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昌邑02井水位、水温动态变化影响因素

林眉 卢忠斌

林眉,卢忠斌. 昌邑02井水位、水温动态变化影响因素[J]. 华北地震科学,2020, 38(S1):126-131. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S1.027
引用本文: 林眉,卢忠斌. 昌邑02井水位、水温动态变化影响因素[J]. 华北地震科学,2020, 38(S1):126-131. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S1.027
LIN Mei,LU Zhongbin. Influential Factors of Changyi 02 Well Water Level and Water Temperature Dynamic Change[J]. North China Earthquake Sciences,2020, 38(S1):126-131. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S1.027
Citation: LIN Mei,LU Zhongbin. Influential Factors of Changyi 02 Well Water Level and Water Temperature Dynamic Change[J]. North China Earthquake Sciences,2020, 38(S1):126-131. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S1.027

昌邑02井水位、水温动态变化影响因素

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2020.S1.027
详细信息
    作者简介:

    林眉(1981—),女,山东东平人,工程师,从事山东省监测预警中心地球物理台网监测. E-mail:88520389@qq.com

  • 中图分类号: P315.723

Influential Factors of Changyi 02 Well Water Level and Water Temperature Dynamic Change

  • 摘要: 基于昌邑02井观测、水温加密试验等数据以及区域地下水开采、降雨等资料,探讨了该井水位和水温动态变化影响因素;同时,利用最小二乘法拟合水温数据动态变化发现:拟合后的水温动态曲线在形态、幅度与相位上与水位动态变化均呈现出相关性,昌邑02井具有潮汐效应特征,并且与该井水位的潮汐动态同步;探讨02井水温潮汐变化机理,以及水温水位之间的水力联系。
  • 图  1  昌邑井井孔柱状图

    图  2  昌邑地质构造图

    图  3  2009—2014年昌邑井水位、水温时值原始日均值图

    图  4  2017年9月至2020年3月昌邑井观测日均值与降雨量图

    图  5  昌邑02井水温试验数据随深度动态变化

    图  6  2019年4月13—24日昌邑水温、水位、固体潮动态变化对比图

    表  1  昌邑02井2009—2014年水位与地下水开采量[6]

    年份开采量/ m3地下水位平均埋深/m
    200951 791.31.767
    201055 117.31.867
    201158 496.02.062
    201261 819.02.227
    201365 019.32.522
    201468 119.33.010
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    表  2  昌邑02井水温试验各深度变化特征值

    深度 / m温度 / ℃一阶差分变化幅度最大日变差均方差深度差分/m梯度
    2514.643 2−0.031 150−1.322 50.017 70.096 4090
    4514.367 0−0.007 500−0.236 60.041 10.048 54120−0.037 500
    6514.974 10.020 2930.600 2−0.007 90.154 033200.101 467
    8515.304 00.010 9700.285 4−0.043 00.068 536200.054 850
    10515.601 10.010 2340.278 1−0.018 30.068 391200.051 172
    12516.000 40.000 4400.387 8−0.043 50.018 562200.002 201
    14516.404 90.012 2520.403 0−0.001 10.108 637200.061 258
    16516.812 00.013 3800.401 20.000 50.103 023200.066 900
    18517.207 00.013 6580.778 3−0.027 30.103 023200.068 288
    20517.618 10.014 6160.383 8−0.001 00.113 627200.073 081
    22518.067 50.012 7650.326 9−0.002 50.097 126200.063 823
    24518.465 80.017 2720.522 6−0.083 30.102 230200.086 362
    26518.968 20.017 7280.377 5−0.021 20.121 254200.088 638
    28519.481 60.012 9520.257 7−0.082 60.081 541200.064 758
    30519.882 00.013 2060.368 7−0.054 30.088 804200.066 031
    32520.306 60.018 3430.491 3−0.015 40.119 683200.091 714
    34520.812 70.019 2630.441 5−0.006 30.110 261200.096 315
    36521.339 30.001 4000.100 5−0.006 00.016 947200.007 000
    36921.446 30.001 5830.077 4−0.009 60.014 14440.039 569
    37321.533 40.001 2380.075 5−0.004 70.014 72640.030 943
    37721.613 50.001 3840.069 80.000 90.016 50640.034 590
    38121.697 90.001 2640.061 9−0.013 10.012 62740.031 610
    38521.773 00.001 3150.078 7−0.001 00.015 72040.032 869
    38921.852 30.001 3940.072 9−0.014 70.013 69640.034 844
    39321.940 70.001 9640.089 1−0.020 40.017 14040.049 107
    39722.051 50.001 7570.098 7−0.003 10.017 89140.043 934
    40122.153 60.000 1610.016 6−0.005 20.006 39440.004 018
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-13
  • 网络出版日期:  2021-11-10
  • 刊出日期:  2020-11-20

