四川盐源干海双井水位观测干扰分析_蒋川.pdf

蒋川，杨志鹏，王登伟，等.四川盐源干海双井水位观测干扰分析 J.地震科学进展,2023,53(6):268-277.doi:10.19987/j.dzkxjz.2023-014JiangC,YangZP,WangDW,etal.AnalysisofinterferenceofwaterlevelobservationatGanhaidoublewellsinYanyuanCounty,SichuanProvinceJ.ProgressinEarthquakeSciences,2023,53(6):268-277.doi:10.19987/j.dzkxjz.2023-014四川盐源干海双井水位观测干扰分析*蒋川1)杨志鹏1)王登伟1)文朗1)李祥豪1)李瑞瑞2)1)四川省地震局西昌地震监测中心站，四川西昌6150222)凉山州防震减灾服务中心，四川西昌615022摘要依据观测日志、降雨、水温监测和周边调查，对四川盐源干海双井水位观测干扰事件进行了详细的分类，按分类统计了干海井和干海机井干扰特征，以更加准确有效地识别与排除干扰。针对发生最为频繁的且对正常观测影响最大的堵塞和人为清洗干扰提出了初步技术解决方案。氢氧同位素分析结果表明双井井水受大气降雨补给，可通过收集降雨、河水资料来识别降雨干扰。关键词水位观测；干扰分析；盐源县盐井街道中图分类号：P315.63文献标识码：A文章编号:2096-7780(2023)06-0268-10doi：10.19987/j.dzkxjz.2023-014Analysis of interference of water level observation at Ganhai double wellsin Yanyuan County,Sichuan ProvinceJiang Chuan1),Yang Zhipeng1),Wang Dengwei1),Wen Lang1),Li Xianghao1),Li Ruirui2)1)XichangEarthquakeMonitoringCenterStationofSichuanEarthquakeAgency,SichuanXichang615022,China2)EarthquakePreventionandDisasterMitigationServiceCenterinLiangshanPrefecture,SichuanXichang615022,ChinaAbstract According to the observation logs，precipitation，temperature monitoring and surrounding investi-gation，theinterferenceeventsareclassifiedindetailforthewaterlevelobservationofthedoublewellsinGanhaitoidentifyandeliminateinterferencemoreaccuratelyandeffectively.Apreliminarytechnicalsolutionisproposedfortheblockage and man-made cleaning interference that occur most frequently and have the greatest impact on normalobservation.Theresultsofhydrogenandoxygenisotopeanalysisshowthatthewaterfromtwowellsisrechargedbyatmosphericrainfall.Rainfallinterferencecanbeidentifiedbycollectingrainfallandflowdataofriver.Keywordswaterlevelobservation;interferenceanalysis;YanjingStreetinYanyuanCounty引言地下水位对地壳介质应力应变反映灵敏，一直以来是地震地下流体观测的重要手段之一1。地下水位的异常变化包含很重要的地震前兆异常信息，但亦有可能是由环境干扰所致，所以正确识别与排除*收稿日期：2023-02-20；采用日期：2023-04-30。基金项目：中国地震局三结合项目（3JH-202301012）和四川省地震局地震科技专项项目（LY2228）联合资助。第一作者：蒋川（1986-），男，助理工程师，主要从事地下流体观测工作。E-mail：。通信作者：杨志鹏（1993-），男，工程师，主要从事地球物理前兆信号处理分析研究方面的工作。E-mail：。第53卷第6期地震科学进展Vol.53No.62023年6月ProgressinEarthquakeSciencesJun.,2023异常，对科学判定震情至关重要2。