大興黃村井水溫動態分析

韓孔艷 邢成起 楊明波 崔博聞

（中國北京100080北京市地震局）

大興黃村井水溫動態分析

韓孔艷 邢成起 楊明波 崔博聞

（中國北京100080北京市地震局）

對黃村井水位、水溫觀測資料進行分析，并結合井孔水文條件、水溫傳感器放置位置及水溫梯度特征，對水溫潮汐特征、機理及影響因素進行研究，結果表明，水溫具有潮汐特征，與該井觀測含水層良好的滲透性及傳感器合理放置位置有關。該研究以期為有效提取黃村井水溫前兆異常信息及合理解釋同震效應提依據，為改造井孔結構及合理放置傳感器提供借鑒意義。

水溫動態；水溫梯度；觀測井；潮汐

0 引言

隨著井水溫度觀測精度的提高，發現越來越多的觀測井能記錄到水溫前兆異常、同震響應特征及水溫的潮汐效應。多位學者對水溫動態特征（車用太等，1996，2008；谷元珠等，2003；張子廣等，2007；楊竹轉等，2010）、形成機理及影響因素進行研究。井水溫潮汐方面的研究表明，水溫潮汐為次生效應，是在潮汐力作用下含水層發生變形，井—含水層間及井筒內水流引起熱對流運動的結果。觀測井孔水文地質條件及含水層的深度、厚度、導水性、水溫傳感器相對于觀測含水層的位置及上下水溫梯度特征，均影響到水溫微動態特征。

大興黃村井為2012年新增流體觀測井，觀測資料顯示其具有一定的潮汐特征，且與水位潮汐呈同步反向變化，目前對該井的動態特征及成因機理研究較少。為探討水溫動態特征及其成因機理，有效提取水溫前兆異常等信息，本文將結合井孔水文條件、水溫傳感器位置及水溫梯度特征，對黃村井水溫特征進行分析。

1 觀測井概況

大興黃村井位于大興工業開發區西蒙西木業集團院內，地處南苑—通縣斷裂南側，為工廠廢棄排水井，終孔深度554 m，深度78 m以上為第四系松散堆積層，主要巖性為粘土、粘土夾礫石，78 m以下為震旦寒武紀灰巖，80—140 m為角礫巖夾有溶洞，180—200 m為灰巖夾頁巖，下設套管深度到78 m，見圖1。

自2012年10月，黃村觀測井采用ZKGD3000-G型水位、水溫綜合觀測儀進行水位、水溫觀測。水溫傳感器分辨率優于0.000 1℃，儀器短期穩定性為0.000 1℃/d，精度優于0.1% F.S，數據采樣率為1次/min。井水溫度儀器安裝通常是先進行溫度梯度測量，

然后將探頭固定在井孔條件和電纜線許可范圍內梯度變化較小的范圍處，以期從地下水溫觀測資料中提取較為可靠的地震前兆信息。

大興黃村井溫度梯度測量從井口下20 m處開始，每隔20 m測量一個值，150 m以下每隔10 m測量一個值，共13個深度測點，取得12個井段的梯度值，溫度梯度測量結果見圖1。該井太陽能輻射熱的影響深度（負梯度井段）在深度60 m以上，除120—140 m梯度值為10.198℃/hm（可能與該段內存在較大角礫巖溶洞有關），其他梯度值在0.326℃/hm—1.23℃/hm，遠小于全球地殼的地溫平均梯度值3℃/hm。溫度梯度測量后，水溫傳感器放置在井口以下200 m深度處。

圖1 黃村井孔柱狀、水溫探頭安裝及溫度梯度測量（a）井孔柱狀；（b）水溫探頭安裝示意；（c）溫度梯度Fig.1 The columnar section,water temperature sensor installation and measurement results of water temperature of Huangcun well

2 水溫動態

大興黃村井2012年10月—2015年11月水溫觀測數據在16.445℃—16.627℃范圍內變化。2012年數據變化0.091 4℃，2013年數據變化0.136 5℃，2014年變幅為0.094 4℃，2015年數據變化幅度為0.162℃。在年變形態上，水溫觀測數據表現為夏秋季水溫下降而冬春季水溫將升高的特點。

黃村井水位觀測數據在年動態上表現為夏秋季節上升，冬春季節下降，其趨勢動態與水溫觀測數據基本呈同步相反變化，即水位升高，水溫降低；水位降低，水溫升高（圖2）。取2012年10月—2015年11月時值、日均值觀測數據進行相關性的計算，結果見表1。取置信水平α=0.01，時值樣本數大于1 000，當相關系數大于0.081時，說明兩者在顯著

水平α=0.01上相關；樣本數大于200，當相關系數大于0.181，說明兩者在顯著水平α=0.01上相關。2013年日均值樣本344個，2014年為216個，2015年為302個，從表1可見，2013—2015年水位與水溫時值與日均值觀測數據均具有較高的負相關性，表現為同步反向協調性的變化關系，即夏秋季水位上升，水溫同步降低；冬春季水位降低，水溫同步升高。

表1 黃村井水位與水溫數據相關系數計算結果Table 1 The calculation result of correlation coeffi cient between the water level and water temperature

圖2 黃村井降雨量、水位、水溫日均值變化曲線Fig.2 The observation curves of rainfall,water level and water temperature of Huangcun well

