云南洱源滇20井水位受降雨影响分析

字承柱，张 立，段美芳，毕树伟

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

地下水位变化是地下水系统对内外作用力的一种响应。一般认为，水位变化是各种影响因素综合作用的结果(国家地震局预测预防司，1997)。水位易受降雨、气压、固体潮、地应力等多种因素的影响(张昭栋等，1989)。面对众多干扰异常，如何对出现的干扰异常进行识别和排除，如何从复杂的干扰背景下提取出地震前兆异常信息，无疑是当前提高地下水动态监测与地震预测效能的十分突出的问题(车用太等，2011)。洱源台滇20井静水位受降雨影响明显，降雨期间，直接利用水位观测值，很难准确识别地震前兆异常信息。本文主要研究降雨对洱源台滇20井静水位的影响，并讨论二者之间的相互关系，为正确识别和排除洱源台静水位观测资料中的降水干扰提供依据。

1 资料分析

1.1 研究区域

图1 洱源滇20井构造位置图

洱源台滇20井位于洱源县城，1984年10月完井，成井后自流。井观测含水层埋深位于80.22～144.02 m、165.55～266.56 m，揭露厚度164.8 m，为苍山变质岩，属基岩裂隙承压水(云南省地震局，2012)。出水口水温20.0±3 ℃，流量稳定(基本保持在0.010～0.006 L/s)，pH值7.60，水质类型为重碳酸钾钠型。井口位于洱源盆地中西部，构造部位处于红河断裂北端，金沙江断裂和剑川—丽江断裂等多条断裂交汇处，地热异常区边缘(郭绍忠等，1998)(见图1)。洱源滇20井于1988年开始动水位观测，2008年9月5日21时水位开始下降，至6日3时下降1.53 m，其后缓慢下降，至自流井断流。此后采用LN-3A型水位仪进行静水位观测至今。滇20井由成井时的动水位井变为现在的静水位井，下文中将对现井水类型、主要补给源等进行详细分析。

1.2 水化学实验观测数据分析

(1)采样与测试。为了分析滇20井主要水补给来源，本研究组于2018 年7月采集了洱源台滇20井水样进行样品分析。样品容器使用去离子水清洗干净的玻璃瓶，瓶盖为带螺旋的塑料盖。为了避免样品被污染，采样前用所取井水清洗玻璃瓶3次，然后采用溢流法采集样品。采好后立即盖好瓶盖，用封口膜缠紧瓶口。在每个取样点同时取2份样品。样品的水化学项目在中国地震局地壳动力学重点实验室(地下流体动力学实验室单元)测定，分析设备为ICS-2000 离子色谱仪。样品的氢氧同位素测试由核工业北京地质研究院分析测试中心完成，采用二氧化碳-水平衡法和锌还原法测定氢氧同位素，分析设备为 MAT-253。测试 δ18O和δ2H的精度分别为±0.2‰和±1‰。测试结果见表1。

表1 滇20井水样水化学分析结果

(2)水化学分析。水样三线图可以表明水体的主离子组成变化，体现水体化学特征(沈照理等，1993)。由滇20井水样三线图(见图2a)可知，该井井水属于重碳酸钾钠型水。Na-K-Mg三角图解被用来评价水岩平衡状态和区分不同类型的水样(苏鹤军等，2010)。图2b为滇20井井水的Na-K-Mg三角图，图中曲线为矿物平衡线。样品落在“未成熟水”区域，表明循环周期相对较快，水-岩之间尚未达到离子平衡状态，水岩作用仍在进行，受地表水影响较大。氢氧同位素结果能够更好地分析井水的成因。大气降水线引自Craig(1961)，其方程δ2H=8δ18O+10。式中δ2H为氢同位素实测比值，δ18O为氧同位素实测比值。井水氢氧同位素组成与大气降水线对比如图2c，其结果可以用来说明样品的来源及其相互转化关系。测值接近大气降水线并偏右，表明为浅层地下水，主要来源为大气降水，测区地下水与围岩介质发生了水-岩相互作用。

图2 水样的三线图(a)、Na-K-Mg三角图(b)、水样氢氧同位素与大气降水线关系图(c)