1976 年 11 月 7 日盐源县发生 6.7 级地震，震中 300km 范围内定点观测项目出现前兆异常 17 项3。1986 年 8 月 12 日盐源发生 5.4 级地震，震前盐源县多处水点，包括本文研究的干海井出现了地下水异常4。以上盐源县历史地震记录表明，地震前可能出现地下水前兆异常，然而盐源干海双井近年的观测数据干扰频繁，难以分辨干扰和地震前兆信息，因此梳理研究盐源干海双井干扰特征对于准确识别可能出现的地震前兆信息具有重要意义。干海井和干海机井位于四川省凉山州盐源县县城以北约 10km 盐井街道辖区，川滇菱形块体内（图 1），双井间直线距离约 1.3km。双井地质条件较为接近（图 2），被第四系（Q）冲、洪积物所覆盖，下伏地层为三叠系白山组（T2b），岩性为灰岩、泥灰岩。区域内主要发育有丽江小金河断裂、盐源棉垭断裂、甲米断裂和宁蒗断裂。其中丽江小金河断裂为本区主要断裂，全长 360km，以北东南西走向贯穿本区，将川滇菱形块体斜切为川西北和滇中 2 个次级块体，是在龙门山锦屏山玉龙雪山中新生代推覆构造带西南段基础上形成的一条活动断裂带5-6，从全新世至今一直具有较强的活动性7-8。李宁等9采用 DEFNODE 负位错反演程序计算了丽江小金河断裂带的断层闭锁程度和滑动亏损速率特征，结合小震精定位结果分析了该断裂带的强震危险性，结果表明，丽江小金河断裂的南段中段南部，具有发生较大地震的潜在危险性。从历史地震上来看，丽江小金河断裂的南段中段位置中强地震频发，震中集中分布在盐源县西部以及与云南宁蒗县交界附近。盐源县木里藏族自治县冕宁县西昌市盐边县宁蒗彝族自治县德昌县米易县喜德县会理市九龙县永胜县华坪县普格县越西县稻城县古城区昭觉县玉龙纳西族自治县仁和区宁南县仁和区金河-箐河断裂李明久断裂宁蒗断裂丽江-小金河断裂博科-木里断裂鲜水河断裂安宁河断裂马头山断裂木拉断裂擦忠断裂盐源-棉垭断裂甲米断裂大具断裂丽江-小金河断裂干海井干海机井1965-2007年5级以上地震 MS5.0-5.9 MS6.0-6.9 MS7.0-7.9012 km0.5050100 km25华南川滇羌塘巴颜喀拉滇西滇南柴达木四川省块体边界101 E28N 2727 29 N 27 2827 27102101 27 E101 28101 29图1干海双井区域构造及位置分布图Fig.1TheregionalstructureandlocationmapofGanhaidoublewells干海井4000海拔/m海拔/m3000200010004000300020001000NNW0200 m干海机井卧罗河T2bQ图2干海机井干海井地质剖面图（据盐源县地质图绘制）Fig.2ThegeologicalprofileofGanhaidoublewells（OnthebasisofthegeologicalmapofYanyuanCounty）干海井于 1980 年 9 月开始进行人工水氡和水温观测，2006 年 4 月进行数字化改造，新增水位、水温、气氡和气象三要素数字化测项。干海机井观测始于 1976 年，原有人工流量、水位和水温观测，2014 年9 月进行了数字化改造，形成了现有的数字化测项。其他基础信息见表 1。1干扰分析水位的正常动态类型包括：多年趋势动态，年动态和日、月动态，不同的动态又划分为不同的基本类型（表 2）10。干海双井观测数据干扰较多，大量数据突变形成的尖刺、台阶以及数据空值，已经完全破坏了正常动态曲线，其多年、年动态类型难以分辨（图 3）。在数据完整且干扰较少的时间段，可识别出数据的变化趋势，但未见固态潮及气压效应。本文依据双井实际观测情况，选取观测数据相对完整的 2021 年，根据观测日志记录，结合水温、降水数据以及周边调查情况对全年干海双井数据异常进行了详细的干扰类型分类，统计了干海井和干第6期蒋川等：四川盐源干海双井水位观测干扰分析269海机井干扰数量及其干扰特征，结果见表 3。2021 年干海机井记录到干扰 7 次，干海井记录到干扰 54 次，干海井干扰的次数远多于干海机井，主要原因在于干海井有 37 次人为清洗疏通观测系统产生了干扰。干扰持续时间最长的是因干海井清理堵塞 1800 分钟，干扰变化幅度最大的是因干海井改造井口装置产生了 0.76m 的下降变化。