昌黎井水位破年變異常分析

盛艷蕊 張子廣 張素欣 楊歧焱 于春頌

1)河北省地震局，石家莊市槐中路262號 050021

2)河北省地震局秦皇島中心臺，河北 秦皇島 066100

0 引言

地下水可靈敏地記錄到地殼微小的體應變，反映地震孕育信息，但水位的變化也包含其它干擾因素。干擾排除、前兆異常識別及異常特征的分析，是進行震情判定工作的基礎。井水位異常的主要特征有多年趨勢上升、下降以及水位破年變或固體潮畸變等(國家地震局科技監(jiān)測司，1995)，其中井水位破年變異常是中強震前中短期異常的重要表現(xiàn)形式之一，分析水位破年變異常對震情判定具有重要意義。

井水位破年變異常是指水位年變形態(tài)遭到破壞(國家地震局科技監(jiān)測司，1995;周翠英等，2010)，總結《中國震例》中水位破年變主要類型有年變幅改變、年變規(guī)律消失、改變多年基值、年動態(tài)改變(反向變化、上升或下降時間提前或推遲)、上升或下降速率改變等，其中反向變化、速率改變的破年變異常對應地震的信度較高。井水位破年變異常多出現(xiàn)在地震前十幾天～1年左右，屬中短期異常，一般在地震發(fā)生后異常逐步結束;破年變異常對應的地震震中距多在 300km范圍左右(張肇誠等，1988、1990a、1990b、1999、2000、2002;陳棋福等，2002a、2002b、2003)。

分析昌黎井水位年動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)2000年以來井水位破年變異常頻次增多。近年來由于經濟的發(fā)展，環(huán)境干擾對觀測井的影響增多，井水位破年變是環(huán)境干擾引起還是構造活動引起的地震前兆異常，需要進一步分析。本文利用動態(tài)年周期方法識別2000～2013年昌黎井水位破年變異常，基于前人研究成果，主要從降雨、井孔觀測條件改變、附近井孔抽水、孕震機理等方面分析引起昌黎井水位破年變異常的原因。

1 昌黎井井孔概況

昌黎井地處燕山山前平原，飲馬河沖積扇上，距離昌黎-寧河斷裂約1.5km(圖1)，位于斷裂的西北盤(上升盤)，為地熱異常區(qū)溫泉鉆孔，成井深度301.04m，主要出水段為172～180m(圖2)，地下水類型為裂隙、孔隙混合承壓水(曹新來等，2001)。昌黎井處于低山丘陵水文地質區(qū)，北部山區(qū)到井區(qū)的地形坡度較大，是該井裂隙水的補給區(qū)(車用太等，2004a)。昌黎井水位具有明顯的年變特征:每年3月底至4月初水位下降，5月份前后一段時間下降速率較大，雨季來臨水位開始回升，一般在降雨充分的7～8月水位回升較快，隨后緩慢上升，直至翌年3月份達年最高水位，雨季水位回升幅度受降雨量大小影響(車用太等，2004b);這種變化的動態(tài)說明含水層受春灌影響水頭降低，雨季水位又迅速回升則說明補給區(qū)不是很遠。2004年7月洗井后水位仍具有年變特征。

圖1 昌黎井周邊地質構造簡圖

2 昌黎井水位破年變異常判別

本文利用動態(tài)年周期方法識別昌黎井水位破年變異常，依據(jù)《中國震例》中總結的破年變異常特征進行分析。

2.1 動態(tài)年周期方法

h(t)為井水位年動態(tài)變化為某一相對時段井水位平均值，作為標準年動態(tài)，用該時段的標準年動態(tài)和實際觀測曲線對比，當兩者變化相差較大時，作為異常。標準年動態(tài)曲線根據(jù)地震前2～3年井水位變化較平穩(wěn)時期的觀測值計算得到。

式中，m為相對時段內所含的年數(shù)，nj為第j年的觀測次數(shù)，hjt是第j年度t時刻的水位觀測值(劉喜蘭等，2003)。

圖2 昌黎井井孔柱狀圖

1983～1999年昌黎井水位多年水位均值在0.9m左右波動，選取水位年動態(tài)清晰、變化較為穩(wěn)定的1997～1998年的水位平均值作為標準年動態(tài)，利用標準年動態(tài)和實際觀測值對比，發(fā)現(xiàn)2001、2002年水位在0.5m以下波動，未達到往年的水位高值，水位年變幅改變。2004年洗井之后水頭升高，2007年以后水位基本穩(wěn)定，在1.2m左右波動變化，但年動態(tài)未改變，與標準年動態(tài)(為符合實際水位動態(tài)變化，有些年份標準年動態(tài)為上述時段計算的水位值+0.4m)相比，2007、2008年水位趨勢上升，上升速率改變;2009年雨季水位未回升;2010年2月中旬～5月反向上升;2012年4月反向上升;2013年10月底反向下降(圖3)。

