泉州地區(qū)地下水位觀測(cè)資料初步分析

尤宇星，陳小云，謝文杰，林文峰，吳聲偉，黃圣棕

（1.福建省地震局，福州 350001；2.泉州市地震局，福建 泉州 362000）

0 引言

地下水位變化伴隨著地球內(nèi)部巖石受力變形、破裂，流體遷移的過(guò)程，也伴隨著地震孕育和發(fā)生發(fā)展的過(guò)程，揭示了許多有用的信息。因此，對(duì)地下水位變化的觀測(cè)、識(shí)別提取地震前兆信息是十分有意義的［1－8］。“九五”、“十五”和“十一五”期間建設(shè)的泉州地區(qū)數(shù)字化地下流體前兆觀測(cè)網(wǎng)自正式觀測(cè)以來(lái)，為福建省地震預(yù)測(cè)提供了豐富的地下流體前兆觀測(cè)資料。由于異常是相對(duì)于正常動(dòng)態(tài)而言的，其異常信息量是在與其正常動(dòng)態(tài)的對(duì)比中獲得的。因此，筆者通過(guò)具體分析研究，計(jì)算出泉州地區(qū)主要觀測(cè)井的正常動(dòng)態(tài)特征參數(shù)，并對(duì)這些觀測(cè)井內(nèi)在質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)估，以此作為異常對(duì)比識(shí)別可信度的主要依據(jù)。

1 泉州地區(qū)數(shù)字化水位觀測(cè)基本概況

由于福建省內(nèi)80%的強(qiáng)震活動(dòng)都是分布在長(zhǎng)樂(lè)－詔安斷裂帶上，該斷裂帶是一條縱貫福建省東南沿海的活動(dòng)斷裂帶。而作為地震前兆觀測(cè)，觀測(cè)點(diǎn)必須能夠控制一個(gè)地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)，因?yàn)榛顒?dòng)斷裂上一些有利的構(gòu)造部位往往是應(yīng)力集中部位，出現(xiàn)前兆異常的概率明顯高于遠(yuǎn)離斷裂處。所以泉州地區(qū)的各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)均分布在NNE－NE 向的長(zhǎng)樂(lè)－詔安斷裂帶和NW 向的永安－晉江斷裂帶及其次一級(jí)斷裂帶上，具體情況見(jiàn)表1。泉州地區(qū)各觀測(cè)點(diǎn)的水位觀測(cè)均采用LN－3型數(shù)字化水位儀，該儀器由2部分組成，一部分是水位傳感器，另一部分是數(shù)字記錄器，其優(yōu)點(diǎn)是采樣率高、信息量大、自動(dòng)化程度高、資料傳遞快速等。

2 泉州地區(qū)地下水位資料質(zhì)量分析

資料的完整性、穩(wěn)定性、內(nèi)在質(zhì)量精度是衡量觀測(cè)資料質(zhì)量的重要指標(biāo)。觀測(cè)資料只有達(dá)到觀測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，其應(yīng)用價(jià)值才高，才能更好地判斷出觀測(cè)資料的正常動(dòng)態(tài)背景，以利于識(shí)別異常。為此有必要對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行完整性、穩(wěn)定性、內(nèi)在質(zhì)量及其影響因素的檢驗(yàn)［6］。

2.1 觀測(cè)資料的完整性分析

利用下述公式計(jì)算統(tǒng)計(jì)了2006—2011年泉州地區(qū)各觀測(cè)點(diǎn)自觀測(cè)以來(lái)水位整點(diǎn)值觀測(cè)資料的完整連續(xù)率：

得出泉州地區(qū)各觀測(cè)井點(diǎn)除南安2號(hào)井、南安梅山井（2010年后停測(cè)）、惠安2號(hào)井（2011年后停測(cè)）外，其它11口觀測(cè)井的完整連續(xù)率均大于97.4%，其中2011年均超過(guò)99%，影響完整率的主要因素是儀器故障。

