平?jīng)鯟11井水位觀測資料影響因素分析

史繼平，田野，張遠富

(1.甘肅省地震局平?jīng)龅卣鹋_，甘肅平?jīng)?744000； 2.甘肅省地震局，甘肅蘭州 730000)

平?jīng)鯟11井水位觀測資料影響因素分析

史繼平1，田野2*，張遠富1

(1.甘肅省地震局平?jīng)龅卣鹋_，甘肅平?jīng)?744000； 2.甘肅省地震局，甘肅蘭州 730000)

采用看圖識字法、相關分析、日極差法對平?jīng)鯟11井水位觀測資料進行研究，結(jié)果表明同震、降雨、氣壓、涇河水位是影響C11井水位觀測資料的主要因素。

平?jīng)鯟11井；水位；涇河水位；相關性分析

0 引 言

平?jīng)鲋行牡卣鹋_鐵路小區(qū)流體觀測站C11觀測井(簡稱平?jīng)鯟11井)是西北電力設計院于1994年7月成孔的水文地質(zhì)勘察井。平?jīng)龅卣鹋_于1996年7月開始使用SW-40型儀器在該井進行模擬水位等流體項目觀測。2001年2月開始，利用LN-3型儀器進行數(shù)字化水位與模擬水位并行觀測。2011年6月后，利用LN-3A型數(shù)字化水位儀進行觀測。平?jīng)鯟11井水位觀測已積累了近20年的資料，張昱等研究認為平?jīng)鯟11井模擬與數(shù)字化水位資料銜接好，一致性好，觀測資料具有一定的應用與研究價值[1]。

我國水位觀測經(jīng)過30多年的發(fā)展，已建立了比較完善的地震地下流體水位觀測網(wǎng)，水位觀測作為重要的地震前兆觀測手段被應用于地震預測實踐[2-3]。但是影響水位觀測的因素有很多，在資料使用前要排除干擾，諸如高頻干擾、地下水開采、儀器故障、降雨、人為干擾、同震、氣壓等[4-6]。大量的震例表明在許多地震前可以觀測到井水位的異常變化，井水位觀測一直被看作是用于地震預測、預報的有效手段之一[7]。曾文浩等研究認為2013年岷縣漳縣Ms6.6級地震前平?jīng)鯟11井水位觀測出現(xiàn)了明顯的地震前兆異常[8]。

平?jīng)鯟11井附近有一條涇河，該河對C11井水位觀測是否有影響，目前還沒有進行相關的研究。本文仔細分析C11井水位觀測資料，總結(jié)干擾特征，分析異常信息，期望研究結(jié)果為今后C11井水位觀測資料的使用提供參考。

1 平?jīng)鯟11井概況

平?jīng)龅靥庂R蘭褶帶的南段，系六盤山旋回褶帶的復合部位，地質(zhì)構(gòu)造復雜，屬南北地震帶北段、鄂爾多斯塊體的西南緣，六盤山東側(cè)，涇河南岸Ⅰ級階地。C11井由西北電力設計院為平?jīng)鲭姀S展開水文地質(zhì)調(diào)查鉆成，完鉆井深610.27 m，孔口標高1 340.168 m，井孔直徑168 mm，套管深度310 m，井水位埋深約38 m，1996年平?jīng)龅卣鹋_改造為流體觀測站，進行水位和水溫觀測。井孔結(jié)構(gòu)及地層情況如下：16.9 m以上為沙礫卵石；頂部為灰黃色耕土，下部為含水層以灰?guī)r砂巖為主；16.9 m至162.76 m為砂質(zhì)泥巖，棕褐色，塊狀，質(zhì)地均勻，致密；162.76 m 至202 m為砂巖，深褐色，棕紅色，粉沙巖，塊狀，致密，堅硬，成分以石英、長石為主；202 m 至610.27 m以礫巖為主，中下部為含水層，角礫成分以灰?guī)r為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，較堅硬，裂隙發(fā)育，巖心較破碎，局部夾有棕紅色薄層，砂質(zhì)泥巖。

