云南江川漁村井地下水補(bǔ)給來源分析*

胡小靜，付 虹，李利波，李 祥

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.江川縣地震局，云南 玉溪 652600)

0 引言

地下水位作為流體學(xué)科重要的物理觀測量，是一個在多種影響因素作用下產(chǎn)出的復(fù)合參數(shù)，既含有水位的宏觀動態(tài)，又包含微觀動態(tài)(賈化周等，1995；車用太，魚金子，2006；劉耀煒等，2010；付虹等，2014；張立等，2018)。一般情況下，水位的微觀動態(tài)主要是由構(gòu)造活動所引起的，而宏觀動態(tài)變化主要與觀測井周邊地下水補(bǔ)給、徑流和排泄?fàn)顟B(tài)密切相關(guān)。在日常研究過程中，大氣降水、周邊大型水體等的影響最為普遍(車用太等，1993；晏銳，2008；孫小龍等，2013；胡小靜等，2016)，使得多數(shù)水位變化呈現(xiàn)出比較規(guī)律的雨季上升、旱季下降的年變形態(tài)。

前人通過水物理的研究方法，開展了大量的關(guān)于地下水位異常提取和干擾變化排除等的研究，其中包括利用卷積濾波法、組合水箱模型等對降水干擾的定量排除(王旭升等，2010；孫小龍等，2013)，以及通過研究井孔含水層的介質(zhì)參數(shù)等分析井孔所在區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和水動力環(huán)境等(丁風(fēng)和等，2015；孫小龍等，2011；魏建民等，2017)，進(jìn)行了有效的地震異常提取和干擾排除。有關(guān)研究表明，地下水組分記錄了流體的來源、運移以及巖石圈內(nèi)的重要信息，在地下水循環(huán)過程中，水化學(xué)成分和環(huán)境同位素作為水循環(huán)研究中的示蹤劑，在一定程度上記錄著地下水運移、轉(zhuǎn)化的歷史，為判定地下水類型、成因以及水巖反應(yīng)程度等地球化學(xué)特征提供依據(jù)(Reddy，Nagabhu shanam，2011；杜建國，劉叢強(qiáng)，2003；Songetal，2006；張磊等，2014)。了解觀測井孔的地下水補(bǔ)給來源，對提高地震異常識別的準(zhǔn)確性，無疑是有幫助的。

云南江川漁村井自觀測以來，具有明顯的年變形態(tài)，研究該井水位年變形態(tài)究竟受控于哪些主要因素，與周邊的大型水體星云湖等是否有明顯的水力聯(lián)系等問題，對認(rèn)識和了解漁村井水位宏微觀動態(tài)變化以及地震前兆異常識別都具有重要意義。本文主要利用水化學(xué)分析方法，研究了漁村井的地下水循環(huán)狀態(tài)與地表水以及大氣降水的補(bǔ)給關(guān)系。

1 觀測井及研究區(qū)域概況與采樣

1.1 觀測井及研究區(qū)概況

江川漁村動水位觀測井位于江川縣前衛(wèi)鎮(zhèn)漁村(24.33°N，102.73°E)，井孔標(biāo)高1 726 m，周邊活動斷層主要發(fā)育有小江斷裂和楚雄—建水?dāng)嗔训龋摼靥幮〗瓟嗔涯隙挝髦У拇渭墧嗔褞Ц浇?圖1)。漁村井位于壩區(qū)內(nèi)，地勢平坦，四周為低山丘陵區(qū)，區(qū)域年降水量約為880 mm，距離井孔西北約20 m處有一條漁村大河，每年插秧季節(jié)(4月中旬至4月底)從上游水庫放水至漁村大河，供周邊秧田灌溉澆地，其余時間無放水，僅在河底有少許積水，干旱時節(jié)，大河處于干涸狀態(tài)(本次取樣時大河近乎干涸，僅有少許積水)；該井東約1.5 km處為星云湖，與撫仙湖僅一山之隔，水域總面積為34.71 km2，平均水深7 m，最大深度10 m，分布南北長約10.5 km，東西平均寬約3.8 km，湖岸線長36.3 km；石河水庫位于漁村大河上游約5 km的石河村，該水庫最大庫容量為658萬m3，控制容水量為475萬m3，水深為22.8 m。本次研究對這些水體都進(jìn)行了取樣化驗(圖2)。

