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  地震地磁观测与研究  2021, Vol. 42 Issue (1): 84-91  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2021.01.012
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引用本文  

刘琨, 张华, 周少辉, 等. 高邮车逻井水位大幅波动异常分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2021, 42(1): 84-91. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2021.01.012.
LIU Kun, ZHANG Hua, ZHOU Shaohui, et al. Anomaly analysis of large amplitude fluctuation of water level in Cheluo well of Gaoyou[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2021, 42(1): 84-91. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2021.01.012.

作者简介

刘琨(1984-), 男, 工程师, 主要从事地震监测预报工作。E-mail: 48738506@qq.com

文章历史

本文收到日期:2020-04-07
高邮车逻井水位大幅波动异常分析
刘琨 , 张华 , 周少辉 , 赵亚琴 , 孔畅 , 费玉礼     
中国江苏 225009 扬州市地震台网中心
摘要:2016-2019年高邮车逻井水位出现多次大幅波动变化。结合周边自然环境和农业活动的调查工作,对异常成因和影响水位变化的因素进行了跟踪分析。研究认为,该井水位出现的大幅波动变化异常是高邮湖水位短期大幅波动产生的荷载影响所致,与水利部门对高邮湖水位调控间关系密切,而非地震地球物理异常。
关键词地下水    水位    大幅波动    异常    荷载    
Anomaly analysis of large amplitude fluctuation of water level in Cheluo well of Gaoyou
LIU Kun , ZHANG Hua , ZHOU Shaohui , ZHAO Yaqin , KONG Chang , FEI Yuli     
Yangzhou Earthquake Networks Center, Jiangsu Province 225009, China
Abstract: The observation of water level in the Cheluo well of Gaoyou recorded many large amplitude fluctuations from 2016 to 2019. Based on the investigation of the surrounding natural environment and agricultural activities, the causes of the anomalies and the factors affecting the water level change are analyzed. It is considered that the large amplitude fluctuation of water level in this well is caused by the load from the short-term large-amplitude fluctuation of water level in the Gaoyou Lake, which is caused by the regulation and control of water level in the Gaoyou Lake by the water conservancy department, thus eliminating the possibility of earthquake anomaly, while deepening the understanding of the change characteristics of water level in this well.
Key words: underground water    water level    large amplitude fluctuation    anomaly    load    
0 引言

水位观测是全国地震地下流体观测项目中较重要的测项(冯恩国等,2012),水位类异常信息可占震例统计中地下流体异常信息总数的29%(孙小龙等,2016),因此,对于水位类异常信息应予以重视,这其中可能包含与地震有关的信息。在对地下水位观测资料的分析中常将异常现象出现时间与地震发生时间进行对比,并结合历史震例开展相关研究。如果单以异常出现和地震发生的时间来判断,一些异常可能与地震有关。但深入分析后却发现,虽然时间相近,但异常现象并不是构造活动引起的,即异常为地震地球物理异常的理由并不充分(张磊等,2014)。因此,发现水位异常后,应先判断异常的性质,再进行深入研究。

2016—2019年高邮车逻井水位观测记录到多次水位大幅波动异常,在两三周时间内出现较强水位波动,最大幅度超过0.4 m。本文围绕井水位大幅波动的性质判定、引起异常的可能因素、是否与地震有关等问题,根据《地震前兆异常落实工作指南》(中国地震局监测预报司,2000)中对地下水位异常进行核实的工作方法,并借鉴井水位干扰异常识别与排除的4个“相关性”原则(车用太等,2011),对上述问题进行了分析。

1 高邮车逻井概况

高邮车逻井(简称“车逻井”)是为替代高邮临泽东43井,在高邮地震台东边架设的地下流体数字化综合观测井,与高邮地震台地下流体观测井共用同一井孔。该井可观测水位、水温、气象等要素。该井地质上处于高邮凹陷内,距高邮湖约5 km,观测含水层为第Ⅲ含水层,深度为地表下340—432 m,地下水资源为孔隙承压水。当地地下承压水总体流动方向为自西北向东南。自投入观测以来,井水位年变化整体趋势性上升,同时,高邮地震台在该井孔内架设的另一套地下流体仪器观测到的水位变化与车逻井观测到的水位变化一致。