1.1 观测系统堵塞和人为清洗干扰2021 年干海井因观测系统堵塞产生 3 次干扰（图 4a，4b，4c），因人为清洗产生 37 次干扰（图 4d，表1干海双井基础信息Table1ThebasicinformationofGanhaidoublewells观测点东经/北纬/海拔/m钻孔深度/m仪器类型监测频率 类型数字化测项干海井101.46 27.48228679SWY-型数字式水位仪 1次/分钟 动水位气氡、水位、水温、气温、气压、降雨量干海机井101.47 27.472303187ZKGD3000-N型1次/分钟 动水位水位、水温、气压表2水位正常动态类型Table2Dynamictypesofthenormalwaterlevel大类基本类型说明多年趋势动态趋势上升型不多见，只见于油气田外围地区，大面积长期注水趋势下降型地下水过量开采，开采量超过大气降雨的渗入补给趋势平稳型开采量与补给量均衡/含水层封闭年动态上升、下降、平稳、起伏型月、多日、日动态固体潮效应微动态气压效应微动态20171.61.41.21.00.80.60.40.2201820192020年份年份月-日月-日水位/m1.451.4010-0110-1603-0303-1303-1803-0803-2303-2810-311.50水位/m0.90.81.0水位/m1.61.41.21.00.80.60.40.2水位/m20212022201720182019202020212022干海井干海机井干海井干海机井注：干海机井水位数据变小表示水位升高，下同图3干海双井水位时序图Fig.3ThewaterlevelsequencediagramoftheGanhaidoublewells270地震科学进展2023年4e），人为清洗为发生次数最多的干扰类型；干海机井无此类干扰。双井井水中均含大量的杂质，肉眼可见，粘黏性极强。干海井井口装置有恒流箱及气氡脱气装置（图 5），整个观测系统较干海机井复杂而更易堵塞。干海井井水中的杂质有的呈悬浮絮状，附着在鼓气口造成气氡数据异常；有的沉淀在底部排水口附近造成排水口流量改变甚至直接堵塞排水口，引起流表32021 年干海双井干扰统计表Table3TheinterferencestatisticsofGanhaidoublewellsin2021监测点干扰类型发生次数干扰特征持续时间/min数据变化幅度/m最长时间平均时间最大变化幅度平均变化幅度干海机井不明原因2810630.00.140.11人为（抽水灌溉）1170170.00.160.16降雨41050705.00.180.13合计71050607.10.180.13干海井不明原因61320473.80.100.05人为（维护水温观测装置）315789.30.100.08人为(清洗)37180093.20.310.05人为（改造井口装置）312050.00.760.39降雨2360265.50.040.03观测系统堵塞327096.70.020.02合计541800139.40.760.07月-日月-日月-日05-270.980.970.960.950.940.930.9205-2805-2906-0606-0706-0812-0412-0512-06水位/m堵塞干扰清理堵塞水位降低台阶运行堵塞使水位升高,清理后水位降低台阶运行堵塞产生突跳1.011.000.991.02水位/m1.081.071.061.05水位/m0.990.980.970.960.950.940.930.92水位/m0.950.940.930.920.910.900.89水位/m月-日01-0301-0401-05月-日01-1801-1901-20（a）（b）（c）（d）（e）图4干海井堵塞和人为干扰Fig.4Blockageandman-madecleaninginterferenceoftheGanhaiwell第6期蒋川等：四川盐源干海双井水位观测干扰分析271量、水位数据异常；有的附着于整个观测系统管道、恒流箱内壁，产生长期的干扰。分析认为杂质来源：下伏地层白山组（T2b）泥灰岩中的粘土矿物，被流动的井水带出。2021 年每周测试了一次干海井井水总溶解固体（TDS），52 次测试平均值为 442mg/L，井水矿化度较高，原处在深部还原环境中的井水流出地表后遇空气，井水部分组分被氧化产生了固体状的杂质。工作人员采取了清理打捞恒流箱杂质和疏通排水口的措施，又造成了干海井较多的人为干扰。清洗包括刷洗或酸洗整个观测系统进排水管道内壁以及恒流箱，个别时候还会先排出所有恒流箱水进行彻底清洗，导致井水位产生较大程度的降幅。总之，清洗会立即造成数据突变，不同的清洗方式，清洗时间，产生的干扰形态各不相同，总体变化幅度在 0.020.31m 之间。1.2 降雨干扰2021 年因降雨产生的干扰，干海机井记录到 4次，干海井记录到 2 次。2017 年 4 月采取了干海双井井水样品并进行了分析11，结果见表 4。氢氧同位素可用于判断地下水的补给来源，当地下水的氢氧同位素组成位于或接近当地大气降水线时（图 6），可以说明地下水起源于大气降水。干海双井 D 和 18O 数据点均落于中国大气降水线和西南地区大气降水线附近。水化学分析结果（表 4）显示双井水化学成分和井水类型有明显的差别，分析认为形成这种差别的原因是干海机井深度更深，水岩反应更接近平衡状态，井水受更深部的含水层补给，当深部含水层地下水流经含盐地层沉积区，使得干海机井井水以 Na+，Cl为主，矿化程度较干海井更高。