海南瓊海加積井水位受萬(wàn)泉河水位的影響及震例分析

解曉靜，李盛，盧啟明，余宙

（海南省地震局，?？?570203）

海南瓊海加積井水位受萬(wàn)泉河水位的影響及震例分析

解曉靜，李盛，盧啟明，余宙

（海南省地震局，海口 570203）

利用逐步回歸法分析了瓊海加積井受萬(wàn)泉河水影響的各因素，可知地下井水受河水的影響，其距離越近影響越大；在日均值數(shù)據(jù)背景下，相比固體潮、氣壓、降雨量，河水位對(duì)井水位的影響最大；河流潮汐與固體潮汐效應(yīng)，以及河水位對(duì)地下井水影響的滯后時(shí)間在不同時(shí)期下是不同的。以2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震為震例分析背景，得出井水位與萬(wàn)泉河水位小波細(xì)節(jié)3階中在震前或震后均有較顯著的震兆異常反應(yīng)，值得跟蹤類(lèi)似的震兆異常。

井水位；水位；影響特征；小波細(xì)節(jié)分析；瓊海加積；萬(wàn)泉河

0 引言

深層地下水是一種含有多種地球信息的物理量載體，利用深井地下水位異常動(dòng)態(tài)來(lái)預(yù)報(bào)地震，無(wú)論在理論上，還是在實(shí)踐上已證明是一種有效的方法。地下水本身含有多種有用信息，但同時(shí)又受著多種自然的、人為的因素影響。另外，地下水位的升降變化，還取決于井口所處的地理環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、含水層的巖性、成井工藝等諸多因素。因此，要從地下水中得到地震前兆異常信息，去偽存真，取決于我們對(duì)井水位變化特點(diǎn)的研究和水位觀測(cè)資料的處理分析水平。

上世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)地震地下流體學(xué)界對(duì)地下水動(dòng)態(tài)及其影響因素做了全面、深入的研究，出版了多部專(zhuān)著和發(fā)表了大量論文。近十余年來(lái)，人們引入小波分析方法研究了地震前兆的多種有關(guān)問(wèn)題。顧申宜等人研制的“水位、水氡小波分析中期異常提取方法”，在地震年度預(yù)測(cè)中具有較大的可操作性和實(shí)用性。

前人關(guān)于地下水動(dòng)態(tài)及其影響因素的研究成果，為我們分析研究瓊海加積井水位與萬(wàn)泉河水位的關(guān)系提供了理論和方法。本文還依據(jù)小波分析方法，討論了2008年汶川8.0級(jí)地震前加積井水位的異常變化。

1 加積井與萬(wàn)泉河的地理地質(zhì)簡(jiǎn)況

瓊海加積井位于海南島中生代隆起構(gòu)造的東部邊緣，地處北東向南林-清瀾大斷裂的附近，而北西向東寨港-清瀾斷裂在它的東北方約20 km處通過(guò)。地理坐標(biāo)為北緯19.24°、東經(jīng)110.45°，井孔標(biāo)高14.06 m，井深525.93 m。地層巖性為白堊系上統(tǒng)砂礫巖，地下水類(lèi)型為斷層隙承壓水，萬(wàn)泉河位于該井西南約400 m處，加積井處于萬(wàn)泉河水的中下游地帶（圖1）。該地區(qū)屬熱帶海洋氣候，春夏多雷雨，秋季為臺(tái)風(fēng)季節(jié)。

圖1 瓊海加積井與萬(wàn)泉河地形分布圖Fig 1 Terrain distribution map of Jiaji well and Wanquan river

2 加積井水位主要影響因素分析

2.1 萬(wàn)泉河水位變化及其與加積井水位的關(guān)系

河流是地表水表現(xiàn)的一種形式。南方的河水主要來(lái)自雨水和地下水，在靠近河流的地方，地下水有可能獲得地表水的補(bǔ)給，或向地表水排泄，兩者的關(guān)系是十分密切的。在雨季時(shí)，降雨落到地表后，部分經(jīng)表面徑流匯集到一起，流入江河，使河水位上升，隨著降雨的增多，便形成豐水期。在干旱季節(jié)，降雨量極微，河水實(shí)際上不能獲得降水的補(bǔ)給或獲得量極少，這時(shí)河水位下降，形成枯水期。河流水位與地下水位變化隨季節(jié)相互依賴(lài)，屬同向變化。在雨季，河水補(bǔ)給地下水的強(qiáng)度取決于江河水位與地下水位的相對(duì)高差、洪水延續(xù)的時(shí)間。水位相對(duì)高差越大，洪水延續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，補(bǔ)給量就越大。另外，河流的流量、含水層的透水性、以及河水與地下水存在水力聯(lián)系地段的長(zhǎng)短、河流水系與地下水含水層的距離等，也是相互間影響的主要因素。