2 高邮车逻井水位异常现象分析 2.1 异常情况

2016—2019年车逻井水位观测记录到井水位会不定期出现大幅波动异常变化,变化速度较快,最短6天时间内井水位出现0.17 m的下降幅度,变化幅度中位数达0.27 m。图 1为2016—2019年车逻井水位。由图 1可以明显观察到大幅波动的异常现象。

图 1 2016—2019年车逻井水位 Fig.1 Cheluo well water level(2016—2019)
2.2 影响因素分析

异常出现后,立即根据《地震前兆异常落实工作指南》(中国地震局监测预报司,2000)开展跟踪调查工作。通过长期跟踪调查,在核实仪器观测数据无误,并确认高邮及周边地区无显著地震活动与井水位异常对应的情况下,初步判断该异常为非地震异常。根据车逻井的情况,参考非地震因素所造成的井水位异常案例(车用太等,2004),并结合对近年出现的井水位异常的跟踪分析经验(汪成国等,2010王喜龙等,2018),认为气压变化、降水、农业灌溉及京杭运河、高邮湖的影响等因素可能是造成井水位大幅波动的原因,因此,需要开展相关调查和分析,以判断异常现象的具体性质。

2.2.1 气压变化

气压是引起井水位变化的自然因素之一。车逻井年度井水位数据与气压记录间存在明显的负相关性,而短期内气压的剧烈变化对车逻井水位记录也会产生显著的影响,其中,极端气压变化过程的影响尤为明显。如2019年8月9—13日在1909号台风“利奇马”影响过程中,记录到了明显的气压对井水位的影响(图 2)。由图 2可见,气压最大变化幅度约20 hPa,水位最大变化幅度约0.08 m。

图 2 2019年8月9—13日台风“利奇马”影响期间气压和水位整点值 Fig.2 Hour value of air pressure and water level during the typhoon Lekima

而车逻井出现水位大幅波动异常期间,没有记录到明显的气压变化,也没有记录到类似台风影响过程中气压和水位的变化形态,故无法通过时间、形态、振幅等方面对车逻井水位大幅波动现象予以解释。因此,气压影响不是造成车逻井水位大幅波动异常变化的主要原因,但气压的影响时刻存在,且在极端情况下会造成井水位的显著波动。

2.2.2 降水和农业灌溉

车逻井观测含水层距地表340—432 m。对于观测层埋深仅几百米的观测井而言,降水的影响难以避免,因此,需要判断降水的影响程度。同样,车逻井所在地车逻镇属于高邮灌区,该灌区灌溉面积较大,需要确认灌溉渗入对车逻井水位观测的影响程度,即有无直接影响车逻井观测含水层的情况。

通过观察发现,车逻井周边地势平坦,除大型地表水体高邮湖外,都为土层覆盖。车逻井观测含水层为第Ⅲ含水层且泥岩顶板完整,观测含水层之上还有2层地下水。勘探资料和地表观察都未发现该井周边观测层上方有断裂或断裂破碎带。因此,降水穿过观测层以上地层,直接渗入车逻井观测含水层的可能性不大,但不排除降水渗入潜水,通过潜水和深部水之间的对流间接影响车逻井观测含水层的可能,但这种情况一般需要的时间较长,且影响水位变化的过程并不剧烈,与车逻井水位在短时间内出现较大幅度波动的变化特征不相符。

而高邮当地每年夏季降水相对较多,且同期也是农业灌溉用水量较大的时段。以车逻井所在的高邮灌区为例,灌溉面积共计63万亩,年用水量约4.8亿m3,其中,农业灌溉约3.8亿m3顾宏等,2018),灌区内农业作物以水稻为主,水稻种植面积40.98万亩,品种都是中稻,水稻种植期各阶段的灌水时间相对集中(方晨蕾等,2017),每年6—9月为水稻灌水期。车逻井水位大幅波动异常多数也出现在水稻灌水期内,图 3为2016—2019年高邮降水量,对图 3图 1进行比较发现,存在农业灌溉和降水叠加的情况。分析每年7、8、9月降水量和井水位间的相关性发现,相关性结果R值很小,2016—2019年分别为-0.336、-0.057、-0.028、-0.080。同时发现2016年11月出现的车逻井水位大幅波动异常未出现在水稻种植灌水期内,而2019年整个水稻灌水期内车逻井都没有出现水位大幅波动异常。因此,由灌溉造成车逻井水位大幅波动异常的证据并不充分。

