巢湖14井地下水位異常分析及環(huán)保意義探討

王 俊 楊林根

（1安徽省地震局 安徽合肥 230031 2巢湖市地震辦 安徽巢湖 238000）

關(guān)鍵字：巢湖14井；水位；異常；成因；環(huán)境保護(hù)

1 引言

巢湖14井深331m，位于安徽巢湖北郊的皖維集團(tuán)內(nèi)，觀測含水層270.73-301m，為泥盆紀(jì)系砂巖，屬孔隙裂隙承壓水。構(gòu)造上在滁河斷裂與東關(guān)斷裂交匯處，其西側(cè)是郯廬斷裂帶。井孔區(qū)域?yàn)榻磩兾g丘陵，地勢北高南低，山嶺多由泥盆紀(jì)沙巖組成，斜坡為灰?guī)r，巖溶較發(fā)育。擁有數(shù)字化水位、水溫觀測手段，受降雨影響顯著。這反映該井易受外界環(huán)境影響，加強(qiáng)資源與周邊環(huán)境的保護(hù)作用對該井?dāng)?shù)據(jù)觀測質(zhì)量尤為重要。

自1985年觀測以來，該井水位陡降主要表現(xiàn)為震后效應(yīng)，但也有4次不是震后效應(yīng)，那么研究這一類型的水位陡降異常，對地下水微動(dòng)態(tài)研究有重要意義。

2 異常概述

2017年8月24日21時(shí)11分，巢湖14井水位自1.134m突然陡降至1.225m，幅度達(dá)9.1cm，然后在低值按固體潮形態(tài)波動(dòng)變化。曲線總體形態(tài)如歷年水位陡降時(shí)一樣，似同英文字母“L”，因此，將其命名為“L”型地下水異常。同時(shí)段內(nèi)井孔水溫出現(xiàn)緩慢上升，幅度約0.0052°C

3 異常分析處理過程

依據(jù)地下水動(dòng)態(tài)干擾異常識別的4個(gè)相關(guān)性原則，即成因上、空間上、時(shí)間上及強(qiáng)度上的相關(guān)性（車用太等，2011），調(diào)查組開展了現(xiàn)場核實(shí)工作，一檢查儀器，實(shí)測水位，其表明水位變化真實(shí)；二調(diào)查周圍環(huán)境，發(fā)現(xiàn)井孔周邊正進(jìn)行大面積房屋拆遷，但時(shí)間上不相關(guān)，且在方面拆遷過程中未引起強(qiáng)振動(dòng)或施工破壞井管等現(xiàn)象，故本次變化暫時(shí)與環(huán)境變化無關(guān)（但后續(xù)的大范圍拆遷，可能引起地面的振動(dòng)，可能對該井水位觀測產(chǎn)生影響，因此當(dāng)?shù)卣畱?yīng)積極響應(yīng)，快速穩(wěn)妥地與拆遷公司協(xié)商，加大對觀測井周邊觀測環(huán)境保護(hù)作用，盡可能地將影響作用降到最低）。三是認(rèn)真梳理歷史水位資料，結(jié)果表明該井水位曾多次出現(xiàn)陡降異常變化，其多為震后效應(yīng)，如2008年汶川地震、2011年日本地震。但1999年12月安徽利辛4.1級地震前，水位先突升再陡降，完成了一次水位異常的完整形態(tài)變化過程，但與這次異常形態(tài)明顯不同。此外在一次強(qiáng)降雨或長時(shí)間降雨后，引起水位上漲至1.1m以上時(shí)，也會(huì)引起水位下降，2012年以來，每年均出現(xiàn)類似“L”型陡降（含本次共有6次）。四是分析同井其他觀測手段情況，發(fā)現(xiàn)水溫也呈緩慢上升變化。

