皖14井地下水观测资料变化的原因剖析

李 华，杨林根

(1.庐江县国土局，安徽 庐江 231500 2.巢湖市地震办公室，安徽 巢湖 238000）

0 前言

皖14井，位于安徽省巢湖市北郊的皖维集团东生活区。地理位置北纬31°38′，东经117°51′。井口标高34.892 m，井区为江淮剥蚀丘陵，地势北高南低，山岭多由泥盆纪沙岩组成，斜坡为灰岩，岩溶较发育，有水溶洞和溶井。地表水仅有山间小河，河宽有1～3 m，水深0.2～0.5 m，常年有水，流量一般为20.8 m3/h，以降雨补给为主，在构造上，处在滁河大断裂与合肥—东关大断裂交汇处，其西侧是郯庐断裂。

井孔落于向斜谷地第四纪粘土层，成井于1971年11月，井深331 m，系孔隙裂隙承压水，涌水量1.243×10-3m3/s，单位涌水量0.031×10-3m3/s，270.73～301.00 m观测含水层，该层为泥盆纪，系砂岩。2004年4月20日，在皖14井安装数字化仪器手段前，对观测井井深进行了人工实测，实测井孔深度为240 m。该井目前观测手段主要有水位和水温，这两个手段均有两台仪器进行平行观测。

1 观测资料变化情况

皖14井观测点1985年1月1日开始观测，1986年6月纳入国家地震局地下水观测网，当时主要进行水位，气压，气温，降雨四个项目的观测。

2006年12月9日，该点开始安装中国地震局地震预测研究所研制的LN-3A型高精度数字水位仪、中国地震局地壳所研制的SZW-1A V2004数字式温度计，并配有网络传输设备，进行数字化观测。

该井28年来，资料连续完整，时间服务好，资料精度高，曾获得全国地下水资料评比第二名和第三名好成绩。至今，观测到的最高水位为1.122 m，出现在2012年7月14日；最低水位为3.012 m，出现在1995年元月。

由于井区第四纪粘土层只有1.36 m，且有山间小断裂从井区通过，所以井水位受降水影响较为明显。

2011年3月11日皖14井在日本发生9.0级大地震时，因同震效应出现了水位陡降，陡降幅度达32 cm，然后，除降水影响外开始逐渐恢复，至2011年7月份前后，基本稳定，后来水位一直在1.740～1.1 m间高位运行（图1）。

图1 皖14井2008年8月份后水位整时值曲线图Fig.1 The graph of the water level of the whole time of August 2008 of 14 wells inAnhui

2013年7月14日因降水影响，涨至1.122 m，打破了1988年以来创下的1.143 m的历史最高水位记录。7月14日后水位正常回落（图2）。7月25日15时22分开始，水位开始不稳定，至16时40分突然向下陡降了13.8 cm（图3）。

然后在低位平直运行，上下变化仅有1 cm，曲线形态似同英文字母 “L”，因此，我们把这类异常命名为 “L”型地下水异常。大约在23时30分开始正常波动到现在。另外，在水位发生异常变化的同时，两台水温仪器也发生了同步的变化，165 m处的水温升高约0.004 2℃，195 m处的水温升高约0.004 7℃（图4）。

3 异常调查核实过程

本着地下水动态干扰异常识别原则是把握4个“相关性”，即成因上的相关性，空间上的相关性，时间上的相关性与强度上的相关性。

图2 皖14井2012年7月份水位整时值曲线图Fig 2 The graph of the water level of the whole time of July 2012 of 14 wells in Anhui

图3 皖14井2012年7月25日水位实测曲线图Fig 3 The graph of the water level of the whole time of July 25th,2012 of 14 wells in Anhui

图4 皖14井同井不同测项水温对比图Fig 4 Comparison map of water temperature of different test item for different wells of the 14 wells

异常核实的第一步，检查仪器，实测水位，调查井区周围环境。虽然，皖14井水位是采用两套原理不同的仪器同时观测，一套是LN3A数字水位仪，它的传感器在水下约4 m处，另一套是对SW 40型仪器进行改装的数字化观测设备，它的传感装置是位于水面上的浮筒。仪器记录状况如图1，这两套仪器都同时记录到水位的突降，应该说观测资料的变化是真实可靠，但为了可靠起见，核实时还是使用了测绳进行了人工实测，确定水位的突降现象基本成立。