图 3 2016—2019年高邮降水量 Fig.3 Gaoyou rainfall in 2016—2019

通过研究农业灌溉、降水与车逻井水位间的关系发现,二者在时间、强度上都与车逻井水位大幅波动的现象无相关性,即使在夏季,灌溉和降水密集叠加也难以引起井水位的大幅波动,故排除降水和农业灌溉为造成井水位大幅波动变化主要原因的可能。

2.2.3 京杭运河的影响

京杭运河高邮段距车逻井最近约800 m,是南水北调东线工程——江都水利枢纽至宝应抽水站间的输水河道,河道与高邮湖并不直接连通。1949年新中国成立以来京杭运河高邮段经过治淮、江水北调和南水北调等工程连续几十年的治理,目前,河道在冬春季主要用于江水北上,夏秋季则为淮水南下,同时河水还是高邮当地饮用水源,河道无渗漏情况。考虑到车逻井与京杭运河间的距离较近,存在京杭运河水位变化通过荷载方式影响车逻井水位变化的可能,因此需要对此进行判断。京杭运河高邮段水位主要受水利部门调节控制和降水影响。除降水丰沛时段会出现河水位上升以外,每年冬春季的南水北调或干旱气象条件时江水北调工作也会使京杭运河高邮段水位出现短时间快速上升。调查发现,2020年4月23日起为缓解江苏北部用水紧张问题而加大江水北调调水量后,京杭运河高邮段水位快速上升。比较4月22日0时至5月4日0时车逻井、京杭运河高邮段水位整点值发现,车逻井与运河的水位变化形态并不相似(图 4)。其中,京杭运河高邮段水位从4月22日0时的6.58 m上升至4月26日10时的7.38 m,上升了0.80 m,并在4月30日20点前保持在7.30 m附近。而车逻井水位在4月22日0时为15.57 m,4月26日10时仍为15.57 m,其间实测变化仅几毫米。且比较时段内车逻井水位最低值出现于4月26日16时,为15.59 m,最高值出现于5月3日20时为15.54 m。

图 4 2020年4月22日0时至5月4日0时京杭运河高邮段、车逻井水位 (a)京杭运河高邮段;(b)车逻井 Fig.4 The water level of the Gaoyou section of the Beijing Hangzhou Canal and Cheluo well

虽然京杭运河高邮段距井孔仅800 m,但二者的水位记录形态并不一致,说明车逻井水位受京杭运河高邮段水位变化的影响可以忽略。

2.2.4 高邮湖的影响

高邮湖是高邮市境内最大的地表水体,为全国第6大淡水湖,水域总面积760 km2,南北长约42 km,东西最大宽度约24 km,湖底一般高程4.5 m,高出东部里下河平原1.0—2.5 m,湖水位6 m时可蓄水10.8亿m3。车逻井距高邮湖湖堤约5 km,观测含水层顶板与湖盆落差大于340 m,存在高邮湖影响车逻井水位高低的现象,该影响可通过渗入和荷载2种方式产生。

(1)渗入影响的可能性分析。分析2016年1月—2019年12月水利部门对高邮湖水位的观测记录发现,在时间上车逻井水位大幅升降变化与高邮湖水位大幅升降变化高度吻合,水位变化形态相似(图 5)。相关性分析也显示,车逻井水位大幅升降变化与同时期高邮湖水位数据的相关性较高,这说明高邮湖与车逻井观测含水层之间存在某种密切联系。而以年度长数据进行比较,则相关性明显偏低,甚至发现高邮湖、车逻井水位变化趋势长时间背离的情况,如2019年3—5月,高邮湖水位下降约0.40 m,而车逻井水位上升0.20 m。根据不同时段的差异进行判断认为,高邮湖水位直接渗入补给车逻井观测含水层的可能性并不大。该判断也得到了高邮水利部门对当地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ含水层水位埋深趋势观测结果的佐证,2000年以前由于无序开采在高邮城区形成了降落漏斗区,2010年后采取严格的限制压采地下水措施以后,漏斗区的水位埋深才逐渐回升(许凤群等,2015)。2011—2013年压减开采量193万m3,在2013年完成区域供水全覆盖后,计划2020年再压减183万m3的开采量。目前,已基本完成限制压采目标,高邮当地地下水埋深也逐渐回升。比较图 1图 5可见,若高邮湖水可直接补给车逻井观测含水层,则2019年3—5月就不应出现井水位和湖水位变化趋势背离的现象,同时当地也不会出现地下水降落漏斗区。因此,高邮湖水直接渗入造成车逻井水位大幅波动的可能性也被排除。

