分析［J］.2014，32（1）:65-72.

［5］ 陈立德，付虹.汶川8.0级地震前兆异常对比研究［J］.内陆地震，2010，24（4）:289-297.

［6］ 孙振璈，孙天林，简春林.张北-尚义6.2级地震北京地下水位井网动态异常特征［J］.地震，1998，18（4）:367-372.

［7］ 万迪堃，贾华周，董守玉，等.马17井映震能力与异常机理探讨［J］.地震，1990，3:13-19.

［8］ 张素欣，张子广，刘俊明，等.数字化水位观测资料的应用研究［J］.地震，2002，22（4）:89-93.

［9］ 孙小龙，刘耀炜，晏锐.利用水位资料反演华北地区构造应力场变化［J］.地震，2011，31（2）:42-49.

［10］ 刘耀炜，陆明勇，付虹，等.地下流体动态信息提取与强震预测技术研究［M］.北京：地震出版社.2010.

［11］ 刘耀炜，任宏微，张磊，等.鲁甸6.5级地震地下流体典型异常与前兆机理分析［J］.地震地质，2015，37（1）:307-318.

［12］ 付虹， 邬成栋，赵小艳，等.云南开远井水位异常分析［J］.地震学报，2014，36（3）:292-298.

［13］ 马建英，刘学领，杜宗和.天津潘庄井水位异常与地震关系的分析［J］.华北地震科学， 2008， 26 （2）:35-39.

［14］ 龚永俭，王熠熙，李颖楠，等.天津高村井一次水位异常的调查与排除［J］.内陆地震， 2015.2（1），93-98.

［15］ 盛艳蕊，张子广，张素欣，等.栾城王家庄井水位异常分析［J］.地震地磁观测与研究，2013，34（5/6），221-224.

THE INVESTIGATION AND ANALYSIS ON ABNORMAL CHANGE OF DYNAMIC WATER-LEVEL OF HEGNG SHUI JI NO.16 WELL OBSERVATION STATION

LUO Na， WANG Jing， SONG Zhao， ZHAO Zhi-yuan， XIE Zhen， GAO Deng-ping
（Hongshan Benchmark Seismic Station， Hebei Xingtai 055350， China）

On October 27， 2014 dynamic water-level of Heng Shui Ji No.16 Well rose suddenly and maintained high value change with step lift and drop. The depth of Heng Shui Ji No.16 Well is 1700.41 meters and its surging range is 0.0588 meters. Ever before this well never happened the above change. Is this abnormal change considered as the earthquake precursor anomaly？ In order to determine the properties of this abnormal change， this article investigates and analyzes the abnormal change from such aspects as power supply system， observation instrument， comparative observation and environmental disturbance. We find finally that leak flow entrance drainage pool was closed which directly resulted in the abnormal change， and this abnormal change is not connected with the earthquake precursor anomaly. Anomaly variation mechanism is analyzed， and it also accumulates experience for the judgment on abnormal change of dynamic water-level.

water-level； rose suddenly；order variable； abnormal change analysis

P315.72

A DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.03.005

1674-8565（2016）03-0025-05

河北省地震局星火计划项目（DZ20150422048）资助

2016-05-06

2016-06-28

罗娜（1981-），女，河北省保定市人，硕士，工程师，现主要从事流体学和地震预测研究工作。E-mail: luona0104@163.com