豫01井水位急剧下降原因调查与分析.pdf

谢恒义，韩贞辉，夏修军，等. 豫 01 井水位急剧下降原因调查与分析[J]. 地震科学进展, 2020, 509 16-19. doi10.3969/j.issn. 2096-7780.2020.09.003 Xie Hengyi, Han Zhenhui, Xia Xiujun, et al. Investigation and analysis on the cause of the sharpdrop of water level in well Yu-01[J]. Progress in Earthquake Sciences, 2020, 509 16-19. doi10.3969/j.issn.2096-7780.2020.09.003 豫 01 井水位急剧下降原因调查与分析* 谢恒义 韩贞辉※ 夏修军 李 源 （河南省地震局，郑州 450016） 摘要 通过对豫 01 井 39 年井水位动态趋势变化分析，结合对周边观测环境调查、01 井含水层地下 水补给与排泄情况调查与分析，得出引起 2006 年以来豫 01 井水位急剧趋势性下降的主要影响因素为地 下水大量开采使用，其次为煤炭开采排水，排除地震前兆异常。 关键词 水位下降；地下水开采；水位动态特征；煤炭开采排水 中图分类号P315.63 文献标识码 A 文章编号 2096-7780202009-0016-04 doi10.3969/j.issn.2096-7780.2020.09.003 Investigation and analysis on the cause of the sharp drop of water level in well Yu-01 Xie Hengyi, Han Zhenhui, Xia Xiujun, Li Yuan Henan Earthquake Agency，Zhengzhou 450016，China Abstract Based on the analysis of the 39-year water level dynamic trend of groundwater in well Yu-01，combined with the investigation of the surrounding observation environment and the analysis of the recharge and discharge of groundwater in the aquifer of well Yu-01，it is concluded that the main factors causing the steep trend decline of water level in well Yu-01 since 2006 are the large-scale exploitation and utilization of groundwater，followed by coal mining and drainage，and the removal of earthquake precursor anomalies. Keywords water level decline; groundwater exploitation; water level dynamic characteristics; coal mining drainage 引言 豫 01 井位于豫北地震重点监视防御区内，处于 聊兰活动断裂附近，井孔条件较好，对地壳应力应变 变化有较高的放大作用，是一口较理想的监测井。 19811996 年，水位动态十分稳定，其水位年变幅度 一般在 0.1 m 左右，最大不超过 0.2 m；1997 年后，豫 01 井水位呈现缓慢起伏下降趋势；1998 年 7 月 2002 年 3 月，下降速率减缓；2002 年 4 月2003 年 11 月，再次加速下降；2007 年以后，该区的水位下降速 率进一步加大，至 2014 年 8 月，下降最大幅度 13.8 m。 为此，有许多学者从不同角度对豫 01 井水位下降原 因提出不同的看法。李桂清等[1]、孙小龙等[2]认为， 濮阳地区地热开采是豫 01 井水位下降的主要原因。 