滇南地區(qū)降雨量與水位變化的關(guān)系——以澄江井、建水井為例1

李利波 張 立 毛慧玲 羅睿潔

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滇南地區(qū)降雨量與水位變化的關(guān)系——以澄江井、建水井為例1

李利波 張 立 毛慧玲 羅睿潔

（云南省地震局，昆明 650224）

2015年1月9日，云南地區(qū)出現(xiàn)大幅度水位同步轉(zhuǎn)折上升現(xiàn)象，而地下流體群體異常的聚集區(qū)可能是未來(lái)強(qiáng)震的孕育區(qū)，及時(shí)排除環(huán)境等干擾因素，對(duì)確定地震危險(xiǎn)區(qū)很有幫助。本文選取澄江井和建水井的水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析降雨量與水位變化的關(guān)系，認(rèn)為滇南地區(qū)的水位年變化與雨季降雨量之間有較好的線性關(guān)系。本文對(duì)澄江井和建水井2012—2014年的水位異常信息進(jìn)行提取，對(duì)其映震情況進(jìn)行了總結(jié)，研究表明滇南地區(qū)降雨量對(duì)水位引起的異常，主要表現(xiàn)在變化幅度和變化時(shí)間等方面。此次出現(xiàn)的水位同步轉(zhuǎn)折上升現(xiàn)象多為降雨干擾影響。

降雨量 水位變化量 澄江井 建水井 滇南地區(qū)

引言

云南地區(qū)自2015年1月9日開(kāi)始出現(xiàn)了一批短期同步地下流體宏微觀異常變化現(xiàn)象，如滇南地區(qū)的建水、澄江、瀘西水位，江川、曲江水溫，滇西地區(qū)洱源水位，滇西南地區(qū)的孟連水位、鎮(zhèn)源水溫、普洱離子等（圖1）。而云南地區(qū)2015年1月8、9日普降大雨、雪，該群體異常的出現(xiàn)，是降雨影響還是屬于前兆異常，引起許多學(xué)者的關(guān)注。

地下水位易受降雨、氣壓、固體潮、地應(yīng)力等多種因素影響（張昭棟等，1989；Zhang等，1993；魏煥等，2003；車用太等，2006）。前人對(duì)氣壓、固體潮、地應(yīng)力等因素對(duì)地下水位變化的影響進(jìn)行了許多深入的研究，并嘗試?yán)孟嚓P(guān)數(shù)學(xué)模型方法，半定量或定量地分離和排除其引起的水位變化（魚金子等，1994；車用太等，2006；付虹等，2007，2014；楊竹轉(zhuǎn)等；2008；張立等，2009，2011；陳亮等，2012；張?bào)w移等，2012；趙棟，2013；孫小龍等，2013），而地下水位變化與降雨量的關(guān)系較為復(fù)雜，受多種因素影響，表現(xiàn)為水位變化與降雨同步、滯后或基本無(wú)變化，難以較好地定量分離降雨量對(duì)水位的影響。巨幅流體異常的出現(xiàn)是判定未來(lái)強(qiáng)震孕育區(qū)的依據(jù)之一，本文試圖分析降雨量與水位變化的關(guān)系，排除干擾因素，確認(rèn)前兆異常，跟蹤分析強(qiáng)震孕育區(qū)。

1 數(shù)據(jù)選取和井孔概況

本文以位于小江斷裂帶、石屏-建水?dāng)嗔褞?、紅河斷裂帶等交匯部位的澄江井和建水井為例（圖2），選取自2012年以來(lái)的年、月、日水位和降雨量數(shù)據(jù)，分析了滇南地區(qū)的降雨量與水位變化的相關(guān)關(guān)系。由于澄江井的日降雨量沒(méi)有觀測(cè)數(shù)據(jù)，以附近江川井（距離約46km）的數(shù)據(jù)代替。下面介紹3個(gè)井孔的基本情況。