圖1 漁村井周邊地質(zhì)構(gòu)造圖

圖2 漁村井周邊取樣點空間分布圖

漁村井成井之初井深180 m，目前因淤泥堵塞，深約138 m，泄流口自流量為38 mL/s左右，套管深度約130 m，其中含水層處為花管(分別位于16.61～26.46 m，51.36～60 m，79.37～89.76 m以及99.61～111.35 m)，其余部位均為鋼管，井孔含水層為混層水，相對隔水層為第四系、第三系粘土，具體井孔柱狀圖見圖3。

圖3 漁村井井孔柱狀圖

1.2 采樣與測試

2017年3月，對漁村井周邊5 km范圍內(nèi)分布的水體進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，并對所調(diào)查的4處水體及漁村井共計5個研究對象進(jìn)行了水樣采集與測試，具體采樣點分布見圖2。樣品的水化學(xué)成分測試由云南省地震局昆明防震減災(zāi)技術(shù)實驗基地趙慈平研究員所負(fù)責(zé)的地下流體實驗室測定，分析設(shè)備為883 Basic IC plus離子色譜儀；氫氧同位素測試由防災(zāi)科技學(xué)院廖欣副教授負(fù)責(zé)的地震地下流體重點實驗室測定，測試設(shè)備為美國LGR激光液態(tài)水穩(wěn)定同位素分析儀。測試結(jié)果見表1。

表1 漁村井周邊水體水化學(xué)組分與同位素測試結(jié)果(單位：mg/L)

2 結(jié)果分析

2.1 井下電視探測結(jié)果

本次井孔結(jié)構(gòu)探視是利用山西友源光電科技有限公司所生產(chǎn)的YYGD-XZ型井下電視，對整個井孔進(jìn)行了全面探視。

井下電視結(jié)果顯示，漁村井孔第一節(jié)鋼管部分有大量的氣泡上涌(圖4a)，為目前云南地區(qū)開展過井下電視探視的觀測井中氣泡最多的井；位于16.61～26.46 m處的第一節(jié)花管孔非常清晰，井壁沒有任何附著物(圖4b)；第二、三節(jié)篩管已基本被覆滿銹蝕物，基本無進(jìn)水量；位于100 m處的第四節(jié)篩管有部分花孔外漏。井下電視探視結(jié)果表明，在漁村井井孔16.61～26.46 m處，井壁受外界水流動的沖刷非常顯著，表明常年有大量的水從這一層位滲透，這些水的來源是本文探討的重點。

(a)井下第一節(jié)鋼套管(0～16.61 m)

2.2 水化學(xué)特征分析

水化學(xué)Piper圖(又稱三線圖)，是地下水水質(zhì)類型、成因及來源分析的重要手段之一(Piper，1953)。從圖5a可見，所取的5個水樣其水化學(xué)類型分別為Na-HCO3型(漁村井)；Ca-HCO3型(民用井)；Mg·Ca-HCO3型(漁村大河)；Ca·Na-HCO3型(石河水庫)；Mg·Ca·Na-HCO3型(星云湖)。以上類型均屬于重碳酸型水，主要是由于補(bǔ)給水體進(jìn)入地下后，在徑流過程中溶解了土壤中的CO2造成的，代表了典型的大氣降水與巖土之間的第一階段反應(yīng)，反映了淺層、年齡較輕的水文循環(huán)特征。但相比周邊其它水體，漁村井中Na+的相對含量明顯偏高，而Ca2+，Mg2+含量則遠(yuǎn)低于周邊水體。根據(jù)離子之間的反應(yīng)過程可知，當(dāng)觀測井中水體與含水層中的巖體之間發(fā)生深度接觸時，水體中的Ca2+，Mg2+會發(fā)生一系列的被吸附和交換過程，從而釋放出更多的Na+，使得含水層水體中Ca2+，Mg2+含量明顯減少，而Na+含量則顯著升高，表明井孔水體中陽離子交替吸附作用較強(qiáng)(孫小龍等，2016)。由圖5a可見，漁村井雖然屬于淺層水，但其含水層水體與巖體之間存在一定的相互作用，其水巖作用較其他水樣更為充分，而周邊其他水體與巖體之間的相互作用非常弱，以典型的大氣降水與巖石之間的第一階段反應(yīng)為主。

