葛建宏

摘要： 井水位受到多種因素影響，最初學(xué)者們研究井水位、固體潮和氣壓之間的關(guān)系，但是分析兩種綜合作用井水位的研究較少。本研究通過(guò)理論分析基于水—巖耦合理論得出井水位和固體潮—?dú)鈮壕C合作用之間的模型變化，得出井水位受固體潮、氣壓?jiǎn)雾?xiàng)因素的影響不大，和兩項(xiàng)因素綜合作用關(guān)系密切。

關(guān)鍵詞： 井水位;固體潮;氣壓

【中圖分類號(hào)】P315.723 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1674-3733（2020）16-0205-01

1井水位氣壓效應(yīng)的研究

大氣壓強(qiáng)的變化是造成深井水位變化的主要因素之一。地下水位的變化受到氣壓動(dòng)態(tài)的影響，稱為地下水位氣壓效應(yīng)。而井水位是地下水位的直觀反應(yīng)，氣壓變化瞬時(shí)作用于井水位，使得井水位與周?chē)畬拥乃^出現(xiàn)差異，這一現(xiàn)象亦叫做井水位的氣壓效應(yīng)。關(guān)于井水位氣壓效應(yīng)的研究，國(guó)外國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同地區(qū)的水位和氣壓觀測(cè)資料對(duì)水位的氣壓效應(yīng)進(jìn)行了研究，分別給出了水位觀測(cè)數(shù)據(jù)氣壓效應(yīng)的基本特征及其影響機(jī)理。

在1663年BlaisePascal發(fā)現(xiàn)露天的井水位和氣壓之間存在關(guān)系，Jacob（1940）首次提出了氣壓效應(yīng)，并用一個(gè)線性表達(dá)式把氣壓變化和井水位改變的關(guān)系表示出來(lái)，即井水位隨氣壓變化的程度大小[1]。在1985年蘇聯(lián)水文地質(zhì)學(xué)家朗格也提出，除了涌水量之外氣壓也是影響井水位的因素之一，自此人們開(kāi)始關(guān)注井水位的氣壓效應(yīng)。

我國(guó)學(xué)者張昭棟利用地下流體動(dòng)力學(xué)和彈性理論得出含水層水頭隨其氣壓變化的方程，但是沒(méi)有考慮到水層和井空間水來(lái)回滲漏的情況，因此沒(méi)有得出水位和氣壓之間的滯后關(guān)系研究。之后，他將含水層和井之間的滲流關(guān)系考慮在內(nèi)，導(dǎo)出氣壓變化對(duì)承壓含水層的地下水位影響微分方程，并討論了方程的解，從而得出類似于Jacob推導(dǎo)出的氣壓效率表達(dá)式，并提出了氣壓效率與氣壓系數(shù)的區(qū)別。宋金穎在2012年研究井孔儲(chǔ)存和氣壓波動(dòng)導(dǎo)致的井水位波動(dòng)和滯后關(guān)系，得出了承壓含水層井孔水位波動(dòng)和氣壓波動(dòng)之間的公式。

目前對(duì)于井水位氣壓效應(yīng)的研究主要集中在承壓含水層，對(duì)于潛水含水層研究較少。根據(jù)前人研究成果，水位與氣壓呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的特征，水位滯后于氣壓。

2井水位和固體潮關(guān)系研究

Bredehoeft J D（1967）研究了各種要素對(duì)井水位變化的影響，并建立了地下水位與固體潮的函數(shù)關(guān)系，成為研究地下水對(duì)氣壓效應(yīng)及固體潮的理論基石;

我國(guó)學(xué)者車(chē)以太等人在1989年研究井水位和潮汐之間的變化，他們得出潮差是引潮力作用下引起的周期性變化，因?yàn)閺椥宰冃纬霈F(xiàn)的壓縮和膨脹引起巖石裂縫周期性的升降和張閉[7]。黃躍進(jìn)、許書(shū)元等人分析永安冷凍廠的深井水位觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算潮汐因子，并對(duì)固體潮的觀測(cè)精度進(jìn)行計(jì)算[8]。張昭棟、陳學(xué)忠等人以豫01井為例計(jì)算固體潮和加卸載相應(yīng)和井水位對(duì)固體潮應(yīng)變的相應(yīng)率，發(fā)現(xiàn)在發(fā)生地震時(shí)相應(yīng)和相應(yīng)率會(huì)發(fā)生變化，他們使用兩種方法計(jì)算固體潮和加卸載相應(yīng)比。史浙明和王廣才對(duì)不同深度承壓井的潮汐進(jìn)行對(duì)比分析，來(lái)探索微動(dòng)態(tài)與地震的關(guān)系;劉陽(yáng)等通過(guò)對(duì)潮汐效應(yīng)的分析，解釋了潮汐效應(yīng)機(jī)理，并得出了潮汐效應(yīng)沒(méi)有滯后性。

