新43泉改井水位觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析*

楊紹富 　徐長(zhǎng)銀

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局庫爾勒地震臺(tái)， 新疆庫爾勒841000)

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學(xué)術(shù)論文

新43泉改井水位觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析*

楊紹富※徐長(zhǎng)銀

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局庫爾勒地震臺(tái)， 新疆庫爾勒841000)

摘要對(duì)新43泉改井水位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 結(jié)果表明， 泉改井效果較好， 利用水位儀能夠觀測(cè)動(dòng)水位進(jìn)而計(jì)算出流量。 震例表明， 泉改井水位觀測(cè)數(shù)據(jù)在測(cè)點(diǎn)周圍250 km范圍內(nèi)中強(qiáng)地震前表現(xiàn)出前兆異常， 異常特征表現(xiàn)為震前出現(xiàn)高于背景值的上升變化， 從異常持續(xù)時(shí)間看屬于中短期異常。

關(guān)鍵詞新43泉； 泉改井； 水位觀測(cè)； 數(shù)據(jù)分析

引言

1966年邢臺(tái)地震以來， 我國(guó)開展了地震地下水位的觀測(cè)與預(yù)報(bào)研究工作， 并取得了許多寶貴的震例資料。 經(jīng)過40多年的發(fā)展， 已形成了通過觀測(cè)地下水動(dòng)態(tài)獲取地震孕育、 發(fā)生以及成災(zāi)過程中地球物理場(chǎng)和地球化學(xué)場(chǎng)變化的觀測(cè)網(wǎng)， 建立了一套基于一定理論指導(dǎo)下的經(jīng)驗(yàn)性地震預(yù)測(cè)方法， 在我國(guó)防震減災(zāi)工作中發(fā)揮著積極作用[1-2]。

新43 泉位于庫爾勒市西霍拉山南麓吉格代布拉克， 構(gòu)造上處于南天山構(gòu)造帶北輪臺(tái)斷裂帶附近， 距離庫爾勒市區(qū)40 km。 泉水出露于元古代片麻花崗巖和第三系頁巖交界地帶， 水溫20℃， 流量0.03 L/s， 礦化度1.7 g/L， pH值7.2， 水質(zhì)為SO4-CL-Na-Ca 型。 1987年開始觀測(cè)流量和水溫， 泉水流量不具有年變規(guī)律。 2002年8月在原觀測(cè)站基礎(chǔ)上由泉改為井水位觀測(cè)， 2006年12月進(jìn)行“十五”數(shù)字化改造， 數(shù)據(jù)通過擴(kuò)頻微波傳輸。 新43泉是我國(guó)最早實(shí)現(xiàn)泉改井水位觀測(cè)的泉。

1儀器安裝概況

新43泉原是一個(gè)斷層泉， 采用了泉眼與觀測(cè)室分離的方式， 對(duì)泉眼進(jìn)行了改造并封閉在地下， 通過地下管道將泉水引入到觀測(cè)室內(nèi)。 通過改造， 觀測(cè)室內(nèi)安裝了兩套數(shù)字水位儀， 庫爾勒臺(tái)水位儀安裝在上游， 巴州局水位儀安裝在下游， 兩套儀器相距3 m。

1.1庫爾勒水位儀

新43泉原來觀測(cè)的是動(dòng)水位， 動(dòng)水位觀測(cè)是將流量觀測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)樗挥^測(cè)的方法。 但是， 由于在觀測(cè)動(dòng)水位時(shí)其泄流口的流量控制非常難， 而且限流孔經(jīng)常被堵。 2006年12月數(shù)字化改造中， 采用水堰法[3]觀測(cè)其流量， 堰口水頭高度采用LN-3A水位儀進(jìn)行測(cè)量， 然后根據(jù)其水頭高度計(jì)算出流量。

由于該泉流量較小， 采用三角堰觀測(cè)有一定的困難， 故根據(jù)矩形堰觀測(cè)原理， 改造成為1個(gè)堰寬僅為0.5 cm的窄縫式小堰口。 通過試驗(yàn)表明， 該泉改井完全可以觀測(cè)到流量的動(dòng)態(tài)變化。