图 5 2016—2019年高邮湖水位 Fig.5 Gaoyou Lake water level in 2016—2019

(2)荷载影响的可能性分析。在确定降水、气压变化、农业灌溉、京杭运河高邮段和高邮湖的渗入等都不是车逻井水位大幅波动现象的主要原因后,结合车逻井水位大幅波动和高邮湖水位迅速同步的现象,判断车逻井水位大幅波动极有可能是高邮湖产生的荷载影响造成的。

对照4个“相关性”原则发现,在时间上,高邮湖和车逻井的水位变化几乎同步,满足时间相关性的原则。在空间上,高邮湖和车逻井水位存在相对落差,虽然距离约为5 km,但已有距离相近,甚至相距更远的大型地表水体通过荷载影响井孔水位变化的情况,如三峡水库库区编号W7的周坪井(距三峡水库库堤6 km)和陕西咸阳三原井(距冯村水库9 km)。但是上述两井的荷载影响也存在一些不确定因素。其中,周坪井是一口自流井,井孔出水位置高于三峡水库坝体。虽然该井水位变化与三峡库区蓄水过程同步变化,但是否受三峡水库库区蓄水产生的荷载影响波及,并不十分确定(车用太等,2004)。陕西咸阳三原井距荷载源冯村水库约9 km,三原井和造成荷载影响的冯村水库附近存在断裂或者断层破碎带,历史观测存在冯村水库渗漏使得下游10 km范围内地下水位升高的情况(吴富春等,1999)。对照上述两井存在的情况,车逻井观测含水层低于高邮湖湖盆,存在高邮湖对车逻井观测含水层施加荷载影响的空间落差,且车逻井井孔位于高邮湖东南侧,大致位于高邮当地地下承压水侧向径流下游方向。结合车逻井水位资料和对降水、农业灌溉的分析,判断高邮湖相对车逻井观测含水层在空间上存在荷载影响的可能。

对车逻井水位波动幅度的统计发现,车逻井出现井水位大幅波动异常期间的井水位变化标准差较异常出现前1个月的井水位变化标准差增大了1倍以上(表 1),显示井水位异常波动强度较大。比较车逻井水位和同期高邮湖水位发现,二者变化趋势一致,湖水位的变化幅度大于同期井水位波动幅度,并呈现出湖水位变化幅度越大,较高湖水位持续时间越长,则井水位变化幅度也相应更大的现象,显示车逻井水位大幅波动与高邮湖水位变化之间存在相关性。

表 1 高邮湖、车逻井水位变化情况 Table 1 Statistics of water level changes of Gaoyou Lake and Cheluo well

以高邮湖水位上升的最小幅度0.67 m计算,产生的荷载约为65.7 hPa,是台风“利奇马”影响车逻井气压记录最大变化值20.0 hPa的3.2倍。如此大的荷载垂直作用于高邮湖湖盆并迅速向周边地区传导扩散至车逻井观测含水层,对观测含水层水体产生挤压,使得局部水体受力增加,打破了车逻井观测含水层内水体的相对平衡状态,含水层岩石孔隙压力的增加或局部地下水补给量的增大使得地下水流入车逻井观测井孔内,进而引起井水位升高,出现大幅波动变化。而2018年10月后出现的高邮湖水位趋势性下降及车逻井水位持续上升现象,主要是由两水体补给和排泄的差异所致。高邮湖的补排关系清楚,补给源是上游洪泽湖来水和降水,排泄主要通过水位差使其流入长江以及蒸发作用,2018年10月以后,尤其是2019年,大范围的四季连旱气象条件导致高邮湖上游来水和降水补给减少,造成了水位下降。虽然车逻井观测含水层主要补给源尚不明确,但可排除在井孔周边的可能。而高邮当地承压水的排泄主要是人工抽水(李章林等,2001)及东南方向的侧向径流。由于严格的限制压采措施,2015年以来高邮第Ⅲ含水层开采量约260万m3/a,较2010年的约390万m3/a有所下降,高邮市第Ⅲ含水层水位整体呈上升趋势,由此判断,包括车逻井观测含水层在内的高邮当地第Ⅲ含水层整体补给量大于排泄量导致了车逻井水位上升。因此,在水位记录中呈现湖水水位下降而车逻井水位持续上升。综合分析认为,高邮湖的荷载变化是造成车逻井水位大幅异常波动的主要原因。

