“7·19”暴雨对峰峰冀24井涌水的影响

王 江，张子广，单连君，丁志华，盛艳蕊，马广庆

(河北省地震局，石家庄 050021)

“7·19”暴雨对峰峰冀24井涌水的影响

王 江，张子广，单连君，丁志华，盛艳蕊，马广庆

(河北省地震局，石家庄 050021)

针对邯郸峰峰冀24井在2016年7月18—20日遭受平均降雨量超过200 mm的暴雨期间，水位埋深于7月19日起持续上升，至8月5日超过11.50 m后，井口出现自2001年数字化观测以来首次涌水的现象，对该井水位与降雨量变化、井水样品水化学、稳定同位素进行分析，认为涌水是“7·19”暴雨补给受地质构造控制，在泉域排泄区的集中排泄所致。

冀24井 水位；“7·19”暴雨；黑龙洞泉群

0 引言

整个雨季降雨影响地下水的成果研究多，内容包括降雨入渗补给量的物理、示踪及模拟等方法预测计算[1-3]，水资源评价[4]，灾害分析及预测[5]。单次降雨对地下水的影响研究较少。同时，降雨对于地下水影响的研究采用水文观测站的水物理资料为主，水化学分析较少。地震观测井主要观测承压含水层应力变化导致的水位及水体交换的温度、化学变化，对于单次降雨影响地下水的研究较少。

2016年7月18日12时至20日8时，河北省中南部山区出现1996年以来特大暴雨，峰峰矿区最大降水量达674 mm。峰峰冀24井为静水位观测井，南部紧邻邯郸峰峰矿区黑龙洞泉群(图1左)。黑龙洞泉属于华北地区的子牙河水系，是邯郸地区的重要水源地。该井水位埋深在暴雨后快速上升，至8月5日井水位上升超过11.5 m后井口涌水(图1右)，这是该井自2001年有数字化观测记录以来的首次自流。涌水现象引起邯郸市政府、峰峰矿区(县市级)政府环境及地震相关部门高度重视，河北省地震局受邀组织涌水异常核实工作。

图1 冀24井涌水实景照

汶川地震引起国内部分流体观测井井喷，反映了地震波传播及含水层受应力变化的状态。经查询中国地震台网中心及河北省地震台网目录，“7·19”暴雨同时间并未发生大型地震，因此该井涌水不是同震响应。为确定此次涌水受暴雨影响，本文从水文地质、该井所在区域历年降雨量对地下水补给的研究成果、现场采集样品的水化学及同位素分析等方面进行分析。

1 “7·19”暴雨

7月18—21日，受低涡和副高外围暖湿气流共同影响，河北省出现2016年最强的一次降水天气过程，全省平均降水量154.6 mm，强降水主要集中在南部太行山沿线(邯郸中西部、邢台西部、石家庄西部)以及保定东北部、廊坊中秦皇岛等地区，累计过程最大点降雨量为邯郸峰峰矿区北响堂674 mm、较大日雨量为邯郸磁县北贾壁551 mm。本次强降水过程共有127 个县(市)出现暴雨，84 个县(市)出现大暴雨，仅7月20日就有119 个县(市)出现暴雨，为历史单日暴雨范围最大[6](图2)。“7·19”暴雨过程来势猛，具有量大、雨强、面广、致灾重的特征，是“96·8”以来最大的一次暴雨洪涝过程。

受强降雨影响，磁县漳河观台水文站10小时流量由12.5 m3/s涨至5 200 m3/s，水位涨幅高达7.61 m；全省140 个县(区、市)受灾，受灾人口887.82万人，转移人口58.4万人，因灾死亡167人、失踪108人，倒塌房屋10.60 万间，农作物受灾733.64 khm2，直接经济损失502.17亿元，其中水利损失107.17 亿元[7]，为“96·8”以来损失最严重的暴雨洪涝灾害。据不完全统计，邯郸市共紧急转移群众17.4 万人，峰峰矿区转移受困群众1 500 人[8]。

图2 7月18—21日河北省降水分布(mm，左)及暴雨过程监测(右)

2 峰峰冀24井观测背景

2.1 观测井概况

峰峰冀24井位于邯郸市峰峰矿区境内，地理坐标为36.42°N,114.22°E，井口标高130.418 m，成井深度713.13 m，403.56 m以上为灰岩，465.71 m深度穿过断层，403.56～540.49 m为白云岩。该井处于鼓山断裂东侧，邯邢断裂西侧，构造线为NNE向。观测层为奥陶系灰岩含水层(图3)。

