基于年降水干擾排除的云南地區(qū)地下水位群體異常研究

胡小靜 付虹 畢青

摘要：利用云南地區(qū)10年以上的20口地下水位觀測井孔資料，選出其中受降水影響較大的18口井，分別采用峰—谷幅值法和谷—谷幅值法對其觀測資料進(jìn)行年降水干擾排除后，基于這20口井的資料，提取全省和紅河斷裂東、西部地區(qū)的地下水位群體異常。結(jié)果表明：云南水位觀測井的群體異常與云南地區(qū)6級以上地震有較好的相關(guān)性，其中谷—谷幅值方法提取的異常、預(yù)測效果較峰—谷幅值方法好，可能表明降水影響的延遲過程對這些井更為重要。分區(qū)預(yù)測的預(yù)報效能不如全省，可能說明井水位異常增多是區(qū)域構(gòu)造活動和應(yīng)力水平增加的結(jié)果，因此將用較小區(qū)域的異常對應(yīng)較小區(qū)域的地震，虛報、漏報就會增多，從而降低預(yù)報效能。在異常增多區(qū)域構(gòu)造活動增強的背景下，有利于6級以上地震發(fā)生，因此將群體異常指標(biāo)用于云南的年度地震活動水平預(yù)測，具有一定的效能。

關(guān)鍵詞：地下水位；降水影響；群體異常；區(qū)域構(gòu)造活動

中圖分類號：P315.723 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）04-0545-08

0 前言

地下水作為地殼結(jié)構(gòu)中最活躍的組分之一，會因受到地殼應(yīng)力狀態(tài)改變而引起含水層中含水量變化的影響，能夠比較靈敏地反映出地殼應(yīng)力應(yīng)變的信息（萬迪坤等，1993）。震例研究結(jié)果表明，在許多中強地震前均記錄到了地下水位異常變化，尤其在云南地區(qū)，地下水位異常作為中強震預(yù)測的重要依據(jù)，目前已積累了很多豐富的震例經(jīng)驗（萬登堡，1992；張體移等，2012；付虹等，2014）。

地下水位作為流體學(xué)科重要的物理觀測量，是一個包含大氣降水、氣壓、固體潮、地應(yīng)力場等多種影響因素的復(fù)合參數(shù)（車用太，魚金子，2006），其中降水是地下水位變化的主要影響因素，它使得多數(shù)井孔所觀測記錄的水位呈現(xiàn)雨季上升、旱季下降且比較容易識別的年變規(guī)律，但當(dāng)年降水量隨著旱、澇年份的不均勻而出現(xiàn)明顯差別時，就將成為地下水位異常識別的重要干擾因素。

云南大部分水位觀測井的井深均小于300 m，且受降水干擾極為突出，在水位的資料分析中排除降水對地下水位觀測帶來的影響，對提高水位資料的使用率是非常必要的。一些學(xué)者對云南水位的降水干擾排除已做過一些研究（白寶榮，付虹，2006；畢青等，2012），得到了一些有益的結(jié)果，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，增加了水位年變幅度與降水量的相關(guān)性研究以及異常機理的討論。

1 基于降水干擾排除的地下水位異常提取

1.1 資料選取

云南省目前共有水位觀測井孔63口，其中有10年以上觀測記錄的有29口，排除觀測質(zhì)量較差和基本無震例對應(yīng)的9口井孔，筆者將觀測連續(xù)穩(wěn)定、映震效果較好的20口井的井水位觀測資料作為研究對象。其中受降水影響顯著（即觀測數(shù)據(jù)年變形態(tài)清晰）的井孔有18口，受降水影響不明顯的井孔2口，具體井孔分布見圖1。雨量數(shù)據(jù)收集來自于云南省氣象局，井孔水位觀測起始時間不一致，所以群體異常結(jié)果采用異常井孔所占同期全部井點比例表示，具體始測時間見表1。

