0 引言

地下水是地壳中活跃的组分之一，广泛分布于地壳岩体之中，具有难压缩性、普遍性与流动性，且通常被封闭于一定条件的承压系统中，对地壳应力应变状态变化有较为灵敏的响应（刘成龙，2012）。从动力学角度可知，地壳应力积累、变形以及介质破裂等与施加在岩石介质上的动力作用和过程有关，认为承压含水层观测井是灵敏“体应变计”，井—含水层系统则是“体应变计”传感器部分（刘耀炜，2009）。大量观测实践及研究表明，地震孕育、发生过程中，可以观测到地下水位的异常变化（孙小龙，2007；刘耀炜，2008；杨竹转，2008）。车用太等（1992）研究了大同—阳高地震的构造活动与地下水位动态的异常场特征，提出场内水位动态异常形态的多样性，异常井空间展布表现出整体性与层次结构特征；张立（2010）分析了汶川地震前云南地区地下流体典型前兆异常，认为水富、渔洞2口井的水位异常与汶川地震的孕育及发生有关；张素欣等（2013）研究表明，黄骅井水位短临下降异常变化与震级较小的营口地震序列具有完整可对比性，是一次显著远场水位断流异常反应。可见，地下水位前兆异常变化与地震孕育过程中的构造作用等关系密切相关，可以通过地下水微动态观测来研究含水层受力、变形等过程（敬少群等，2008；孙小龙等，2016）。

地下水观测以捕捉地震异常信息为主要目的，也就是希望通过地下水观测来获得地球内部构造应力变化信息，并用于地震预测研究。实际观测表明，地下水存在多年过量开采现象，影响观测井水位动态变化（张素欣等，2007；晏锐，2008；孙小龙等，2013；盛艳蕊等，2013），周边地下水开采干扰主要表现为下降、上升、微凸起等形态（纪振林等，1989；高立新等，2005；陈敏等，2012；龚永俭等，2015）。

衡水冀16井水位2016年经常出现有规律的大幅度异常波动变化，水位固体潮汐效应消失，日变幅度最大为0.73 m。本文通过进行同井2套仪器观测水位的对比、环境调查、观测井周边冷水井抽水试验等措施，分析衡水冀16井水位异常变化，并对水位变化机理进行探讨。

1 衡水冀16井概况

衡水冀16井（以下简称衡水井）成井于1979年1月16日，是华北油田勘探深井，成井时为高温、高压自流井，1987年石油部移交地震部门使用，2014年归河北省地震局红山基准台管理。2016年3月22日改为静水位观测，观测仪器采用北京中科光大自动化技术有限公司生产的ZKGD3000地下流体监测系统，仪器分辨率优于1 mm，采样率为1次/min，探头至井口固定基准面的垂直距离为13.8 m，采用太阳能和市电供电。

衡水井位于衡水市深洲大屯乡陈家口村南，地势自西南向东北缓慢倾斜，海拔高度12—30 m，井口终孔深度1 700.41 m，观测段为1 500.44—1 700.41 m，采水层位于下第三系孔店组的角砾岩破碎带中，上面多为泥岩，封闭良好，基底为震旦亚界碳酸岩系，上第三系1 339.5 m，第四系329 m（图 1）。衡水井地处华北平原沉降带冀中新河凸起高点，属邢台—河间地震带（图 2）。

2 水位变化异常

2016年衡水井采用静水位观测后，水位经常出现大幅度波动变化，主要表现为水位反复上升、下降变化，上升前出现十几分钟的小幅度下降，下降前有十几分钟的小幅上升，日变化最大幅度为0.73 m，井水位无波动时潮汐现象清晰，见图 3，从图中清晰可见衡水井水位分钟值观测曲线异常特征。

3 异常落实 3.1 对比观测

为了确定水位观测数据可靠性，2016年4月安装1套备用ZKGD3000-NL仪器（采用市电供电），与原有观测仪器进行水位比测。2套仪器水位整点值数据对比曲线见图 4，可见观测数据变化形态高度一致，相关系数为0.99，表明原观测仪器运行正常，记录的水位数据真实，排除仪器故障导致数据变化可能。

3.2 环境调查

对衡水井周边一定范围内新建（或改建）项目及其他环境变化进行调查，发现周边无大型项目作业和深井抽水活动，无新开挖深1 000 m以上的深井，存在几个鱼塘。调查发现，衡水井断流前，鱼塘采用冷热水混合蓄水方式，热水取自观测井泄流口排水池，冷水取自2口冷水井。冷水井1位于观测井西偏南35 m处，井深105 m，水泵安装深度50 m，出水口水温23℃；冷水井2位于观测井东偏北4 m处，井深148 m，水泵安装深度50 m，出水口水温18℃，冷水井1和2水泵抽水量相同（图 5）；观测井断流后，鱼塘蓄水靠抽水完成。同时鱼塘底部渗流现象比较明显，为了满足鱼塘蓄水量需求，增加抽水量。水质分析结果表明：衡水井和冷水井Cl^-、Na⁺含量较高，属于Cl-Na型水；衡水井矿化度约为3 000 mg，属于高矿化度水，冷水井矿化度约为13 mg，属于淡水；冷水井氢氧同位素组成基本落在该区大气降水线附近，衡水井向右偏离大气降水线，出现氧漂移，说明衡水井存在水岩反应，水与岩石接触过程中发生氧同位素交换，显示地下水来源于深部。井下电视探测显示，衡水井0—365 m深度套管管壁光滑、无破损漏水现象，排除了井管漏水的可能。衡水井井水属岩溶裂隙承压水，观测含水层的水来源于大气降水及其漫长的补给，而2016年1—6月当地降水量总量为111.1 mm，不足以引起衡水井水位的大幅度变化，可见该井水位异常变化与自然降雨无关。观测井水位异常变化是否与2口冷水井抽水有关，需要做进一步试验进行分析。