澄江井（一中）位于澄江盆地西北部，小江斷裂帶南段西支的次級(jí)斷裂上，坐標(biāo)為102°53′E，24°40′N，井深310m?；鶐r巖性為侏羅系下統(tǒng)馮家河組灰色、深灰色灰?guī)r和硅質(zhì)條帶灰?guī)r，地下水為基巖裂隙水，水位主要受降雨量影響。

江川井（漁村）位于小江斷裂帶南段西支的次級(jí)斷裂上，坐標(biāo)為102°45′E，24°20′N，井深180.42m?；鶐r巖性為新近系灰色泥巖夾細(xì)砂巖層。水位受降雨量、北側(cè)的河流、地下水等因素影響，變化較大。本文只分析降雨量對(duì)其水位的影響。

建水井（黃龍寺）位于石屏-建水?dāng)嗔训臇|端南緣，坐標(biāo)為102°45′E，23°39′N，井深180m。基巖巖性為泥盆系中統(tǒng)灰色、深灰色泥巖夾砂礫巖層，地下水為基巖裂隙水，徑流途徑長(zhǎng)，補(bǔ)給來(lái)源較遠(yuǎn)，水位基本不受地下水影響。

2 資料分析

從數(shù)據(jù)中分別提取水位變化量較大時(shí)對(duì)應(yīng)的降雨量，以及降雨量較大時(shí)對(duì)應(yīng)的水位變化量，剔除空值和水位儀器校正值等人為因素造成的影響，統(tǒng)計(jì)分析降雨量與水位變化量間的關(guān)系，確認(rèn)前兆異?，F(xiàn)象。

澄江井和建水井所處地區(qū)均屬亞熱帶大陸性氣候，氣候溫和濕潤(rùn)。據(jù)2000—2014年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，建水井和澄江井的年降雨量分別為548—1163mm和693—1068mm。各年間的降雨量差異較大，降雨量≥100mm的月份主要集中在5—9月。

2.1 降雨量與水位年變化的關(guān)系

降雨對(duì)澄江井水位的影響主要表現(xiàn)為2012年在雨季為峰谷型（升—降—升），2013和2014年隨著雨季到來(lái)顯著上升，雨季過(guò)后下降（圖3）；水位年變幅度逐漸變大，由0.55m變大為1.93m。建水井2012年為谷峰型（降—升—降），2013年水位變化較小（下降0.05m），2014年隨著雨季到來(lái)顯著上升，雨季過(guò)后下降（圖4）；水位年變幅度在2014年達(dá)到0.40m。

提取水位年變化量較大時(shí)對(duì)應(yīng)的降雨量，對(duì)其關(guān)系進(jìn)行一元回歸分析（圖5），得到澄江井的水位年變化與雨季降雨量的相關(guān)系數(shù)為0.9941；建水井的水位年變化與雨季降雨量的相關(guān)系數(shù)為0.9391。反映了滇南地區(qū)的水位年變化受雨季降雨影響較大，且相對(duì)穩(wěn)定。

2.2 降雨量與水位月變化的關(guān)系

降雨對(duì)水位月動(dòng)態(tài)影響多集中表現(xiàn)在雨季（5—9月），水位隨著季節(jié)性降雨過(guò)程而起伏，差異較大（圖6和圖7）。從2012—2014年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，江川井有74次日降雨量≥10mm，最多一次為2014年6月6日，降水量71.8mm，而同期澄江井有35次日靜水位變化≥5cm；建水井日降雨量≥10mm有32次，而同期日靜水位變化≥5cm只有7次?？梢?jiàn)發(fā)生較大降雨不一定對(duì)水位變化有影響。

前人研究認(rèn)為，氣壓、固體潮等因素對(duì)地下水位的影響一般在5cm左右（Zhang等，1993；魏煥等，2003；張昭棟等，1993；趙棟等，2013），因此本文選取水位月變化量≥5cm時(shí)對(duì)應(yīng)的降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)降雨量及水位月變化量進(jìn)行一元回歸分析，得到澄江井的水位月變化與月降雨量的相關(guān)系數(shù)為0.1366（圖8（a）），建水井的水位月變化與月降雨量的相關(guān)系數(shù)為0.1277（圖8（b））。這反映了滇南地區(qū)的月降雨量對(duì)水位月變化受有一定的影響，但相關(guān)性不高。

