寧波臺(tái)動(dòng)水位記錄到強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象中探討其響應(yīng)機(jī)理

李慧峰 袁寶珠

摘 要：安裝在寧波臺(tái)ZK03井上的SW-Ⅱ型水位儀在2015年4月3日到4日記錄時(shí)間段內(nèi)兩次出現(xiàn)干擾曲線，排除干擾原因時(shí)發(fā)現(xiàn)在此時(shí)間段內(nèi)寧波臺(tái)WYY-1型氣溫、氣壓、雨量綜合觀測(cè)儀同時(shí)記錄到強(qiáng)對(duì)流天氣，時(shí)間上與此關(guān)聯(lián)。本文通過(guò)對(duì)該臺(tái)在強(qiáng)對(duì)流天氣影響下水位記錄到曲線從時(shí)間和變化形態(tài)上解讀，其結(jié)論是動(dòng)水位與氣壓驟變的形態(tài)負(fù)相關(guān)，其響應(yīng)時(shí)間與氣壓驟變基本同步。而在正常氣壓變化下，該臺(tái)動(dòng)水位與氣壓并沒(méi)有同步變化現(xiàn)象，分析認(rèn)為，這是由于強(qiáng)對(duì)流天氣打破動(dòng)水位井含水層水滲流平衡而產(chǎn)生動(dòng)水位與氣壓同步響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)水位；強(qiáng)對(duì)流天氣；響應(yīng)；水滲流水氡觀測(cè)

寧波市強(qiáng)對(duì)流天氣的出現(xiàn)具有明顯的季節(jié)性和區(qū)域性特點(diǎn)，其在一定的天氣系統(tǒng)影響下，在不穩(wěn)定的層結(jié)中，如前期有較高的能量的積累，在加上較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，則極易產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣，其特點(diǎn)是影響時(shí)間短，強(qiáng)度大[ 1 ]。

井水位作為一種靈敏的體應(yīng)變儀，是一種重要的前兆觀測(cè)資料，目前我國(guó)已建成較為密集的地下水觀測(cè)井網(wǎng)，有望用于提取地下應(yīng)力和介質(zhì)變化信息[ 2 ]，在提取地下水地震異常信息的過(guò)程中，通常需要扣除井氣壓及潮汐對(duì)井水位天然的載荷。而然，一些研究結(jié)構(gòu)表明，用簡(jiǎn)單相關(guān)性分析和回歸分析是很難剔除水位中的氣壓效應(yīng)，原因就是氣壓和水位的關(guān)系非常復(fù)雜，氣壓可以通過(guò)含水層上的覆地層產(chǎn)生承壓變化使，也可以使井孔水面承壓產(chǎn)生變化，因此分析水位觀測(cè)記錄提取孕震信息，就必須搞清其井水位的氣壓效應(yīng)。

水位在氣壓的效應(yīng)，一般認(rèn)為大氣壓作用一方面作用在井孔水面上，另一方面作用于井孔周?chē)牡孛嫔?。由于作用于地面上的面積要比井孔水面積大的多，所以可以看成為面積無(wú)窮大的載荷。有彈性理論可知，這樣的載荷作用于半空間的界面上，地表壓力將無(wú)衰減地向下傳遞。這個(gè)地表壓力傳遞到含水層，使含水層產(chǎn)生彈性壓縮而釋放出水來(lái)，釋放水將從含水層向井孔內(nèi)滲流。而作用于在井孔水面上壓力將使井孔內(nèi)的水向水層內(nèi)反滲流[ 3 ]。寧波臺(tái)動(dòng)水位在正常氣壓變化中這兩種加大滲流和反加大滲流趨于平衡，而在強(qiáng)對(duì)流天氣這種平衡被打破，氣壓驟變產(chǎn)生的壓強(qiáng)垂直向地面?zhèn)鬟f作用在井孔水面上，而強(qiáng)對(duì)流天氣作用在含水層上地面再傳遞到的含水層會(huì)相對(duì)滯后且其作用時(shí)間短。因此，在這種失衡的狀態(tài)下，只有井孔水面上壓力將使井孔內(nèi)的水向含水層內(nèi)反滲流，產(chǎn)生變化與氣壓產(chǎn)生同步且有負(fù)相關(guān)效應(yīng)。