但这些研究多侧重于对其某一时段的分析，笔者是 在对豫 01 井水位动态特征、影响豫 01 井水位急剧 下降的因素进行实地调查与再分析，对 2006 年以来 * 收稿日期2020-06-01；采用日期2020-07-16。 基金项目中国地震局地震应急青年重点任务（CEA_EDEM-2020）资助。 第一作者谢恒义（1972-），男，工程师，主要从事地震监测与应急技术研究。E-mail595816293。 ※ 通信作者韩贞辉（1986-），男，工程师，主要从事地震地质与应急技术研究。E-mailhanzhenhui2006。 第 50 卷 第 9 期地 震 科 学 进 展Vol.50 No.9 2020 年 9 月Progress in Earthquake SciencesSept., 2020 豫 01 井水位发生急剧下降原因进行进一步认识，有 助于增强对豫鲁交界区地震前兆异常识别。 1 豫 01 井水文地质环境及地下水动态 1.1 水文地质环境 豫 01 井处于河南省范县颜村铺乡榆林头村东百 米处，为华北断陷区南部，位于北北东向聊兰断裂带 中段与近东西向汶泗断裂交汇处附近，鲁西隆起西 部边缘，东濮凹陷与莘县凹陷之间的范县夹道上[3]。 该井海拔高程 46.2 m，井深 2 267.03 m，套管下入深 度为 1 032.32 m，坐落于古生代奥陶纪灰岩地层上， 采用水泥固井，止水条件好。该井接受山东梁山、巨 野、嘉祥等地零星的灰岩出露区大气降水补给，该层 地下水径流深度大、补给途径长、运移缓慢，因此， 地下水动态稳定，水资源补给能力较差[4]。 豫鲁交界区浅层地下水埋藏较浅，主要受黄河 水及大气降水的补给（图 1）。深层地下水赋存于第四 系的中、下更新统承压含水岩组。其分布自西向东含 水层顶板埋深逐步增大，由黄河岸边的小于 200 m， 增至菏泽市区南部的大于 300 m。含水层岩性主要由 中粗砂、中砂、细砂及粉细砂组成。区内深层地下水 含水岩组与上、下水体无明显的水力联系，其运动以 水平径流为主。由于该层水埋藏深度大，不易接受上 部补给，因此，该层地下水皆源于西部境外地下水的 顺层补给。本区的排泄方式主要为径流和人工开采[5]。 115 E 36 N 35 116117 松散岩类空隙含水岩组 富水强度极强的 富水强度强的 富水强度中等的 富水强度弱的 富水强度极弱的 碳酸盐岩类含水岩组 富水强度弱的 富水强度中等的 含水岩组分界 含水层顶板埋深 等值线 图 1 豫鲁交界区水文地质 Fig. 1 Hydrogeology of the border area between Henan and Shandong 1.2 地下水动态 豫 01 井于 1980 年 1 月正式开始水位观测，观测 仪器为 SW-40 型水位自动记录仪，观测精度为 1 mm。 近 39 年的观测结果表明（图 2），19811996 年， 水位动态十分稳定，为该井的正常动态。其水位年变 幅度一般在 0.1 m 左右，最大不超过 0.2 m。该时段水 位稳定，具有较好的气压效应、固体潮效应、降雨荷 载效应，曾显示黄河洪峰荷载效应，记录到 1983 年 菏泽 5.9 级地震前的异常动态信息[6]。1997 年后，豫 01 井水位呈现缓慢起伏下降趋势；1998 年 7 月 2002 年 3 月，下降速率减缓。2002 年 4 月2003 年 11 月，再次加速下降；2007 年以后，该区的水位下 降速率进一步加大，至 2014 年 8 月，下降最大幅度 13.8 m，2019 年 12 月，下降最大幅度达 34.4 m。 2 影响因素调查与分析 根据中国地震局地下流体异常核实规范[7]的要 求，对豫 01 井的观测系统、周边环境、观测含水层 补给区（山东梁山、济宁、菏泽等地）、矿井开采、地 热开采等情况进行实地考察，并对该井自 1980 年观 测以来的水位记录图纸查阅，在原始水位、气压、校正 水位整点值曲线动态基础上对各种影响因素进行分析。 第 9 期谢恒义等豫 01 井水位急剧下降原因调查与分析17 2.1 含水层补给区调查 地下水动态的变化取决于含水层的补给、径流、 排泄 3 个要素。为核实豫 01 井出现大幅水位下降是 不是与含水层的补给有关，在寒武、奥陶系地层出露 的山东梁山县周围开展野外调查。