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給、徑流和排泄狀態(tài)密切相關。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)域的應力應變狀態(tài)和水動力環(huán)境等(丁風和等，2015；孫小龍等，2011；魏建民等，2017)，進行了有效的地震異常提取和干擾排除。有關研究表明，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、成因以及水巖反應程度等地球化學特征提供依據(jù)(Reddy，Nagabhu shanam，2011；杜建國，劉叢強，2003；Songetal，2006；張磊等，2014)。了解觀測井孔的地下水補給來源，對提高地震異常識別的準確性，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給關系。

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—建水斷裂等，該井地處小江斷裂南段西支的次級斷裂帶附近(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)分布的水體進行詳細調(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。樣品的水化學成分測試由云南省地震局昆明防震減災技術(shù)實驗基地趙慈平研究員所負責的地下流體實驗室測定，分析設備為883 Basic IC plus離子色譜儀；氫氧同位素測試由防災科技學院廖欣副教授負責的地震地下流體重點實驗室測定，測試設備為美國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 水化學特征分析

水化學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，主要是由于補給水體進入地下后，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，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+含量則遠低于周邊水體。根據(jù)離子之間的反應過程可知，當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(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-巖之間尚未達到離子平衡狀態(tài)，溶解作用仍在進行。

圖5 漁村井及其周邊水體水化學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組分隨時間的變化規(guī)律以及各水樣之間可能存在的關系(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給水體進入地下后，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，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?shù)亟邓肯嚓P。根據(jù)文獻記載，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?shù)氐慕邓闆r密切相關。

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系數(shù)為0.523。根據(jù)相關研究結(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)與年降水量進行線性回歸，可擬合出二者之間的關系為：Y=aX±b，其中Y為水位觀測的谷值差，X為年降水量。當水位谷值差超出擬合理論線一定范圍時，認為本年度水位變化與降水關系較小。

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。當水位與降水相關性減弱時，有可能是因為構(gòu)造活動增強所致，而構(gòu)造活動增強有利于地震的發(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。

4 結(jié)論

通過漁村井及其周邊水體的水化學特征分析，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系的分析，研究了漁村井的地下水循環(huán)狀態(tài)與補給來源，結(jié)合水位與降水的相關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)水化學分析結(jié)果表明，漁村井的水源補給主要是大氣降水，井下電視顯示16.63 m為水源補給主要處，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，因此認為目前漁村井所呈現(xiàn)的是雨水滲入與深部物質(zhì)反應共同作用的結(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性，但水化學組分分析結(jié)果表明二者之間并不存在明顯的水力聯(lián)系或者補給關系，因此認為這種相關性不是由于大氣降水的直接補給導致的。

(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，因此可以確認它們不是漁村井的補給源。

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