昌邑02井水位、水温动态变化影响因素

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2020.S1.027
    作者简介:

    林眉(1981—),女,山东东平人,工程师,从事山东省监测预警中心地球物理台网监测. E-mail:88520389@qq.com

  • 中图分类号: P315.723

摘要: 基于昌邑02井观测、水温加密试验等数据以及区域地下水开采、降雨等资料,探讨了该井水位和水温动态变化影响因素;同时,利用最小二乘法拟合水温数据动态变化发现:拟合后的水温动态曲线在形态、幅度与相位上与水位动态变化均呈现出相关性,昌邑02井具有潮汐效应特征,并且与该井水位的潮汐动态同步;探讨02井水温潮汐变化机理,以及水温水位之间的水力联系。

English Abstract

林眉,卢忠斌. 昌邑02井水位、水温动态变化影响因素[J]. 华北地震科学,2020, 38(S1):126-131. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S1.027
引用本文: 林眉,卢忠斌. 昌邑02井水位、水温动态变化影响因素[J]. 华北地震科学,2020, 38(S1):126-131. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S1.027
LIN Mei,LU Zhongbin. Influential Factors of Changyi 02 Well Water Level and Water Temperature Dynamic Change[J]. North China Earthquake Sciences,2020, 38(S1):126-131. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S1.027
Citation: LIN Mei,LU Zhongbin. Influential Factors of Changyi 02 Well Water Level and Water Temperature Dynamic Change[J]. North China Earthquake Sciences,2020, 38(S1):126-131. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.S1.027
    • 国内地震地下流体观测实践中,同井水温和水位的对比观测已有30多年历史。分析二者之间的影响关系,对认识井水位、水温的动态及其机理[1-2]、了解应力加载作用引起的地下介质变化[3],甚至捕捉地震前兆异常等[4]都具有重要的意义。根据前人研究,目前冷水下渗说、热弥散说是解释同井观测水位、水温同步动态变化的主要机理;水位、水温影响因素主要有:仪器观测系统的稳定性、观测环境的干扰(抽水和注水等)以及气象三要素(气温、气压、降雨)的影响,都会造成水位和水温反映构造应力的伪变化[5]

      根据中国台网中心震台网函2016(258)号文件要求,为了进一步提高井水温观测网运行质量与监测效能,规范井水温观测的技术关键环节,重新对观测效能较高的昌邑鲁02井进行水温加密梯度测量。2017年4月23日开展昌邑02井加强密度观测水温梯度测试验,同年8月进行了水位、水温仪器的更换;2018年8月上旬至9月上旬,该井水位和水温出现准同步的快速下降后,很快回升,接着又持续下降持续时间较长,该同步变化是观测环境造成,还是与井孔结构有关,目前尚不能确定。为了进一步判定其动态变化影响因素和性质,本文收集整理了2017年昌邑02井加强密度观测水温梯度测试验及区域水文地质条件、井孔基础资料、区域地下水开采和降雨等资料,分析了该井水位和水温动态变化的影响,从水位和水温同步动态变化机理上进行了讨论。

    • 昌邑02井周边地势自南而北由高到低呈阶梯状,形成山丘、平原、滨海3个地貌单元[6]。该井位于山东潍河西岸,向北18 km临莱州湾,处于昌邑-大店断裂带西侧,海拔7.6 m;地下水富集形成构造单元,主要包括松散的岩石孔隙水和基岩裂隙水;昌邑区域地下水主要补给来源包括河流入渗补给、大气降水渗水、越流补给、侧向径流地下水补给以及地表灌溉的回渗补给(图12),排泄的方式主要是抽水,包括城市供水量、工业用水量、蒸发的地下水量、及农业用水开采地下水量等[6]