2.2 水位觀測(cè)資料的內(nèi)在質(zhì)量對(duì)比分析

地下水位能夠能隨潮汐引力的大小而發(fā)生升降變化，體現(xiàn)較明顯的地球固體潮效應(yīng)已經(jīng)是眾所皆知的事實(shí)。具體表現(xiàn)在泉州地區(qū)各測(cè)點(diǎn)觀測(cè)的水位數(shù)據(jù)日變動(dòng)態(tài)均呈現(xiàn)顯著規(guī)律性，較多地呈雙峰雙谷型，分析各測(cè)點(diǎn)對(duì)固體潮記錄的響應(yīng)能力可以判別各測(cè)點(diǎn)的靈敏度。固體潮具有豐富的潮汐分量，由月球引力引起的O1波和M2波受氣壓影響的程度較小，理論上O1波和M2波對(duì)于分析水位固體潮都是較理想的指標(biāo)。但O1波的幅度較小，信息往往掩埋在噪聲中，而M2波幅度為水位潮汐信息中最大的一個(gè)諧波，因此M2波是分析井水位固體潮以及含水層特征最有效的潮汐分量。通過(guò)對(duì)不同時(shí)間長(zhǎng)度采樣數(shù)據(jù)的頻譜分析表明：M2波幅度與潮汐長(zhǎng)度變化密切相關(guān)，選取不同時(shí)間長(zhǎng)度的采樣數(shù)據(jù)對(duì)M2波幅度的差異性較大，一個(gè)月時(shí)間尺度的采樣數(shù)據(jù)，包含兩個(gè)大潮和小潮，且有足夠的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，可以使計(jì)算結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定［11］。所以，筆者選取2011年泉州地區(qū)地下水位數(shù)據(jù)，采用維尼迪可夫（Venedlkov）調(diào)和分析方法逐月分析計(jì)算水位對(duì)固體潮M2波的響應(yīng)能力，以此來(lái)檢驗(yàn)泉州地區(qū)上述井點(diǎn)井水位數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量［9］。

圖1 泉州地區(qū)地下水位日均值動(dòng)態(tài)變化圖

表2 2011年泉州地區(qū)地下水位M2 潮汐因子計(jì)算結(jié)果

表3 2011年泉州地區(qū)地下水位M2 潮汐因子相對(duì)誤差計(jì)算結(jié)果

從表2及表3可以看出：

（1）永春1號(hào)井潮汐因子變化在9.38～17.88之間，平均值為13.10，其幅度與泉州地區(qū)其它觀測(cè)井相比較大，表明該井的靈敏度很高；相對(duì)誤差在0.028～0.046之間，平均值為0.038，說(shuō)明動(dòng)水位觀測(cè)相對(duì)靜水位觀測(cè)要靈敏很多。

（2）晉江地辦井、惠安地辦井、惠安凈峰井的潮汐因子基本保持在0.3以下，這3個(gè)觀測(cè)井的潮汐效應(yīng)不明顯，說(shuō)明其觀測(cè)資料不能較好反映該地區(qū)地下構(gòu)造應(yīng)力變化，其可利用價(jià)值不高。南安地辦井的潮汐因子0.489～0.825，起伏較大，其潮汐因子的相對(duì)誤差也是最大的，說(shuō)明該井的觀測(cè)資料可利用價(jià)值也不太理想。

（3）不同井點(diǎn)的潮汐可能受多種因素的影響，如井的封閉性、井孔觀測(cè)層巖性及所處觀測(cè)位置等。泉州局井、晉江深滬井、晉江安海井、泉港一中井、石獅赤湖井、永春一號(hào)井等井點(diǎn)的潮汐因子均大于2.0，其M2波的相對(duì)誤差也較小，均有較強(qiáng)的記錄固體潮汐效應(yīng)的能力。安溪1 號(hào)井的潮汐因子不大，但相對(duì)誤差較小，資料亦比較穩(wěn)定可靠。

柔性復(fù)合材料是由紡織材料經(jīng)過(guò)機(jī)織、針織、非織造、編織等加工成基材作為增強(qiáng)材料，再經(jīng)涂層、壓延、復(fù)合等加工制成的具有柔性，以及高強(qiáng)、質(zhì)輕、耐用、透光、耐腐蝕等優(yōu)良機(jī)械和物理化學(xué)性能的復(fù)合材料，可廣泛應(yīng)用于建筑頂棚、交通運(yùn)輸、充氣材料、農(nóng)用材料等領(lǐng)域。

