河北丰南井水位大幅下降异常分析

唐 杰，李 楠，张素欣，盛艳蕊，丁志华

(1.河北省地震局，河北 石家庄 050021；2.河北集梦环保工程有限公司，河北 石家庄 050081)

丰南井2020年6月5日-6月20日水位快速下降，由114.7 m下降到138.5 m，幅度约23.8 m，6月20日之后丰南井水位下降速率变缓，7月12日唐山古冶5.1级地震之后，水位又快速下降，7月21日水位下降速率增大，7月21日-7月23日水位下降约5.4 m，8月中旬水位逐渐恢复。此次水位下降幅度较大，经初步核实，下降变化属实。丰南井水位下降异常受到河北省地震局、唐山应急管理局重视并召集丰南应急管理局等相关部门和企业核实地下水开采情况，本文将对该井水位的异常变化因素进行分析。

1 丰南井概况

丰南井所处的唐山地区构造上位于燕山褶皱带南缘，发育较厚的元古宙、下古生代和晚古生代含煤建造。中生代燕山运动形成一系列褶皱和断裂，中生界缺失。新生代以来，北部抬升、南部下沉，构造分异明显，第四系覆盖层由北向南逐渐加厚[1]。区内有多条相互平行的NNE-NE向断裂组成的区域性活动断裂带，深地震反射剖面揭示，断裂浅部为花状构造，深部切割和扰动了下地壳和壳幔过渡带，控制着该区地震的孕育与发生[2-3]，北段自西向东依次分布着陡河断裂(F1)、巍山-长山南坡断裂(F2)和唐山—古冶断裂(F3)，南段自西向东分布着唐山—丰南断裂(F4)和唐山断裂(F5)(图1)[4-6]。丰南井位于唐山市丰南区的岭子背斜轴部，唐山-丰南断裂附近，丰南井井深706.7 m，孔口标高5.95 m，井孔套管深度为546.24 m，其中397 m和427 m存在变径，奥陶系灰岩埋深540 m左右，为岩溶裂隙承压水。丰南井所处的区域地势北高南低，自西北向东南倾斜，奥陶系灰岩在唐山市区凤凰山、大城山及北部一带出露面积仅1 km2，因此含水层主要补给区在北部山区，陡河流经大城山地段较破碎的奥陶系灰岩也存在侧向渗漏补给，在第四系底部沙砾石层浅埋灰岩区也是奥陶系灰岩的补给区，排泄方式主要是工矿、市政及农业开采用水。丰南井1983年开始水位观测，2000年开始启用SW40-1水位自记仪，2010年4月观测仪器故障，之后改为手动测量观测。

2 井水位动态变化

2.1 趋势变化特征

河北丰南井基础资料齐全，模拟观测资料较连续。自观测以来水位长期趋势变化呈现2各阶段：第一阶段为1983-2005年平稳期。这期间，丰南井受降雨影响明显，年变动态明显，与同处唐山断裂带附近的唐山矿井水位变化一致，表现为1-3月降雨少，周围农业用水量小，仅有工业，居民生活等比较稳定的用水量，水位变化较为平稳；4-6月农业用水量增加，此时降雨量仍很少，水位快速下降；7-10月降雨量增加，开采减少，地下水得到了补给，水位逐渐上升；11-12月水位变化平稳。第二阶段为2006-2020年下降期。受地下水开采影响，2005年以后丰南井年变规律消失，水位变化与唐山井水位出现不同步现象，水位呈下降趋势，受降雨影响出现小幅上升波动变化。这种趋势性变化主要受不同时期井孔周围工用水及煤矿地下水开采量变化所影响。

图1 丰南井及周边地质构造图

2.2 异常变化特征

河北丰南井水位异常变化特征主要表现为趋势转折变化，2010年4月1日水位在缓慢下降趋势下，发生滦州4.1级地震，地震之后4月12日水位下降幅度约70 m，2012年快速上升-下降，在水位平稳期发生了滦州4.8级和宝坻4.0级地震，2013年再次出现快速上升-下降，期间唐山地区无4级以上地震发生；2013年10月以后水位一直呈缓慢下降趋势。2015年11月进行了注水试验，结果显示该井渗透系数较弱，与奥陶系含水层渗透系数不符，分析认为可能与其他含水层连通，有微弱的水力联系。

本次异常于2020年6月5日丰南井出现大幅下降，6月17日-7月11日水位下降速率变缓，7月12日唐山古冶5.1级地震后，水位仍下降，7月22日下降速率增大。观测人员7月24日8时测量数据为154.31 m，7月24日11时利用井下电视探测水位埋深153.9 m，误差为0.41 m，观测数据基本可靠(图2)。

图2 丰南井水位变化曲线

3 异常分析

引起水位变化有多种原因，前人研究表明，中强地震发生前震中附近观测井会出现明显的水位异常变化[7]。这也是由于震源区岩石受地震影响变形程度加强，当剧烈的变形传达到地表时，使地表附近的含水层或隔水层发生变形，从而引起水位发生变化。但是，并非所有的地下水位异常变化都区域构造运动有关，地下水观测井的水位也受降雨、地下水开采等水文因素的干扰[8]。近年来，随着经济建设的发展，唐山周边煤矿开采现象日益严重，煤矿开采引起的区域地下水位大幅度下降，不可避免地影响了观测井水位的动态变化[9]。因此，地下水位的异常变化既可能受区域构造活动影响，也可能是周边环境变化的干扰所致。本文就以下几点对丰南就水位下降异常进行分析。