1.3 降雨和水位变化关系

(1)水位变化特征分析。从2015～2018年水位与降雨量五日均值对比图(见图3)可以看出：水位曲线具有明显的年变规律，1～5月处于低值，6～10月缓慢上升，10月达到年最高值，11～12月缓慢下降，回到低值。2018年11～12月出现破年变高值上升异常，经分析出现此异常的原因为：2018年4～12月期间，距离观测井10 m左右的位置有地下排污管道施工，对水位造成了一定程度的影响，施工结束后，水位已恢复正常。

图3 洱源滇20井水位与降雨量五日均值对比

(2)日降雨量与水位变化的关系。据图3可看出，水位变化受降雨影响明显，降雨量达到一定量后引起水位上升，井水位滞后于降雨开始上升，达到高值后逐渐下降，下降过程的时间要比上升过程的时间要长。洱源地区的雨季集中在6～9月，8月降雨量最大，统计2016年8月日降雨量与水位日变化值(见表1)，从统计结果看出：日降雨量达10 mm以上会引起水位上升，降雨量越大，水位上升越高。

表2 2016年8月日降雨量与水位变化

图4 日降雨量与水位日变化量的关系

提取2015～2018年期间日降雨量在10 mm以上的时段对应的水位日变化量，对其关系进行一元回归分析(见图4)，得到水位日变化量(y)与日降雨量(x)的关系表达式：

y=0.005x-0.005

(1)

其中，相关系数R=0.768，统计样本数n=62，自由度n-2=60，远大于1%和5%置信度下的相关系数0.325和0.250(徐国祥，2007)，说明水位日变化和日降雨量变化的线性相关显著。

2 水位变化与地震关系分析

据上文分析可知，滇20井的水位上升变化受降雨影响明显，所以判断水位变化是否为地震前兆异常，需要首先排除降雨引起的干扰。本文选取近6年来距井口半径50 km范围内5.0级以上地震进行分析，共4次地震(见表3)。

表3 近6年来距井口半径50 km范围内5.0级地震及对应的水位前兆异常特征

2013年3月3日13时41分洱源发生5.5级地震，2013年4月17日9时45分洱源发生5.0级地震。根据滇20井水位的年变规律，11月到次年5月水位变化应为缓慢下降趋势。在这2次地震发生前4个月，即2012年12月至2013年3月水位出现破年变上升异常变化(见图5)，期间洱源地区无明显降雨，可以排除降雨引起水位上升变化。同时仪器运行正常，井口周边无干扰源，从而可以判断此次异常为地震前兆异常。2016年5月18日00时48分云龙发生5.0级地震，5月13～17日水位出现上升异常变化(见图6)，13～14日无降雨，15日降雨量为9.2 mm，16日降雨量为2.5 mm，17日降雨量为0.1 mm，通过前文分析可知，该降雨量不足以引起水位上升变化，且此次水位上升在降雨之前，期间仪器运行正常，周边无干扰源，可以判断此次异常为地震前兆异常。分析表明该井水位变化能够提供一定的地震前兆信息。在地震孕育过程中，含水层介质受到区域构造活动的作用(Claesson et al.，2004)。孔隙岩石试件的不排液三轴压缩试验表明，水位突升等震前与临震异常与孔隙压变化有关，临震前震中地区部分岩石发生局部破裂或产生断层蠕动，使应力大幅度释放，这可能引起孔隙压力增大，导致水位变化(张伯崇等，1991)。也有学者认为区域应力调整改变了介质的渗透性，从而对渗流过程产生影响，即构造活动增加了含水层渗透性和流动通道，致使其他含水层的水补给了井水(赵利飞等，2002; Claesson et al.，2007)，引起水位上升。这2种观点的前提都是存在区域构造活动。滇20井对台站附近地区的构造活动有一定的反映，地震前兆异常特征为趋势上升变化或上升异常变化。

图5 洱源滇20井水位日均值图

图6 洱源滇20井水位与降雨量分钟值图

3 结论

借助水化学和物理分析方法，对洱源台滇20井水位的异常上升及其补给来源进行了研究，结果表明:(1)滇20井井水来源主要是大气降水，井水存在一定程度上的水岩作用。(2)通过分析大气降水与井水的补给关系，水位变化与地震的关系，认为降水与滇20井水位的显著升高有密切关系，主要原因是大气降水的增多引起滇20井水位升高。在排除降雨干扰的提前下，滇20井对周边地震有一定的映震能力，地震前兆异常表现为破年变趋势上升异常或上升异常。(3)应用水化学和物理结合的方法，为科学、客观地分析井水位异常变化提供了有效的技术途径。