      图  1  昌邑井井孔柱状图

      图  2  昌邑地质构造图

    • 昌邑井原属胜利油田钻探报废井,1978年在征得油管系统同意后,被山东省地震局改用为宏观观测井,编号为鲁02号。为防止杂物落入井孔,1978年5—8月对井孔进行改造,由井口焊接直径140 mm钢管,高出地面8 m,1984年9月进行SW-40型地下水观测。成井深度1 383.5 m,套管深1 171.90 m。1998年数字化改造,分别安装LN-3数字水位仪观测水位、SZW-1A型数字式温度计观测水温(水温探头置于井下400 m左右),2017年更换为地壳所DRSW-2水位水温观测仪。由于井水位持续下降,水位探头下放到9 m左右,水温探头置于井下350 m左右,采样率均为分钟值。2017年之前观测含水层400 m以下的全井段为第三系砂岩孔隙水(图1)。

    • 2009年以来,该井水位至今仍保持趋势下降变化(图3a),通过井水位与地下水开采量动态对比统计结果(表1)看,地下水超采区地下水位平均埋深呈逐年增大的趋势,水位多年动态变化(趋势下降)受地下水开采有关[6]。该井水温在2009—2014年间一直趋势上升,平均水温22.54 ℃,属于上升漂移型动态(图3b)。根据前人研究[7],对于水温多年上升漂移型动态的成因一般有3种:①大地热流值的微弱改变在水温上的反映;②由于围岩在缓慢线性增加的应力场作用下,导致孔隙水上升引起观测点处温度的变化;③仪器“零漂” 引起的变化。结合全省观测井水温趋势变化(观测仪器系统事件)以及通过对该井水位和水温的动态变化曲线对比,认为第3种情况的可能性较大,即水温仪器“零漂”;同井观测水位、水温长趋势动态变化是水位趋势下降、水温趋势上升。

      图  3  2009—2014年昌邑井水位、水温时值原始日均值图

      表 1  昌邑02井2009—2014年水位与地下水开采量[6]

      年份开采量/ m3地下水位平均埋深/m
      200951 791.31.767
      201055 117.31.867
      201158 496.02.062
      201261 819.02.227
      201365 019.32.522
      201468 119.33.010
    • 将昌邑水位整点值和水温日均值曲线,同时结合区域降雨量进行分析发现(图4),水位、水温季节性变化明显,在强降雨(夏季)时存在水位同步上升接着下降的突变形态;水位整体趋势向下、水温整体趋势向上,水温平均温度21.74 ℃。2017年更换新仪器后,水位水温趋势并没有改变,说明水位主要受地下水开采影响,水温长期向上不仅仅与仪器零点漂移相关。昌邑井周围观测环境周边有大片农田和村庄,农业和生活抽水多在150 m左右,可能会对观测井有一定的同层抽水干扰。水位在夏季降雨补给不明显(季节性小幅度上升),但水位年数据动态呈明显下降变化(图4)。当浅层冷水被开采,下层热水流入井筒内的比例就会增加,水温出现上升变化,可以用冷热水混合机理解释[8]

      图  4  2017年9月至2020年3月昌邑井观测日均值与降雨量图

      2018年1月30日和3月30日水位下放探头造成水温突降,2019年3月30日、6月30日、9月30日、12月30日水位校测造成水温突降,12月6日氡背景值取水样造成水温干扰。对于2018年8月10日和9月20日水位下降、同步水温下降动态变化,经台站巡检未发现周围环境或现仪器异常。根据冷热水交换机理,水温迅速下降有2种可能:大量冷水下渗或深层抽水。由图4a4b可见水温、水位同步下降台阶,昌邑井周围有油田勘探钻井较多,怀疑是周围油田勘探深层抽水有关。