图3 峰峰冀24井井孔地层柱状图

该井始建于1967年，1982年开始模拟水位观测，2001年10月开始使用SW-5型水位仪及水温仪进行数字化观测，2011年11月将数字化观测仪器更新为具备网络通讯等功能的SWY-1型数字水位仪及SZW-1型数字水温仪。2014年3月使用WYY-1型气象三要素仪器观测气温、气压、降雨量，雨量筒为SL3-1型。其中，数字化水位仪的观测精度0.2 %，量程0～10 m，分辨率0.1 mm；数字化水温仪观测精度±0.05 ℃，量程0°～70 ℃；气象三要素仪器的温度测量范围-50～50 ℃，观测精度0.1 ℃，气压测量范围500～1 100 hPa，观测精度0.2 %，雨量测量范围0～4 mm/min，分辨率0.1 mm。

2.2 水文地质及构造

冀24井位于邯郸市西南部黑龙洞泉域的排泄区黑龙洞泉群处(图4)，地下水为奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶水[9]。该泉域处于太行山与华北平原过渡带，地势西高东低，属于北温带半干旱大陆性季风气候，多年(1956—2002年)平均降雨量为541.0 mm，年内降雨多分布于5—10月。泉群多年流量一般为 7～9 m3/s，最大流量32.5 m3/s(1963年8月)，雨季11～15 m3/s，旱季6～9 m3/s。地表水系属于海河流域子牙河、南运河水系。该井东侧紧邻滏阳河，水位观测受降雨及河水涨落影响明显。

图4 峰峰黑龙洞泉域地质构造、水系及冀24井位置图

降雨入渗是该泉域地下水补给的主要来源[10]。黑龙洞泉群以西为鼓山东强径流带，受鼓山背斜与系统东部边界的控制，主要接受鼓山灰岩裸露区的大气降水入渗补给，在构造控制下，形成以牛儿庄—峰峰矿—黑龙洞泉群为中心的强径流带[11]。由于工农业开采量不断增加及大气降水减少，泉水多次出现断流，地下水排泄形式以人工排泄为主[12-13]。

研究区内新华夏系构造形迹规模大，活动时间长，占主导地位；NS向构造多被新华夏系改造，仅杨二庄附近及鼓山背斜表现片断形迹；EW向构造规模相对较小，仅在南部有所显示；NW向构造受多期破坏，构造展布不完整，显示了多期性和继承性的特点[14-15]。

3 “7·19”暴雨对观测井涌水的分析

3.1 降雨量与井水位的关系

冀24井数字化水位埋深自2002年起，每年6—9月雨季上升，10月至次年5月下降(图5)。2002年、2009年、2015年月均降雨量低于其他年份，对应时间的水位月均值下降明显，2014—2015年水位下降速率增快。

研究区内2016年7月降雨量是黑龙洞泉域有降雨量记录以来同比最大的一次，2016年截至第三季度的总降雨量为1983年以来的最大值。“7·19”暴雨于7月19日3时左右开始，至17时后降雨量迅速增加，分别于19日18—19时，23时出现2次降雨量峰值，19日累计降雨量261 mm，20日3时后， 降雨量逐渐减少(表1)。该井水位埋深在19日第一次降雨量峰值来临前缓慢上升，幅度约0.2 m，与7月份水位日上升幅度相近；第一次降雨峰值过后，水位迅速上升，20日上升幅度超过2 m(图6)；至8月5日4时井水从井口涌出，期间水位单日上升最大为1.985 m(20日)，日平均上升0.66 m。

图5 冀24井2002至2016年月降雨量与水位变化

表1 “7·19”暴雨7月19—20日整点累积降雨量与水位

图6 冀24井“7·19”暴雨时段内降雨量与水位变化

根据暴雨导致地下水蓄变量的相似研究，暴雨期间农业、工业、城市居民生活用水等相关企业停产，开采量变小，地下水的蓄变量近似于地下水补给量[16]。承压水的补给由于入渗补给能力减弱，强降雨后，水位上升明显，但是速率变慢，存在明显滞后性[17]。该井东侧紧邻滏阳河，河水受暴雨过程的径流影响明显，导致该井位置受地表水及地下水共同补给。根据对河北省“96·8”暴雨分析，石家庄地区受暴雨影响地下水补给量达77.41 亿立方米， 分别减缓了无极、正定和永安地区地下水位下降幅度9.33 m、6.04 m和11.26 m[18]。由于“7·19”暴雨强度超过“96·8”暴雨，因此，其补给量及对地下水位的影响程度也应大于后者。同时，根据对黑龙洞泉多年流量分析，在维持现状开采的条件下，有足够的补给量，则在雨季及丰水年将有泉水流出，在枯水季节或枯水年份将断流[19]。以上表明了“7·19”暴雨使该井观测含水层受到足以使黑龙洞泉群复涌的补给，导致井口涌水。

