羅 娜，王 靜，宋 昭，趙志遠，解 真，高登平

（河北省地震局紅山基準臺，河北 邢臺 055350）

衡水冀16井水位異常變化調(diào)查與分析

羅 娜，王 靜，宋 昭，趙志遠，解 真，高登平

（河北省地震局紅山基準臺，河北 邢臺 055350）

衡水冀16井水位2014年10月27日突升之后并維持在高值變化，在高值變化的同時出現(xiàn)多次階升階降變化形態(tài)。此井井深為1700.41米，突升幅度為0.0588m，以前從未出現(xiàn)過上述情況，該異常變化是否是前兆異常？為了確定異常性質(zhì)，從供電系統(tǒng)、觀測儀器、對比觀測、環(huán)境干擾等方面進行調(diào)查和分析，最終排查出是泄流口排水池堵塞造成水位變化，不是地震前兆異常，對異常變化機理進行初步分析，為判斷水位異常變化積累了經(jīng)驗。

水位； 突升；階變；異常分析

0 引言

地下水是地殼中最活躍的組分之一，它廣泛分布于地殼巖體之中，當形成具有一定封閉條件的承壓系統(tǒng)時，其動態(tài)對地殼應力應變狀態(tài)變化就有著較為靈敏的響應，是地下流體學科最主要的觀測手段之一［1-2］。地下水位變化伴隨著地球內(nèi)部巖石的受力變形、破裂，地下水位動態(tài)不僅可以直接反映含水層受力狀態(tài)變化引起孔隙壓力的變化，還可以反映出含水層地下水徑流的速度與流量等滲流場的變化［3-4］。通過分析地下水位動態(tài)來揭示地震發(fā)生過程具有明確的理論依據(jù)，大量震例資料表明在很多大地震前水位出現(xiàn)了異常變化，例如：2008年汶川地震前4個月時間內(nèi)，瀘州13井水位上升變化了0.8m［5］；孫振璈等研究發(fā)現(xiàn)1998年張北6.2級地震前，延慶五里營井水位在上升趨勢異常的背景下，與1997年09月18日突然升高0.189m，之后又出現(xiàn)幅度達0.075m的方波脈沖異常［6］； 1999年3月11日張北MS5.6級地震前，馬17井水位上升型異常和階變型異常都很明顯［7］。因此地下水位觀測在地震監(jiān)測預報中起著非常重要的作用。

數(shù)字化水位觀測與模擬觀測相比，具有數(shù)據(jù)傳輸速度快，數(shù)據(jù)信息量極大等優(yōu)點，增加了水位高頻、短周期信息，為跟蹤地震短臨異常信息提供了有利條件［8］，但同時也更容易受到干擾。地下水動態(tài)變化包括宏觀動態(tài)和微觀動態(tài)，地下水動態(tài)的異常變化可能是區(qū)域構(gòu)造活動的作用結(jié)果［9-12］，也可能是受觀測系統(tǒng)、地下水開采、漏電、觀測環(huán)境變化等因素影響的結(jié)果［13-15］。因此有效識別水位異常形成原因，及時排除與識別各種干擾變化，并對異常性質(zhì)做出分析判斷，是地下流體資料應用的關(guān)鍵問題之一，對于震情跟蹤和預測具有現(xiàn)實和迫切意義。

衡水冀16井（簡稱衡水井）水位2014年10月27日出現(xiàn)突升之后并維持在高值變化，在高值變化同時出現(xiàn)多次階升階降變化，此井是動水位觀測深水井，可能有利于記錄含水層介質(zhì)應力應變狀態(tài)的迅速調(diào)整。衡水井之前從未出現(xiàn)過如此大幅度的變化，此次異常變化和1998年張北地震前延慶五里營井短臨異常形態(tài)相類似，但是變化幅度相對較??；和五里營井由于泄流管憋氣導致水位出現(xiàn)50cm尖峰狀波動形態(tài)特征也不同。該異常是否是前兆異常？為識別異常性質(zhì)，對衡水井觀測儀器、供電系統(tǒng)及觀測環(huán)境進行了調(diào)查與研究，最終找到了干擾源排除了異常，使衡水井水位恢復了正常觀測。