2.3 对2019年干旱条件下车逻井、高邮湖水位相关性的分析

2019年江苏省经历了罕见的春夏秋冬四季连旱,全省年平均降水量796 mm,较常年偏低21%。高邮市年降水量650 mm,较常年减少30%。高邮湖上游的洪泽湖及整个淮河流域也同样经历了大规模长时间的干旱。2019年入洪泽湖水量较往年同期偏少70%,淮河干流在2019年9月中旬至11月初基本接近断流。此次大范围、长时间的气象干旱,使得可能影响车逻井水位变化的降水因素在长时间和大空间范围内被控制在较低的程度,这提供了一个有利于观察车逻井含水层和高邮湖水位之间关系的时间窗口。

通过观察2019年车逻井水位数据发现,车逻井水位没有出现大幅异常波动变化,上半年整体上升、下半年小幅回落的年度变化趋势更显著,全年水位上升约0.20 m。自2019年4月以来高邮湖水位较往年同期偏低,水位持续低于6.00 m。该现象反映了长时间的干旱天气对车逻井观测含水层补给的影响不大。若车逻井观测含水层补给源可接受降水或地表水的下渗,则补给源可能距井孔较远,从渗入开始,通过地下水循环最终径流到车逻井井孔位置并被水位仪器记录需要经历一段时间,而高邮湖水位受上游即时来水和降水的影响,变化较快,因此,高邮湖不可能为补给源。赵晖等(2010)认为,淮河流域的里下河洼地深层地下水是由含水层的补给源区通过地下水深部循环方式侧向径流补给的,而车逻井恰位于淮河下游地下水系统中里下河沿海平原亚系统内的里下河洼地地区,但具体到车逻井,其补给源和补给方式仍未知。根据本文的工作并结合前人的调查,认为车逻井补给源不在井孔周边地表,无论补给源具体在何处,以何种方式对车逻井观测含水层进行补给,对2019年干旱条件下车逻井、高邮湖水位相关性的分析表明,车逻井观测含水层与高邮湖接受补给的形式不同,长时间、大范围的干旱条件对车逻井水位变化的影响不大,而高邮湖水位则受到显著影响;在没有高邮湖水位大幅波动的影响时,2个水体水位的变化反映出各自补给源来水和排泄的情况。

3 结束语

通过对车逻井水位大幅升降异常的跟踪调查分析,并将《地震前兆异常落实工作指南》(中国地震局监测预报司,2000)中的工作原则与井孔实际情况相结合,判断该井水位出现的大幅波动异常是高邮湖水位大幅波动产生荷载所致。整个跟踪调查分析工作是经过从认识到实践,再从实践回到认识,最终落实异常的复杂过程。通过跟踪调查分析认为,一些较直观的因素如降水、灌溉等对车逻井水位大幅波动异常变化的影响并不显著。而对高邮湖水位变化影响因素的确认,也是通过跟踪不同年份高邮湖存在的不同水利情况,并结合对高邮当地地下水开采和降水量的调查后综合分析得出的结果。通过整个工作过程,不仅认识到车逻井水位大幅波动异常现象并非地震异常,同时还加深了对该井水位记录特征的理解,以及对自然环境和农业活动等因素可影响该井水位的认识,这为进一步开展车逻井水位研究及地下流体观测的规划建设等提供了有益的参考。

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