3.2 水化学分析结果

“7·19”暴雨后对冀24井涌出井水及井旁200 m处黑龙洞泉群进行了水样采集，分析了水化学离子组分(表2)，研究区内水样中Ca2+及HCO3-离子占绝对优势(图7)。根据毫克当量计算结果，按照舒卡列夫分类法，2个样品水化学类型均为HCO3·SO4-Ca·Mg，阳离子浓度大小依次为Ca2+gt;Mg2+gt;Na+gt;K+，阴离子浓度大小依次为HCO3-gt;SO42-gt;NO3-gt;Cl-。对比研究区内已有研究数据[20]，发现本文样品中的NO3-浓度高，这说明水质受到了污染。

表2 峰峰黑龙洞泉域离子组分含量(加*样品数据引自[21])

图7 冀24井及黑龙洞泉域水样三线图(加*样品数据引自[21])

3.3 同位素分析结果

该井涌水及黑龙洞泉水样品的氢氧同位素测试结果及研究区域内已发表历史数据(表3)，根据全球降水同位素监测网(Globe Network of Isotopes in Precipitation)华北平原地区最靠近邯郸市的石家庄站1985—2003年降水的δ180和δD线性回归得到的大气降水线方程δD=6.810 2δ180-1.417[22]对比，本文2种水样的氢氧同位素均位于当地大气降水线以下，位置几乎重合，表明来源主要为大气降水(图8)。研究区域内不同取样点间的氢氧同位素值存在差异，可能是由补给高程的差异或径流过程中的混合作用导致。全部样品氢氧同位素拟合线斜率与降水线较为接近，说明该区域岩溶水的补给是以大气降雨直接入渗为主。

表3 冀24井及黑龙洞泉氢氧同位素统计结果

图8 黑龙洞泉域水样氢氧同位素分布(加*样品数据引自[21])

4 讨论与结论

“7·19”暴雨导致邯郸全市约1 996 km2范围内降雨量超过300 mm，暴雨中心主要分布在峰峰矿区、磁县、涉县一带，降雨强度超过了“96·8”暴雨洪水，为20年来最大。峰峰冀24井位于邯郸西南峰峰矿区黑龙洞泉群的排泄区，水位资料于每年6—9月雨季上升，10月至次年5月下降，水位变化与降雨量关系密切。“7·19”暴雨后冀24井水位迅速上升，至8月5日井水从井口涌出，累积上升超过11.5 m，是该井有数字化资料记录以来的第一次井涌。

根据19—20日的降雨量及水位变化资料及暴雨影响水位的相关资料分析，暴雨对地下水补给迅速，由于暴雨期间开采量相对减少或者维持现有水平，导致地下水蓄变量接近补给量，造成地下水位上升明显。

井水及黑龙洞泉水样的水化学分析结果中，Ca2+及HCO3-离子占绝对优势，水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg，对比研究区域内其他采样点的离子成分发现，该井及黑龙洞泉水样中的NO3-浓度较高，水质受到了污染。

2个水样的氢氧同位素分析结果几乎一致，与研究区内其他采样点氢氧同位素的拟合直线斜率与当地大气降水线相似,表明该井水与黑龙洞泉水的主要来源均为大气降水。

因此，冀24井涌水是“7·19”暴雨导致的黑龙洞泉域地下水快速补给，受地质构造控制，径流在黑龙洞泉群排泄区的集中排泄，由于暴雨造成的补给量大且开采量短期减少或维持现有水平，使该井地下水位不断上升最终超过井口向外涌水。

[1] 刘克岩, 王焕榜. 河北平原区年降雨入渗补给系数的初步分析[J]. 水文, 1988(3): 6-10.

[2] 谭秀翠, 杨金忠, 宋雪航, 等. 华北平原地下水补给量计算分析[J]. 水科学进展, 2013, 24(1): 73-81.

[3] 张志才, 陈喜. 降雨入渗补给量计算的数值模拟方法[J]. 中国农村水利水电, 2007(12): 1-4, 8.

[4] 邵爱军, 左丽琼, 阮新, 等. 河北省近50年气候变化对地表径流量的影响[J]. 水土保持学报, 2008, 22(6): 19-24.