Na-K-Mg三角圖常用來評價水-巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣(Giggenbach，1988)。從圖5b可見，漁村井水樣處在“部分平衡水”狀態(tài)，表明觀測井水體循環(huán)深度相對較深，存在一定的深部水-巖相互作用的成分；其余水樣均處在“未成熟水區(qū)域”，且有部分水體非常接近Mg2+端元附近，表明觀測井周邊水體的水-巖之間尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，溶解作用仍在進(jìn)行。

圖5 漁村井及其周邊水體水化學(xué)Piper圖(a)、Na-K-Mg三角圖(b)、Schoeller圖(c)、氫氧同位素結(jié)果(d)

Schoeller圖通常用來表示不同水樣的水化學(xué)組分隨時間的變化規(guī)律以及各水樣之間可能存在的關(guān)系(陳昌亮，2015)。5個水樣點的Schoeller圖顯示(圖5c)，漁村井與其周邊水體的離子成分相差較大，表明該井與周邊水體的物質(zhì)來源不同，不存在直接的水力聯(lián)系，根據(jù)圖5a顯示的結(jié)果，這可能正是由于周邊的補(bǔ)給水體進(jìn)入地下后，經(jīng)歷了較長時間的徑流過程，在整個滲透過程中發(fā)生了較強(qiáng)的陽離子交替吸附作用所產(chǎn)生的結(jié)果；漁村大河與星云湖兩個水樣點的離子成分幾乎一致，表明二者的補(bǔ)給來源相同；漁村井與距離其約100 m處的民用井離子成分相差很大，表明二者并不在同一含水層；距離漁村井約5 km處的石河水庫與其離子成分也存在較大的差別，表明二者亦無明顯的水力聯(lián)系。

2.3 氫氧同位素特征分析

氫氧同位素的組成記錄了地下水起源和形成過程信息，常用來識別地下水成因、遷移路徑及其成分演化機(jī)制等(顧慰祖，2011；張磊等，2016)。氫氧同位素結(jié)果顯示(圖5d)，漁村井非常接近全球大氣降雨線和西南地區(qū)大氣降雨線，表明該井孔目前的水源補(bǔ)給基本為大氣降水；其次是民用井，也比較接近大氣降水線；而石河水庫、漁村大河以及星云湖作為出露在地表的大型水體，明顯偏離于大氣降水線右側(cè)，表現(xiàn)為正向漂移，根據(jù)相關(guān)研究，該現(xiàn)象很有可能與旱季時分地表水體的蒸發(fā)作用有關(guān)，其中星云湖與漁村大河位置非常接近，這可能表明二者的蒸發(fā)過程是比較類似的。

2.4 井水位變化與星云湖水面高程關(guān)系分析

對比2005—2016年星云湖水面高程和漁村井水位(圖6a，b)可見其趨勢變化形態(tài)存在的一定的一致性，但并不完全一致，尤其是2005—2006年，漁村井水位出現(xiàn)最低值，同一時段星云湖水面高程并未出現(xiàn)相應(yīng)的低值過程；2009—2012年，星云湖水面出現(xiàn)明顯的趨勢性下降，但漁村井水位趨勢下降過程并不顯著。對比星云湖水面高程與江川縣降雨量(圖6c)發(fā)現(xiàn)，二者的趨勢形態(tài)幾乎完全一致，表明星云湖水面高程主要與當(dāng)?shù)亟邓肯嚓P(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)記載，星云湖周圍有主要河流16條，均為季節(jié)河，河水主要靠雨水補(bǔ)給，這與實際觀測情況比較吻合。上述結(jié)果表明，漁村井水位與星云湖水面高程之間有一定聯(lián)系，但星云湖水面高程對漁村井水位的趨勢影響并不明顯，二者之間較為一致的變化形態(tài)很有可能是由于它們均與當(dāng)?shù)氐慕邓闆r密切相關(guān)。

圖6 漁村井水位(a)、星云湖水面高程(b)及江川年降雨量(c)時序圖

3 討論

漁村井水位自1996年開始觀測以來，資料連續(xù)穩(wěn)定，年動態(tài)清晰，至今已有20余年歷史資料，正常動態(tài)為雨季(5—9月)上升、旱季(當(dāng)年10月至次年4月)下降，原始水位觀測曲線與降雨量同軸曲線顯示，二者之間具有一定的相關(guān)性(圖7)，筆者利用Correl函數(shù)計算1990年以來其年變形態(tài)與年降雨量之間的線性相關(guān)系數(shù)為0.523。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果(白寶榮，付虹，2006；胡小靜等，2016)，對地下水位谷值變化逐年差值(簡稱谷-谷值差)與年降水量進(jìn)行線性回歸，可擬合出二者之間的關(guān)系為：Y=aX±b，其中Y為水位觀測的谷值差，X為年降水量。當(dāng)水位谷值差超出擬合理論線一定范圍時，認(rèn)為本年度水位變化與降水關(guān)系較小。