庫爾勒臺(tái)安裝的LN-3A數(shù)字水位儀， 其傳感器是壓力傳感器， 精度和分辨率高， 可以達(dá)到毫米級(jí)， 觀測(cè)的是水柱的高度， 因此， 用其測(cè)量水堰的水頭高度是非常合適的。 所用的傳感器通常水柱高在5 m左右， 傳感器本身長(zhǎng)30～50 cm， 而水堰水頭一般在20 cm以內(nèi)， 所以在設(shè)計(jì)時(shí)水頭測(cè)量管為1 m (圖1)， 這樣就可以使傳感器增加一個(gè)固定的水柱高h(yuǎn)2， 可能更有利傳感器的響應(yīng)。 在計(jì)算時(shí)， 如果水位儀給出的就是水柱高， 那么水堰水頭高度h=水柱高-h2。 安裝時(shí)儀器顯示的水柱高， 但最終數(shù)據(jù)中心給出的是靜水位埋深h1， 因此， 水堰的水頭高度就是h=h3-h2-h1。 用數(shù)字化水位儀測(cè)量水堰的水頭高度， 既實(shí)現(xiàn)了流量觀測(cè)數(shù)字化， 又克服了動(dòng)水位觀測(cè)中限流口的控制、 堵塞等多種不足之處。 觀測(cè)實(shí)踐表明， 水頭高度的年變動(dòng)態(tài)清晰， 說明堰口寬度的選擇是合適的， 這種方法觀測(cè)流量也是可行的。 新43泉流量較小， 將其改造成矩形堰， 傳感器投放深度閾值為-0.54 m， 即傳感器最大投放深度為地下0.54 m。

圖1LN-3A水位儀傳感器安裝示意圖

1.2巴州局水位儀

新43泉測(cè)點(diǎn)1987年開始觀測(cè)流量， 泉水流量不具有年變規(guī)律。 2002年8月在原觀測(cè)基礎(chǔ)上泉改井， 設(shè)計(jì)總高250 cm、 直徑20 cm的PVC圓筒觀測(cè)動(dòng)水位流量。 庫爾勒臺(tái)窄縫式堰口流出的水經(jīng)由進(jìn)水口流入圓筒， 入水量較大時(shí)， 水由溢水口排出， 距圓筒底部5 cm為排水口(圖2)。 安裝的LN-3水位儀測(cè)量的是圓筒內(nèi)水面到傳感器的水位值， 從而將流量轉(zhuǎn)變成水位觀測(cè)， 理論上其最大量程小于190 cm。 觀測(cè)實(shí)踐表明， 傳感器由于長(zhǎng)期未取出檢查， 導(dǎo)致多次出現(xiàn)故障， 排水口因樹葉、 泥土塊、 小石塊等的阻塞疏通影響水位觀測(cè)值。

圖2　巴州局泉改井設(shè)備安裝示意圖

綜合考慮兩套觀測(cè)資料的起始時(shí)間、 連續(xù)率以及資料分析的一致性， 本文選取了2009年7月1日～2011年9月18日的日均值數(shù)據(jù)。

2資料分析

2.1數(shù)據(jù)特征

計(jì)算庫爾勒、 巴州局2009年7月1日～2011年9月18日水位資料相關(guān)系數(shù)， 結(jié)果為R=0.4%， 即兩者不相關(guān)。 從該時(shí)段數(shù)據(jù)圖(圖3)上看： 庫爾勒水位觀測(cè)數(shù)據(jù)1月份出現(xiàn)低值， 7月處于高值； 巴州局水位觀測(cè)數(shù)據(jù)2011年具有相似特征。 新43泉測(cè)點(diǎn)周邊1 km內(nèi)無地下水開采及注水， 水位動(dòng)態(tài)與周圍地表水體沒有關(guān)系， 與本地區(qū)降水關(guān)系不顯著。 以數(shù)據(jù)完整的2010年為例， 庫爾勒水位觀測(cè)數(shù)據(jù)年變幅為0.04 m， 巴州局水位數(shù)據(jù)年變幅度為0.25 m， 相比而言， 庫爾勒水位觀測(cè)更穩(wěn)定。