2.3 氣壓對(duì)水位動(dòng)態(tài)變化的影響分析

泉州地區(qū)的井孔都屬于深井，且封閉性較好，受降雨垂直滲入補(bǔ)給的影響較小。然而，“在水位觀測(cè)中不受氣壓影響的井，幾乎是不存在的，只是影響程度不同罷了?！币虼嗽诘卣鸱治鲱A(yù)報(bào)當(dāng)中，人們采用了不同的數(shù)理方法，希望將它從水位觀測(cè)值中扣除得越干凈越好［12］。筆者研究了泉州地區(qū)帶有氣象三要素的測(cè)點(diǎn)水位氣壓效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)水位與氣壓之間規(guī)律性不強(qiáng)。但經(jīng)過(guò)分析整個(gè)地區(qū)井網(wǎng)2011年1—12月水位日均值與氣壓日均值的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)泉州井、晉江安海井、晉江深滬井、石獅赤湖井及泉港一中井上述5個(gè)（永春一號(hào)井其井孔類型為動(dòng)水位）具有較強(qiáng)記錄固體潮能力的測(cè)點(diǎn)，與氣壓基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，氣壓系數(shù)均較大，但氣壓系數(shù)本身并非常數(shù)，其變化幅度也較大，沒(méi)有固定規(guī)律，其中以表4中最有代表性的石獅赤湖井為例。而晉江地辦井、惠安地辦井以及惠安凈峰井等記錄固體潮能力較弱的井點(diǎn)在與氣壓的相關(guān)關(guān)系分析中，基本表現(xiàn)為不相關(guān)。由此可見(jiàn)，記錄固體潮能力愈強(qiáng)的井孔往往受到的氣壓效應(yīng)越大，如何去除水位觀測(cè)值中氣壓的影響，需要我們正確地選擇時(shí)段以及運(yùn)用合理的數(shù)理方法。

表4 石獅赤湖井2011年水位與氣壓日均值相關(guān)關(guān)系計(jì)算結(jié)果

2.4 周圍環(huán)境對(duì)水位觀測(cè)的影響

泉州地區(qū)上述水位觀測(cè)較為完整連續(xù)的11個(gè)測(cè)點(diǎn)中，根據(jù)歷年各測(cè)點(diǎn)的年終資料會(huì)商，泉州局井、惠安地辦井及安溪1號(hào)井這3個(gè)測(cè)點(diǎn)的水位觀測(cè)值長(zhǎng)期受到周邊環(huán)境干擾較大。泉州局井、惠安地辦井均處在各自的新興開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，自開(kāi)始觀測(cè)以來(lái)附近多處工地多次斷斷續(xù)續(xù)地施工，而安溪1號(hào)井東面的城東大水閘不定期的畜水與放水對(duì)測(cè)井的水位資料動(dòng)態(tài)變化造成一定的影響。

3 泉州地區(qū)地下水位資料動(dòng)態(tài)特征分析

3.1 多年趨勢(shì)動(dòng)態(tài)對(duì)比分析

對(duì)觀測(cè)井不少于一年正常觀測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算，可以獲得水位動(dòng)態(tài)及潮汐響應(yīng)函數(shù)的基本特征，這些參數(shù)可稱之為觀測(cè)井的特征參數(shù)。這些特征參數(shù)可以客觀地反映觀測(cè)井的基本素質(zhì)和周邊環(huán)境的影響，因而也可用于定量評(píng)價(jià)各個(gè)井的內(nèi)在質(zhì)量的優(yōu)劣［6］。然而由于各觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)值高低不一，故筆者對(duì)2006—2011年泉州地區(qū)地下水位數(shù)字資料相對(duì)年變幅做了分析統(tǒng)計(jì)，在每個(gè)井點(diǎn)全年365個(gè)日均值中找出正負(fù)最大值后，將兩者的絕對(duì)值相減，即得該井點(diǎn)水位變化的年變幅，再以年變幅除以年均值得到相對(duì)年變幅。并對(duì)這幾年的相對(duì)年變幅做了均方差的分析計(jì)算（表5），得到泉州地區(qū)上述測(cè)井?dāng)?shù)字化水位多年及年趨勢(shì)變化的幾個(gè)特征：

（1）從表5得出：若相對(duì)年變幅較大，說(shuō)明該井的年動(dòng)態(tài)變化起伏較大，反之，則較小。如2006年年變規(guī)律起伏最大的惠安地辦井，相對(duì)年變幅達(dá)到2.0238 倍，2010年年變規(guī)律起伏最小的泉港一中井，其相對(duì)年變幅度為0.106倍。

