大兴黄村井水温动态分析

韩孔艳 邢成起 杨明波 崔博闻

（中国北京100080北京市地震局）

大兴黄村井水温动态分析

韩孔艳 邢成起 杨明波 崔博闻

（中国北京100080北京市地震局）

对黄村井水位、水温观测资料进行分析，并结合井孔水文条件、水温传感器放置位置及水温梯度特征，对水温潮汐特征、机理及影响因素进行研究，结果表明，水温具有潮汐特征，与该井观测含水层良好的渗透性及传感器合理放置位置有关。该研究以期为有效提取黄村井水温前兆异常信息及合理解释同震效应提依据，为改造井孔结构及合理放置传感器提供借鉴意义。

水温动态；水温梯度；观测井；潮汐

0 引言

随着井水温度观测精度的提高，发现越来越多的观测井能记录到水温前兆异常、同震响应特征及水温的潮汐效应。多位学者对水温动态特征（车用太等，1996，2008；谷元珠等，2003；张子广等，2007；杨竹转等，2010）、形成机理及影响因素进行研究。井水温潮汐方面的研究表明，水温潮汐为次生效应，是在潮汐力作用下含水层发生变形，井—含水层间及井筒内水流引起热对流运动的结果。观测井孔水文地质条件及含水层的深度、厚度、导水性、水温传感器相对于观测含水层的位置及上下水温梯度特征，均影响到水温微动态特征。

大兴黄村井为2012年新增流体观测井，观测资料显示其具有一定的潮汐特征，且与水位潮汐呈同步反向变化，目前对该井的动态特征及成因机理研究较少。为探讨水温动态特征及其成因机理，有效提取水温前兆异常等信息，本文将结合井孔水文条件、水温传感器位置及水温梯度特征，对黄村井水温特征进行分析。

1 观测井概况

大兴黄村井位于大兴工业开发区西蒙西木业集团院内，地处南苑—通县断裂南侧，为工厂废弃排水井，终孔深度554 m，深度78 m以上为第四系松散堆积层，主要岩性为粘土、粘土夹砾石，78 m以下为震旦寒武纪灰岩，80—140 m为角砾岩夹有溶洞，180—200 m为灰岩夹页岩，下设套管深度到78 m，见图1。

自2012年10月，黄村观测井采用ZKGD3000-G型水位、水温综合观测仪进行水位、水温观测。水温传感器分辨率优于0.000 1℃，仪器短期稳定性为0.000 1℃/d，精度优于0.1% F.S，数据采样率为1次/min。井水温度仪器安装通常是先进行温度梯度测量，

然后将探头固定在井孔条件和电缆线许可范围内梯度变化较小的范围处，以期从地下水温观测资料中提取较为可靠的地震前兆信息。

大兴黄村井温度梯度测量从井口下20 m处开始，每隔20 m测量一个值，150 m以下每隔10 m测量一个值，共13个深度测点，取得12个井段的梯度值，温度梯度测量结果见图1。该井太阳能辐射热的影响深度（负梯度井段）在深度60 m以上，除120—140 m梯度值为10.198℃/hm（可能与该段内存在较大角砾岩溶洞有关），其他梯度值在0.326℃/hm—1.23℃/hm，远小于全球地壳的地温平均梯度值3℃/hm。温度梯度测量后，水温传感器放置在井口以下200 m深度处。

图1 黄村井孔柱状、水温探头安装及温度梯度测量（a）井孔柱状；（b）水温探头安装示意；（c）温度梯度Fig.1 The columnar section,water temperature sensor installation and measurement results of water temperature of Huangcun well

2 水温动态

大兴黄村井2012年10月—2015年11月水温观测数据在16.445℃—16.627℃范围内变化。2012年数据变化0.091 4℃，2013年数据变化0.136 5℃，2014年变幅为0.094 4℃，2015年数据变化幅度为0.162℃。在年变形态上，水温观测数据表现为夏秋季水温下降而冬春季水温将升高的特点。