1 衡水冀16井觀測概況

衡水冀16井（以下簡稱衡水井）成井于1979年01月16日，是華北油田打下的勘探深井， 成井后一直自流，自流量25m3/h，1987年由石油部交地震部門使用，觀測井位于衡水市深洲大屯鄉(xiāng)陳家口村南，地勢自西南向東北緩慢傾斜，海拔高度12～30m。井口標高5m，高溫自流，水溫79.5℃，PH值6.4，總礦化度為44.8g/L，氣體總量較大，水型屬氯化物重碳酸鈉型水。井口終孔深度1700.41m，觀測段為1500.44m至1700.41m，采水層位于下第三系孔店組的角礫巖破碎帶中，上面多為泥巖，封閉良好，基底為震旦亞界碳酸巖系，上第三系1339.5m，第四系329m（圖1）。該井屬巖溶裂隙承壓水，不受大氣降雨、地表水直接滲入補給，構(gòu)造部位位于華北平原沉降帶冀中新河凸起高點上，屬邢臺—河間地震帶（圖2），水位觀測使用的儀器是北京中科光大自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ZKGD3000-N型水位儀，采用輔助測管校測水位。由于觀測井水溫高和氣體含量較大，為了降低溫度和濾波作用，井口管路系統(tǒng)由主井管和三個副井管構(gòu)成，副井管和主井管之間用金屬連接管連接，水位傳感器安放在第三副井管，泄流管在第一副井管上（圖4）。供電系統(tǒng)采用太陽能直流供電，無市電接入，太陽能電池板安裝于觀測室屋頂，觀測室機柜內(nèi)放有12V蓄電池，給水位儀、3G無線路由分別供電。

圖1 衡水井孔結(jié)構(gòu)柱狀示意圖Fig.1 Schematic diagram of hole columnar structure for Heng Shui Ji No.16 Well

圖2 衡水井地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.2 Geological structure graph of Hengshui Ji No.16 Well

圖3 衡水井水位異常曲線圖Fig.3 Abnormal change curve of dynamic water-level of Heng Shui Ji No.16 Well

2 異常情況概述

衡水井水位2014年10月27日04時31分至38分水位由0.1630m上升至0.2218m，上升幅度為0.0588m，水位突升之后并維持在高值變化，在高值變化的同時出現(xiàn)多次階升階降變化形態(tài)，每日出現(xiàn)臺階的變幅不完全相同，大致在0.006～0.009m范圍內(nèi)變動，且出現(xiàn)臺階的時間段也無一定的規(guī)律性，此井自觀測以來從未出現(xiàn)過上述情況，從圖3可以清楚的看出衡水井水位分鐘值曲線的異常特征如上所述。

3 異常調(diào)查分析

3.1 供電系統(tǒng)、觀測系統(tǒng)及儀器檢查

根據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范（地下流體觀測）》（中國地震局，2001）的要求，對衡水井水位觀測儀器及裝置系統(tǒng)進行檢查。對觀測人員進行詢問，沒有陌生人進入觀測室內(nèi)，無老鼠等小動物出現(xiàn)（往年曾經(jīng)出現(xiàn)老鼠把儀器和供電線路損壞情況）；對線路的連接情況及儀器的供電系統(tǒng)進行檢查，發(fā)現(xiàn)線路連接正常，沒有破損、漏電及虛接情況，供電電瓶正常，電壓值在可用范圍內(nèi)，所以基本可以排除水位異常是漏電引起的。

對井口管路系統(tǒng)進行了檢查，主井管、三個副井管、主井管與副井管之間的金屬連通管連通正常。為了進一步確定校測管道的連通性，向校測管內(nèi)注入約30ml的水量，觀察校測管內(nèi)水位緩慢下降至0.2190m左右后，水位變化趨于穩(wěn)定，證明校測管至泄流管路之間管路通暢、連通性較好。

