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  地震地磁观测与研究  2018, Vol. 39 Issue (6): 181-186  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2018.06.026
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引用本文  

张思远, 郭建芳, 周剑青, 等. 昌黎井与卢龙井水位、水温观测场地环境干扰特征[J]. 地震地磁观测与研究, 2018, 39(6): 181-186. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2018.06.026.
Zhang Siyuan, Guo Jianfang, Zhou Jianqing, et al. Analysis on environmental disturbance characteristics of water level and water temperature observation site of Changli well and Lulong well[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2018, 39(6): 181-186. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2018.06.026.

基金项目

河北省地震局监测、预测、科研三结合课题(项目编号:SJH18012)

作者简介

张思远(1989-), 毕业于燕山大学, 获硕士学位, 主要从事地震观测和仪器维修工作。E-mail:136399130@qq.com

文章历史

本文收到日期:2018-01-12
昌黎井与卢龙井水位、水温观测场地环境干扰特征
张思远 , 郭建芳 , 周剑青 , 佟鑫     
中国河北 066100 河北省地震局秦皇岛中心台
摘要:以昌黎何家庄井、卢龙崔庄井的水位观测数据和中层水温观测数据为对象,针对日常观测中记录的场地环境干扰进行基础数据分析,发现昌黎何家庄井主要干扰源为同层水位超采,卢龙崔庄井主要干扰源为桃林口水库放水。通过同井观测的水位与中层水温相关性、水位日变幅在正常与非正常情况下的变化特征,可得不同井孔的变化特征,为今后此类干扰判别提供依据。
关键词昌黎井    卢龙井    水位与水温相关性    日变幅    环境干扰    
Analysis on environmental disturbance characteristics of water level and water temperature observation site of Changli well and Lulong well
Zhang Siyuan, Guo Jianfang, Zhou Jianqing, Tong Xin     
Qinhuangdao Central Seismic Station, Hebei Province 066100, China
Abstract: This paper takes water level data and middle water temperature data of Changli well and Lulong well as analysis objects. The data analysis was carried out according to daily observation records to the site of the environment interference, and it is concluded that the main interference source of Changli well is the overproduction of the same layer water level, and the main interference source of Lulong well is water release from Taolinkou reservoir. By summarizing the correlation between water level observed and middle water temperature in the same well and the variation characteristics of daily variation of water level under normal and abnormal conditions, we can get change characteristics of different wellbores and then provide basis for the discrimination of this kind of interference.
Key words: Changli well    Lulong well    correlation between water level and water temperature    date range    environmental interference    
0 引言

水位、水温观测是地震监测的2个重要手段,其变化不仅可以反映正常固体潮变化(Cooper et al,1965),还能反映地震前不正常变化(Chadha et al,2003曹新来,2004;陆明勇,2005b;中国地震局监测预报司,2005)。地震的发生可以引起水位、水温的同震变化(张子广等,2007),降雨、地下水超采、地面沉降、地质应力—应变环境变化等也可以引起同井或同辖区水位、水温的不同变化(张素欣等,2005),而井孔结构不同、干扰源不同,其变化特征将有所差异。

在水位、水温观测中,存在潮汐、地震、探头微扰、气压等干扰因素(谷元珠等,2003张子广,2010)及构造应力场变化(张昭栋等,1987黄辅琼等,2004孙小龙等,2011)。在实际异常核实中,调查某一区域水位或水温观测资料异常变化干扰是一项复杂工作,不能单纯依靠反演区域应力场变化或利用数学分析判断方法,需要结合当地降雨、地下水储量、地下水开采等参数共同讨论,才能得到科学严谨的结果。

由于异常核实工作量大,平时需要全面研究每口观测井的数据资料,分析规律性变化,总结经验性结果,尤其是各种场地环境变化造成的规律性干扰。本研究的目的是,利用昌黎何家庄井、卢龙崔庄井多年观测资料,分析同井观测的水位、水温测项受场地环境干扰的变化特征,为观测资料异常核实奠定良好基础。