1 井孔及觀測(cè)儀器

1.1 井孔概況

寧波地震臺(tái)地處我國(guó)東部沿海杭州灣的南側(cè)，寧波平原北西四明山余脈的南麓，距離海岸線約16km，寧波臺(tái)綜合流體觀測(cè)ZK03井在該臺(tái)院內(nèi)，海拔標(biāo)高20m。該井1979年4月成井，井深83.06m，井孔巖性為白堊紀(jì)火山凝灰?guī)r，井在16.5∽25.0m和44.5∽48.5m處裂隙發(fā)育，為主要的含水層，屬山前補(bǔ)給的基巖構(gòu)造裂隙水。成井時(shí)日流量大于3t，目前約0.5t。該井完工時(shí)，采用Φ168套管下至9.8m處（第四系覆蓋物厚約為6m） 并在Φ168管外用水泥固井止水，Φ148套管下至75m處，80米后是Φ91孔徑，深3.06米為沉沙孔段。井孔周邊5km內(nèi)無(wú)其它開(kāi)采點(diǎn)，是上述含水層唯一的深井，水文地質(zhì)環(huán)境良好。

1.2 SW-Ⅱ型水位儀簡(jiǎn)介

SW-Ⅱ型數(shù)字式水位儀由中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所研制生產(chǎn)，是地下流體前兆觀測(cè)設(shè)計(jì)的壓力式水位儀。其原理是采用壓力式水位傳感器，即通過(guò)壓力與水深成正比關(guān)系的靜水壓力原理測(cè)量水位。傳感器為壓敏元件，當(dāng)傳感器固定在水下某一測(cè)點(diǎn)時(shí)，該壓力與水柱高度成正比關(guān)系，間接測(cè)出水柱高度，再通過(guò)水柱高度轉(zhuǎn)化成井孔水位埋深。其具有高分辨率、高穩(wěn)定性、高精度、數(shù)字化自動(dòng)觀測(cè)等特點(diǎn)。

1.3 WYY-1型氣溫、氣壓、雨量綜合觀測(cè)儀簡(jiǎn)介

WYY-1型氣溫、氣壓、雨量綜合觀測(cè)儀由中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所研制生產(chǎn)，該儀器適用于地震臺(tái)的氣象三要素輔助觀測(cè)。“十五”中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目使用210套，性能穩(wěn)定、可靠性高。其主要技術(shù)指標(biāo)：氣溫測(cè)量范圍-50～+50℃，精準(zhǔn)度±0.1℃、氣壓測(cè)量范圍500～1100hPa，精準(zhǔn)度0.2%、雨量分辨率0.1mm降雨量，精準(zhǔn)度4%，測(cè)量降水強(qiáng)度<4mm/min。采樣率1/min。

1.4 動(dòng)水位儀與氣象儀運(yùn)行狀態(tài)

寧波臺(tái)ZK03井是綜合觀測(cè)井，動(dòng)水位記錄使用的是SW-Ⅱ型數(shù)字式水位儀，探頭安裝深度1.095m，能記錄到清晰的一日兩峰兩谷的固體潮，該井因水氡觀測(cè)需要，每天10時(shí)后進(jìn)行人工取水樣，其過(guò)程造成對(duì)動(dòng)水位記錄曲線V字型干擾，在取樣過(guò)程有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)階躍現(xiàn)象，其時(shí)間尺度約為10分鐘，根據(jù)規(guī)范每日對(duì)其作缺數(shù)處理。該臺(tái)氣象輔助觀測(cè)項(xiàng)采用WYY-1型氣溫、氣壓、雨量綜合觀測(cè)儀，儀器安裝地點(diǎn)與觀測(cè)井在同一院內(nèi)，位置相近。

2 氣壓與動(dòng)水位相關(guān)變化特征

2.1 正常天氣動(dòng)水位與氣壓的變化特征

圖1是寧波臺(tái)2015年4月1日動(dòng)水位（a）、氣壓（b）、氣溫（c）、雨量（d）分鐘值曲線圖。從圖中可以看出當(dāng)天該臺(tái)周?chē)鷽](méi)有降雨，氣溫出于正常變化狀態(tài)即6時(shí)氣溫出于最低狀態(tài)，至中午13時(shí)處于當(dāng)日最高值。氣壓變化也處于正常變化狀態(tài)，上午處于高位午后下降。從氣壓的變化與動(dòng)水位的變化狀態(tài)分析，沒(méi)有明顯的相關(guān)性。