3.2 儀器對比觀測實驗

水位每個季度校測一次，前三個季度校測的相對誤差均小于5%，標定結(jié)果為合格，表明水位傳感器工作正常，水位儀記錄到的數(shù)據(jù)真實、可靠。為了進一步確定數(shù)據(jù)的可靠性，2014年10月30日安裝一套備用ZKGD3000-N儀器與原有觀測儀器進行比測，兩套儀器同時觀測的時間為備用儀器生產(chǎn)廠家也為北京中科光大，兩套儀器安裝在同一井管進行觀測，備用儀器供電方式采用市電供電（圖4）。查看10月30日-11月01日時間段的分鐘值數(shù)據(jù)曲線（圖5），發(fā)現(xiàn)兩套儀器的觀測數(shù)據(jù)形態(tài)高度一致，計算兩套儀器的相關(guān)系數(shù)為0.998，比測結(jié)果表明原觀測儀器運行正常，記錄的水位變化為儀器真實記錄值，排除儀器故障導致數(shù)據(jù)變化的可能。

圖4 備用儀器安裝示意圖Fig.4 Reserve instruments installation schematic diagram

表1 供電電瓶電壓值表

圖5 比測期間分鐘值觀測曲線Fig.5 Minute value observation curve during comparing measurement

3.3 環(huán)境干擾情況調(diào)查

對衡水井周邊一定范圍內(nèi)的用水設(shè)施進行了專門的走訪、調(diào)查，發(fā)現(xiàn)周邊無大型項目作業(yè)和深井抽水活動，也沒有新開挖1000米以上的深井存在。衡水井周圍主要環(huán)境干擾情況為養(yǎng)魚場、屠宰場、洗浴池等因素影響。

養(yǎng)魚場位于觀測臺站四周墻外，主要養(yǎng)殖項目為羅非魚，養(yǎng)殖魚塘為冷熱水混合蓄水方式，所需熱水取自泄流口排水池流出的熱水，冷水所需為養(yǎng)殖場院內(nèi)兩口淺水井。經(jīng)過核實，這兩口冷水井深度約為150米，破裂的塑料輸水管道流出的大量泥沙也可證明所開采的水源為淺層水，而衡水井為1700米深的熱水井，觀測層位于1500.44～1700.41m，與養(yǎng)魚場的冷水井處于不同的觀測層。該養(yǎng)魚場存在已有很長時間，一直未對觀測數(shù)據(jù)有明顯的影響，據(jù)養(yǎng)魚場工作人員介紹，該段時期，養(yǎng)魚場用水與去年同期相比，沒有明顯變化，所以認為此次異常變化與養(yǎng)魚場關(guān)系不大。

位于觀測室北側(cè)的屠宰場、洗浴池同屬于陳家口村一老板，用水場所與觀測井距離僅為幾米，在泄流口排水池內(nèi)放置4根管道連接到屠宰場宰殺池和洗浴場所中。通過詳細詢問看井人員通過詳細調(diào)查得知，屠宰時間現(xiàn)在主要集中于凌晨03時至06時之間，而且由于天氣轉(zhuǎn)涼，近期用熱水量比前期有所增加，屠宰時間和10月27日水位突升時間段相吻合。為了確定干擾源是否為泄流口排水池，在2014年11月01日12時54分將排水池排水口處的磚頭移開，排水量增大，約3分鐘后水位下降至0.1699m后趨于平穩(wěn)（圖6），恢復正常變化形態(tài)，由此驗證了衡水井水位異常是排水池被堵引起的。

圖6 衡水井11月01日分鐘值動態(tài)曲線Fig.6 Minute value dynamic curve on Nov.1 of Heng Shui Ji No.16 Well