    • 根据中国台网中心震台网函2016(258)号文件要求,为了进一步提高井水温观测网运行质量与监测效能,规范井水温观测的技术关键环节,重新对观测效能较高的昌邑鲁02井进行水温加密梯度测量。2017年4月利用SZW-1A型数字式温度计进行昌邑井加密温度梯度试验,不同层位水温的测量方式是:井深365 m内,每20 m —个测点,共17个测点;365~401 m每4 m一个测点,共10个测点,同时对365~401 m深度位置按需要加密观测。每个测点持续观测30 min以上,对于365~401 m深度测点观测2 h以上。根据观测试验结果计算测点深度变化特征值见表2。昌邑试验分27层进行的测试根据水温分层试验测量分钟数据分析,绘制了昌邑水温梯度图、均方差图、以及幅度图(图5)。

      表 2  昌邑02井水温试验各深度变化特征值

      深度 / m温度 / ℃一阶差分变化幅度最大日变差均方差深度差分/m梯度
      2514.643 2−0.031 150−1.322 50.017 70.096 4090
      4514.367 0−0.007 500−0.236 60.041 10.048 54120−0.037 500
      6514.974 10.020 2930.600 2−0.007 90.154 033200.101 467
      8515.304 00.010 9700.285 4−0.043 00.068 536200.054 850
      10515.601 10.010 2340.278 1−0.018 30.068 391200.051 172
      12516.000 40.000 4400.387 8−0.043 50.018 562200.002 201
      14516.404 90.012 2520.403 0−0.001 10.108 637200.061 258
      16516.812 00.013 3800.401 20.000 50.103 023200.066 900
      18517.207 00.013 6580.778 3−0.027 30.103 023200.068 288
      20517.618 10.014 6160.383 8−0.001 00.113 627200.073 081
      22518.067 50.012 7650.326 9−0.002 50.097 126200.063 823
      24518.465 80.017 2720.522 6−0.083 30.102 230200.086 362
      26518.968 20.017 7280.377 5−0.021 20.121 254200.088 638
      28519.481 60.012 9520.257 7−0.082 60.081 541200.064 758
      30519.882 00.013 2060.368 7−0.054 30.088 804200.066 031
      32520.306 60.018 3430.491 3−0.015 40.119 683200.091 714
      34520.812 70.019 2630.441 5−0.006 30.110 261200.096 315
      36521.339 30.001 4000.100 5−0.006 00.016 947200.007 000
      36921.446 30.001 5830.077 4−0.009 60.014 14440.039 569
      37321.533 40.001 2380.075 5−0.004 70.014 72640.030 943
      37721.613 50.001 3840.069 80.000 90.016 50640.034 590
      38121.697 90.001 2640.061 9−0.013 10.012 62740.031 610
      38521.773 00.001 3150.078 7−0.001 00.015 72040.032 869
      38921.852 30.001 3940.072 9−0.014 70.013 69640.034 844
      39321.940 70.001 9640.089 1−0.020 40.017 14040.049 107
      39722.051 50.001 7570.098 7−0.003 10.017 89140.043 934
      40122.153 60.000 1610.016 6−0.005 20.006 39440.004 018

      图  5  昌邑02井水温试验数据随深度动态变化

      昌邑井下50 m深度段左右,水温由负梯度变为正梯度(图5d),推测井管可能长年受井水腐蚀,封闭性变差,该深度段内可能有潜水混入井孔所致[9];昌邑井水温日变幅从320 m深度向下总体上有逐步减小的变化特征,362 m深度及以下又逐步减小。在369~385 m深度间均在0.07 ℃ 及以内,变化较稳定。该井孔潜水段处变化幅度较大,体现了含水层潜水段冷热交换作用较强烈的特点。参考值日变差主要体现水温的稳定性(图5表2),在365~401 m深度范围内,昌邑井水温日变差均小于0.009 ℃较为稳定。结合均方差图5c计算结果分析,在深度369~401 m,均方差均小于0.018 ℃,观测数据的离散程度最小、稳定性最好。由图5d看出,昌邑井水温从上至下梯度变化大致可分为3段:第1段是150 m以上;第2段是150~350 m;第3段则是350 m以下。第1段: 水温梯度变化幅度较大,其温度明显偏低,而其日变幅、日变差和均方差则明显突出偏大;第2段是150~350 m,变化明显比第1段趋于稳定,水温梯度变化具有线性化特征;第3段:350~400 m,水温梯度显示了与上面两层段完全不同的变化特征,随深度增加温度升高较快,水温梯度以及变化幅度、均方差变化趋于平稳,线性关系较强。