2.3 日降雨量與水位變化的關(guān)系

水位日變化與降雨量的關(guān)系較為復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，降雨量較大時(shí)，水位會(huì)明顯上升，但有時(shí)候反而下降，表現(xiàn)為異?，F(xiàn)象（圖9和圖10）。提取水位日變化量較大時(shí)對(duì)應(yīng)的降雨量，對(duì)其關(guān)系進(jìn)行一元回歸分析（圖11），得到澄江井的水位日變化與江川井日降雨量的相關(guān)系數(shù)為0.002；建水井的水位日變化與日降雨量的相關(guān)系數(shù)0.0018。這反映了滇南地區(qū)的日降雨量與水位日變化之間難以確立定量關(guān)系，隨機(jī)分布較大。但澄江井的數(shù)據(jù)多集中在降雨量5—30mm，水位日變化5—20cm，占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的77.1%。

此外水位變化表現(xiàn)為與降雨過(guò)程同步、滯后或者基本無(wú)變化等，具有多變性，這可能與降雨時(shí)間和空間的不均勻性，以及方式的多變性有關(guān)。建水井在發(fā)生較大的降雨時(shí)，水位變化一般滯后1—2小時(shí)（圖12）；澄江井沒(méi)有整點(diǎn)觀測(cè)的降雨量數(shù)據(jù)，不作說(shuō)明。

水位日變化與降雨量的關(guān)系復(fù)雜，還與觀測(cè)井的水文地質(zhì)條件有關(guān)。澄江井和建水井基巖主要是灰?guī)r，內(nèi)部可能發(fā)育溶蝕現(xiàn)象，使其滲透性發(fā)生改變。此外周圍小江次級(jí)斷裂和石屏-建水?dāng)嗔褞?、與降雨補(bǔ)給區(qū)的距離等因素可能影響水位的變化。

3 前兆異常信息提取

與降雨量相關(guān)的水位變化前兆異常主要包括水位變化幅度和變化時(shí)間等方面。剔除觀測(cè)井的水文地質(zhì)背景、降雨時(shí)空分布、外界環(huán)境干擾等影響因素后（車用太等，2011），可作為前兆異常跟蹤。

3.1 水位變化幅度的異常

在雨季（5—9月），2014年澄江井的水位年變幅度為1.93m，偏離2012年和2013年同期幅度的103.3%和102.8%；建水井的水位年變幅度為0.40m，偏離2012年和2013年同期幅度的66.9%和170.2%，破壞正常年變規(guī)律，可提取為前兆異常信息。小江斷裂帶北段發(fā)生的2014年8月3日魯?shù)閟6.5級(jí)地震和紅河斷裂帶以西發(fā)生的2014年12月6日景谷s6.6級(jí)地震前，水位變化幅度較大（圖3及圖4）。

3.2 水位變化時(shí)間的異常

一般來(lái)說(shuō)，澄江井和建水井的水位在雨季上升，旱季下降。2012年澄江井在7月呈下降狀態(tài)，建水井在5—7月呈下降狀態(tài)；而2013年建水井在6—12月呈趨勢(shì)下降狀態(tài)，破壞正常雨季上升規(guī)律，可提取為前兆異常信息，對(duì)應(yīng)小江斷裂帶北段發(fā)生的2012年9月7日彝良s5.6、5.7級(jí)地震和紅河斷裂帶北段發(fā)生的2013年8月31日中甸s5.9級(jí)地震（圖3及圖4）。

2012—2014年澄江井和建水井的水位前兆異常特征見(jiàn)表1。2014年景谷s6.6級(jí)地震的水位異常距離發(fā)震時(shí)間稍長(zhǎng)，大于3個(gè)月。其它地震，如彝良s5.6、5.7級(jí)地震、中甸s5.9級(jí)地震和魯?shù)?.5級(jí)地震的水位異常時(shí)間在3個(gè)月內(nèi)，屬于短期異常，這對(duì)確定地震危險(xiǎn)區(qū)很有幫助。此外，水位發(fā)生較大變化時(shí)，若沒(méi)有降雨補(bǔ)給或降雨量很小，或早于降雨開(kāi)始時(shí)間等，可作為前兆異常跟蹤，但要注意井區(qū)與降雨補(bǔ)給區(qū)的距離因素。