图 7 显示降雨可以引起双井水位升高，干扰与降雨联系密切，时间关联性较强。有的降雨后伴随水位升高（图 7a，7b，7c，7e，7f），有的水位与井水温度同步升高（图 7d）。表4干海双井水化学成分及氢氧同位素分析结果Table4WaterchemicalcompositionandhydrogenisotopeanalysisresultsofGanhaidoublewells观测点D/18O/矿化度/（mgL1）井水类型Na+K+Mg2+Ca2+ClSO42CO32HCO3干海井108.914.7161.21.04.137.5105.415.90303.2HCO3Cl-Na干海机井121.516.3773.24.828111.21514.329.20287.7Cl-Na干海井泄流口,常闭水氡取水口,常开排水口,常开接气氡数采设备接气泵恒流箱半面集气罩水温探头水位探头水温探头水位探头泄流口,常开干海机井底部排水口,常开图5干海双井装置示意图Fig.5ThedeviceschematicdrawingofGanhaidoublewells272地震科学进展2023年干海井中国大气降水线西南地区大气降水线干海机井干海井干海机井SMOW0202015105051.01.01.01.01.01.01.01.00.80.80.80.80.80.80.80.80.60.60.60.60.60.60.60.60.40.40.40.40.40.40.40.4Ca2+ClMg2+Cl+SO42SO42HCO3+CO32Ca2+Mg2+Na+K+0.20.20.20.20.20.20.20.20000000040608010012014016018018O/D/图6干海双井18O-D同位素和水化学 piper 图Fig.6HydrogenisotopeandwaterchemistrypiperdiagramofGanhaidoublewells1.501.511.521.531.54水位/m1.41.5水位/m1.41.31.5水位/m1.51.4水位/m1.51.00.501.6降雨量/mm1.61.41.21.00.80.60.40.20降雨量/mm16.0015.9515.9015.8515.80水温/0.20.10降雨量/mm干海机井水位降雨量干海机井水位降雨量干海机井水位水温干海机井水位降雨量月-日-时06-09-1206-09-0406-10-08（a）（b）（c）（d）（e）（f）06-11-12月-日-时09-01-0009-01-0809-01-0609-02-00月-日-时03-12-0003-12-0603-12-1803-12-1203-13-00月-日-时04-28-1204-29-0004-29-1204-30-00干海井水位降雨量干海井水位降雨量1.000.950.90水位/m0.960.98水位/m0.40.30.20.10降雨量/mm0.50.40.30.20.10降雨量/mm月-日-时05-26-1805-27-06月-日-时08-27-0608-27-1408-27-2205-27-18图7干海双井降雨干扰分析图Fig.7RainfallinterferenceanalysisdiagramofGanhaidoublewells第6期蒋川等：四川盐源干海双井水位观测干扰分析273综合分析认为双井井水受大气降水渗入补给与地表水联系密切，大气降水及地表水可影响干海双井水位数据，形成干扰。双井均受渗入补给影响但因深度及含水层不同，使得 2021 年没有出现同一降雨事件，同时干扰双井的情况。个别干扰事件没有降雨但水位仍然出现了升高，认为可能是受到了卧罗河河水的补给，干扰发生时间正处雨季，其他区域降雨使河水水位升高，河水渗入补给干海机井使温度和水位出现了同步升高（图 7d）。1.3 不明原因干扰双井水位数据异常又无明确的干扰因素或地震对应，归类为不明原因干扰。车用太等12按照干扰机理将地表水体对地下流体动态的干扰分为两类：一类是地表水体的渗入补给干扰（表 5），另一类是地表水体荷载作用的干扰（表 6），按分类确定了地表水的最大影响距离。双井地表附近分布有水体（图 8）可对双井水位形成干扰。1km 范围内有大片苹果园，其间散布有灌溉渠和灌溉储水设施。卧罗河河水水位随季节降雨同步变化，在雨季 78 月水位较高，在枯水季 11 月次年 4 月水位较低。苹果园灌溉不定时的抽取地下水以及卧罗河河水，水位的突然改变均有可能通过渗入补给或荷载作用，引起干海双井受到不明原因的干扰。1.4 其他原因干扰其他原因干扰包括干海机井附近苹果园灌溉，干海井水温仪、探头维护以及井口装置改造产生的干扰（图 9）。