山西省地下流體觀(guān)測(cè)井地下水類(lèi)型綜合判定

姚林鵬 呂 芳 宮靜芝

1）中國(guó)山西044400 山西省地震局運(yùn)城地震監(jiān)測(cè)中心站

2）中國(guó)山西030025 太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站

3）中國(guó)太原030021 山西省地震局

4）中國(guó)山西030025 山西省地震局太原地震監(jiān)測(cè)中心站

0 引言

地下水埋藏儲(chǔ)存條件可分為承壓水、潛水和包氣帶水3 種主要類(lèi)型（王大純等，1995），觀(guān)測(cè)含水層具有承壓性，是地震地下水前兆觀(guān)測(cè)的理想條件，可以較好地反映地殼應(yīng)力、應(yīng)變的變化。近年來(lái)，地震工作者采用多種方法研究觀(guān)測(cè)井井水位動(dòng)態(tài)，積累了大量與地下水承壓性判別的有關(guān)資料，如：車(chē)用太等（1985）分析了井孔水位微動(dòng)態(tài)形成機(jī)理；張昭棟等（1986）研究了氣壓對(duì)水井水位觀(guān)測(cè)的影響；晏銳（2008）研究了影響井水位變化的幾種因素；廖欣（2010）詳細(xì)分析承壓井水位潮汐異常機(jī)理；丁風(fēng)和等（2017）通過(guò)卷積回歸及階躍響應(yīng)函數(shù)方法對(duì)觀(guān)測(cè)井地下水埋藏類(lèi)型進(jìn)行判別。

目前，山西省現(xiàn)有地下流體觀(guān)測(cè)井多為其他系統(tǒng)堪選井改造而成，基礎(chǔ)資料不完整，且歷經(jīng)多年觀(guān)測(cè)，井—含水層類(lèi)型是否發(fā)生變化尚不能確定。為了進(jìn)一步提升對(duì)該省朔州井、靜樂(lè)井、祁縣井、洪洞井和東郭井的認(rèn)識(shí)，擬利用觀(guān)測(cè)井的氣壓、井水位理論固體潮和水位數(shù)據(jù)，采用多種方法對(duì)各井地下水埋藏類(lèi)型進(jìn)行綜合判定。研究結(jié)果可為地下流體觀(guān)測(cè)井孔資料的完善以及觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)科學(xué)、準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)提供一定依據(jù)。

1 觀(guān)測(cè)井概況及資料選取

本研究所選朔州井、靜樂(lè)井、祁縣井、洪洞井和東郭井位于山西省北部、中部、南部，沿山西斷陷帶縱跨該?。▓D1），周邊分布口泉斷裂、五臺(tái)山北麓斷裂、交城斷裂、太谷斷裂、霍山山前斷裂和中條山山前斷裂。山西斷陷帶位于鄂爾多斯塊體東部和南部，夾持于NNE 向的呂梁山與太行山之間，其中又被NE—NNE 向的恒山、五臺(tái)山、中條山和其他隆起分割，形成于上新世，是鄂爾多斯周緣形成最晚的斷陷盆地系，由一系列方向不同的斷陷盆地及其內(nèi)部次一級(jí)隆起、凹陷組成，由北向南分布有大同盆地、忻定盆地、太原盆地、臨汾盆地和運(yùn)城盆地。

圖1 5 口觀(guān)測(cè)井空間分布Fig.1 Spatial distribution of the 5 wells

5 口井均為靜水位觀(guān)測(cè)井，井深在360—710 m，含水層為巖溶承壓水或裂隙承壓水，觀(guān)測(cè)井段360—700 m，配備“十五”數(shù)字化前兆水位觀(guān)測(cè)儀器開(kāi)展水位動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)，觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性、完整率高，能清晰記錄到固體潮與水振波。各觀(guān)測(cè)井基本信息見(jiàn)表1。

表1 5 口井井孔資料及資料選用年份Table 1 Basic borehole information and observation data of the 5 wells