由于衡水井是無人值守臺站，不能實時監(jiān)管屠宰場人員私自行為，為了減少觀測環(huán)境因素對該井孔的影響，對泄流管進行了管路改造。將出露于臺站觀測室外的筆直泄流管部分改為彎管管路，彎管與原有管路之間通過管箍進行密封連接，改造后的泄流管路出水口高度高于排水池，即使以后排水池泄流口被堵塞，也不會對泄流管排水量產(chǎn)生影響。

4 異常機理初析

衡水井排水池泄流口被堵后，隨著水面上升，泄流管逐漸淹沒在排水池水面下，排水口水面壓力逐漸增大，排水流量減少導致水位出現(xiàn)上升現(xiàn)象。由于觀測井含有大量氣體，一些小氣泡會附著在管壁上，大量小氣泡凝聚并形成大氣泡在管壁聚集，擠占了管道的部分空間，相當于泄流口管徑變細，導致水位突升并維持在高水位變化；另一方面由于泄流不穩(wěn)定，水流沖擊力變大時，排水口和排水池水面接觸處氣泡破裂形成負壓，另一部分會流出管道（實際觀察時也發(fā)現(xiàn)有氣泡從泄流口排出），破裂氣泡所占空間被井水填補后，水流量就會變大，造成水位小幅下降；水位下降后，由于排水口面壓力大的原因，一些氣泡又會在管壁聚集，一個新的周期形成，造成數(shù)據(jù)反復出現(xiàn)臺階，因此才造成了水位在高值變化的同時出現(xiàn)多次階變形態(tài)。

5 結(jié)論

本次異常核實工作確認線路連接正常，沒有破損、漏電及虛接情況，供電電瓶正常，電壓值在可用范圍內(nèi)，觀測系統(tǒng)工作狀態(tài)正常；通過對比觀測，兩套儀器的觀測數(shù)據(jù)形態(tài)較一致，相關(guān)系數(shù)很高，證明觀測儀器工作正常、觀測數(shù)據(jù)真實可信；現(xiàn)場調(diào)查周圍觀測環(huán)境：屠宰場、養(yǎng)魚場、洗浴池等，發(fā)現(xiàn)是由于工人把排水池排水口堵住造成了此次異常變化，排水通暢后，水位恢復正常動態(tài)。綜合分析認為：此次衡水井水位異常變化與地震孕育、區(qū)域構(gòu)造活動無關(guān)，不是地震前兆異常。

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THE INVESTIGATION AND ANALYSIS ON ABNORMAL CHANGE OF DYNAMIC WATER-LEVEL OF HEGNG SHUI JI NO.16 WELL OBSERVATION STATION

LUO Na， WANG Jing， SONG Zhao， ZHAO Zhi-yuan， XIE Zhen， GAO Deng-ping
（Hongshan Benchmark Seismic Station， Hebei Xingtai 055350， China）

On October 27， 2014 dynamic water-level of Heng Shui Ji No.16 Well rose suddenly and maintained high value change with step lift and drop. The depth of Heng Shui Ji No.16 Well is 1700.41 meters and its surging range is 0.0588 meters. Ever before this well never happened the above change. Is this abnormal change considered as the earthquake precursor anomaly？ In order to determine the properties of this abnormal change， this article investigates and analyzes the abnormal change from such aspects as power supply system， observation instrument， comparative observation and environmental disturbance. We find finally that leak flow entrance drainage pool was closed which directly resulted in the abnormal change， and this abnormal change is not connected with the earthquake precursor anomaly. Anomaly variation mechanism is analyzed， and it also accumulates experience for the judgment on abnormal change of dynamic water-level.

water-level； rose suddenly；order variable； abnormal change analysis

P315.72

A DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.03.005

1674-8565（2016）03-0025-05

河北省地震局星火計劃項目（DZ20150422048）資助

2016-05-06

2016-06-28

羅娜（1981-），女，河北省保定市人，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事流體學和地震預測研究工作。E-mail: luona0104@163.com