4 異常分析與結(jié)論

4.1 異常特征

（1）巢湖14井水位陡降前有一較長時(shí)間連續(xù)、緩慢上升過程；

（2）當(dāng)水位上升到1.1m以上時(shí)，隨時(shí)可能發(fā)生瞬間水位陡降；

（3）當(dāng)水位陡降穩(wěn)定后，水位在無降水的情況下，變化緩慢，均值曲線成水平狀態(tài)，轉(zhuǎn)為正常運(yùn)轉(zhuǎn)，整點(diǎn)值曲線水位陡降前后成“L”型。

4.2 異常分析

排除干擾后，為進(jìn)一步解釋該井水位陡降異常，同時(shí)段內(nèi)水溫緩慢上升變化的原因，分析井孔-含水層系統(tǒng)環(huán)境是否存在地質(zhì)活動(dòng)影響，例如井壁塌方、裂隙“張合”等作用。若井壁出現(xiàn)塌方，裂隙增大，水位可能會(huì)出現(xiàn)陡降，就承壓井而言，水位陡降后應(yīng)為“恢復(fù)曲線”形態(tài)（孫佩琦等，1990），但本次異常出現(xiàn)陡降后水位持續(xù)平穩(wěn)波動(dòng)，似乎是水位在運(yùn)動(dòng)的過程中呈新的“平衡”狀態(tài)。當(dāng)井下出現(xiàn)裂隙出現(xiàn)“張合”運(yùn)動(dòng)作用，水位和水溫的異常形態(tài)，都應(yīng)該是呈“尖波”狀或是“幾”字型（孫佩琦等，1990），不應(yīng)是“L”型。因此上述兩種機(jī)理都不能解釋本次水位異常陡降。具體分析如下：

（1）井水觸發(fā)波引起水溫變化情況。該井于2012-2014年間曾發(fā)生三次水位陡降異常，異常后均進(jìn)行現(xiàn)場核實(shí)工作。主要開展了提放水溫探頭、水溫梯度實(shí)驗(yàn)（圖2a、2b）和井下探測等工作。這些操作都會(huì)引起了井水位的振蕩，振蕩后的水溫變化基本是呈“V”形，即是先降后升，與2015年尼泊爾地震的震后效應(yīng)類似（圖2c、2d）。可見外界環(huán)境干擾，如強(qiáng)振動(dòng)、爆破等可能引起井水觸發(fā)作用而引起水溫的變化，極大干擾了對異常性質(zhì)的判定；而《地震監(jiān)測設(shè)施和地震觀測環(huán)境保護(hù)條例》中明確規(guī)定，為保護(hù)地震監(jiān)測設(shè)施及其觀測環(huán)境，充分保障地震監(jiān)測預(yù)報(bào)工作的順利進(jìn)行，任何單位和個(gè)人都有保護(hù)地震監(jiān)測設(shè)施及其觀測環(huán)境的義務(wù)。在地震觀測環(huán)境保護(hù)范圍內(nèi)的新擴(kuò)建等工程項(xiàng)目必須重新規(guī)劃，以避免或減小影響。

（2）當(dāng)UPS電源在不供電時(shí)，巢湖14井水溫呈“V”字型異常情況。巢湖14井水溫因UPS不供電時(shí)，也會(huì)形成的“V”字型異常，不同的是同時(shí)段水位未發(fā)生變化。以2014年6月19日的水位異常為例，19日18時(shí)觀測儀器除195m處水溫儀器自帶蓄電池還在工作外，其他儀器全部停運(yùn)后。據(jù)分析意見，將市電直接接入儀器總供電插座上，儀器開始正常工作。經(jīng)查UPS在15時(shí)04分已經(jīng)不供電，18時(shí)17分接上交流電。UPS停運(yùn)194min，表明供電不正常，明顯影響觀測設(shè)備的有效運(yùn)行，這給前兆異常的判定帶來困難，故需進(jìn)一步優(yōu)化資源，保護(hù)觀測環(huán)境，保障地震監(jiān)測設(shè)備的良好觀測環(huán)境，為地震預(yù)測預(yù)報(bào)工作發(fā)揮效用。