3井水位對(duì)固體潮—?dú)鈮旱木C合作用的響應(yīng)

固體潮和氣壓是連續(xù)作用與井水系統(tǒng)的兩個(gè)重要的非構(gòu)造應(yīng)力，因?yàn)楣腆w潮和氣壓兩者周期性和頻率相近，所以兩種力在大小、方向和變化幅度上經(jīng)常有規(guī)律的周期性變化，這兩種力回在巖石發(fā)生彈性形變時(shí)呈現(xiàn)可變化、高頻率的變化。國(guó)外學(xué)者HsiehP A、Bredehoeft、WeeksEP等人，國(guó)內(nèi)學(xué)者張昭棟、鄭金涵等人研究了固體潮和氣壓對(duì)井水位的影響，但是這些學(xué)者們多從固體潮或者氣壓的單一角度分析。通過(guò)查閱近年來(lái)的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)井水位會(huì)受到固體潮和氣壓的雙重影響，所以需要將這兩種作為綜合性因素進(jìn)行分析。

固體潮的構(gòu)造力與降雨、冰雪荷載不同，這種構(gòu)造力不會(huì)因時(shí)間變化衰弱，因此固體潮屬于地殼彈性變化，是日月引潮力作用地球?qū)е碌?。除此之外引潮力和含水層巖石發(fā)生彈性形變時(shí)和會(huì)導(dǎo)致空隙水壓發(fā)生變化，出現(xiàn)井水位潮汐現(xiàn)象。氣壓屬于面荷載，在同一水平面上氣壓的荷載分布相對(duì)均勻，通常情況會(huì)在幾十甚至幾百公里范圍內(nèi)保持一致。

如果井水周?chē)暮畬邮蔷|(zhì)的多彈性介質(zhì)，當(dāng)含水層或含水層上層覆蓋的介質(zhì)發(fā)生彈性變化時(shí)氣壓和固體潮會(huì)對(duì)井水發(fā)生線性疊加的作用。通過(guò)研究案例發(fā)展，此時(shí)兩個(gè)水平方向的引潮力對(duì)井水位的作用力較少，井水位的變化△h和吹響引潮力的可用△h=Btz△gz來(lái)表示。在這個(gè)公式中△g表示垂直方向引潮力的變化數(shù)值，Btz表示井水位對(duì)垂直方向引潮力的影響系數(shù)，此時(shí)的變化屬于以為變化，這個(gè)公式表示了井水位和引潮力相應(yīng)的物理關(guān)系。因?yàn)闅鈮汉凸腆w潮兩者對(duì)井壁會(huì)產(chǎn)生共同作用，即在氣壓增量之后△P和垂直方向的引潮力△gz會(huì)相互作用，使得井水層之間出現(xiàn)壓力差，在這種壓力差的作用下井含水層會(huì)發(fā)生水量交換，使得井壁內(nèi)外的水壓相對(duì)平衡。

在（△P+h）|rw-=（a△P+Btz△gz）|rw+這個(gè)公式中井壁內(nèi)部會(huì)受到氣壓的影響使得井水的△P出現(xiàn)水量變化;井壁外部會(huì)受到氣壓的直接作用讓井水面的含水層空壓出現(xiàn)改變，即a△P和垂直引潮力兩者會(huì)相互作用，導(dǎo)致含水層空壓變化，即Btz△gz發(fā)生改變，總結(jié)公式可得到△hd=Bp△P-Btz△gz。

結(jié)語(yǔ)

影響井水位的因素很多，氣壓和固體潮只是其中兩個(gè)因素。通過(guò)對(duì)學(xué)者們的研究發(fā)現(xiàn)，研究成果從最初的氣壓、固體潮影響到現(xiàn)在氣壓、固體潮綜合研究，在今后研究中學(xué)者們還會(huì)考慮到更多影響因素，得出更全面的分析。

參考文獻(xiàn)

[1]Jacob. C. E.， On the flow of water in an elastic artesian aquifer. 1940，21（2）： 574- 586.

[2]張昭棟，段會(huì)川，王昌文等. 1991.一種計(jì)算井水位氣壓效率、固體潮系數(shù)和海潮系數(shù)的新方法[J].地震.06：48-53.

[3]張昭棟，鄭金涵，馮初剛. 1989.井水位的固體潮效應(yīng)和氣壓效應(yīng)與含水層參數(shù)間的定量關(guān)系[J].西北地震學(xué)報(bào).11（3）：47-52.

[4]張昭棟，鄭金涵，馮初剛.1986.氣壓對(duì)水井水位觀測(cè)的影響[J].地震.1：42-46.

[5]宋金穎. 周期性海潮和氣壓波動(dòng)引起的地下水流和氣流的解析研究[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2012.