水温观测装置的维护，需要从井水面以下取出或放入水温探头，会对井水水位造成扰动产生干扰；2021 年 46 月在干海井恒流箱出水口处安装水质过滤器试验过滤器水质过滤效果，安装和拆卸过滤器的过程产生了干扰；2021 年 9 月 18 日表5地表水体渗入补给干扰的最大影响距离Table5Themaximuminfluencedistanceofthesurfacewaterinfiltrationrechargeinterference井区水文地质条件分区含水层渗透性分级最大影响距离/km简单地区弱透水层1中等地区透水层5复杂地区强透水层10表6地表水荷载作用干扰的最大影响距离Table6The maximum influence distance of surface waterloadinterference荷载作用类型含水层最大影响距离/km海潮荷载作用10水库荷载作用6江河水体荷载作用粗砂与砾石5中砂3细砂与粉砂1A1A1 苹果园N0注:A 表示苹果种植区域0.250.50 kmBB 灌溉渠CC 卧罗河AAAAAAA101 28 E27 29N27 28图8干海双井不明原因干扰分析图Fig.8TheunexplainedinterferenceanalysisdiagramofGanhaidoublewells274地震科学进展2023年1518 时，抽取地下水灌溉，造成了干海机井水位突然降低约 0.1m 的干扰。2结论和讨论2.1 结论（1）干海机井主要干扰因素为降雨，发生频率对数据的影响程度最大；干海井在 2021 年发生了 2 次降雨干扰。降雨的干扰特征表现为连续降雨伴随水位升高，其他地区的降雨也可能通过卧罗河影响干海双井水位，河水补给井水其特征表现为水位和温度的同步改变。（2）干海井主要干扰因素为人为清洗，井水中含大量固态杂质粘黏性强是造成人为清洗偏多的直接原因，人为清洗干扰特征不规律与清洗时间、清洗方式有关。（3）按最小干扰距离 1km 统计，地表水体干扰源有卧罗河、苹果园灌溉设施。河水涨跌、抽水灌溉也可干扰双井水位。干海井水位干海井水位干海井水位干海井水位干海机井水位1.041.021.000.980.960.940.920.900.88水位/m1.21.00.80.60.40.20水位/m1.301.351.401.451.50水位/m1.051.000.950.900.850.80水位/m1.041.021.000.980.960.94水位/m月-日-时09-08-00月-日-时04-27-00月-日-时09-18-0009-18-0809-18-1609-19-0004-27-0804-27-1604-28-00月-日-时09-14-00月-日-时06-08-0006-08-0806-08-1606-09-0009-14-0809-14-1609-15-0009-08-1609-10-0009-09-08清洗水温探头安装过滤器拆卸过滤器抽水灌溉苹果园更换水温仪更换水温探头图9其他原因干扰分析图Fig.9Analysisdiagramoftheinterferencefromothercauses第6期蒋川等：四川盐源干海双井水位观测干扰分析2752.2 讨论（1）干海井的人为清洗过于频繁，对正常观测影响较大。建议规范清洗恒流箱操作，逐渐摸索出更加科学合理的清洗周期频率和清洗方法，最大限度的减少观测系统堵塞和人为清洗产生的干扰。（2）可从改造干海井恒流箱内壁材料和底部排水口结构入手，选用低吸水率的表面材料，提高内壁表面抗污性，减少杂质粘黏；将底部排水口更改为漏斗状使杂质更易自然排出，避免杂质长期沉淀堵塞排水口。通过不断试验完善干海井的井口装置，彻底解决干海井井水杂质多引发的各种问题。（3）双井井水位受大气降雨干扰，抽水灌溉干扰，可以通过加强与地方气象、水文部门和附近农户的联系，及时获取相关信息，准确识别此类干扰。（4）盐源为凉山州地震多发区，历史上中强地震频发，建议加大投资新建一些符合地震观测规范的新井，逐步替换那些经过改造的观测效果较差的非地震行业观测井，提高盐源地区地震前兆观测能力。（5）干扰识别是数据跟踪分析中的重要工作，目前还难以全面准确定量定性分析，更多的是依靠台站工作人员的经验。区域地震监测中心站可归纳总结本区域各监测手段常见干扰特征，开展针对性培训使台站人员熟练掌握典型干扰特征，提高业务能力。在日常工作中注意积累各种干扰事件干扰特征，将干扰事件进行规范化归类，建立完善本地区地下流体干扰数据库，大幅提高干扰信息的排除效率。致谢长安大学苟龙飞副教授在本文前期写作中提供了指导，匿名审稿专家提出了重要的改进意见，在此表示感谢。参考文献汪成民，车用太，万迪堃，等.地下水微动态研究 M.北京：地震出版社，1988WangCM，CheYT，WanDK，etal.Studyofmicro-behaviorofgroundwaterM.Beijing：SeismologicalPress，19881潘国勇，王军.崇明地震台新井水位干扰成因分析与改进措施 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