异常核实的第二步，是对周围环境进行调查。由于皖14井地下水位发生了水位陡降现象，所以核查的重点放在调查周围地区有没有开采地下水行为，有没有发生山体滑坡等地质现象等，经调查没有发现周边地区有抽取地下水和山体滑坡等地质现象发生。

异常核实的第三步，查该井历史水位变化情况。皖14井，1985年开始观测，水位出现陡降的异常现象有多起（图5）。

图5 皖14井历年水位变化图Fig.5 Map of water level variation over the years of 14 wells in Anhui

这些异常中除1994-08-20～1995-01-15的长趋势下降，没有找到原因外，其余的几次水位的陡降多见于强震之后，属大震的同震效应，不是水位的异常现象。

此外，1999年12月28日和29日两天，皖14井出现过一次上升，几小时后又出现一次下降的异常，它较好地对应了1999年12月30日07时17分在安徽省利辛县张村镇发生MS4.1级地震。但形态上与这次异常显著不同。

它是水位在无降水的情况下，于28日19时27分左右陡升约23 cm，大约在21时20分至29日7时10分间，水位几乎为正常状态，29日7时10分后水位开始下降，8时50分前后开始陡降约20 cm，完成了一次水位异常的完整形态（图6）。

异常核实的第四步，同井不同测项的对比。皖14井观测井在同一井孔中还装有两台DRSW-1数字水温仪，一套水温探头投放深度为165 m，另一套水温探头投放深度为195 m，水位出现异常时，两台水温仪器水温都呈上升状态（图4）。

经过对仪器、环境等方面的核查，未发现人为因素和仪器因素的干扰。至此分析认为：皖14井这起观测资料的变化属于井下流体环境变化所引起。

图6 安徽利辛地震皖14井水位变化情况图Fig.6 Map of water level variation of 14 wells of Anhui in the Lixin earthquak,Anhui

4 异常分析与结论

在排除人为干扰后，分析重点放在这次水位陡降是不是井孔-含水层系统的环境出现了地质活动，如井下空隆出现塌方、裂隙是否有“张合”运动等。因为裂隙中的包裹水的水温要高于井孔中水的温度，它的“张合”可以使井腔中的水温升高。但是经过讨论和仔细分析，这两种机理都不能解释这次水位异常的曲线形态。

如果井下出现塌方，水位可能出现陡降，但陡降后，对于承压井来说，水位应该呈“水位恢复曲线”状态恢复[2]。但本次异常出现后，水位平直运行，象是水位在运动的过程中找到了新的平衡点。

如果井下裂隙出现“张合运动”的话，水位和水温的异常形态，都应该是呈“尖波”状，至少应是“几”字型，不应该是像目前的“L”型。

为了进一步地深入分析，笔者对数字化水温观测的分钟值数据进行了60点平滑处理。公式如下：

（1）式中的i是分析数据的序列号，使用效果见图4。

通过水温数据发现，195 m和165 m处的水温几乎同时同步发生升温变化的，时间约在15时32分左右，与水位出现陡降时间一致；同时当天上午08时27分48秒在苏门答腊北部发生 6.7级地震，皖14井水位记录到了水震波，振幅约4 mm，也就是说井区含水层受到地震波的冲击，此时，水位正处在高位下行之中，可能含水层中的污垢（如悬浮物、沙粒、矿物质、微生物等物质）在运动中改变了排泄状态，在井孔-含水层系统应力不变的情况下，孔裂隙变小，流速增大，产生了伯努利效应，上部水头调整压力而下降，下部水体向上流动产生了温度的上升。在调整的过程中，形成了新的动态平衡。因此，分析认为，这次水位的异常陡降，不应该是一次地质活动，也不是地震的前兆（图7），应该是含水层孔裂隙环境在水震波的触发下发生改变后，水体流速增大产生了伯努利效应。

图7 对水位下降水温升高异常的解释图Fig.7 Explanatory diagram for the abnormal of drawdown of water level and elevation of water temperature

[1]车用太，鱼金子，刘成龙，等.判别地下水异常的干扰性与前兆性的原则及其应用实例[J].地震学报.2011,(06)：800-808.

[2]张清秀，郑小箐，林检，等.永春井水位对远大地震的记震能力及同震效应特征分析 [J].华南地震，2011， 31 （03）： 33-39.

[3]林云存.广东信宜1、2号井水温的同震响应及机理初步探讨 [J].华南地震，2012，32（2）：133-137.