2 方法介紹

2.1 看圖識字法

看圖識字法在分析地震觀測資料時得到較為廣泛地應用，即觀測資料不需要經(jīng)過任何數(shù)學方法處理，用肉眼可直觀地看出是干擾等，如同震、抽水等引起的明顯變化。

2.2 相關性分析法

相關性分析是指對2個或多個具備相關性的變量進行分析，進而衡量2個變量因素的相關密切程度。相關程度用相關系數(shù)來衡量，一般用字母r來表示。

(1)

公式(1)中，x、y分別表示一組數(shù)據(jù)，x、y之間具有線性函數(shù)關系，相關系數(shù)r取值在-1到1之間，當|r|=1時，稱x、y完全相關；r=0時，稱x、y不相關；|r|<1時，x的變化引起y的部分變化，r的絕對值越大，x的變化引起y的變化就越大，|r|>0.8時稱為高度相關，當|r|<0.3時稱為低度相關，其他時候為中度相關。

2.3 日極差法

日極差值是以每日逐時值為樣本，求取最大值與最小值之間的差值，作為日變特征量。該方法直觀地反映地下水位異常動態(tài)的變化，減少了地下水位動態(tài)隨機變化的影響[9]。結(jié)合極差的數(shù)學含義,筆者認為日極差值在水位日常觀測中體現(xiàn)的是單位時間段內(nèi)井孔水位在垂直方向的絕對變化，同時由于水的不可壓縮性和觀測井的封閉性，日極差值也進一步體現(xiàn)了井孔水體在單位時間內(nèi)所受能量影響的大小。

3 觀測資料影響因素分析

水位作為傳統(tǒng)的地震前兆觀測項目，是以捕捉地震信息為目的的淺層地殼流體觀測手段。理想的井水位變化對地殼微小的應力—應變具有明顯的放大作用和十分靈敏的反應[10]。但是作為地震前兆觀測的水位測項觀測到的測值可能除了包含地震信息外，還摻雜著一些非地震前兆信息，如固體潮、同震、氣壓、抽水、降雨、河流以及人為干擾等。平?jīng)鯟11井水位自2014年開始呈現(xiàn)出長趨勢上升的態(tài)勢如圖1b所示，因此在進行地震前兆異常研究時，及時準確地排除非震異常信息，對識別及提取地震前兆信息都是至關重要的。通過對平?jīng)鯟11井多年來的觀測，認為主要有以下幾個方面的影響。

(a)C11井水位同震效應；(b)C11井水位近期變化形態(tài)圖1 平?jīng)鯟11井水位變化曲線

3.1 同震效應

2004年12月26日，印尼蘇門答臘島北海域發(fā)生Ms8.7級強烈地震并引發(fā)海嘯，平?jīng)鯟11井震中距3 694 km，水位同震效應十分明顯，地震后水位突降5 m,然后迅速回升，該地震使平?jīng)鏊豢傮w下降2.4 m； 2008年5月12日，四川汶川發(fā)生Ms8.0級地震,震中距589 km，該地震使C11井水位又突降0.778 m,震后水位下降速率明顯加快，汶川地震發(fā)生后至5月31日水位下降1.7 m，如圖1a所示。自從汶川地震發(fā)生后，水位停止下降7個月左右，從2009年11月又開始下降 。強震對平?jīng)鯟11井水位影響明顯，一方面在進行地震預測研究時要排除同震影響；另一方面說明該井對地球內(nèi)部應力變化比較敏感，是地震前兆觀測較為理想的井，觀測資料可信度高。

3.2 固體潮效應

由于地下水觀測井孔深度，最深莫過幾千米，這個深度仍是地球表層，所以地球表層的潮汐應力分布勢必影響井水位變化。因地球表層潮汐應力大小隨地球與天體在運動中相對位置的變化而有規(guī)律的變化，當潮汐應力增大時，含水巖層發(fā)生體膨脹，含水層的孔隙水壓降低，井水位下降；當潮汐應力變小時，含水巖層發(fā)生體壓縮，含水層的孔隙水壓升高，井水位上升。通過對平?jīng)鯟11井水位2015年8月的實際觀測值和理論固體潮對比分析(圖2a～2b)，可以明顯地觀測到全日波、半日波、1/3日波和長周期(半月波)等周期的成分，對2012～2015年的資料計算，潮汐因子均值為1.2左右，變化相對穩(wěn)定(圖2c)。表明該井觀測水位存在明顯的固體潮效應。