调查显示，梁山县 境内有梁山、凤凰山、龟山、小安山、独山、土山 6 座残丘，以梁山最高，海拔 197.9 m，石灰岩分布面 积 5.1 km2。范县豫 01 井观测层为奥陶系灰岩地层， 该层地下水的水文地质单元，粗略划分为西部以聊 兰断裂带为隔水边界，南部以新乡商丘断裂带为 界，东侧大致沿大运河为补给边界，其形态近似为三 角形，豫 01 井观测含水层属于消耗型。地下水的补 给主要依靠灰岩出露区及浅层地下水的越流补给， 地面补给区域很小，水位变化受地面降水影响很小。 2.2 含水层排泄区调查 豫 01 井位于聊兰断裂带东侧的鲁西隆起西边 缘。其所在含水层的径流、排泄区，位于聊兰断裂带 以东河南范县、山东菏泽市东明、鄄城、郓城、济宁 市巨野县、河南兰考等地。奥陶系含水层埋藏一般都 是在 1 000 m 以下，地下水的排泄方式主要为人为开 采，其次为含水层向其他含水层的侧向越流排泄。 （1）巨野煤田调查。巨野煤田规划建设的 7 个矿 井除梁宝寺煤矿在济宁市嘉祥县外，其他的龙崮、万 福、赵楼、郭屯、郓城和彭庄等 6 个矿井全部分布在 巨野、郓城两县。自 2005 年以来相继进入开掘、投 产。在生产过程中，矿井大量疏排地下水（表 1），虽 然矿井抽取的地下水主要为石炭二迭系层位的地下 水，但长期大量抽排，会间接地通过断层对下伏奥陶 寒武灰岩水水位产生影响。从时间上看，在 5 口矿井 中，有 4 口矿井是 2007 年、2008 年开始投入生产 的。排水量从 1 50022 800 m3/d。这个时间段正是豫 01 井水位加速下降的时段。因此，煤矿排水可能也 是豫 01 井下降的一个因素。 表 1 收集的巨野煤田基本信息 Table 1 Basic ination collected about Juye coalfield 煤矿名称 成井时间 /年 井深/m 抽水时间 /年 出水量/ （m3d–1） 龙固煤矿 2004800200424 000 赵楼煤矿 200790020078 400 郓城煤矿 2008900200816 800 郭屯煤矿 2008900200822 800 彭庄煤矿 200890020081 560 （2）区域地热开采调查。马龙等[4]提出在菏泽城 区具有地热成矿有利条件，奥陶纪灰岩热储具有较 高的开发利用价值。奥陶纪灰岩类裂隙岩溶型热 储，盖层为第四系、新近系和石炭二叠系，聊兰断 裂为区内控热构造，菏泽断裂为导水构造。根据周边 已开采的地热井，区内地热资源属于低温地热。主要 用于地热直接供暖、浴疗保健、娱乐旅游等。孙小龙 等[2]提到，聊兰断裂附近区域存在大量的地热开采 井，抽取热水主要用于餐饮娱乐、温泉洗浴及居民楼 供暖等，开采点主要集中在山东省菏泽、东明、鄄 城、郓城和河南省濮阳、范县等地区。 从豫 01 井水位与菏泽地区地热抽水量阶梯对比 （图 3）可以看出，豫 01 井的水位下降时间与该区的 地热开采井的开发时间有较好的一致性。第一口地 热开采井为石化集团 1996 年打的 1 200 m 深的水 井。这与豫 01 井水位开始出现下降时间吻合。菏泽 地区集中开发地热井的时间为 2006 年以后，2006 2009 年集中打井为 9 口，而豫 01 井的水位急剧下降 也是 2007 年以后开始出现。 5 1980 10 1983 15 1986 20 1989 25 1992 30 1995 水位/m 35 19982001200420072010201320162019 年份 图 2 豫 01 井水位整点值曲线 Fig. 2 Hourly value curve of water level in well Yu-01 18地 震 科 学 进 展2020 年 3.09666 14.55229 26.0792 水位/m 年份 开采量/m3 d -1 豫01井水位日均值 菏泽地区热水井累计出水量 1996199820002002200420062008201020122014 图 3 豫 01 井水位与菏泽地区地热抽水量阶梯对比 Fig. 3 Comparison between water level of well Yu-01 and geothermal pumping capacity in Heze 豫 01 井观测层与菏泽地区地热开采井位于同一 个水文地质单元上。