河流水位與井水位、氣壓、降雨、氣溫等氣象因素一樣，存在著類(lèi)似的年變化季節(jié)脈動(dòng)。如圖2所示，萬(wàn)泉河水位在一年內(nèi)有一個(gè)高水位期和一個(gè)低水位期，高低水位之間的變幅一般只有幾米。在海南島地區(qū)，一般來(lái)說(shuō)，河水位的季節(jié)變化與降雨基本一致，7～10月為高水位期，即洪水期，此時(shí)也是降雨集中的季節(jié)。11月至翌年的3月為低水位期，即枯水期，亦即是降雨的干旱季節(jié)。河水位年動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)較平緩，呈現(xiàn)一種漸變的過(guò)程。從圖2可以看出，深井水位與河水位曲線(xiàn)形態(tài)基本一致，但井水位的年變曲線(xiàn)比河水位的年變曲線(xiàn)更平緩，而河水位的年變曲線(xiàn)比降雨的年變曲線(xiàn)平緩，河水位變化曲線(xiàn)可看作是經(jīng)自然滑動(dòng)的降雨曲線(xiàn)，它反映了該區(qū)及上游區(qū)降雨量對(duì)地表水影響的總和。

2.2 逐步回歸影響特征分析

下面，利用相關(guān)分析法研究河水位與井水位距離的關(guān)系。萬(wàn)泉河與各井分布情況如圖3。

圖2 2008、2010年加積井、萬(wàn)泉河水位與降雨日均值圖Fig.2 The daily average value map of water level of Jiaji well，Wanquan river and rainfall in 2008 and 2010

以2010年日均值數(shù)據(jù)為例，分別計(jì)算萬(wàn)泉河水位與瓊海加積井、?？赯K26井、文昌潭牛井水位之間的相關(guān)系數(shù)（表1）。從表1和圖3可見(jiàn)，地下水受河水的影響隨著離河流的距離增大而減少，萬(wàn)泉河離瓊海加積井最近，文昌潭牛井次之，而離海口ZK26井最遠(yuǎn)，因而其相關(guān)系數(shù)多數(shù)（占83%）依次呈遞減狀態(tài)。這表明萬(wàn)泉河水位與加積井水位之間具有密切的關(guān)系。

表2、3列出了加積井水位與萬(wàn)泉河水位以及氣壓、固體潮理論值、降雨量四個(gè)因素日均值的逐步回歸分析結(jié)果。從表中，我們可以看到：

（1）以一年為單位的資料作統(tǒng)計(jì)分析，加積井均是以河水作為最重要因素，降雨次之。

表1 萬(wàn)泉河水位與三口井水位日均值相關(guān)系數(shù)（以2010年為例）Table 1 The correlation coefficient of daily mean value of Wanquan river water level and the water level of three wells（for example in 2010）

圖3 萬(wàn)泉河與各井分布圖Fig.3 The distribution map of Wanquan river and each well

表2 加積井水位與固體潮、氣壓、降雨、萬(wàn)泉河水位日均值逐步回歸Table 2 The stepwise regression of daily mean value of Jiaji well water level and tidal，pressure，rainfall，Wanquan river water level

表3 加積井水位與固體潮、氣壓、降雨、萬(wàn)泉河水位日均值逐步回歸Table 3 The stepwise regression of daily mean value of Jiaji well water level and tidal，pressure，rainfall，Wanquan river water level

（2）以一個(gè)月為單位作統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，河水因素作為主要影響因素的月份，占11/12。

（3）以季節(jié)為單位作統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，加積井無(wú)論在旱季或雨季，萬(wàn)泉河水位都是加積井水位主要影響因素。