圖7 漁村井水位與降雨量時間序列圖

從圖8可見，1996—2016年，除2000年、2006年以及2013年以外，其余年份水位變化均與降水影響范圍相吻合，未出現(xiàn)明顯偏離降雨影響范圍的情況。另外追溯漁村井水位出現(xiàn)異常之后中強(qiáng)地震的情況發(fā)現(xiàn)，2000年出現(xiàn)異常之后，2001年7月15日，在江川發(fā)生了5.1級地震；2006年出現(xiàn)異常之后，2007年6月3日在距離漁村井約250 km處的寧洱發(fā)生了6.4級地震；2013年出現(xiàn)異常之后，在距離漁村井220 km處發(fā)生了景谷6.6級地震。結(jié)果表明，漁村井水位變化動態(tài)出現(xiàn)明顯偏離降雨影響范圍之后，次年該井附近可能有5級以上或其周邊300 km范圍內(nèi)有6級以上地震發(fā)生。當(dāng)水位與降水相關(guān)性減弱時，有可能是因為構(gòu)造活動增強(qiáng)所致，而構(gòu)造活動增強(qiáng)有利于地震的發(fā)生，另一方面也說明，漁村井水位具有反映構(gòu)造活動的能力。

圖8 年降雨量與漁村井水位谷-谷值差相關(guān)性示意圖

從目前該井觀測資料來看，整個變化幅度仍處在降水影響的正常范圍內(nèi)，雖然水化學(xué)特征分析結(jié)果顯示漁村井水體中存在有深部物質(zhì)作用的成分，但并不能以此判斷它與深部構(gòu)造活動有關(guān)。

4 結(jié)論

通過漁村井及其周邊水體的水化學(xué)特征分析，結(jié)合井下電視探視結(jié)果和觀測井水位變化與星云湖水面高程關(guān)系的分析，研究了漁村井的地下水循環(huán)狀態(tài)與補(bǔ)給來源，結(jié)合水位與降水的相關(guān)性分析討論了漁村井水位反映構(gòu)造活動的能力，得到如下認(rèn)識：

(1)井下電視探視結(jié)果表明漁村井在位于16.61～26.45 m處的含水層，常年有大量的水滲透與井水發(fā)生交換，其大量的氣泡初步判斷為水體與巖土作用產(chǎn)生的CO2所致。

(2)水化學(xué)分析結(jié)果表明，漁村井的水源補(bǔ)給主要是大氣降水，井下電視顯示16.63 m為水源補(bǔ)給主要處，存在大量滲入的水，主要是來自地表水，但目前漁村井水體中的水巖反應(yīng)過程以陽離子交替吸附作用為主，存在一定的深部水巖相互作用，且地下水循環(huán)深度較深，因此認(rèn)為目前漁村井所呈現(xiàn)的是雨水滲入與深部物質(zhì)反應(yīng)共同作用的結(jié)果。

(3)漁村井水位趨勢動態(tài)與其東側(cè)約1.5 km處的星云湖水面高程之間有一定的相關(guān)性，但水化學(xué)組分分析結(jié)果表明二者之間并不存在明顯的水力聯(lián)系或者補(bǔ)給關(guān)系，因此認(rèn)為這種相關(guān)性不是由于大氣降水的直接補(bǔ)給導(dǎo)致的。

(4)漁村井周邊其他水體都以典型的淺層水文循環(huán)特征為主，并且存在一定的旱季蒸發(fā)作用，其中，星云湖與漁村大河作為出露在地表的大型水體，不僅具有相同的物質(zhì)來源，而且其蒸發(fā)作用也比較類似，由于水化學(xué)成分及水巖作用過程與漁村井有顯著的不同，因此可以確認(rèn)它們不是漁村井的補(bǔ)給源。

本文在水化學(xué)分析過程中，得到了中國地震臺網(wǎng)中心周志華博士、晏銳博士，中國地震局地殼應(yīng)力研究所孫小龍博士的指導(dǎo)和幫助，在此表示衷心的感謝！