1.2 不同的水位群體異常提取方法

大氣降水對地下水位的影響具有滯后效應(yīng)，因此筆者主要考慮年降水量對水位年變幅度的總體影響，分別利用峰—谷幅值法和谷—谷幅值法對受降水影響明顯的18口井排除降水對地下水位觀測的影響后進(jìn)行異常識別和提取，對其余2口不受降水影響的水位觀測井孔采取原始曲線人工識別異常，主要識別大幅上升或下降為主的異常形態(tài)。

1.2.1 峰—谷幅值法

用地下水位同一年的峰值與谷值之差（即年變幅度）和年降水量進(jìn)行相關(guān)分析，將其稱為峰—谷幅值法。該方法以每年地下水位觀測的年變幅度為縱坐標(biāo)，降水量為橫坐標(biāo)，橫縱坐標(biāo)的取值存在明顯的線性關(guān)系，即降水與年變化幅度相關(guān)，該趨勢變化可由一條直線進(jìn)行擬合。如果當(dāng)年變幅超出一倍均方差，出現(xiàn)明顯偏離正常范圍的情況時，則表示該年份水位處于異常狀態(tài)（圖2）。表2給出利用峰—谷幅值方法排除降水干擾以后的地下水位異常結(jié)果。

對每年排除降水干擾后的異常井孔比例進(jìn)行統(tǒng)計，根據(jù)震例對應(yīng)情況，以異常比例大于20%作為異常指標(biāo)，得到自1998年以來，利用峰—谷幅值法排除了降水影響之后，所提取出的水位群體異常與云南省內(nèi)未來一年6級以上地震的對應(yīng)情況，如圖3所示。根據(jù)歷史震例統(tǒng)計，1998年以來，云南地區(qū)共發(fā)生6級以上地震9次，根據(jù)年份可劃分為7組，從圖3可見，在2009年姚安6.0級和2014年盈江6.1級、魯?shù)?.5級、景谷6.6級2組地震前出現(xiàn)了較為顯著的水位群體異常，其余5組6級以上地震前均未出現(xiàn)相對應(yīng)的異?，F(xiàn)象，對應(yīng)率為29%。

1.2.2 谷—谷幅值法

對地下水位谷值變化逐年差值與年降水量進(jìn)行相關(guān)分析，將其稱為谷—谷幅值法。該方法用每年地下水位觀測的最低值（雨季來臨前），以當(dāng)年與前一年的谷值差值為縱坐標(biāo)，前一年的年降水量為橫坐標(biāo)做圖，圖4為部分井孔的計算結(jié)果示意圖。群體異常統(tǒng)計原則同峰—谷幅值方法，表3給出所有參與計算的地下水位資料利用谷—谷幅值方法排除降水干擾以后的異常結(jié)果。

圖5為1998年以來利用谷—谷幅值法排除了降水影響之后提取出的水位群體異常與未來一年6級以上地震的對應(yīng)情況。

表4對1998年以來云南省內(nèi)發(fā)生的9次（7組）6級以上地震（其中2011年3月24日緬甸7.2級地震距離云南邊界80 km，且在年度地震趨勢研究分析中認(rèn)為此次地震標(biāo)志著云南進(jìn)入新一輪強震活躍期，故本次震例統(tǒng)計把該地震統(tǒng)計在內(nèi)）和發(fā)震前一年地下水位群體異常情況作了詳細(xì)統(tǒng)計。由圖5可見，除2007年寧洱6.4級地震發(fā)生之前地下水位群體異常指標(biāo)未達(dá)到閾值外，其余6組地震發(fā)生的前一年，地下水位群體異常均達(dá)到異常指標(biāo)，對應(yīng)率高達(dá)86%。

1.3 不同異常提取方法討論

分析上述兩種不同的異常提取方法，峰—谷幅值法主要用來描述降水量與當(dāng)年水位的上升幅度之間的關(guān)系，用來反應(yīng)雨季來臨后降水對水位即時的影響幅度；谷—谷幅值法則主要用來描述降水量與一年時間尺度內(nèi)水位的變化幅度之間的關(guān)系，用來反應(yīng)降水對水位觀測在未來一年時間內(nèi)的差異影響。上述兩種方法的計算結(jié)果顯示，谷—谷幅值法所提取的水位群體異常達(dá)到異常指標(biāo)后，未來一年內(nèi)發(fā)生6級以上地震的概率明顯高于峰—谷幅值法的結(jié)果，這可能表明，云南地區(qū)大多數(shù)水位觀測井受降水的影響是一個持續(xù)緩慢的過程，降水對井水位的影響具有一定的滯后性，這與我們對全國范圍內(nèi)大多數(shù)地區(qū)地下水位觀測的認(rèn)識是一致的。