2.2震例分析

新疆地下流體觀測(cè)相關(guān)研究成果表明， 水位觀測(cè)在中強(qiáng)地震前具有異常變化特征。 本文選取測(cè)點(diǎn)周圍250 km范圍內(nèi)中強(qiáng)地震震例， 分析水位觀測(cè)在中強(qiáng)地震前的變化特征。

(1) 選取新43泉改井2002年8月～2003年5月日均值數(shù)據(jù)做序列圖(圖4)， 圖中曲線中斷處為斷記。 新43泉2002年8月改為動(dòng)水位觀測(cè)， 自投入觀測(cè)以來， 水位觀測(cè)值呈小幅上升變化趨勢(shì)； 11月底(0.93 m)上升幅度開始增大； 2003年1月底達(dá)到最大值(1.63 m)后趨于平穩(wěn)， 平穩(wěn)過程中發(fā)生了2月14日石河子MS5.4地震(Δ=250 km)， 震后水位持續(xù)平穩(wěn)變化約15天后開始逐漸減小， 2003年底基本恢復(fù)至背景值。

(2) 選取2013年2月24日～2013年9月30日水位整點(diǎn)值數(shù)據(jù)(巴州局水位觀測(cè)數(shù)據(jù)9月3日達(dá)到量程， 因此， 數(shù)據(jù)截止到9月2日)做序列圖(圖5)。 從圖上看， 庫爾勒水位觀測(cè)數(shù)據(jù)2月24日起持續(xù)呈小幅度的上升變化趨勢(shì)； 7月19日(0.08 m)上升幅度開始增大； 8月19日達(dá)到最大值0.19 m， 增幅為0.11 m； 8月20日出現(xiàn)變幅為0.05 m的下降臺(tái)階變化； 8月30日烏魯木齊發(fā)生MS5.1地震(Δ=244 km)， 震后庫爾勒水位持續(xù)高于背景值的波動(dòng)變化。 巴州局水位觀測(cè)數(shù)據(jù) 2月24日起持續(xù)呈小幅度的下降變化趨勢(shì)； 7月25日(0.15 m)轉(zhuǎn)向并逐漸增大， 期間7月28日(變幅0.06 m)、 7月30日(變幅0.1 m)、 8月8日(變幅0.8 m)3次上升臺(tái)階變化； 在上升至最大值1.79 m過程中烏魯木齊8月30日發(fā)生了MS5.1地震。 從轉(zhuǎn)向到最大值數(shù)據(jù)變化1.64 m。 震后數(shù)據(jù)下降后恢復(fù)上升， 9月3日起數(shù)據(jù)超限， 因而后續(xù)部分未做圖。

(a)庫爾勒動(dòng)水位； (b)巴州局動(dòng)水位

圖4　新43泉日均值序列曲線圖(2002-08～2003-05)

(a)庫爾勒水位觀測(cè)； (b)巴州局水位觀測(cè)

2.3兩套水位觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

(1) 相同點(diǎn)： 巴州局水位觀測(cè)是2002年泉改井動(dòng)水位觀測(cè)的繼承， 庫爾勒水位觀測(cè)是數(shù)字化改造的結(jié)果， 兩套資料水源相同， 觀測(cè)儀器相同。 震例分析結(jié)果顯示， 兩套水位觀測(cè)數(shù)據(jù)在測(cè)點(diǎn)周邊250 km中強(qiáng)地震前均會(huì)出現(xiàn)異常變化， 且變化類型一致， 本文中都是上升型變化類型。 中強(qiáng)地震前水位觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)毛刺， 分析認(rèn)為是測(cè)點(diǎn)區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng)， 在地下應(yīng)力調(diào)整過程中， 含水圍巖空隙壓力增大導(dǎo)致流體中的氣體逸出， 氣泡生成和破裂造成水位數(shù)據(jù)曲線的毛刺現(xiàn)象。 烏魯木齊MS5.1地震后， 庫爾勒、 巴州局水位觀測(cè)曲線毛刺現(xiàn)象持續(xù)了一段時(shí)間， 反映了流體與圍巖之間不斷進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整直至達(dá)到新的平衡。