[5] 陈伟, 许强. 地质灾害降雨预警基准研究[J]. 地球与环境, 2011, 39(3): 393-398.

[6] 河北省气象局. 河北省气候公报2016年[R]. 2017: 33.

[7] 杨卫忠, 张葆蔚, 符日明. 2016年洪涝灾情综述[J]. 中国防汛抗旱, 2017, 27(1): 26-29.

[8] 河北省应对“7·19”暴雨洪水情况通报[EB/OL]. (2016-07-20). http://www.hebwater.gov.cn/a/2016/07/20/1468986746382.html.

[9] 田级生. 太行山东麓岩溶大泉成因及其开发利用[J]. 水文地质工程地质, 1983(6): 41-44.

[10] 邱景唐. 河北省山前平原深埋区降雨入渗补给的研究[J]. 水文, 1993(5): 27-31.

[11] 杜淑英, 郝旭, 王进杰. 峰峰黑龙洞泉城地质构造对基岩地下水的控制作用[J]. 河北煤炭建筑工程学院学报, 1994(1): 17-23.

[12] 吴振岭, 白喜庆. 峰峰煤矿区岩溶地下水流场演化规律[J]. 地下水, 2009, 31(1): 23-27.

[13] 闫玉梅, 秦鹏, 吴振岭, 等. 峰峰矿区煤炭开采对岩溶地下水环境的影响研究[J]. 中国矿业, 2010, 19(S1): 120-125.

[14] 潘文勇. 邯邢南中北单元岩溶发育规律及水动力特征的研究[J]. 煤田地质与勘探, 1978(6): 27-37.

[15] 张启鹿. 河北峰峰黑龙洞泉水动态变化特征及扩泉开采的探讨[J]. 水文地质工程地质, 1982(6): 42-46.

[16] 赵文举, 杨展飞, 刘晶. 新乡市‘7.9’暴雨对地下水影响分析[J]. 河南水利与南水北调, 2017(2): 30-31.

[17] 周涛, 房浩. 强降雨条件下北京地区地下水位动态特征——以7·21特大暴雨为例[J]. 地下水, 2016, 38(3): 81-83.

[18] 张光辉, 费宇红, 田言亮, 等. 暴雨洪水对地下水超采缓解特征与资源增量[J]. 水利学报, 2015, 46(5): 594-601.

[19] 杨庆娥, 李恒太, 王晓琳. 邯邢南单元泉流量减少原因分析[J]. 水科学与工程技术, 2007(4): 12-14.

[20] 郝春明, 张进德, 何培雍, 等. 采煤影响下峰峰煤炭矿区岩溶地下水水动力环境的演变[J]. 地球与环境, 2014, 42(4): 465-471.

[21] 方晶晶, 周爱国, 刘存富, 等. 全球氮循环新理论的发现及其环境意义——同位素技术的新贡献[J]. 安全与环境工程, 2013, 20(2): 1-3, 18.

[22] 邓文平, 余新晓, 贾国栋. 华北地区大气降水稳定同位素特征与水汽来源[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2012, 31(5): 489-494.

AffectionoftheRainstormonJuly19onWaterBurstinHebeiFengfengNo.24Well

WANG Jiang, ZHANG Zi-guang, SHAN Lian-jun, DING Zhi-hua, SHENG Yan-rui, MA Guang-qing

(Hebei Earthquake Agency, Shijiazhuang 050021, China)

On July 18, 2016, central and southern Hebei province suffered a rainstorm with average rainfalls of more than 200 mm. Water burst appeared in Hebei Fengfeng No.24 well on August 5 and the water level rose about 11.5 m. The wellhead appeared flowing water for the first time since the digital observations beginning in 2001. Analysis of hydrological geological background, water level change in water burst well, result of water chemistry and stable isotope shows that: the water burst in No.24 well is due to the water supply of heavy rainfall on July 19 which is controlled by geological structure and concentrated discharged in spring drainage area.

Hebei No.24 well; water level; heavy rainfall on July 19; Heilongdong springs

王江，张子广，单连君，等. “7·19”暴雨对峰峰冀24井涌水的影响[J]．华北地震科学，2017，35(4):44-50.

2017-03-29

中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项(2016IES0303)；河北省地震科技星火计划项目(DZ20150423053)

王 江(1984—)，男，山西太原人，工程师，主要从事地下流体监测与研究.E-mail: wangj@eq-he.ac.cn

P315.7

A

1003-1375(2017)04-0044-07

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.04.008