2.3 潮汐效應(yīng)及滯后影響特征分析

地下水位的變化常常滯后于地表水位的變化，滯后的時(shí)間各地不同，即使是同一口井與同一條河水位滯后的時(shí)間也會(huì)隨各種因素的不同而不一致。除了因季節(jié)性的變化，河流對(duì)地下水有重要影響。眾所周知，江河水位由于受到太陽(yáng)、月亮的潮汐引力的作用，在日變化上存在高潮、低潮的變化，也有雙峰雙谷或單峰單谷的起伏，其波形形態(tài)與重力固體潮相同，但方向相反。如果深井離江河比較近，且河水與含水層之間具有水力聯(lián)系，則深井水位的變化既受固體潮的影響，也受江河水潮的影響，水位曲線(xiàn)是這兩種形態(tài)大體一致、方向相反波的合成。下面選取枯水期的2008、2010年2、3月及豐水期的2008、2010年 10月加積井水位與萬(wàn)泉河水位、重力固體潮理論值的整點(diǎn)值計(jì)算滯后相關(guān)系數(shù)（表4）。

表4 加積井水位與萬(wàn)泉河水位、重力固體潮理論值的整點(diǎn)值滯后相關(guān)系數(shù)Table 4 The correlation coefficient of whole point value lag of Jiaji well water level，Wanquan river water level and theory value of tidal gravity

加積井對(duì)河流潮汐和固體潮汐效應(yīng)及滯后時(shí)間是不同的，相關(guān)系數(shù)最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即滯后時(shí)間。圖例給出了2010年2月及10月加積井水位、萬(wàn)泉河水位與重力固體潮理論值波形圖（圖4）。

由表4及圖4可知，枯水期的2、3月份，其井水位與河流潮汐的相關(guān)系數(shù)明顯小于與固體潮汐的，故井水位變化以反映固體潮汐為主；而豐水期的10月份，則井水位與河流潮汐的相關(guān)系數(shù)明顯比與固體潮汐的相關(guān)系數(shù)大很多，故以反映河流潮汐為主，這充分說(shuō)明了豐水期降雨補(bǔ)給江河水以后再影響到深井水位的變化。

同樣處于枯水期的2、3月份，其2008、2010年2月份井水位日變化形態(tài)比河水位分別滯后4 h、5 h，而3月份均未滯后；處于豐水期的10月份，其井水位日變化形態(tài)比河水位分別滯后0 h、3 h。亦即井水位滯后于河水位約數(shù)小時(shí)達(dá)到最大相關(guān)，且日變化形態(tài)呈同向變化。

而井水位基本上未滯后于重力固體潮汐，日變化形態(tài)也呈正相關(guān)。

圖4 2010年2、10月加積井水位、萬(wàn)泉河水位、重力固體潮整點(diǎn)值圖Fig.4 The whole point value graph of Jiaji Well water level，Wanquan river water level and tidal gravity in February and October，2010

3 井水位與河水位的震例分析

3.1 小波分析理論簡(jiǎn)介

數(shù)字化前兆變化過(guò)程是典型的觀測(cè)信號(hào)非平穩(wěn)過(guò)程，具有不穩(wěn)定性，變化快等時(shí)頻特點(diǎn)。因此對(duì)此類(lèi)數(shù)據(jù)采用現(xiàn)代的時(shí)頻分析方法，在提取和分析地震異常信息方面可獲得較好的效果。小波方法在時(shí)、頻兩域都具有表征信號(hào)局部特征的能力，尤其對(duì)于頻率成分比較簡(jiǎn)單的確定性信號(hào)，可以將其表示成各頻率成分的疊加和的形式，特別適合于地震前兆這類(lèi)不穩(wěn)定的復(fù)雜信號(hào)［1］。

對(duì)于任意具有有限能量的信號(hào)f（t），其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制離散小波變換定義為

式（1）中，W表示連續(xù)小波變換；k是平移因子；j為小波分解水平；Ψ是小波基函數(shù)，j值越大時(shí)小波變換對(duì)應(yīng)頻率越低。

相應(yīng)的f（t）的二進(jìn)制小波重構(gòu)方法為

式（2）中，Aj和Dj是原始信號(hào)的近似部分（低頻部分）和細(xì)節(jié)部分（高頻部分）；cj，k和dj，k是二進(jìn)制離散小波變換系數(shù)；φ和Ψ是小波基函數(shù)。其中，細(xì)節(jié)部分反映信號(hào)在各個(gè)尺度上的細(xì)節(jié)特征，近似部分反映了信號(hào)在不同尺度上的趨勢(shì)特征。