4 抽水试验

为了检验2口冷水井抽水对衡水井水位变化的影响，开展2次抽水试验。

（1）第1次抽水试验。2016年5月9日14时25分对冷水井2停止抽水，水位观测数据变化影响不明显；15时50分冷水井1开始停止抽水，水位出现明显变化，表现为：15时50分至16时12分水位上升，上升幅度为0.021 2 m，然后转为下降；16时51分冷水井2开始抽水，数据无明显变化；16时52分冷水井1开始抽水，水位观测数据加速下降，幅度为0.023 m，随后转为上升（图 6）。初步确认，2口冷水井抽水对衡水井水位观测数据有影响，且冷水井1影响较大。

（2）第2次抽水试验。为验证衡水井水位观测数据波动变化与鱼场冷水井抽水的关系，于2016年5月26日进行第2次抽水试验。冷水井2持续抽水，当日约5时冷水井1进行抽水，12时22分左右关泵停抽，在此时间段内，水位变化形态和冷水井1开关泵时间较吻合；14时46分打开冷水井1抽水泵，至15时36分关闭，水位表现为加速下降—上升的形态，16时36分打开抽水泵，17时00分停止抽水，17时49分冷水井1再次抽水，约20时56分结束抽水，衡水井水位出现下降—上升变化的形态（图 7）。开关水泵时间及衡水井水位变化幅度见表 1、表 2。

衡水井水位在冷水井1抽水抽水期间表现为瞬时下降—上升动态，停止抽水时表现出水位瞬时上升—下降动态。对比表 1、表 2可知，衡水井水位出现的大幅波动变化，与养鱼场冷水井1抽水时间吻合，由此判定，井水位波动变化由冷水井1抽水引起。

5 水位变化机理

当冷水井1开始抽水时，抽水井中的水位下降，含水量减少，对下层含水层相当于卸载，从而引起衡水井水位下降；抽水十几分钟后，抽水井水位继续下降，抽水层内形成降落漏斗，土体形成不饱和土，造成孔隙压力减小，岩土骨架应力增大，进而引起土体孔隙率下降，产生地面沉降效应，此时对于下层是加载过程，从而引起衡水井水位上升，当达到一定平衡后，水位恢复平稳变化动态。

潜水泵安装于50 m深处，当抽水停止后，连接泵体的排水管内50 m的水柱瞬间回落含水层，降落漏斗开始恢复，此时对于下部含水层相当于加载效应，因此衡水井水位上升；关泵十几分钟后，含水层内的土体随着地下水的补给，形成饱和土，引起孔隙压力增大，土骨架应力减小，进而引起土体孔隙率上升，地面沉降效应恢复，对于下部含水层形成卸载效应，从而引起衡水井水位下降，当达到一定平衡后，水位平稳变化，固体潮明显。

按照上述机理，衡水井周边2口冷水井抽水、关泵均应对衡水井水位产生影响，但事实表明，仅距衡水井更远的冷水井1抽水或关泵对观测井水位造成影响。

（1）冷水井2抽水、关泵对衡水井无影响，原因可能是，该井含水层较冷水井1深，采集的非同一层地下水，冷水井2所揭露的含水层上下隔水层可能较厚或者越流性较差，或者揭露的含水层较薄，抽水时对深部含水层的压力传递能力较弱。

（2）冷水井1水质混浊，出水口水温23℃（与养鱼场水温24℃相当），说明该井滤水管有破损，大量泥沙被抽出。从出水口温度分析，地面水体（养鱼场）下渗，首先补给冷水井1，因此其出水口水温接近养鱼场水温。地面水体—冷水井1含水层长时间处于水循环作用下，含水量不断变化，引起地层压缩与膨胀，产生的这种“应变”通过衡水井井管（无缝钢管）传递到观测含水层，形成压应力与张应力，进而引起衡水井水位上升与下降。或许含水层位于100 m左右深度的冷水井1抽水、关泵对1 500 m深的另一层含水层有影响是特定环境下的个例，理论上可能与冷水井2相同，浅层含水层抽水对远处的深层含水层无影响。

6 结论

衡水冀16井水位经常出现大幅波动现象，通过对比观测、环境调查、抽水试验发现，由养鱼场冷水井1抽水所致。初步分析认为，冷水井1抽水期间含水量减小，对观测井形成卸载效应，观测水位持续下降，十几分钟后抽水层内形成降落漏斗，产生地面沉降效应，对观测井形成加载效应，水位转为上升形态，达到一定平衡后水位恢复平稳变化动态。关泵停止抽水后，抽水井降落漏斗开始恢复，对下部含水层相当于加载，衡水井水位表现为上升，十几分钟后地面沉降效应恢复，对下部含水层形成卸载效应，从而引起观测井水位下降，达到一定平衡后水位恢复平稳变化。冷水井1的抽水影响是否是特定环境下的个例，还需对抽水影响进行定量的深入研究。

审稿专家和编辑老师提出中肯的修改意见，河北省地震局张素欣老师对论文撰写给予指导，并对研究进行有益讨论，在此一并表示感谢。