(a)C11井水位時間序列；(b)理論固體潮；(c)C11井水位潮汐因子圖2 平?jīng)鯟11井水位固體潮效應曲線

3.3 降雨影響

在天然條件下,由于氣候因素在多年中趨于某一平均狀態(tài),因此,一個含水層或含水層系統(tǒng)的補給量與排泄量在多年中保持平衡。反映地下水儲量的地下水位在某一范圍內(nèi)起伏,而不會持續(xù)地上升或下降。在有關因素的影響下,地下水的水位、水量等隨時間變化的狀況,是由于收支不平衡的結(jié)果。例如,當含水層的補給量大于排泄量時,儲存水量增加,地下水位上升;反之,補給量小于排泄量時,儲存水量減少,水位下降。因此有必要對平?jīng)鯟11井水位與降雨的關系進行分析，從圖3可以看出2012～2013年該井水位受降雨的影響明顯，曲線形態(tài)相似，只是存在一定的滯后，而從2014年以后曲線形態(tài)相關度不高，表明該井水位受降雨的影響逐漸減弱，可能存在其他更大的影響因素。

圖3 平?jīng)鯟11井水位與降雨的關系

圖4 平?jīng)鯟11井水位與氣壓的關系

3.4 氣壓效應

據(jù)相關研究[11]表明，承壓含水層的井水位氣壓效應與含水層參數(shù)有關：井孔半徑越小、含水層厚度越大、含水層的滲透系數(shù)越大、含水層的孔隙度越大、含水層固體骨架壓縮系數(shù)越小，井水位的氣壓效率越大，而井水位氣壓效應的相位滯后通常越??；氣壓效率的大小主要由含水層的導水系數(shù)、孔隙度、固體骨架壓縮系數(shù)和井孔半徑?jīng)Q定，相位滯后的大小主要由含水層的導水系數(shù)和井孔半徑?jīng)Q定；潮汐信號周期不同，井水位的氣壓效應不同；氣壓效應的主要影響分波對含水層參數(shù)的變化具有指示作用：含水層參數(shù)不同，井水位氣壓效應的主要影響分波有所不同；氣壓效應主要影響分波的差異主要是由于觀測孔性質(zhì)(井孔半徑、所處含水層位置、含水層厚度、孔隙度、滲透系數(shù)、導水系數(shù)和含水層固體骨架壓縮系數(shù))綜合導致的；對同一口井，即井孔半徑一定、含水層厚度一定的情況下，井水位氣壓效應的主要影響分波由日波變?yōu)榘肴詹〞r，含水層的導水系數(shù)、滲透系數(shù)、孔隙度可能變大，而含水層的固體骨架壓縮系數(shù)可能減小。對平?jīng)鯟11井水位與氣壓的相關性進行分析，從圖4可以看出，和降雨的關系相似，2012年至2013年該井水位受氣壓的影響明顯，曲線變化趨勢接近，而從2014年以后曲線形態(tài)相關度不高，表明該井水位受氣壓的影響逐漸減弱，可能存在其他更大的影響因素。

3.5 涇河水位影響

平?jīng)鯟11井位于甘肅省平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)鐵路住宅小區(qū)院內(nèi)，在井孔北面200 m左右，涇河由西往東流過。涇河是渭河一級支流，黃河二級支流，發(fā)源于寧夏六盤山東麓，南源出于涇源縣老龍?zhí)?，北源出于固原大灣?zhèn)，至平?jīng)霭死飿騾R合，東流經(jīng)平?jīng)觥艽ㄓ跅罴移哼M入陜西長武縣，再經(jīng)政平、亭口、彬縣、涇陽等，于高陵縣陳家灘注入渭河。