4.3 分析結(jié)論

（1）巢湖14井水位陡降機(jī)理是：當(dāng)井水受觸發(fā)或處于高水位狀態(tài)，井孔-含水層系統(tǒng)中的污垢（如懸浮物、微生物等）在孔裂隙中，對流體運(yùn)動(dòng)的阻力有著進(jìn)、出的差距，即流體進(jìn)入井孔的阻力小于井孔返回含水層的阻力，當(dāng)井孔水位高于含水層流體壓力達(dá)到一定限值時(shí)，平衡失效，流體突破阻力，迅速返回含水層的孔裂隙中，產(chǎn)生了伯努利效應(yīng)（李華等，2013），孔隙壓力下降，即水位降低，然后在調(diào)整的過程中，形成新的平衡狀態(tài)。

（2）井孔流體長期靜置在孔徑很小的裂隙內(nèi)，容易形成上面溫度低，下面溫度高的逆溫層。當(dāng)井水受到觸發(fā)后，極容易產(chǎn)生熱對流，使得上面溫度低的流體下行，下面溫度高的流體向上運(yùn)動(dòng)。所以井水觸發(fā)，如地震波沖擊時(shí)，水溫會(huì)先下降，后通過含水層圍巖和孔裂隙中的流體供溫而上升到新的平衡點(diǎn)。如果井區(qū)含水層受到地震波的沖擊蕩滌較大時(shí)，孔裂隙的狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，增大時(shí)，水位還可能下降，水溫可能上升。

（3）2017年8月24日巢湖14井水位陡降是一次短期的變化過程，可能該井孔長期靜置，井孔-含水層系統(tǒng)的孔裂隙中污垢淤積較嚴(yán)重結(jié)果，在外界觸發(fā)（夏季降雨）使得裂隙中的懸浮物、附著物以及泥沙雜質(zhì)等發(fā)生遷移，流水增大，產(chǎn)生的伯努利效應(yīng)，它是巢湖14井水位運(yùn)動(dòng)的一種特殊形式，既不是地質(zhì)活動(dòng)的結(jié)果，也不是震兆異常的表征。

（4）這種特殊的運(yùn)動(dòng)形式，可能與井孔自身結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件等相關(guān)。因此當(dāng)?shù)卣块T應(yīng)在后續(xù)施工改擴(kuò)建項(xiàng)目施工中，高度重視周邊環(huán)境保護(hù)工作，在地震觀測井環(huán)境保護(hù)范圍內(nèi)，嚴(yán)格禁止地下水開采或深井同層抽、注水、施工振動(dòng)等作業(yè)，以保護(hù)區(qū)域的水文地質(zhì)環(huán)境，創(chuàng)造良好的觀測環(huán)境，有效地保證觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

結(jié)語

綜合上述，遠(yuǎn)大震對該井區(qū)域內(nèi)的觀測環(huán)境、水文地質(zhì)條件及構(gòu)造環(huán)境具有一定影響，井孔-含水層系統(tǒng)在震后出現(xiàn)相應(yīng)表現(xiàn)。因此應(yīng)加強(qiáng)地震監(jiān)測環(huán)境保護(hù)，確保地震觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，對地震預(yù)測預(yù)報(bào)發(fā)揮積極作用。地方政府應(yīng)依法保護(hù)地震監(jiān)測資源與環(huán)境，保護(hù)地震監(jiān)測設(shè)施，確保觀測儀器正常運(yùn)行，以最大限度避免在地震監(jiān)測范圍內(nèi)的觀測環(huán)境遭受破壞，真正將地震監(jiān)測環(huán)境保護(hù)工作落到實(shí)處，實(shí)現(xiàn)地震預(yù)測預(yù)報(bào)事業(yè)可持續(xù)發(fā)展。