（2）通過(guò)對(duì)2006—2011年泉州地區(qū)上述測(cè)點(diǎn)地下水位數(shù)字資料相對(duì)年變幅的均方差計(jì)算可以得出其多年動(dòng)態(tài)趨勢(shì)變化規(guī)律。多年相對(duì)年變幅的均方差越小，說(shuō)明多年趨勢(shì)變化越穩(wěn)定，根據(jù)表5 和圖1，筆者對(duì)2006—2011年泉州地區(qū)地下水位數(shù)字資料各觀測(cè)點(diǎn)各自多年動(dòng)態(tài)變化穩(wěn)定性進(jìn)行分析認(rèn)為：永春1號(hào)井、石獅赤湖井、泉港一中井穩(wěn)定性最好，屬于平穩(wěn)變化型；泉州局井、晉江地辦井、晉江深滬井、晉江安海井、惠安凈峰井的多年動(dòng)態(tài)起伏相對(duì)較大，基本屬于下降—上升—下降型；安溪1號(hào)井則屬于下降—平穩(wěn)—漸升型。

（3）泉州局井、惠安地辦井及安溪1號(hào)井受干擾較多，其相對(duì)年變幅的均方差亦較大。

表5 泉州地區(qū)水位觀測(cè)資料多年穩(wěn)定性分析

3.2 年變化動(dòng)態(tài)特征對(duì)比分析

從圖1可以看出泉州地區(qū)各測(cè)點(diǎn)間存在著較為同步的年變規(guī)律，在2012年4月之后，屬多年動(dòng)態(tài)平穩(wěn)型的永春1號(hào)井、石獅赤湖井、泉港一中井，水位趨勢(shì)仍保持較為平穩(wěn)的動(dòng)態(tài)變化，其余測(cè)點(diǎn)（除泉州局井外）的水位走勢(shì)均呈下降趨勢(shì)。對(duì)于具有較好記錄固體潮能力的泉州井、晉江安海井、晉江深滬井、永春一號(hào)井、石獅赤湖井及泉港一中井，利用泉州地區(qū)自開(kāi)始觀測(cè)以來(lái)上述測(cè)點(diǎn)水位月均值最高值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到：泉州地區(qū)上述6個(gè)測(cè)點(diǎn)水位的月均最高值95%發(fā)生在6—10月（圖2）。結(jié)合圖1可以得出：一般從3月份起各測(cè)點(diǎn)水位開(kāi)始呈上升趨勢(shì)，6—10月內(nèi)達(dá)到峰值，10月后開(kāi)始下降，一般在次年2月降到最低點(diǎn)。而圖1與圖2表明：泉州局井的水位在2011年12月至2012年4月存年畸變異常。對(duì)上述6個(gè)測(cè)點(diǎn)具有一致動(dòng)態(tài)曲線特征對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：泉州局井水位在2011年04月至2012年9月連續(xù)上升，但其余5個(gè)測(cè)點(diǎn)在7月后有3個(gè)下降，2個(gè)較為平穩(wěn)（圖1），表明該年變異常并非區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化所致。事實(shí)上，2012年初，泉州局曾組織相關(guān)人員經(jīng)過(guò)對(duì)周邊環(huán)境的實(shí)地考察，最后判定2011年4月起至2012年3月附近幾處工地的施工可能是對(duì)該井水位造成干擾的原因①關(guān)于泉州市地震局水位異常情況的報(bào)告。

圖2 泉州地區(qū)各測(cè)點(diǎn)歷年水位最高月均值統(tǒng)計(jì)

3.3 月變化動(dòng)態(tài)特征對(duì)比分析

對(duì)于各觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)值高低不一的情況，可以用各測(cè)點(diǎn)相對(duì)變化幅度的相對(duì)均方差對(duì)泉州地區(qū)水位觀測(cè)資料每月及每日動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行分析。相對(duì)均方差是給定時(shí)間段內(nèi)數(shù)列的均方差與數(shù)列的均值之比［8］：