3.2 小波基的選取

選Daubechies小波進(jìn)行分析，大多數(shù)觀測(cè)資料都呈現(xiàn)出規(guī)律性較好的年變化動(dòng)態(tài)。本文采用db4小波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先考慮到db4小波在地球物理學(xué)研究范圍被廣泛采用；其次考慮到db4小波僅支撐正交小波，這可以使Mallat算法更快捷。它的光滑性也可以更高精度地模擬和分析信號(hào)。db4小波隨著分解層級(jí)的增加其正則型也增加，它抑制了該多項(xiàng)式信號(hào)在零階和一階的部分信號(hào)，而僅對(duì)該信號(hào)的二階部分及噪聲進(jìn)行分解。因此，分解的細(xì)節(jié)信號(hào)部分db4中也包含了噪聲信號(hào)的不規(guī)則性，其余各層細(xì)節(jié)中的信號(hào)周期性隨層級(jí)的增加而增大。另外也考慮到db4小波在時(shí)域和頻域局部化方面的強(qiáng)勁性［2］。

3.3 小波細(xì)節(jié)短期異常震例分析

選用加積井水位與萬(wàn)泉河水位觀測(cè)資料，以2008年5月12日汶川大地震為震例分析背景。因加積井的井孔條件決定其動(dòng)態(tài)變化類(lèi)型屬于降水補(bǔ)給型，井水位年變化受氣象、開(kāi)采等因素影響明顯。在選取分析數(shù)據(jù)上，因9、10月份的大降雨很大程度上影響了井水位、河水位的正常動(dòng)態(tài)，為此，本次異常震例的分析截取了較穩(wěn)定的1～8月份數(shù)據(jù)。針對(duì)本次異常分析，取小波值超出2倍標(biāo)準(zhǔn)差控制線(xiàn)為異常判定指標(biāo)，并關(guān)注其細(xì)節(jié)1～3階的分析圖形。如圖5所示，分別給出了2008年1～8月加積井水位、萬(wàn)泉河水位日均值與氣壓、降水及加積井水位小波細(xì)節(jié)各階對(duì)應(yīng)分析圖。

由圖5井水位原始數(shù)據(jù)及小波細(xì)節(jié)1階可看出，井水位除了受5月12日汶川地震影響有較大幅度的同震響應(yīng)外，其6、7、8月中旬的較大起伏形態(tài)是受降水影響所致，而4月中下旬呈現(xiàn)的水位較大幅度影響也與氣壓、降雨形態(tài)相對(duì)應(yīng)。但是，在細(xì)節(jié)3階中，便只剩4月份的超出2倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常及5月份同震響應(yīng)部分。在此，值得我們關(guān)注的便是4月份的超差異常，雖然其受氣壓、降雨有一定影響，但是在同一個(gè)細(xì)節(jié)3階中，因其它同類(lèi)因素影響而呈現(xiàn)的小波值并無(wú)超差異常，且相較其它部分，4月份的超差異常反而更加突出。而之后的5月12日便發(fā)生了汶川8.0級(jí)的大地震，推測(cè)該超差異?？赡芘c大地震的發(fā)生有一定的關(guān)系。

圖5 加積井水位與氣壓、降水及小波細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)分析圖Fig.5 The corresponding analysis figure of Jiaji well water level，pressure，precipitation and the wavelet details

按照同樣方法，給出了萬(wàn)泉河水位與加積井測(cè)點(diǎn)氣象儀觀測(cè)的氣壓、當(dāng)?shù)亟邓靶〔?xì)節(jié)各階對(duì)應(yīng)分析圖（圖6）。由前面的分析已知萬(wàn)泉河水位與加積井水位年日均值相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.908 4，由圖6可看出，河水位也受氣象因素影響較大，其水位年日均值形態(tài)均呈氣壓、降水影響動(dòng)態(tài)型。經(jīng)水位小波細(xì)節(jié)分析，細(xì)節(jié)1、2階顯示因氣象因素的影響而導(dǎo)致小波值多處超2倍標(biāo)準(zhǔn)差控制線(xiàn)，但細(xì)節(jié)3階中，這些干擾異常超差的部分基本上不存在，而4月底至5月間的兩次超差異常便更為突出，與之后發(fā)生的汶川大地震，似乎有震前異常及震后調(diào)整或異常的對(duì)應(yīng)關(guān)系，值得關(guān)注。

圖6 萬(wàn)泉河水位與氣壓、降水及小波細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)分析圖Fig.6 The corresponding analysis figure of Wanquan river water level，pressure，precipitation and wavelet details