2 紅河斷裂東、西側(cè)地下水位群體異常與強震分析

以紅河斷裂為界，把研究區(qū)域分為云南省內(nèi)紅河斷裂以東區(qū)域和以西區(qū)域（圖1），統(tǒng)計谷—谷幅值法所提取的異常比例，圖6為參與計算的地下水位異常臺項比與不同研究區(qū)內(nèi)6級以上地震的對應(yīng)關(guān)系。2000年以來，紅河斷裂以西地區(qū)6級以上地震有2007年寧洱6.4級地震、2011年緬甸7.2級地震以及2014年景谷6.6級地震。從圖6a可看出，在寧洱6.4級和緬甸7.2級地震發(fā)生的前1～2年內(nèi)，紅河斷裂以西地區(qū)連續(xù)幾年區(qū)內(nèi)確實出現(xiàn)了較為顯著的地下水位群體異常，2014年盈江6.1級和景谷6.6級震前亦出現(xiàn)了部分水位異常，但2000年以來，紅河斷裂以西地區(qū)的水位群體異常達(dá)指標(biāo)有8次（其中2007、2008、2011及2013年的異常比例剛好達(dá)到異常指標(biāo)25%，亦作為異常次數(shù)統(tǒng)計在內(nèi)），對6級以上地震虛報率達(dá)62%。從圖6b中可看出，紅河斷裂以東地區(qū)，在川滇交界地區(qū)的永勝6.0級、大姚6.2級、蘆山7.0級和魯?shù)?.5級地震之前，分別出現(xiàn)了較為顯著的地下水位群體異常，但2009年姚安6.0級地震之前，未曾出現(xiàn)相類似的異常情況，有一定的漏報現(xiàn)象；2000年以來，紅河斷裂以東地區(qū)地下水位群體異常達(dá)指標(biāo)次數(shù)為8次（不包括2015年），對應(yīng)地震4次，其6級以上地震的虛報率為50%。

綜合上述的分區(qū)討論結(jié)果，云南省內(nèi)紅河斷裂以西地區(qū)和以東地區(qū)的地下水位群體異常對本區(qū)6級以上地震有一定的指示意義，但同時可以明顯發(fā)現(xiàn)，分區(qū)以后，水位群體異常在達(dá)指標(biāo)以后，對該區(qū)內(nèi)6級以上地震的虛報率會顯著增多，亦會出現(xiàn)一定的漏報情況，這一現(xiàn)象在一定程度上顯示出利用水位異常來確定云南地區(qū)未來可能的發(fā)震地點是有困難的。另外對比整個云南地區(qū)的群體異常指標(biāo)對6級以上地震的指示意義，也進(jìn)一步表明，大范圍的地下水位群體異常出現(xiàn)，可能表征的是區(qū)域構(gòu)造活動和應(yīng)力水平的增強，在構(gòu)造活動增強的背景下，有利于6級以上地震的發(fā)生，這與陳立德和付虹（2003）的研究成果中提出的異常與地震都是區(qū)域應(yīng)力水平增加的認(rèn)識是一致的。