1 台站概况

昌黎何家庄井(简称昌黎井)位于昌黎城区东部地王酒厂院内,成井于1975年12月,属热水自流井。井深301.4 m,其中井下0—75.76 m为第四系粘土细砂;75.77—85.84 m为中粗砂夹砾石;85.84 m以下见前震旦纪混合花岗岩和角闪斜长片麻岩;172—180 m处岩石破碎,为主要出水段。完井后下168 mm套管至91.92 m,其下为裸眼出水,0—91.92 m井孔直径170 mm;91.92 m至井底井径为110 mm。2004年7月因管路淤泥堵塞断流而洗井一次,洗井后井管仍裸露,并设有3个出水口用于调节出水口位置,安装示意见图 1(a)。2016年5月下旬开始,昌黎井受其东侧温泉馆抽水影响,水位、水温观测数据出现明显下降,水位逐渐降低。同年11月对井口地面、脱气装置进行改造,并安装稳流泵24小时抽水,用于水化学量观测[图 1(a)]。自成井以来,昌黎井水位、水温观测正常进行,日变(固体潮)形态清晰,除受降雨或地下水开采影响明显外,未发现观测系统类异常,数据稳定可靠。

图 1 昌黎井孔、卢龙井孔装置示意 (a)昌黎井孔;(b)卢龙井孔 Fig.1 Device diagram of Changli well and Lulong well

卢龙崔庄观测井(简称卢龙井)属静水位观测井,位于卢龙镇崔庄村西,青龙河以西,水文地质条件较单一。地形西北高东南低,地层上部为第四系黄土,上履卵石和粉砂,下层为卵石砂砾沉积层,基岩为片麻岩,水位埋藏浅,含水层段为20.05—408 m,为前震旦系片麻岩裂隙含水层。该台地处唐山老震区桃源断裂带附近,属燕山块体和华北平原块体的结合部位。该结合部位由多条NWW向延伸的活动断裂断续分布组成,是强烈活动地震构造带——张渤带。在近EW向地震活动带中,有多条构造带与之互相切割,形成NW和NE向2组断裂相互交切的复杂组合关系,断裂带上地震活动主要集中在交汇地段。卢龙井井孔装置示意见图 1(b)

2 场地环境干扰特征

昌黎井目前存在一个显著干扰源,即2016年开业的温泉馆浴池用水,因距离较近(约480 m),且其开采水层与昌黎井观测水层相同,干扰反应明显。卢龙井多年来存在桃林口水库放水、卢龙县引青灌溉管理处放水2个干扰源,对观测资料干扰明显。

2.1 水位、水温相关性分析

正常情况下,昌黎井水位与固体潮变化一致,具有良好的水位潮汐现象,能反映含水层体应变特征(汪成民等,1988张昭栋等,1991)。水温略有潮汐但不明显,与昌黎井井孔管路特殊结构有关,且水温固体潮效应并非在任何深度均有明显反应(张子广等,2007)。分析昌黎井水位和水温多年观测数据发现,其水位日潮差约0.07 m,水温日潮差约0.02 ℃。

(1)昌黎井。为了验证环境干扰对昌黎井水温、水位观测的影响,选取2013年(无干扰的1月1日—2月20日正常时段)和2017年(有干扰的4月1日—5月22日非正常时段同层温泉水开采)昌黎井K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-等化学元素量进行比对,发现各元素量均只有微小幅度变化,说明昌黎井水位、水温变化非外部干扰引起,可能为同层取水影响。选取正常时段和非正常时段数据进行相关性分析,并计算其相关性系数(由于洗井及更换设备等原因,未能找到不同年份相同月份的干扰与非干扰对比资料,不开展此类对比),结果见图 2,左图中浅灰色曲线为水位,黑色曲线为水温,其中(a)图为2013年1月1日—2月20日正常时段水温、水位观测数据相关性结果,(b)图为2017年4月1日—5月22日同层温泉水开采时段水温、水位观测数据相关性结果。

图 2 昌黎井水位和水温相关性分析 (a)2013年1月1日—2月20日正常变化;(b)2017年4月1日—5月22日同层抽水影响 Fig.2 Correlation analysis of water level and water temperature for Changli well

图 2(a)可见,正常变化时段内,水位有小幅波动,呈现缓慢下降趋势;中层水温整体有小幅下降,波动范围在0.03 ℃以内;对比可知,水位、水温具有一定相关性,相关系数为0.738。由图 2(b)可见,在非正常时段内,水位波动较大,呈不规则跳动;水温呈不规则波动,但变化范围与正常时段区别不大;水位、水温相关性较强,相关性系数为0.822,明显高于正常时段。