1.2 資料選取及處理

選取“十五”數(shù)字化以來(lái)朔州井、靜樂(lè)井、洪洞井和東郭井2019 年、祁縣井2018年水位觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)及同測(cè)點(diǎn)氣壓變化整點(diǎn)值，進(jìn)行逐月檢查、整理，結(jié)合多次樣條插值與一般多項(xiàng)式分段擬合，補(bǔ)足缺數(shù)部分，改正干擾及校測(cè)等產(chǎn)生的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)、可靠，同時(shí)計(jì)算各井水位相應(yīng)時(shí)段的理論固體潮數(shù)據(jù)。

2 多方法綜合判定分析

對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行氣壓及水位理論固體潮分析，基于滯后時(shí)間與階躍響應(yīng)函數(shù)（卷積回歸法）、潮汐波分量的預(yù)期響應(yīng)（頻譜分析法）、潮汐波群相位滯后（調(diào)和分析法）等3種方法，綜合診斷并判別地震觀(guān)測(cè)井地下水埋藏類(lèi)型。

2.1 卷積回歸法和階躍響應(yīng)函數(shù)判定

利用氣壓、水位及其理論固體潮數(shù)據(jù)，擬合得到階躍響應(yīng)函數(shù)最佳值，易于判斷響應(yīng)的滯后時(shí)間并計(jì)算校正水位（趙丹等，2013）。若不考慮其他因素（補(bǔ)給和排泄等），井水位變化量可表示為

式中，i為滯后時(shí)間；m為選擇的最大滯后時(shí)間；ΔW(t)為t時(shí)刻水位變化量；α(i)為滯后i時(shí)刻的氣壓?jiǎn)挝幻}沖響應(yīng)函數(shù)；ΔB(t-i)為(t-i)時(shí)刻氣壓變化量；β(i)為固體潮響應(yīng)系數(shù)；ΔET(t-i)為(t-i)時(shí)刻固體潮變化量。

井水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)可表示為

式中，A(i)為井水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)，可由氣壓?jiǎn)挝幻}沖響應(yīng)函數(shù)α(j)累加求和得到。

丁風(fēng)和等（2017）發(fā)現(xiàn)各井水位對(duì)氣壓的滯后時(shí)間與階躍響應(yīng)函數(shù)之間存在以e為底的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且e 的正負(fù)決定了井—含水層系統(tǒng)的地下水類(lèi)型。利用朔州等5 口觀(guān)測(cè)井的水位、氣壓及其理論固體潮數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積回歸，計(jì)算階躍響應(yīng)函數(shù)（圖2），并將水位相對(duì)氣壓滯后時(shí)間與階躍響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可知，利用該方法進(jìn)行擬合，除東郭井?dāng)M合方程顯示底數(shù)e 為負(fù)，即井水位類(lèi)型為承壓水，其余4 口井底數(shù)e 均為正，即井水位類(lèi)型為半承壓或非承壓水。

圖2 5 口井階躍響應(yīng)函數(shù)及擬合曲線(xiàn)Fig.2 Step response functions and fitting curves of the 5 wells

表2 5 口井階躍函數(shù)擬合方程及類(lèi)型判斷Table 2 Step function fitting equations and type judgment of the 5 wells

2.2 FFT 頻譜分析

研究表明，承壓井水位波動(dòng)反映了地球固體潮汐波動(dòng)，且在O1、K1、M2、S2、N2潮汐波分量具有優(yōu)勢(shì)周期（車(chē)用太等，1990）。利用FFT 頻譜分析方法，對(duì)朔州等5 井水位整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制周期—振幅響應(yīng)圖（圖3），參照井水位類(lèi)型不同優(yōu)勢(shì)頻譜特征表（表3），進(jìn)行含水層類(lèi)型判定。該方法判定結(jié)果顯示，朔州井、靜樂(lè)井、祁縣井和洪洞井都具有承壓井的周期特征，而東郭井在K1波上表現(xiàn)不明顯，判定為半承壓水。

圖3 5 口井階躍響應(yīng)函數(shù)及擬合曲線(xiàn)Fig.3 Step response functions and fitting curves of the 5 wells