以上分析可知，水位經(jīng)小波細(xì)節(jié)分析后，其小波細(xì)節(jié)3階數(shù)據(jù)曲線(xiàn)對(duì)于提取相關(guān)大震震前的短臨異常或震后響應(yīng)效果較顯著。且以汶川地震為震例分析背景，該處理方法作用于相關(guān)性較好的同時(shí)段井水位與河水位數(shù)據(jù)，其提取的震前或震后異常反應(yīng)也較一致。我們知道，河水位受外界影響因素諸多，且水文站收集的河水相關(guān)資料有限，那么在排除掉外界影響的情況下，可視為該河水位具有與近處井水位同步的前兆異常反應(yīng)。為此，在以后的觀測(cè)中，應(yīng)密切跟蹤分析類(lèi)似的震兆異常反應(yīng)，特別要關(guān)注井水位與河水位同步出現(xiàn)異常的狀況［10-15］。

4 結(jié)語(yǔ)

以上分析可知，瓊海加積井水位受萬(wàn)泉河水位的影響，有以下6個(gè)特征：

（1）萬(wàn)泉河水位的變化過(guò)程，相當(dāng)于滑動(dòng)了的降雨過(guò)程，它比降雨序列更實(shí)際地表現(xiàn)出對(duì)加積井水位的干擾作用，因此，與加積井水位序列變化較為一致。

（2）井水位受河水的影響，與它們之間距離密切相關(guān)，距離越近，影響越大。

（3）多尺度逐步回歸分析結(jié)果表明，在氣壓、固體潮、降雨及河水各種影響因素中，萬(wàn)泉河水對(duì)瓊海加積井的影響最為顯著。

（4）加積井水位與萬(wàn)泉河水位日變化形態(tài)呈同向變化，且井水位滯后于河水位約數(shù)小時(shí)達(dá)到最大相關(guān)；而井水位與重力固體潮日變化形態(tài)也呈正相關(guān)，但井水位基本未滯后于重力固體潮。

（5）加積井水位與萬(wàn)泉河水位隨季節(jié)變化相互依賴(lài)，呈同向變化。

（6）加積井對(duì)河流潮汐和固體潮汐效應(yīng)是隨季節(jié)而變化的，其枯水期，井水位的固體潮汐效應(yīng)顯著；而豐水期，則以反映河流潮汐為主。

另外，以2008年5月12日汶川地震為震例分析背景，同時(shí)對(duì)該震例時(shí)段期間的加積井水位與萬(wàn)泉河水位進(jìn)行小波細(xì)節(jié)分析，得出兩水位細(xì)節(jié)3階中在震前或震后均有較顯著的震兆異常反應(yīng)，值得在以后的觀測(cè)中，繼續(xù)跟蹤該類(lèi)似的震兆異常。

因萬(wàn)泉河水資料收集的局限，本文對(duì)其影響特征及震例分析的內(nèi)容較單薄，在此之后，將盡可能地收集較全面的資料，有助于更全面的分析研究，為今后利用地下水位預(yù)報(bào)地震提供更多的參考依據(jù)。

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Characteristics of Jiaji Well Water Level of Qionghai City Influenced by Wanquan River Water Level in Hainan and Its Earthquake Example Analysis

XIE Xiaojing，LI Sheng，LU Qiming，YU Zhou

（Earthquake Administration of Hainan Province，Haikou 570203，China）

The paper analyzes the factors of Jiaji well influenced by Wanquan river by using thestepwise regression method.The results show that：the closer the distance between the river and well，the greater the influence of underground well water impacted by the river impact；in the daily mean data background，comparing with the tide，atmospheric pressure，rainfall，the effects of river level to well water level is biggest；for river tide，solid tide effect，and the river level，the lag time effect on the underground water is different in different period.Taking Wenchuan earthquake as example analysis background，the paper gets the significant precursor anomalies in 3-oreder wavelet details of the well water level and Wanquan river water level before or after the earthquake，which is worth tracking.

Jiaji well water level；Wanquan river water level；Influence characteristics；Wavelet details analysis

P315.723

A

1001-8662（2015）03-0025-09

10.13512/j.hndz.2015.03.004

2014-09-25

中國(guó)地震局“三結(jié)合”項(xiàng)目（201345）資助

解曉靜（1982－），女，工程師，主要從事地震前兆觀測(cè)和地震預(yù)測(cè)研究.

E-mail：madyxiexj@163.com.

解曉靜，李盛，盧啟明，等.海南瓊海加積井水位受萬(wàn)泉河水位的影響特征及震例分析［J］.華南地震，2015，35（3）：25-33.［XIE Xiaojing，LI Sheng，LU Qiming，etal.Characteristics of Jiaji Well Water Level of Qionghai City Influenced by Wanquan River Water Level in Hainan and Its Earthquake Example Analysis［J］.South china journal of seismology，2015，35（3）：25-33.］