杨国华等(2002)根据首都圈地区精密水准复测资料,分析了近10年来地壳垂直形变状态与特征,结果表明,北京、天津和河北等平原地区,过量开采地下水导致了大空间、大量级的地面沉降,从而无法获得这些区域垂直向构造运动信息。首都圈部分井水位的变化特征就显示了超采区井水位的多年趋势下降变化特征,井管突升、地面崩裂的机理是地下水超采导致地面局部沉降的结果(车用太等,2004)。在河北平原地区水资源十分紧缺,人们为满足地方经济快速发展加大了对地下水的开采强度,尤其是对深层地下水过量开采,造成了很多规模巨大的地下水位下降漏斗。河北省第三含水层承压水位降落漏斗主要是沧州漏斗和冀枣衡漏斗。沧州漏斗形成于1967年,中心位于石油二堪641厂。1971年沧州漏斗中心低水位期埋深22.47 m,到2003年底中心埋深为95.62 m,-55 m等水压线封闭面积达到1 663 km²。冀枣衡漏斗形成于20世纪70年代初。经过近30年的发展,漏斗范围已延伸到邢台的南宫、新河、威县、广宗和巨鹿一带。目前仍继续向西南扩展。2003年底,漏斗东滏阳水位埋深71.79 m,比1980年下降了24.05 m。-35 m等水压线封闭面积达到3 348 km²。

地下流体前兆异常在形态、空间、幅度上的不唯一性以及与地震的关系的不确定性,体现了流体异常的复杂性(李富,2002),过量开采的影响更加大了流体异常的复杂性。过量开采地下水引起水文地质环境改变,导致含水层应力—应变状态变化,含水层的水文地质条件随之发生相应改变。上覆地层的荷载减少、非稳定流抽水中弱透水层的释水以及层间越流等情况都有可能发生,水位曲线复杂的动态变化给地震异常识别造成非常大的困难。抽水对井水位影响的研究成果已积累了很多(高立新等,2005; 张石春,张建平,2005),但这些研究一般限于短时间内大量抽水对邻近井水位的影响,由于抽水时间较短,含水层的水文地质环境也相对稳定。超采区的水位变化有别于短时间内大量抽水对邻近井水位的影响,超采地下水对潜水观测井的影响机理较为简单,因为潜水水位下降意味着含水层的疏干和压密。开采地下水产生承压井水位下降并不单单意味着含水层疏干,从起初水头下降(含水层没疏干)到最后阶段的含水层疏干,这一过程中应力—应变状态较复杂。本文主要依据上覆地层的荷载效应、非稳定流抽水中弱透水层的释水和越流过程等规律,阐明大量开采同层承压水或上覆或下伏层位地下水后,地下水位大幅下降的内在规律,为科学合理地提取地震前兆信息提供科学依据。

作者曾对水位的变化形态和区域水位多年同步变化特征进行了分析,并初步讨论了识别地下水超采区井水位异常性质的理论与方法(张素欣等,2007)。根据承压含水层非稳定流抽水原理,地下水下降幅度随时间的增长越来越缓慢,而下降漏斗面积越来越大,所以在相当长时间内,地下水位不会降到含水层顶板以下,即含水层排干较难。水位下降形态受含水层的应力应变以及水文地质条件而呈现复杂的变化特征。

深泽井位于深泽县境内,深泽县含水岩组分第一含水组底界在深度70 m附近,有一完整而厚度均匀的含水层。第二含水组底界在深度150 m附近,含水层集中在80～150 m,厚度30 m以上。东南部、南部因上层砂层薄,井深120～150 m,多为混合开采。第三含水组底界在深度200～400 m附近。第一、第二含水组均属浅层地下水,是该县工、农业用水的主要水源。其补给条件,主要靠大气降水垂直渗入,县内较松散的堆积层提供了良好的补给条件。其次是河渠补给,侧向补给,灌溉回归补给等。但由于上游水利工程修建,岗南、黄壁庄两大水库多年调节效益的提高和上游用水量的增加,河道补给自70年代以来已趋于消失。据2002年8月16日河北省人民政府划定的地下水超采区和严重超采区的区域范围结果看,深泽县大部分地区处于浅层地下水超采区,东南部的深层地下水也为超采区。

深泽井井深501 m,顶板埋深291 m,砂岩承压含水层,属于第三承压含水组,跨越浅层和深层地下水超采区。根据图2可知地下水超采起始于上世纪70年代,而该井资料起始于1981年,所以超采起始时弱透水层释水性及其对非稳定流抽水的影响经过几年的变化已趋于稳定减少状态。浅层水开采造成下伏含水层卸载效应由于时间的关系非稳定变化已趋于稳定状态。所以,分析该井水位资料时可采用线性拟合剔除干扰的方法进行分析。计算结果显示(图4)。图5为该井1988～2005年年水位差值与年降雨总量曲线。曲线显示,年降雨量大小与水位年变幅度在1990～1991年、1995年、1997～1998年、2002～2005年出现不相关的异常情况。图4显示,1989年下半年水位出现上升变化,1989年水位年变幅度减小。分析认为这些异常变化形态是1989年10月19日大同6.1级地震的地震前兆。1991年后水位趋于恢复下降状态,1994年下半年又出现上升形态,1995年、1996年和1997年的年变幅度都较大,1997年达到最高值,之后逐渐下降恢复,2000年基本恢复到均值线附近。虽然1996年河北出现了强降雨过程,但水位是在1995年就开始上升了。分析认为,1994年出现的转折上升以及1995年、1996年和1997年的年变幅度增大,可能是1996年5月3日包头6.4级地震、1998年10月1日张北6.2级地震的前兆异常,2002～2005年降雨量与水位年变幅度不相关的异常情况可能是2006年7月4日文安5.1级地震的前兆异常。

图4 深泽井水位直线拟合分析曲线
Fig.4 Linear fitting curve of underground water in Shenze well

图5 深泽井水位年内差值和降雨量总量图
Fig.5 Annual change range of underground water and annual precipitation in Shenze well

华北平原第四系第三含水组是工农业和城市的主要的供水源,经过多年逐级增多的过量开采,已造成地下水多年趋势下降、地面沉降、上部水下移。这些变化无不引起上下层粘性土释水、吸水和越流。搞清这些变化的过程和特征具有很大的理论意义和前兆信息提取的实际意义。

在资料分析中,关注地下水位持续的下降趋势和幅度,根据含水层厚度、下降时间进程、附近同层开采井水位动态特征,判断其与上覆和下伏含水层的水力联系,虽然定量分析难以准确做到,但是能根据具体情况定性或半定量做出分析结果,这对正确识别前兆异常信息是很有帮助的。

弱透水层具有相当大的释水率,但其透水性极弱,排水困难,具有很长的滞后效应。而对其释水规律的研究目前还很少,有待进一步搜集资料深入研究。

本文在分析深泽井的水位资料动态时,由于缺乏浅层水的资料无法进行对比分析,且观测资料较短,对文中理论分析提到的变化过程无法进行计算分析,只能通过定性分析后,使用线性拟合方法剔除干扰,识别前兆异常,因此该方法的严谨性有待完善。通过本文的分析为承压含水层水位变化指出了分析研究新思路,为识别前兆信息提供了主要影响因素的数学分析模型。