3 水位群體異常與地震關(guān)系分析

3.1 降水對水位的影響機理

井水位動態(tài)受降水影響，主要表現(xiàn)為雨季上升、旱季下降的年變形態(tài)，相關(guān)研究結(jié)果表明，不同深度的井孔受降水影響的過程和機理具有一定的差異性（魚金子等，1992；車用太等，1993）。對于潛水含水層中的淺井，主要為地下水質(zhì)量的遷移，一般包括降水荷載作用下使得含水層變形和降水滲入補給使含水層水量增多兩種方式引起的井水位上升機制；對于承壓含水層中的深井而言，則是以能量傳遞為主，即當(dāng)降水在補給區(qū)垂直滲入時，補給區(qū)內(nèi)的水力坡度隨著潛水位上升不斷增高，一方面會引起補給區(qū)內(nèi)的潛水向深井承壓區(qū)運動，同時也有不斷增高的水位壓力將以壓力波的形式向深井承壓區(qū)傳遞。相比兩個不同的過程，前一個運動十分緩慢，后一個則傳播較快，于是首先以壓力波傳遞的方式，引起深井水位的上升；不同井孔對降水的響應(yīng)時間不一致，主要是和觀測井孔與補給區(qū)之間的距離、井孔含水層的滲透系數(shù)以及井水位本身的背景動態(tài)等多種因素有關(guān)（魚金子等，1992；車用太，1993）。

3.2 構(gòu)造活動對水位的影響和地震活動水平預(yù)測

構(gòu)造活動對地下水位的影響，主要表現(xiàn)為破年變的水位上升或者下降。在地震孕育過程中，如果巖層被擠壓，則巖層的孔隙率變小，孔隙水壓增大，水流由含水層向井孔流動，從而使水位上升。相反，如果巖層被引張，則巖層的孔隙率變大，孔隙水壓變小，水流由井孔返回含水層，致使水位下降（劉耀煒等，2010；付虹等，2014）。車用太等（1999）對地下流體異常場的形成和演化過程的研究結(jié)果表明，引起地下流體中期異常的主體不是震源體，而是區(qū)域構(gòu)造活動，即震源體很有可能是區(qū)域地震構(gòu)造活動之后產(chǎn)生的。由這一研究結(jié)果分析認(rèn)為，區(qū)域地震構(gòu)造帶活動引起的地下水位異常主要表現(xiàn)出兩個特點：一是從時間尺度來講，大多表現(xiàn)為中期異常；二是從空間分布來看，在整個區(qū)域內(nèi)會出現(xiàn)多個異常井孔。上述分析結(jié)果符合“區(qū)域地震構(gòu)造活動培育震源體，震源體發(fā)展并產(chǎn)生地震”的模式，同時也為車用太（2006）論述的強震前1～1.5年研究區(qū)域內(nèi)會出現(xiàn)地下水位群體異常這一現(xiàn)象提供了依據(jù)。排除年降水量后提取出的水位群體異常數(shù)量的增多較好地反映了區(qū)域構(gòu)造活動和應(yīng)力狀態(tài)，在構(gòu)造活動增強的背景下，有利于6級以上地震的發(fā)生，因此可以用水位的群體異常指標(biāo)預(yù)測年度地震活動水平。

4 認(rèn)識與討論

本文采用不同方法對水位資料進(jìn)行降水排除后，對不同區(qū)域的預(yù)測效果進(jìn)行了對比，并結(jié)合有關(guān)水位觀測的影響機理，提取云南地區(qū)的水位群體異常指標(biāo)，得到如下結(jié)論：

（1）利用谷—谷幅值法所提取的水位群體異常達(dá)到異常指標(biāo)后，未來一年內(nèi)發(fā)生6級以上地震的概率，明顯高于峰—谷幅值法所提取的水位群體異常指標(biāo)，這在一定程度上表明谷—谷幅值方法較峰—谷幅值方法有效，這可能表明云南地區(qū)大多數(shù)水位觀測井受降水的影響是一個持續(xù)緩慢的過程，降水對井水位的滯后性影響比快速影響要大，這與對全國范圍內(nèi)大多數(shù)地下水位觀測的認(rèn)識是一致的。

（2）水位群體異常與區(qū)域6級以上地震有較好的相關(guān)性，當(dāng)所選取的20口井中，異常比例達(dá)到20%后，云南省內(nèi)次年6級以上地震對應(yīng)率可達(dá)87%。