由于只收集到2012～2015年的涇河水位資料。因此，本文只對該時間段的資料進行分析。水位觀測的是井口到井水面之間的距離，是以井口為原點記錄井水位的變化。將平?jīng)鯟11井水位和涇河水位日均值進行繪圖(圖5)，可以看出，2012年1月至2013年底，C11井水位和涇河水位呈現(xiàn)出反向變化的形態(tài)，而從2014年后兩者表現(xiàn)出同步上升的態(tài)勢，近2年來涇河水位緩慢抬升了0.20 m，C11井水位上升了2.48 m，表明該井水位與涇河水位關系密切，近期呈現(xiàn)出長趨勢的上升變化，涇河水位的抬升可能是主要的影響因素。

圖5 平?jīng)鯟11井水位與涇河水位的關系

為進一步量化分析該井水位與各影響因素的關系，將2012～2015年平?jīng)鯟11井水位與涇河水位、降雨量、氣壓做相關分析(表1)，以1個月為單位，分別計算出兩者之間的相關系數(shù)。由表1可知：涇河水位對平?jīng)鯟11井水位觀測有一定的影響,2012年相關系數(shù)為0.698，自2014年以后相關性明顯增強，達到0.788，尤其雨季后的幾個月相關性較好，相關性最好可達0.998；與涇河水位相比降雨量的影響較弱，相關度最好僅為0.677，相關度有逐年減弱的趨勢；該井水位與氣壓的相關性也較好，相關性最好可達0.976，和降雨量一樣相關度有逐年減弱的趨勢。綜上所述，平?jīng)鯟11井水位觀測資料主要受降雨、氣壓、涇河水位等因素的影響，近年來水位呈現(xiàn)長趨勢上升異常變化，引起該變化的主要原因可能是涇河水位的抬升。

表1 平?jīng)鯟11井水位與涇河水位、降雨量、氣壓的相關性統(tǒng)計

4 主要結(jié)論

通過以上研究，本文得到以下主要結(jié)論：

(1)平?jīng)鯟11井水位觀測資料在印尼Ms8.7、汶川Ms8.0等強震中顯示出十分明顯的同震效應，表明該井對地球內(nèi)部應力變化比較敏感，是地震前兆觀測較為理想的井。

(2)平?jīng)鯟11井水位存在明顯的固體潮效應，有全日波、半日波、1/3日波和長周期(半月波)等周期成分，潮汐因子均值為1.2左右。

(3)平?jīng)鯟11井水位觀測資料主要受降雨、氣壓、涇河水位等因素的影響，特別是在雨季后受到?jīng)芎铀坏挠绊戄^大，但存在一定的滯后效應；近年來水位呈現(xiàn)長趨勢上升異常變化，引起該變化的主要原因可能是涇河水位的抬升。

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ANALYSIS ON INFLUENCE FACTORS OF THE WATER LEVEL DATA OF PINGLIANG C11 WELL

SHI Jiping1，TIAN Ye2，ZHANG Yuanfu1

(1.PingliangSeismicStation,EarthquakeAdministrationOfGansuProvince,Pingliang744000,China；2.EarthquakeAdministrationofGansuProvince,Lanzhou730000,China)

The water level observational data of Pingliang C11 well is studied by “picture flashcards” method, correlation analysis and range analysis in this paper.The results show that the co-seismic response, rainfall, air pressure, Jinghe River water level are the main factors affecting the water level observation data of C11 well.

Pingliang C11 well; Water level; Jinghe River water level; Correlation analysis

2016-05-10

中國地震局監(jiān)測、預測、科研三結(jié)合課題(項目編號：162801)資助。

史繼平(1978— )，男，甘肅平?jīng)鋈?，工程師，主要從事地震前兆監(jiān)測及研究工作。

*通訊作者：田野(1984— )，女，甘肅隴南人， 工程師，碩士，主要從事地震前兆監(jiān)測及運維工作。

P315.72+5

A

1005-586X(2016)04-0027-06