3 昌黎井水位破年變異常分析

分析昌黎井水位破年變成因，主要從降雨、井孔觀測條件改變、附近井孔抽水以及孕震機理等方面進行。

3.1 水位破年變與降雨關系

昌黎井含水層上部有較厚的粘土隔水層，不直接接受降雨補給，該井北部為燕山山脈南麓，地勢陡峭，出露大面積的花崗巖和片麻巖，主要通過地下徑流對井水位補給。多年觀測資料表明，正常情況下，昌黎井水位在雨季(或稍有推遲)有上升變化，因此，分析水位的破年變，可從降雨滲入量的變化入手。

圖3 昌黎井水位觀測曲線與標準年動態(tài)水位曲線的對比

1983～2000年昌黎地區(qū)年降雨量為332～848mm(表1)，平均年降雨量589mm，雨季大幅降雨多集中在7～8月，也有年份提前到5～6月，或推遲到9～10月。1999～2002年連續(xù)4年年降雨量小于多年平均年降雨量，2001、2002年雨季最大月降雨量小于200mm(圖4)，對含水層補給較少，通過地下徑流對井水位補給也會偏少，徑流補給對井水位有滯后效應(一般情況下，雨季之后水位翌年3月才能達到最高值)，對比1989、1992、1993年降雨量低于多年平均降雨量時，出現(xiàn)雨季之后水位回升較少、年變幅改變的破年變異常。因此，可以認為2001～2002年昌黎井水位年變幅改變異常與1999年以來的降雨量顯著偏少有關。

由此可知，第二條控制性結構面以上坡體的位移較大，以下區(qū)域基本沒有位移產生，第二條控制性結構面對邊坡開挖后的變形起到了控制作用；第一條結構面以上坡體的位移最大，這說明第一條結構面以外巖體的變形最大。此外，在外界誘發(fā)因素條件下，第1條結構面以外巖體將首先沿該結構面發(fā)生失穩(wěn)滑動，此外，當外界因素繼續(xù)增加，第2條結構面以外巖體為潛在滑體，第2條結構面為潛在滑帶，位于此結構面外側巖體最容易沿此結構面發(fā)生滑動破壞。

2007、2008年昌黎井水位趨勢上升，且上升速率較快。2000～2005年雨季降雨量均值343.5mm，2006～2008年雨季降雨量分別為468.5、454.6和384.3mm。對比發(fā)現(xiàn)，2006～2008年雨季降雨量較往年雨季降雨量均值偏大，計算2006～2008年雨季降雨量與水位高值相關系數(shù)為0.74406，說明降雨對水位的影響較大。降雨對井水位的影響有即時效應和滯后效應，下面用褶積濾波方法分析降雨量對昌黎井水位的影響。

表1 1999～2002年昌黎地區(qū)年降雨量表

圖4 昌黎井水位曲線與月降雨量曲線的對比

把井孔水位、含水層看成一個系統(tǒng)，具有系統(tǒng)函數(shù)R(t)，降雨量CR(t)為輸入信號，降雨對井水位的影響值HR(t)為輸出信號，三者之間的褶積關系為:HR(t)=R(t)*CR(t)，井水位的趨勢變化h(t)，則昌黎井水位

降雨對井水位影響的即時效應，利用一次項擬合，降雨對井水位的滯后效應，利用多項式擬合，則降雨對井水位影響的數(shù)學模型為

假定井水位的趨勢變化h(t)為線性變化，利用線性項B0+B1t擬合，考慮降雨對井水位的即時及滯后效應(張學民等，1996)，則

昌黎地區(qū)降雨多集中在每年的7～8月，井水位在7月底8月初左右開始回升(即時效應)，水位在翌年2月底3月初左右達到最高值(滯后效應)，因此認為，降雨影響即時效應為1個月，滯后效應為5個月，降雨對井水位的影響為6個月(宋曉磊等，2006)，則t1－t0=1，t2－t1=5。根據(jù)式(4)可知降雨對昌黎井水位的影響有 8 個待定系數(shù)，即B0、B1、A0、A1、A2、A3、A4、A5。將昌黎井水位觀測值及降雨量作為時間的函數(shù)代入(4)式，通過多元回歸得到8個系數(shù)，最后得出降雨對井水位影響的定量值。

經褶積濾波消除降雨對昌黎井水位的影響之后，井水位變化較平穩(wěn)(圖5)，因此，認為2007～2008年井水位年變異常是由于2006～2008年的降雨量變化引起的。

圖5 昌黎井原始水位與降雨量校正對比曲線

3.2 水位破年變與井孔條件改變的關系

2002年昌黎井的水位處于觀測以來的最低值，存在斷流危險，于2002年10月對井口裝置進行改造，在出水口加裝了三通，三通的內徑是原排水管內徑的三分之一，泄流量減少，井水位勢必會上升。2003年6月出水口流出黑色、有臭味的粘稠狀物質，7月15日～8月l日斷流，雨季過后又緩慢回升至自流，2004年初，出水口底部由于多年腐蝕，出現(xiàn)嚴重漏水，于2004年7月3～24日采用空壓機負壓洗井(岳秀俠等，2005)，洗掉殘留在井壁及井底的沉淀物，使井壁周邊的含水層導水能力變大，井-含水層系統(tǒng)水量交換增加，因此，水位上升(圖6)。由此可見，昌黎井水位2002年10月～2004年的水位年動態(tài)消失的破年變異常是由于井孔條件改變引起的(張素欣等，2003)。