（3）通過對全省、紅河斷裂以東和以西3個不同的研究區(qū)域進(jìn)行分區(qū)研究，發(fā)現(xiàn)地下水位群體異常對整個云南省內(nèi)6級以上地震預(yù)測效果較好，但分區(qū)后虛報、漏報增多，說明水位異常預(yù)報地點是困難的，大范圍的異常增多，表征的是區(qū)域構(gòu)造活動和應(yīng)力水平的增強，這與地震前觀測到的大量前兆異常是場兆異常和異常與地震都是區(qū)域應(yīng)力水平增加的認(rèn)識是一致的。

（4）云南地區(qū)地下水位群體異?？梢宰鳛榭坍媴^(qū)域構(gòu)造活動和應(yīng)力水平狀態(tài)的特征參量，群體異常比例增大，構(gòu)造活動增強的背景下，有利于6級以上地震的發(fā)生。水位的群體異常作為年度地震活動水平預(yù)測指標(biāo)，具有一定的預(yù)測效能。

參考文獻(xiàn)：

白寶榮，付虹.2006.排除降雨干擾后的地下水位異常與強震預(yù)報.地震研究，29（1）：39-42.

畢青，馬麗霞，續(xù)外芬等.2012.滇東地區(qū)低水位群井異常分析.云南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），34（S2）：73-77.

車用太，魚金子，劉五洲.1999.華北北部地區(qū)3次強震前地下流體異常場及其形成與演化機理.中國地震，15（2）：139-150.

車用太，魚金子，張大維.1993.降雨對深井水位動態(tài)的影響.地震，（4）：8-15.

車用太，魚金子.2006.地震地下流體學(xué).北京：氣象出版社，228-298.

陳立德，付虹.2003.地震預(yù)報基礎(chǔ)與實踐.北京：地震出版社，59-63.

付虹，鄔成棟，趙小艷等.2014.云南開遠(yuǎn)井水位異常分析.地震學(xué)報，36（2）：292-298.

劉耀煒，陸明勇，付虹等.2010.地下流體動態(tài)信息提取與強震預(yù)測技術(shù)研究.北京：地震出版社，39-40.

萬登堡.1992.云南地下水動態(tài)短臨指標(biāo)體系研究.地震研究，15（4）：381-391.

萬迪坤，汪成民，李介成.1993.地下水動態(tài)異常與地震短臨預(yù)報.北京：地震出版社，21-34.

魚金子，車用太，張大維.1992.降雨對尚志井水位動態(tài)影響的剖析.東北地震研究，5（4）：79-92.

張體移，吳富煥，畢青等.2012.通海高大水位異常與地震分析.云南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），34（S2）：86-92.

Research on Group Anomalies of Groundwater Level in YunnanRegion Based on Eliminating Precipitation Interference

HU Xiaojing1，F(xiàn)U Hong1，BI Qing2

（1.Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650024，Yunnan，China）

（2.Yuxi Earthquake Prevention and Disaster Mitigation Bureau，Yuxi 653199，Yunnan，China）

Abstract

Selecting 20 groundwater level observation wells which had been observed more than 10 years in the Yunnan region as research object，we eliminated the precipitation interference for 18 groundwater wells greatly influenced by precipitation by use of the peak-valley value and valley-valley amplitude value of groundwater level methods.Then we extracted the group anomalies of ground water level of 20 wells in accordance with 3 different regions（including Yunnan Province，eastern and western of Honghe Fault）.The results showed that the group anomalies recorded by ground water level observation well have good correlation with M≥6 earthquakes.And the predicted effect of valley-valley amplitude value method is better than that of peak-valley amplitude method，which may indicate that the delayed impact process of precipitation is more important for these wells.The predicted effect of particular region was worse than that of the whole province，which may indicate that the increase of the group anomalies of water level may caused by the increasing of regional tectonic activity and stress level.If we use the anomalies of water level in the smaller area to predict the earthquakes，the probability of false and missing prediction will increase obviously，and the effectiveness of forecasting is reduced.The area under the background of tectonic activity increasing in abnormal increase region is easily to occur M≥6 earthquakes，so the group anomaly index for forecasting annual the occurrence of seismic activity in Yunnan has some effectiveness.

Key words：groundwater level；precipitation influence；group anomalies；regional tectonic activity