黄村井水位观测数据在年动态上表现为夏秋季节上升，冬春季节下降，其趋势动态与水温观测数据基本呈同步相反变化，即水位升高，水温降低；水位降低，水温升高（图2）。取2012年10月—2015年11月时值、日均值观测数据进行相关性的计算，结果见表1。取置信水平α=0.01，时值样本数大于1 000，当相关系数大于0.081时，说明两者在显著

水平α=0.01上相关；样本数大于200，当相关系数大于0.181，说明两者在显著水平α=0.01上相关。2013年日均值样本344个，2014年为216个，2015年为302个，从表1可见，2013—2015年水位与水温时值与日均值观测数据均具有较高的负相关性，表现为同步反向协调性的变化关系，即夏秋季水位上升，水温同步降低；冬春季水位降低，水温同步升高。

表1 黄村井水位与水温数据相关系数计算结果Table 1 The calculation result of correlation coeffi cient between the water level and water temperature

图2 黄村井降雨量、水位、水温日均值变化曲线Fig.2 The observation curves of rainfall,water level and water temperature of Huangcun well

黄村井水温冬春季上升、夏秋季下降的年动态类型应该主要与季节性气象因素降雨和气温等有关（车用太等，2003）。该井孔结构利于降水垂直入渗且经过短距离径流补给地下水，在形态上表现为雨季水位上升，旱季水位下降，即夏秋季高而冬春季低的特征。根据该井水温的温度梯度，承压含水层高于降雨的水温，随着降雨入渗补给地下水，冷水加入温度高的地下水系统，引起地下水温度下降，在形态上表现为雨季地下水水温低，旱季水温高，即夏秋季水温降低而冬春季水温升高的特征。而1月前后观测数据的突变与冬季冰雪融水补给有一定关系，12月中下旬接受冬雪融水的补给时，水位升高，温度更低的融水下渗，使得水温出现突降，而后随着大气温度的升高，太阳辐射热的加强，使得水温逐渐回升，进入雨季后，水温受到降雨影响，再次出现下降，从而形成黄村井水温的年动态变化特征。

3 水温潮汐特征分析

3.1 基本特征

随着高精度水温观测技术的推广，在中国部分观测井记录到水温固体潮现象，即水温动态曲线中峰、谷出现时间与重力理论固体潮曲线中一致，认为水温潮汐效应。在潮汐力作用下含水层发生变形，井—含水层系统中水流状态或流量发生变化，由含水层带入井筒的热量也相应发生变化（张子广等，2007；车用太等，2014）。

大兴黄村井水温日变观测数据具有一峰一谷形态（图3），水温潮差变幅为0.022 8℃—0.0572 ℃，日变起伏与理论固体潮变化在形态、幅度与相位上均表现出一致性，与井水位潮汐变化吻合，显示水温观测数据具有一定潮汐特征。

图3 黄村井水温潮汐效应Fig.3 Tidal effects of well water temperature

3.2 形成机制

对于水温固体潮的形成机制，前人已作过许多相应研究，提出多种观点。马玉川（2010）通过研究井水温潮汐认为，当含水层受到潮汐引力作用而膨胀变形时，含水层上部水向下运动使水温下降；当含水层受到潮汐引力作用而压缩变形时，下部水向上运动则使水温上升，认为水温变化是含水层受力变形结果，可称为岩体力学机制。鱼金子等（1997）通过对太平庄井水温潮汐效应的研究，提出水动力学机制。车用太等（2014）年提出水热动力学机制，认为井水温度变化由水流运动引起，当含水层受力作用时，引起井—含水层与井筒内水流运动，在两个水温梯度作用下引起各深度水温变化，当含水层存在地下水补给与排泄作用时，也按此机制引起井水温度变化。