式中：S為均方差，為均值，選定“日”為單位時(shí)間段，那么日相對(duì)均方差就是每天水位整點(diǎn)值相對(duì)變幅的均方差與日均值之比，用EIS2000軟件［9］計(jì)算，求取各井點(diǎn)每天的相對(duì)均方差，再以式（1）計(jì)算得出各測(cè)點(diǎn)每天的相對(duì)均方差與月均值之比，用該統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)研究泉州地區(qū)水位觀測(cè)資料的曲線變化動(dòng)態(tài)特征。如果觀測(cè)水位的日相對(duì)均方差小，說(shuō)明其日變幅度規(guī)律較好，月動(dòng)態(tài)規(guī)律性好，其月相對(duì)均方差變化較小。

由于泉州局井處在一個(gè)新興開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，自該井開(kāi)始觀測(cè)以來(lái)附近多處工地多次斷斷續(xù)續(xù)地施工，對(duì)該井的水位資料動(dòng)態(tài)變化造成一定的影響，并從表6看出泉州局井月相對(duì)均方差遠(yuǎn)大于泉州地區(qū)其它觀測(cè)點(diǎn)，表明測(cè)點(diǎn)附近存在干擾的事實(shí)印證了其月動(dòng)態(tài)規(guī)律不好的現(xiàn)象。

表6 2011泉州地區(qū)水位觀測(cè)資料穩(wěn)定性分析

4 結(jié)論

（1）泉州數(shù)字化水位觀測(cè)目前共有17個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中3個(gè)測(cè)點(diǎn)為2011年以后新增，觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的有14個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中11個(gè)測(cè)點(diǎn)資料較為連續(xù)完整可靠，利用2006—2011年這11個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的日值圖并結(jié)合相對(duì)均方差方法對(duì)多年、年、月及日動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行定量分析，可以找出其多年、年、月及日動(dòng)態(tài)特征。其中泉州井由于受到2011年附近工地施工干擾影響，其月相對(duì)均方差偏大，該井該年的月動(dòng)態(tài)規(guī)律性不好；安溪1號(hào)井的多年動(dòng)態(tài)特征起伏較大，規(guī)律性不強(qiáng)；其余的觀測(cè)井?dāng)?shù)字化水位資料多年、年、月及日動(dòng)態(tài)特征規(guī)律性較強(qiáng)。對(duì)于年變規(guī)律清晰、相對(duì)動(dòng)態(tài)變化較為同步且記錄固體潮汐效應(yīng)能力較強(qiáng)的觀測(cè)井，比如泉州局井、晉江深滬井、晉江安海井、石獅赤湖井、泉港一中井、永春1號(hào)井等，由于這些測(cè)點(diǎn)同處于NNE－NE向的長(zhǎng)樂(lè)－詔安斷裂帶和NW向的永安－晉江斷裂帶上，之間存在的同步變化的動(dòng)態(tài)變化特征共同反映了該構(gòu)造區(qū)域活動(dòng)引起的地下流體變化的信息，形成了一個(gè)非常直觀的地震前兆監(jiān)控網(wǎng)。所以需要有效識(shí)別這些測(cè)點(diǎn)水位的正常動(dòng)態(tài)，才有可能在地震中短期或短期前兆異常監(jiān)測(cè)中發(fā)揮一定的效能。

（2）永春井井孔類型屬于動(dòng)水位類型，其觀測(cè)井井孔條件較好、年變規(guī)律清晰、動(dòng)態(tài)變化平穩(wěn)，是福建省少有的自流溫泉井，不僅能反映含水層孔隙壓力的變化，且由于熱水井或水中含有較多氣體，“溫度效應(yīng)”和“氣體效應(yīng)”又對(duì)水位變化產(chǎn)生次生放大作用，所以較泉州地區(qū)其它靜水位觀測(cè)要靈敏得多。

（3）泉州地區(qū)的水位觀測(cè)井類型（除永春井）均為封閉的承壓含水井，地下水位的觀測(cè)值動(dòng)態(tài)變化中包含了地質(zhì)過(guò)程、固體潮、大氣壓力及周圍地下開(kāi)采與施工等因素。而對(duì)含水應(yīng)力層反應(yīng)愈靈敏的井孔（如泉州井、晉江安海井、晉江深滬井、石獅赤湖井及泉港一中井），對(duì)固體潮、大氣壓力及周圍環(huán)境變化的記錄愈清晰，這其中除了地質(zhì)過(guò)程，其它均可看作干擾因素，應(yīng)采取較為合理的數(shù)理方法去有效地排除地下水位資料中的各種干擾因素，才能提取可靠的地震信息。

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