(2) 不同點(diǎn)： 庫爾勒水位觀測(cè)利用水位儀觀測(cè)水堰水的高度， 進(jìn)而計(jì)算流量。 由于水堰口寬度較小， 僅為0.5 cm， 通過試驗(yàn)表明， 完全可以觀測(cè)到流量的變化。 泉改井后， 巴州地震局利用LN-3數(shù)字水位儀觀測(cè)圓筒內(nèi)水位進(jìn)而觀測(cè)流量。 兩套水位觀測(cè)數(shù)據(jù)變化幅度不同， 相比而言， 庫爾勒水位觀測(cè)數(shù)據(jù)變化幅度小， 數(shù)據(jù)更穩(wěn)定。 庫爾勒水位儀嚴(yán)格按照《地下流體數(shù)字化觀測(cè)規(guī)范的儀器檢查與標(biāo)定若干補(bǔ)充規(guī)定》要求， 在規(guī)定時(shí)間對(duì)水位進(jìn)行季度校測(cè)， 因此， 數(shù)據(jù)連續(xù)率高， 數(shù)據(jù)可靠性好。 與庫爾勒水位儀相比， 巴州局水位觀測(cè)數(shù)據(jù)缺記率高， 烏魯木齊MS5.1地震后數(shù)據(jù)超限導(dǎo)致數(shù)據(jù)利用率較低。

3基本認(rèn)識(shí)

(1) 庫爾勒水位觀測(cè)通過數(shù)字化改造， 采用水堰法觀測(cè)泉水流量， 達(dá)到了利用LN-3A水位儀觀測(cè)水位進(jìn)而觀測(cè)流量的目的。 巴州局泉改井水位觀測(cè)是成功的， 通過LN-3水位儀觀測(cè)水位進(jìn)而觀測(cè)流量。

(2) 泉改井水位觀測(cè)資料能記錄到測(cè)點(diǎn)周圍250 km內(nèi)中強(qiáng)地震的前兆異常， 異常特征表現(xiàn)為震前水位出現(xiàn)幅度較大的上升變化。 從異常持續(xù)的時(shí)間與孕震階段的關(guān)系看， 異常表現(xiàn)為中短期異常。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉耀煒， 陳華靜， 車用太． 我國(guó)地震地下流體觀測(cè)研究40年發(fā)展與展望． 國(guó)際地震動(dòng)態(tài)， 2006(7)： 3-12

[2] 全國(guó)地震標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)． 地下流體觀測(cè)方法----井泉水流量觀測(cè)(DB/T50-2012)． 中國(guó)地震局

[3] 許秋龍． 水位儀在水堰流量觀測(cè)中的應(yīng)用----以新疆烏蘇33號(hào)井為例． 內(nèi)陸地震， 2007， 21(1)： 66-70

Analysis on water level observation data of No.43 well converted by spring

Yang Shaofu， Xu Changyin

(Korla Seismic Station, Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Korla 841000， China)

AbstractThe analysis of the water level observation data of No.43 well converted by spring was introduced in this paper．The result shows that the effect of changing from spring to well is good． Level meter can observes dynamic water level and the flow is then calculated．Earthquake case shows that the water level observation data has precursory anomalies before strong earthquake occurred in the measuring point around 250 km range.The anomaly is rising higher than the background value before earthquake，and belongs to the medium-term anomaly

Keywordsnew 43 spring； spring convert into well； water level observation； data analysis

中圖分類號(hào)：P315.72+3；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.04.008

* 收稿日期：2015-11-23； 采用日期： 2016-03-21。

※通訊作者： 楊紹富， e-mail: 49846678@qq.com。