大兴黄村井水温传感器放置在井下200 m处变化较小的水温正梯度带内[图1(b)]，80—140 m深的角砾岩夹有溶洞，岩性松散，裂隙发育，渗透性、富水性良好等，可以推测，该井水温变化机制为：①当含水层受到潮汐引力作用而膨胀变形时，井筒内的水流向含水层，水位下降，因井—含水层特征，一定量的水快速流出，使得井筒内深部水体上移，根据水热动力学机制，在两个水温梯度作用下，井筒内各深度处水温变化，因处在水温正梯度带，探头处水温升高；②当含水层受到潮汐引力作用而压缩变形时，水体流向井筒，水位升高；由于井—含水层特征，浅层冷水快速流入井筒，加大向下垂直运动速率，在两个水温梯度作用下，井筒内各深度处水温发生变化，同理，探头放置处水温快速下降。

3.3 影响因素

水温观测井孔水文地质条件是影响水温有效信息特征的重要因素，观测井中含水层的深度、厚度、导水性等均影响潮汐特征。井孔—含水层间水的相互渗流（或交换）能力，主要取决于含水层岩石的导水性，并与井孔结构有关，且观测层位厚度愈大，井孔—含水层间水的相互渗流面积愈大，观测到的潮差也变大（国家地震局地下水影响因素研究组，1985）。黄村井80—140 m为观测含水层，渗透性、富水性良好，一定程度上增加了井筒与含水层间水的相互交换量与交换速率，能观测到较为清晰的潮汐形态。

水温传感器相对于观测含水层的放置位置及上下水温梯度特征，直接影响水温微动态特征（鱼金子等，2012）。杨明波等（2015）通过对黄村井的水温对比观测，发现含水层（80—140 m）固体潮形态比较模糊，在200 m埋深处固体潮潮差较大，300 m处潮差响应明显减小，到400 m处固体潮响应处于模糊状态，说明随着传感器与含水层距离的增加，来自含水层的水热动力影响逐渐减弱，观测到的固体潮信号也在逐渐减弱。水温传感器相对于观测含水层的合理放置位置将直接影响水温动态特征，由于水温传感器放置在正温度梯度带内，且观测含水层位于传感器上部，使得黄村井水温在形态上与水位潮汐呈同步反向变化特征。

4 结论

通过对黄村井水温动态特征进行分析，得出以下结论：①水位与水温观测数据相关性较好，在年变形态上表现为同步反向变化；②水温年变动态与降雨和气温等有关，呈夏秋季水温降低而冬春季水温升高的特征；③水温日变形态具有一峰一谷形态，与理论固体潮汐、水位数据在形态、幅度与相位上表现出较好的一致性，具有一定潮汐特征；④观测含水层良好的渗透性、富水性及传感器在含水层的合理位置，使黄村井水温观测到一定潮汐现象，且水温潮汐与水位潮汐呈同步反向变化特征。

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Analysis on the behavior of water temperature in Huangcun well

Han Kongyan，Xing Chengqi，Yang Mingbo and Cui Bowen
(Earthquake Administration of Beijing Municipality,Beijing 100080,China)

Analysis of the observation data of water level and water temperature in the Huangcun well,as well as the temperature sensor's location and the water temperature gradient,the formation mechanism and infl uencing factors of water temperature characteristics are studied by combing the characteristics of the hydrological conditions.The results show that the water temperature has tidal characteristics,which is related to the good permeability of the aquifer and the reasonable position of the sensor.The study provides the basis for the effective extraction of water temperature anomaly information and the reasonable explanation of coseismic effects.It also provides reference meaning for the reconstruction of well bore structure and the reasonable placement of sensors.

micro-behavior of water temperature，temperature gradient，observation well ，tide

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.014

韩孔艳（1982——），女，硕士，从事都地下流体前兆资料分析与处理工作。E-mail： kyhan106@126.com

2012和2016年度北京市地震局任务性科技专项

本文收到日期：2015-10-22