黃村井水溫冬春季上升、夏秋季下降的年動態類型應該主要與季節性氣象因素降雨和氣溫等有關（車用太等，2003）。該井孔結構利于降水垂直入滲且經過短距離徑流補給地下水，在形態上表現為雨季水位上升，旱季水位下降，即夏秋季高而冬春季低的特征。根據該井水溫的溫度梯度，承壓含水層高于降雨的水溫，隨著降雨入滲補給地下水，冷水加入溫度高的地下水系統，引起地下水溫度下降，在形態上表現為雨季地下水水溫低，旱季水溫高，即夏秋季水溫降低而冬春季水溫升高的特征。而1月前后觀測數據的突變與冬季冰雪融水補給有一定關系，12月中下旬接受冬雪融水的補給時，水位升高，溫度更低的融水下滲，使得水溫出現突降，而后隨著大氣溫度的升高，太陽輻射熱的加強，使得水溫逐漸回升，進入雨季后，水溫受到降雨影響，再次出現下降，從而形成黃村井水溫的年動態變化特征。

3 水溫潮汐特征分析

3.1 基本特征

隨著高精度水溫觀測技術的推廣，在中國部分觀測井記錄到水溫固體潮現象，即水溫動態曲線中峰、谷出現時間與重力理論固體潮曲線中一致，認為水溫潮汐效應。在潮汐力作用下含水層發生變形，井—含水層系統中水流狀態或流量發生變化，由含水層帶入井筒的熱量也相應發生變化（張子廣等，2007；車用太等，2014）。

大興黃村井水溫日變觀測數據具有一峰一谷形態（圖3），水溫潮差變幅為0.022 8℃—0.0572 ℃，日變起伏與理論固體潮變化在形態、幅度與相位上均表現出一致性，與井水位潮汐變化吻合，顯示水溫觀測數據具有一定潮汐特征。

圖3 黃村井水溫潮汐效應Fig.3 Tidal effects of well water temperature

3.2 形成機制

對于水溫固體潮的形成機制，前人已作過許多相應研究，提出多種觀點。馬玉川（2010）通過研究井水溫潮汐認為，當含水層受到潮汐引力作用而膨脹變形時，含水層上部水向下運動使水溫下降；當含水層受到潮汐引力作用而壓縮變形時，下部水向上運動則使水溫上升，認為水溫變化是含水層受力變形結果，可稱為巖體力學機制。魚金子等（1997）通過對太平莊井水溫潮汐效應的研究，提出水動力學機制。車用太等（2014）年提出水熱動力學機制，認為井水溫度變化由水流運動引起，當含水層受力作用時，引起井—含水層與井筒內水流運動，在兩個水溫梯度作用下引起各深度水溫變化，當含水層存在地下水補給與排泄作用時，也按此機制引起井水溫度變化。

大興黃村井水溫傳感器放置在井下200 m處變化較小的水溫正梯度帶內[圖1(b)]，80—140 m深的角礫巖夾有溶洞，巖性松散，裂隙發育，滲透性、富水性良好等，可以推測，該井水溫變化機制為：①當含水層受到潮汐引力作用而膨脹變形時，井筒內的水流向含水層，水位下降，因井—含水層特征，一定量的水快速流出，使得井筒內深部水體上移，根據水熱動力學機制，在兩個水溫梯度作用下，井筒內各深度處水溫變化，因處在水溫正梯度帶，探頭處水溫升高；②當含水層受到潮汐引力作用而壓縮變形時，水體流向井筒，水位升高；由于井—含水層特征，淺層冷水快速流入井筒，加大向下垂直運動速率，在兩個水溫梯度作用下，井筒內各深度處水溫發生變化，同理，探頭放置處水溫快速下降。

3.3 影響因素

水溫觀測井孔水文地質條件是影響水溫有效信息特征的重要因素，觀測井中含水層的深度、厚度、導水性等均影響潮汐特征。井孔—含水層間水的相互滲流（或交換）能力，主要取決于含水層巖石的導水性，并與井孔結構有關，且觀測層位厚度愈大，井孔—含水層間水的相互滲流面積愈大，觀測到的潮差也變大（國家地震局地下水影響因素研究組，1985）。黃村井80—140 m為觀測含水層，滲透性、富水性良好，一定程度上增加了井筒與含水層間水的相互交換量與交換速率，能觀測到較為清晰的潮汐形態。

水溫傳感器相對于觀測含水層的放置位置及上下水溫梯度特征，直接影響水溫微動態特征（魚金子等，2012）。楊明波等（2015）通過對黃村井的水溫對比觀測，發現含水層（80—140 m）固體潮形態比較模糊，在200 m埋深處固體潮潮差較大，300 m處潮差響應明顯減小，到400 m處固體潮響應處于模糊狀態，說明隨著傳感器與含水層距離的增加，來自含水層的水熱動力影響逐漸減弱，觀測到的固體潮信號也在逐漸減弱。水溫傳感器相對于觀測含水層的合理放置位置將直接影響水溫動態特征，由于水溫傳感器放置在正溫度梯度帶內，且觀測含水層位于傳感器上部，使得黃村井水溫在形態上與水位潮汐呈同步反向變化特征。

4 結論

通過對黃村井水溫動態特征進行分析，得出以下結論：①水位與水溫觀測數據相關性較好，在年變形態上表現為同步反向變化；②水溫年變動態與降雨和氣溫等有關，呈夏秋季水溫降低而冬春季水溫升高的特征；③水溫日變形態具有一峰一谷形態，與理論固體潮汐、水位數據在形態、幅度與相位上表現出較好的一致性，具有一定潮汐特征；④觀測含水層良好的滲透性、富水性及傳感器在含水層的合理位置，使黃村井水溫觀測到一定潮汐現象，且水溫潮汐與水位潮汐呈同步反向變化特征。

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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

韓孔艷（1982——），女，碩士，從事都地下流體前兆資料分析與處理工作。E-mail： kyhan106@126.com

2012和2016年度北京市地震局任務性科技專項

本文收到日期：2015-10-22