尽管开采井距离豫 01 井的距离 较远，大约 50 km 左右，但是它们所处的含水层具有 封闭性好，承压大、通水性好，补给匮乏，一旦其地 下水被抽取，形成永久性水量消耗，其地下水压力也 就很难恢复。因此，菏泽地区热水井的大量开采一定 会影响豫 01 井水位变化。 随着经济发展，豫 01 井西南约 4 km 的范县阳光 小区于 2011 年打了一口约 1 700 m 的地热井，主要 用于冬季取暖及平时洗浴。该井拥有 5 个抽水泵， 即 3 大 2 小。平时，开动 2 个小的抽水机来供给洗浴 用水。冬季来临，需要提供热水时要开动 3 个大的抽 水机，抽水量为 720 m3/d。根据北方法定供暖时间为 每年 11 月 15 日供暖、次年 3 月 15 日停止。而这个 时间与豫 01 井的 2011 年以后出现的水位波动时间 正好符合（图 4）。 抽水量/m3 d -1 7.5720 2010 23.8360 2011 40.10 201220132014201520162017201820192020 水位/m 年份 图 4 豫 01 井水位与供暖出水量对比 Fig. 4 Comparison between water level of well Yu-01 and water output of heating 综合以上影响因素分析认为，2006 年以来，该 区大量地热开采，消耗了有限的奥陶系含水层地下 水，使得豫 01 井观测水位出现了急剧下降的变化。 同时，该区巨野煤田 5 个矿井，20052008 年相继开 工采煤中对石炭、二叠煤系地层进行大量地下水疏 排，间接降低了下伏奥陶系灰岩含水层的压力，加剧 了地下水位下降。2011 年后水位急剧下降中叠加的 年周期波动变化是受范县阳光小区供暖水井的抽水 影响。波动时间与当地供暖时间一致。 3 结论 对豫 01 井观测资料分析、结合观测环境调查， 认为 2006 年以前，观测层没有受到人为开采干扰， 水位稳定。2006 年以来豫 01 井水位发生的急剧下 降，受含水层补给影响不大，主要是该区大量开采深 层地下水，消耗奥陶系含水层有限水量造成的。而同 时期煤矿疏排地下水，是引起深层地下水位加剧下 降的次要原因。2011 年后出现的水位年周期性波动 变化与当地供暖时间一致。 （下转第 39 页） 第 9 期谢恒义等豫 01 井水位急剧下降原因调查与分析19 作用，并且利用学员教育培训档案和评估体系建立 起了一个方便高效、安全可靠的教育培训信息管理 系统。因此，要针对广大学员的需求，结合实际使用 情况，与时具进，不断探索，打造地震系统网络教育 品牌，体现平台价值。 参考文献 丛 冰 玉 ， 吴 丽 . 非 学 历 远 程 教 育 课 程 质 量 研 究−以 “甘 肃 干 部 网 络 学 院 课 程 建 设 现 状 ”为 例 [J]. 智 库 时 代 ， 201923146-147 ［1］ 史瑞刚，周亮，秦琴琴，等. 基于 B/S 的网络教育管理系统的设计与实现[J]. 信息技术与信息化，20195177-180［2］ 钱冬明，徐盈. 干部网络教育技术与趋势[J]. 北京石油管理干部学院学报，2018614-17［3］ （上接第 19 页） 参考文献 李桂清，吴学瑜，刘兆友，等. 深井热水开采对豫 01 井水位影响的探讨[J]. 高原地震，2011，23441-47［1］ 孙小龙，刘耀炜，马玉川，等. 鲁豫交界地区深井水位持续大幅度下降原因分析[J]. 中国地震，2013，291132-141［2］ 刘尧兴，周庆，荆智国. 豫北地区新构造活动特征及中长期地震预测研究[M]. 西安西安地图出版社，2001［3］ 马龙，冯超臣，张旭. 山东菏泽市城区西部地热资源特征及开发利用分析[J]. 地下水，2013，35139-41［4］ 乔光，林红娟. 菏泽市城区深层地下水评价及分析[J]. 山东水利，2006899-100［5］ 张昭栋，耿杰，高玉斌，等. 菏泽 5.9 级地震前豫 01 井水位对气压和固体潮响应的变化[J]. 地震研究，1994，172 164-170 ［6］ 中国地震局监测预报司. 地震前兆异常落实工作指南[M]. 北京地震出版社，2000［7］ 第 9 期陈奇等中国地震局干部教育网络系统优化改进的思考39