    • 为了去除水温趋势和随机成分(毛刺)影响,选取2019年4月13—24日观测数据,利用最小二乘法拟合水温动态曲线(图6)。经数据处理后的水温动态曲线中,峰、谷出现时间与固体潮、水位潮汐的日变起伏在形态、幅度与相位上均表现出一致性,与井水位潮汐变化吻合,显示水温观测数据具有一定潮汐特征,水温潮差变幅0.005 56 ℃(图6)。

      图  6  2019年4月13—24日昌邑水温、水位、固体潮动态变化对比图

      随着“十三五”仪器安装和改造的实施,高精度数字水温观测技术的不断升级,国内部分观测井记录到水温固体潮现象,即水温动态曲线中峰、谷出现时间与重力理论固体潮曲线中一致,认为水温潮汐效应[10]

      本文利用最小二乘法拟合处理后的水温数据,与水位计算相关系数为0.482 0,水位与固体潮的相关系数0.581 0。推测水温的峰谷变化是水位波动引起的次生效应,即在潮汐力作用下含水层发生变形,井含水层系统中水流状态或流量发生变化,由含水层带入井筒的热量也相应发生变化。

      马玉川等[11]通过研究井水温潮汐认为:由潮汐力作用于含水层发生膨胀变形时,含水层上部水向下运动使水温下降(随季节性变化);当含水层受到潮汐引力作用而压缩变形时,下部水向上运动则使水温上升,认为水温变化是含水层受力变形结果,可称为岩体力学机制。

      昌邑02井所处区内断裂构造发育,这些断裂可能沟通了不同地层中的含水层,使井区的地下水之间具有良好的水力联系。基于水温加密观测试验分析和水位、水温的多年动态趋势以及年变化影响因素分析,也佐证了这点。同井观测水位、水温同步变化影响主要体现在地下水开采引起水位大幅度下降和水温持续上升,以及强降雨引起水位、水温同步向上动态变化。昌邑水温主要受降雨和仪器干扰影响,相比水位,水温目前受地下水开采影响较小,水温动态曲线变化较稳定,结合加密水温试验,与探头放置位置属于梯度平稳区有关。

    • 通过上述昌邑02井观测、水温加密试验等数据以及区域地下水开采、降雨等资料,探讨了该井水位和水温动态变化影响因素,获得了如下认识。

      1)基于水温加密观测试验,结合区域水文地质条件、井孔基础资料、区域地下水开采和降雨等资料,发现水位易受浅层水干扰,水位水温同步变化影响主要是地下水开采引起水位大幅度下降和水温持续上升,以及强降雨引起水位、水温同步向上动态变化,同时例证该井地下水类型为混合水。

      2)鉴于该井水温多年来一直趋势上升,一直被认为可能由仪器“零漂”引起的变化。2017年更换新仪器后,水位水温并没有改变向上的趋势,基于冷热水理论,考虑水温主要受地下水开采影响。

      3)对水温实验资料分析的目的就是选择较好的水温观测层位,提高观测效能。对于这一问题,中国地震台网中心震台网函2016(258)号文件中印发的《观测井水位校测与水温梯度测量要求(试行)》提出了梯度大、背景噪声小、潮汐效应明显的技术要求,昌邑井应选择在350~400 m。综上来看,深度应选择在400 m上下比较理想。但2017年8月更换仪器水温探头后,水温显示平均温度22.54~21.74 ℃,提升50~350 m左右,数据质量效能受影响较小,数据稳定且能观测到潮汐效应。

      4)利用最小二乘法拟合水温动态曲线和相关性分析,发现与井水位潮汐变化基本一致,显示水温观测数据具有一定潮汐特征,推测水温的峰谷变化是水位波动引起的次生效应。水温固体潮特征表明,该井水温受岩体动力学及地热动力学共同作用的现象,可能与该井特殊的水文地质条件有关。

参考文献 (11)

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