圖6 1983～2007年昌黎井水位日均值曲線

3.3 水位破年變與附近井孔抽水關系

圖7 昌黎井水位、年降雨量對比曲線

應用地下水均衡理論(薛禹群等，1979)，對一個含水層(組)來說，任一時間段內，含水層儲水量的變化為地下水補給量與排泄量之差，以水位的變化表現(xiàn)出來，含水層水位的變化ΔH以觀測井孔水位的變化反映出來(曹新來等，2001)

式中，ΔH為含水層水位變化幅度，Q補為地下水補給量，Q排為抽水量，μ為儲水系數(shù)，A為含水層面積。

從昌黎井水位年動態(tài)變化來看，春灌會引起水位降低，雨季降雨使水位回升，說明降雨是該井區(qū)水的主要補給方式，春灌是主要的排泄方式。2009年昌黎地區(qū)年降雨量為580.4mm，接近多年均值降雨量，即2009年降雨對水的補給量Q補較往年變化不大，雨季之后不是灌溉季節(jié)，在沒有劇烈地質條件變化時期，含水層面積A和含水層儲水系數(shù)μ基本不變，抽水Q排增加，勢必引起昌黎井水位的下降。

2013年10月底昌黎井水位下降，且下降速率較快(圖7)，11月底水位整點值曲線呈鋸齒狀周期性波動變化(圖8中黑色圈標出)，這種變化多出現(xiàn)在白天，周六、周日的觀測曲線較為平滑。昌黎井位于昌黎縣酒廠內，經調查核實，距離觀測井大約30m處有一口抽水井，酒廠周一到周五工作時間抽水，周末休息停止抽水，與昌黎井水位鋸齒狀變化時間一致，由于種種原因，抽水量無法獲得，認為臨井抽水引起了昌黎井水位下降。圖7顯示昌黎井水位下降時段仍具有明顯的固體潮效應，說明水位下降，未掩蓋其固體潮的變化，潮差變化約9cm，表明該井仍能靈敏地記錄到含水層微小的變化。所以昌黎井水位2013年10月底的下降異常雖因抽水影響，但也不能排除包含地震前兆信息的可能。

圖8 2013年12月1～10日昌黎井整點值水位變化曲線

3.4 水位破年變異常映震能力分析

2010年2月下旬，昌黎井水位在趨勢下降的背景下，轉折上升(圖7)，附近溫泉熱水井開發(fā)仍在持續(xù)，而且雨季未到來且是春灌開采時段，水位出現(xiàn)上升的異常變化，認為可能與2010年3月6日灤縣4.2級地震、4月9日豐南4.1級地震有關，5月初水位恢復正常動態(tài)。

2011年3月11日的日本9.0級地震發(fā)生時，昌黎井水位有同震響應，階升幅度約0.063m，地震之后水位緩慢下降，恢復正常動態(tài)。

2012年3月底至4月底，昌黎井水位在正常下降的背景下，發(fā)生上升的破年變異常(圖9)，該時段未出現(xiàn)大幅降雨，異常結束后約1個月，發(fā)生2012年5月28日唐山4.8級地震，因此，認為這種異常變化可能與此次地震有關。

圖9 地震前后昌黎井水位的觀測曲線

上述幾次地震前，昌黎井水位破年變異常特征見表2。

4 結論與討論

(1)利用動態(tài)年周期方法分析2000～2013年昌黎井水位破年變異常，結果顯示，2001、2002、2007、2008年的破年變異常是因為降雨影響，2002年10月～2004年破年變異常是因井孔條件改變引起的，2009年異常為臨近井孔抽水引起，2010、2012年的破年變異常為地震前兆異常，2013年破年變異常有臨井抽水影響，但也不排除包含地震前兆異常信息的可能。

表2 地震前昌黎井水位破年變異常特征表

(2)昌黎井水位自觀測以來資料連續(xù)性較好，有一定的映震能力，2010、2012年昌黎井水位在正常年動態(tài)變化的基礎上出現(xiàn)短期反向破年變的異常變化，對應了唐山地區(qū)的幾次中等地震。但由于近幾年附近井孔抽水的影響，昌黎井水位日變形態(tài)出現(xiàn)周期性波動，而且對年變動態(tài)有一定的影響，在以后的資料分析中應考慮這些環(huán)境干擾因素對井水位的影響。

(3)降雨量的變化會引起昌黎井水位的年變幅、上升速率改變等破年變特征，因此，對于類似于昌黎井這種具有良好降雨補給條件的井孔，出現(xiàn)年變規(guī)律改變或者出現(xiàn)短期破年變動態(tài)時，首先要分析降雨對其觀測數(shù)據(jù)的影響，然后再考慮其它因素。