2.2 降水、降溫天氣動(dòng)水位與氣壓的變化特征

圖2是寧波臺(tái)2015年4月7日動(dòng)水位（a）、氣壓（b）、氣溫（c）、雨量（d）分鐘值曲線圖。從圖中可以看出當(dāng)天該臺(tái)周?chē)薪邓医邓砍^(guò)25mm/d，為大雨級(jí)。氣溫處于降溫狀態(tài)，氣壓則趨勢(shì)性升高，其過(guò)程緩慢，是典型的降水降溫天氣。從氣壓的變化與動(dòng)水位的變化狀態(tài)分析，沒(méi)有明顯的相關(guān)性。

2.3 強(qiáng)對(duì)流天氣與水位變化特征

圖3是寧波臺(tái)2015年4月3日～4日動(dòng)水位（a）、氣壓（b）、氣溫（c）、雨量（d）分鐘值曲線圖。從圖中可以看出3日10時(shí)后取水樣伴有向下階躍，這種狀態(tài)在該臺(tái)時(shí)常出現(xiàn)屬于正常變化，但其在3日01～04時(shí)和4日21～22時(shí)曲線有明顯抖動(dòng)干擾，與之相對(duì)應(yīng)的是該臺(tái)在同時(shí)也記錄到氣壓驟變且伴降水的強(qiáng)對(duì)流天氣。

圖4是寧波臺(tái)2015年4月， 3日00～05時(shí)氣壓（a）、動(dòng)水位（b），4日18～23時(shí)氣壓（c）、動(dòng)水位（d）分鐘值曲線圖。從圖中可以看出這兩時(shí)間段內(nèi)氣壓有明顯驟變現(xiàn)象，與之對(duì)應(yīng)的水位也出現(xiàn)相應(yīng)變化，時(shí)間同步，動(dòng)水位變化形態(tài)與氣壓負(fù)相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

1）該臺(tái)動(dòng)水位與正常氣壓變化相關(guān)性不大，分析認(rèn)為是由于氣壓通過(guò)地表壓力傳遞到含水層，使含水層產(chǎn)生彈性壓縮使水加大釋放，釋放水將從含水層向井孔內(nèi)加大滲流。而作用于在井孔水面上壓力將使井孔內(nèi)的水向水層內(nèi)反加大滲流，在正常情況下這種加大釋放滲流和反加大釋放滲流趨于平衡。

2）通過(guò)對(duì)該臺(tái)在強(qiáng)對(duì)流天氣影響下動(dòng)水位記錄到曲線從時(shí)間上和形態(tài)上分析，是由氣壓驟變產(chǎn)生的壓強(qiáng)垂直向地面?zhèn)鬟f作用在井孔水面上，產(chǎn)生孔內(nèi)的水向水層內(nèi)反滲流現(xiàn)象，而強(qiáng)對(duì)流天氣作用在含水層上地面?zhèn)鬟f到的含水層會(huì)相對(duì)緩慢且變化時(shí)間短，含水層沒(méi)有時(shí)間產(chǎn)生彈性壓縮。因此，在這種失衡的狀態(tài)下，井孔水面上單向壓力將井孔內(nèi)的水向含水層內(nèi)反滲流產(chǎn)生與氣壓同步負(fù)相關(guān)的響應(yīng)。

3）從氣壓與井孔水位水滲流原理分析，由于因各個(gè)觀測(cè)井孔含水層水滲流環(huán)境差異大，因此各個(gè)觀測(cè)井的水位與氣壓效應(yīng)存在較大差異。

參考文獻(xiàn)：

[1] 金艷慧，張程明，錢(qián)燕珍.2000年初夏浙江兩次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程對(duì)比分析[J].湖北氣象，2001.

[2] 來(lái)貴娟.井水位對(duì)比氣壓和潮汐的響應(yīng)特征與機(jī)理研究[A].中國(guó)地震局地球物理研究所2014屆博士論文摘要（Ⅱ）[C].2014.

作者簡(jiǎn)介：李慧峰（1970-），男，浙江寧波人，本科，工程師。