表3 地下水類(lèi)型和潮汐波預(yù)期響應(yīng)關(guān)系及各井判定結(jié)果Table 3 Relationship between groundwater type and expected response of tidal wave and judgment results of each well

2.3 潮汐分析超前滯后判定

廖欣（2010）結(jié)合Hsieh 潮汐響應(yīng)模型，發(fā)現(xiàn)承壓井水位對(duì)潮汐響應(yīng)表現(xiàn)為滯后效應(yīng)。頻譜分析表明，5 口井對(duì)M2波響應(yīng)均較明顯，故利用Venedikov 調(diào)和分析，對(duì)井水位整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐分析，計(jì)算M2波相位超前與滯后，結(jié)合Hsieh 潮汐響應(yīng)模型，判定井—含水層類(lèi)型，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4 可知，東郭井對(duì)M2波相位響應(yīng)表現(xiàn)為滯后效應(yīng)，即井含水層類(lèi)型為承壓含水層，其余4 口井則表現(xiàn)為超前效應(yīng)，即井含水層為半承壓或非承壓含水層。

表4 5 口井潮汐分析結(jié)果及類(lèi)型判斷Table 4 Tidal analysis results and type judgment of the 5 wells

2.4 綜合判定結(jié)果

采用井水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)、井水位潮汐波頻譜分析、井水位潮汐波群相位超前或滯后3 種定量方法，若觀(guān)測(cè)井含水層均表現(xiàn)為承壓水性質(zhì)，則判定該井水類(lèi)型為承壓水。采用井水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)、井水位潮汐波群的相位超前或滯后2 種定量方法，若觀(guān)測(cè)井含水層判定為半承壓或非承壓含水層，且井水位潮汐波的頻譜分析判定其為非承壓水，則判定該井含水層類(lèi)型為非承壓含水層。否則，該觀(guān)測(cè)井地下水埋藏類(lèi)型為半承壓水（混合水）。

根據(jù)以上判定指標(biāo)，山西省朔州、靜樂(lè)、祁縣、洪洞、東郭井—含水層系統(tǒng)類(lèi)型綜合判定結(jié)果見(jiàn)表5，可見(jiàn)，除東郭井采用3 種的判定結(jié)果不一致，其他4 口井結(jié)果均一致，綜合3 種指標(biāo)進(jìn)行判定，認(rèn)為5 口井含水層類(lèi)型均為半承壓含水層。

表5 5 口井潮汐分析結(jié)果及類(lèi)型判斷Table 5 Tidal analysis results and type judgment of the 5 wells

3 結(jié)論

以山西省5 口地下流體觀(guān)測(cè)井為例，采用多種方法對(duì)各井地下水埋藏類(lèi)型進(jìn)行綜合判定。利用觀(guān)測(cè)井的氣壓、井水位理論固體潮和水位數(shù)據(jù)，基于滯后時(shí)間與階躍響應(yīng)函數(shù)（卷積回歸法）、潮汐波分量的預(yù)期響應(yīng)（頻譜分析法）、潮汐波群相位滯后（調(diào)和分析法）等3種方法，詳細(xì)分析了各井水位數(shù)據(jù)資料，得出如下結(jié)論：

（1）采用井水位對(duì)氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)和井水位潮汐波群的相位超前或滯后2 種方法，均判定東郭井含水層類(lèi)型為承壓含水層，其余4 井為半承壓或非承壓含水層。

（2）采用井水位潮汐波頻譜分析，判定朔州井、靜樂(lè)井、祁縣井和洪洞井含水層類(lèi)型為承壓含水層，東郭井為半承壓含水層。

（3）綜合判定，山西省地震局的5 口觀(guān)測(cè)井含水層類(lèi)型均為半承壓含水層。

在東郭井含水層類(lèi)型判定中，潮汐波周期響應(yīng)特征出現(xiàn)K1、N2波群明顯缺失現(xiàn)象，卻在其他方面表現(xiàn)出強(qiáng)承壓性，有待進(jìn)一步探究。