3.1 降雨因素分析

丰南井水位受降雨影响明显，降雨量越大，水位会升较快，回升幅度也较大，反之，回升幅度较小。与2019年相比，2020年丰南地区降水量明显减少(图3)。降水减少，对地下水含水层的补给量就会减少，可能造成水位的下降变化。但较少雨量并不会引起水位较大幅度的下降变化，6月农业灌溉季节，大量抽水也会造成丰南井水位大幅下降。

图3 2020年7月唐山地区降水量与2019年同期对比

3.2 离子测试结果分析

表1为2015年丰南井井口以下200 m和350 m处、附近相关奥灰水监测井水样以及2020年丰南井的离子测试结果。表1显示，该区域第四系冲积含水层水样硬度小仅为17 mg/L，为极软水；石炭系砂岩裂隙水水样硬度为中硬度水；奥陶系岩溶水水样硬度在600～800 mg/L之间，为极硬水。从水质方面分析，丰南井水样与奥陶系灰岩水有区别，可能含有第四系冲积层含水层孔隙水。

根据舒卡列夫分类法，2015年丰南井埋深200 m处水类型为Na-CO3·SO4，埋深350 m处水类型为Na·Mg-CO3·SO4·Cl，2020年约150 m处水类型为Na-CO3·HCO3。丰南井所处位置的第四系松散孔隙含水层组，水质类型为重碳酸钙镁型或重碳酸钠钙型；石炭二叠系砂岩裂隙含水层组，水质类型为重碳酸钠型或重碳酸钙型；奥陶系岩溶裂隙含水层，含水层水质类型为重碳酸钙镁型或硫酸重碳酸钙镁型。从水质方面分析，丰南井3次水样类型不一致(图4、图5)，不是成井时的奥陶系灰岩水，既不完全同于第四系冲积层含水层孔隙水，与奥陶系灰岩水也有明显区别，表明丰南井水为多个不同含水层的混合水。丰南井井孔柱状图显示，该井岩溶裂隙发育，509～512 m两处具直立裂隙，564.4 m处偶见溶洞，575～575.85 m为张性裂隙，复杂的井孔条件在受到某种力的作用时，可能会导致不同的含水层水的混入。

表1 监测井水质分析表 mg/L

图4 水样Piper图 图5 水样的Schoeller图

3.3 构造活动分析

从构造位置来看，丰南井所在处含水岩体受到挤压力，含水层孔隙压力升高，引起井水位上升；反之，观测井所在处含水岩体受到拉张力，含水层孔隙压力降低，引起井水位下降[10]。2020年7月12日唐山古冶5.1级地震的震源机制解(图6)，显示丰南井位于应力拉张区，井水位出现下降变化，所以不排除构造活动的影响。

图6 唐山5.1级地震震源机制解及唐山地区井孔分布图

3.4 周边环境影响分析

丰南井处于开滦集团的采煤区，附近开滦集团的观测井含水层资料见表2(目前没有其他各井孔的位置图)。奥陶系灰岩含水层的扩水13井、第四系冲积层的扩水11井和扩水18井6月灌溉季下降速率较快，之后缓慢下降，奥灰水无明显大幅下降变化，扩水19井与丰南井同步下降，2020年6月以来下降幅度约30 m(图7)，其观测含水层为煤12-煤14，两井下降时间、变化形态类似，结合水样测试结果，表明丰南井含水层水可能含有煤12-煤14水。

表2 各井孔观测含水层情况

图7 丰南井与扩19水位变化对比图

煤矿开采排水使地下水的流场、渗向发生变化，使矿区煤系地层裂隙水与上覆松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙孔隙水及下伏含水层发生水力联系，与丰南井离子测试结果中可能含有第四系孔隙水的结果一致。同时煤矿开采排水使得含水层中的地下水大量漏失，地下水位迅速下降[11-12]。丰南井位于胥各庄下降漏斗的中心区[13]，下降变化更明显。

煤矿开采形成的采空区使其上覆含水岩层发生形变，形成沉陷或裂缝等[11]，距离丰南井约2 km的丰南镇北新庄子村出现塌陷(资料来源：唐山市人民政府网站)，地面塌陷会破坏地下水的隔水层和储水构造，使得含水层水发生变化。

综上分析认为，开滦集团煤矿开采排水及产生的塌陷可能引起丰南井水位下降及水化学类型发生变化。

4 结语

通过以上分析论证，得到以下结论：

(1)2020年7月12日唐山5.1级地震的震源机制解显示，丰南井位于应力拉张区，若受构造应力影响，该井水位会呈现下降变化，因此不能排除构造活动影响。

(2)与往年对比，2020年降水量减少，地下水补给量减少，同时农业灌溉大量抽水会影响丰南井大幅下降，但影响因素较小。

(3)注水试验结果显示，丰南井的渗透系数较小，与奥陶系灰岩特征不符，可能井水与奥灰含水层之间的无直接水力联系，与其他含水层之间可能存在微弱的水力联系。

(4)水样测试结果显示，丰南井观测含水层水不是成井时的奥陶系灰岩水，可能为第四系孔隙水、石炭系、二叠系、奥陶系灰岩等多个含水层的混合水。

(5)扩水19井(含水层为煤12-煤14)与丰南井下降时间、变化形态类似，结合水样测试结果，认为丰南井含水层混入了煤12-煤14含水层的水，开滦集团煤矿开采排水及塌陷可能使得地下水的流场、渗向发生变化，使得煤系地层与上覆含水层、下伏含水层发生水力联系，引起含水层水下降。

综上所述，2020年6月5日以来的丰南井水位大幅下降异常，主要为煤矿开采排水及塌陷，还可能包含降雨减少、农业灌溉地下水大量开采、构造活动的影响。