(2)卢龙井。卢龙井水位、水温变化与昌黎井具有相似性,水位固体潮日变形态清晰,水温固体潮不明显。卢龙井2017年才开展水化学分析,此处未验证化学成分。选取卢龙井正常变化时段(2016年1月1日—2月28日)及水库放水影响时段(2017年3月4日—6日)的水位、水温观测数据,进行相关性分析,结果见图 3,左图中浅灰色曲线为水位,黑色曲线为水温。由图 3(a)可见,正常时段水位波动范围0.17 m,呈缓慢下降趋势,水温数据波动范围约0.09 ℃,呈下降趋势,二者相关性较强,相关系数为0.999。由图 3(b)可见,静水位在3天内出现快速上涨,涨幅约1.0 m,此时水温出现下降态势,降幅0.17 ℃,计算得到非正常时段内水位、水温相关系数为0.771。

图 3 卢龙井水位和水温相关系数 (a)2016年1月1日—2月28日正常变化;(b)2017年3月4日—6日水库放水影响 Fig.3 Correlation coefficient of water level and water temperature for Lulong well

(3)结果。选取其他时段水位、水温观测数据进行多次计算,发现昌黎井及卢龙井2种观测数据变化特征基本一致,仅变化程度略有差异。因此,昌黎井受同层抽水影响和卢龙井受水库放水影响属于不同干扰类型,环境干扰特征不同,昌黎井受温泉馆抽水影响,水位、水温不规则波动,水位受影响较大而水温影响较小,二者相关性系数明显高于正常时段;卢龙井受水库放水影响,水位和水温均受较大影响,尤其水位涨幅达到1.0 m,二者相关性系数明显低于正常时段。

2.2 水位日变幅

目前华北地区地下水存在长趋势下降背景变化,对短期数据分析影响不大,在此忽略长趋势影响,按照正常和存在场地干扰,对昌黎井和卢龙井水位观测数据进行日变幅分析。

(1)昌黎井。选取昌黎井水位正常变化时段(2013年1—2月)观测数据,以动水位变化为参考,进行水位日变幅分析,结果见图 4(a),图中浅灰色曲线为水位,黑色曲线为日变幅。可见其日变幅在0.055—0.123 m,存在半月波周期性变化,能够反映固体潮效应。

图 4 昌黎井水位正常日变与非正常日变 (a)正常日变幅;(b)受同层抽水影响日变幅 Fig.4 Normal and abnormal daily change of Changli well

选取昌黎井水位存在明显抽水干扰时段(2017年4月1日—5月22日)的观测数据,以动水位变化为参考,进行水位日变幅分析,结果见图 4(b),可见水位日变幅(图中浅灰色曲线)波动范围为0.065—0.359 m,固体潮效应不明显,水位日变幅与水位变化几乎同步,水位急速升高时,日变幅急速增大,反之减小。

(2)卢龙井。选取卢龙井水位正常变化时段(2016年1—2月)观测数据,以动水位变化为参考,进行水位日变幅分析,结果见图 5(a),图中浅灰色曲线为水位,黑色曲线为日变幅。可见水位日变幅观测曲线有规律,存在明显固体潮效应,日变幅在0.029—0.103 m。

图 5 卢龙井水位正常与非正常日变 (a)卢龙井正常日变幅;(b)卢龙井受水库放水影响日变幅 Fig.5 Normal and abnormal daily change of Lulong well

选取卢龙井水位非正常变化时段(2017年4月1日—5月22日)观测数据,以动水位变化为参考,进行水位日变幅分析,结果见图 5(b),图中浅灰色曲线为水位,黑色曲线为日变幅。可见水位日变幅多在0.239 m以内,无法体现固体潮变化,受水库放水影响,卢龙井水位逐渐升高,水位日变幅增大,反之亦然。

3 结论

水位、水温相关性变化与其受到影响的具体类型有关,从其同步变化机理可以划分为以下3种:冷水下渗说(鱼金子等,1997)、热弥散说(石耀霖等,2007)和气体逸出说(鱼金子等,1997陈大庆等,2007)。从昌黎井水位、水温干扰同步变化可知,其变化机理遵循冷水下渗原则,当同层温泉水超采时,周围岩层裂隙冷水入渗或充入冷空气,导致水位下降的同时,水温下降。此时,水位日变幅形态特征与水位变化几乎同步,水位、水温相关性明显高于正常时段,但无法观测到原有固体潮变化。卢龙井受水库放水影响,其原有固体潮变化堙没在干扰中,水位、水温相关性变化机理也遵循冷水下渗原则,当地表冷水入渗至潜水层后,导致井水位上升,水位日变幅形态与水位变化保持同步,水体温度因混入冷水而逐渐下降,此时水位、水温相关性低于正常时段。

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