井水位与固体潮—气压作用关系研究

葛建宏

摘要： 井水位受到多种因素影响，最初学者们研究井水位、固体潮和气压之间的关系，但是分析两种综合作用井水位的研究较少。本研究通过理论分析基于水—岩耦合理论得出井水位和固体潮—气压综合作用之间的模型变化，得出井水位受固体潮、气压单项因素的影响不大，和两项因素综合作用关系密切。

关键词： 井水位;固体潮;气压

【中图分类号】P315.723 【文献标识码】A【文章编号】1674-3733（2020）16-0205-01

1井水位气压效应的研究

大气压强的变化是造成深井水位变化的主要因素之一。地下水位的变化受到气压动态的影响，称为地下水位气压效应。而井水位是地下水位的直观反应，气压变化瞬时作用于井水位，使得井水位与周围含水层的水头出现差异，这一现象亦叫做井水位的气压效应。关于井水位气压效应的研究，国外国内外学者采用不同地区的水位和气压观测资料对水位的气压效应进行了研究，分别给出了水位观测数据气压效应的基本特征及其影响机理。

在1663年BlaisePascal发现露天的井水位和气压之间存在关系，Jacob（1940）首次提出了气压效应，并用一个线性表达式把气压变化和井水位改变的关系表示出来，即井水位随气压变化的程度大小[1]。在1985年苏联水文地质学家朗格也提出，除了涌水量之外气压也是影响井水位的因素之一，自此人们开始关注井水位的气压效应。

我国学者张昭栋利用地下流体动力学和弹性理论得出含水层水头随其气压变化的方程，但是没有考虑到水层和井空间水来回渗漏的情况，因此没有得出水位和气压之间的滞后关系研究。之后，他将含水层和井之间的渗流关系考虑在内，导出气压变化对承压含水层的地下水位影响微分方程，并讨论了方程的解，从而得出类似于Jacob推导出的气压效率表达式，并提出了气压效率与气压系数的区别。宋金颖在2012年研究井孔储存和气压波动导致的井水位波动和滞后关系，得出了承压含水层井孔水位波动和气压波动之间的公式。

目前对于井水位气压效应的研究主要集中在承压含水层，对于潜水含水层研究较少。根据前人研究成果，水位与气压呈现负相关的特征，水位滞后于气压。

2井水位和固体潮关系研究

Bredehoeft J D（1967）研究了各种要素对井水位变化的影响，并建立了地下水位与固体潮的函数关系，成为研究地下水对气压效应及固体潮的理论基石;

我国学者车以太等人在1989年研究井水位和潮汐之间的变化，他们得出潮差是引潮力作用下引起的周期性变化，因为弹性变形出现的压缩和膨胀引起岩石裂缝周期性的升降和张闭[7]。黄跃进、许书元等人分析永安冷冻厂的深井水位观测数据计算潮汐因子，并对固体潮的观测精度进行计算[8]。张昭栋、陈学忠等人以豫01井为例计算固体潮和加卸载相应和井水位对固体潮应变的相应率，发现在发生地震时相应和相应率会发生变化，他们使用两种方法计算固体潮和加卸载相应比。史浙明和王广才对不同深度承压井的潮汐进行对比分析，来探索微动态与地震的关系;刘阳等通过对潮汐效應的分析，解释了潮汐效应机理，并得出了潮汐效应没有滞后性。

3井水位对固体潮—气压的综合作用的响应

固体潮和气压是连续作用与井水系统的两个重要的非构造应力，因为固体潮和气压两者周期性和频率相近，所以两种力在大小、方向和变化幅度上经常有规律的周期性变化，这两种力回在岩石发生弹性形变时呈现可变化、高频率的变化。国外学者HsiehP A、Bredehoeft、WeeksEP等人，国内学者张昭栋、郑金涵等人研究了固体潮和气压对井水位的影响，但是这些学者们多从固体潮或者气压的单一角度分析。通过查阅近年来的文献发现井水位会受到固体潮和气压的双重影响，所以需要将这两种作为综合性因素进行分析。

固体潮的构造力与降雨、冰雪荷载不同，这种构造力不会因时间变化衰弱，因此固体潮属于地壳弹性变化，是日月引潮力作用地球导致的。除此之外引潮力和含水层岩石发生弹性形变时和会导致空隙水压发生变化，出现井水位潮汐现象。气压属于面荷载，在同一水平面上气压的荷载分布相对均匀，通常情况会在几十甚至几百公里范围内保持一致。

如果井水周围的含水层是均质的多弹性介质，当含水层或含水层上层覆盖的介质发生弹性变化时气压和固体潮会对井水发生线性叠加的作用。通过研究案例发展，此时两个水平方向的引潮力对井水位的作用力较少，井水位的变化△h和吹响引潮力的可用△h=Btz△gz来表示。在这个公式中△g表示垂直方向引潮力的变化数值，Btz表示井水位对垂直方向引潮力的影响系数，此时的变化属于以为变化，这个公式表示了井水位和引潮力相应的物理关系。因为气压和固体潮两者对井壁会产生共同作用，即在气压增量之后△P和垂直方向的引潮力△gz会相互作用，使得井水层之间出现压力差，在这种压力差的作用下井含水层会发生水量交换，使得井壁内外的水压相对平衡。

在（△P+h）|rw-=（a△P+Btz△gz）|rw+这个公式中井壁内部会受到气压的影响使得井水的△P出现水量变化;井壁外部会受到气压的直接作用让井水面的含水层空压出现改变，即a△P和垂直引潮力两者会相互作用，导致含水层空压变化，即Btz△gz发生改变，总结公式可得到△hd=Bp△P-Btz△gz。

结语

影响井水位的因素很多，气压和固体潮只是其中两个因素。通过对学者们的研究发现，研究成果从最初的气压、固体潮影响到现在气压、固体潮综合研究，在今后研究中学者们还会考虑到更多影响因素，得出更全面的分析。

参考文献

[1]Jacob. C. E.， On the flow of water in an elastic artesian aquifer. 1940，21（2）： 574- 586.

[2]张昭栋，段会川，王昌文等. 1991.一种计算井水位气压效率、固体潮系数和海潮系数的新方法[J].地震.06：48-53.

[3]张昭栋，郑金涵，冯初刚. 1989.井水位的固体潮效应和气压效应与含水层参数间的定量关系[J].西北地震学报.11（3）：47-52.

[4]张昭栋，郑金涵，冯初刚.1986.气压对水井水位观测的影响[J].地震.1：42-46.

[5]宋金颖. 周期性海潮和气压波动引起的地下水流和气流的解析研究[D].中国地质大学（北京），2012.