3.3 2015年1月云南地區(qū)水位同步轉(zhuǎn)折上升現(xiàn)象的分析

云南地區(qū)2015年1月8、9日普降大雨、雪，洱源、建水、澄江、瀘西、孟連地區(qū)這兩天的降雨量較大，分別為20.6mm、59.8mm、61mm、44.2mm、117.3cm。洱源、建水和孟連井水位在1月9日開(kāi)始轉(zhuǎn)折上升，澄江井水位在1月9日先下降、10日才開(kāi)始上升，孟連井水位在1月10日才顯著上升，反映了水位變化受降雨影響的多變性。洱源和建水井水位在1月10日開(kāi)始下降并逐漸恢復(fù)到正常水平，澄江和瀘西井水位在1月12日轉(zhuǎn)折后未恢復(fù)（圖1）。孟連地區(qū)在1月17—20日又有一次降雨過(guò)程，降雨量達(dá)55.1mm，井水位在15日小幅轉(zhuǎn)折后，19日再次上升，24日開(kāi)始下降并逐漸恢復(fù)到正常水平（圖13），反映了該群體水位同步轉(zhuǎn)折上升現(xiàn)象是由于降雨影響所致。

表1 水位前兆異常特征

Table 1 Characteristics of the precursory anomalies of water level

4 結(jié)論與討論

本文通過(guò)對(duì)澄江井和建水井的降雨量和水位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到以下認(rèn)識(shí)：

（1）滇南地區(qū)的降雨量與水位變化的關(guān)系。水位年變化與雨季降雨量之間的線性關(guān)系較好，影響相對(duì)穩(wěn)定；水位月變化與月降雨量之間有一定的線性關(guān)系，但相關(guān)性一般；水位日變化與日降雨量之間則難以確定定量關(guān)系，隨機(jī)性較大。

（2）滇南地區(qū)的降雨量對(duì)水位變化的影響較為復(fù)雜，表現(xiàn)出與降雨過(guò)程同步、滯后或者基本無(wú)變化等多變性。這可能與降雨時(shí)間和空間的不均勻性、降雨方式的多變性、觀測(cè)井的水文地質(zhì)條件、區(qū)域斷裂帶活動(dòng)影響以及降雨補(bǔ)給區(qū)的距離等因素有關(guān)。

（3）對(duì)澄江井和建水井2012—2014年的水位異常信息進(jìn)行提取，并對(duì)其映震情況進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為滇南地區(qū)與降雨量相關(guān)的水位變化前兆異常，主要包括水位變化幅度和變化時(shí)間等方面。

（4）分析認(rèn)為2015年1月云南地區(qū)水位同步轉(zhuǎn)折上升現(xiàn)象，是受降雨干擾影響。因此及時(shí)排除降雨等相關(guān)干擾因素，對(duì)確定地震危險(xiǎn)區(qū)很有幫助。

此外，觀測(cè)井內(nèi)部水文地質(zhì)條件的變化，井區(qū)降雨量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確以及水位觀測(cè)資料不連續(xù)等，可能對(duì)結(jié)果有影響，需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步分析研究。

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Relationship between Rainfall and Water Level in Deep Wells: A Case Study of Chenjiang Well and Jianshui Well in South of Yunnan Province

Li Libo, Zhang li, Mao Huiling and Luo Ruijie

（Earthquake Administration of Yunnan Province, Kunming 650224, China）

Water levels were raised synchronously and sharply by a large margin in the Yunnan area since January 9, 2015. The related area with systematic anomaly of underground fluid may be the signal for strong earthquake preparation. However, such anomaly could also be caused by non-earthquake related factors. In this paper, we selected the observation data of Chenjiang well and Jianshui well, to study the relationship between rainfall and the variable quantity of water level. We found that there exists a clear linear relationship between rainfall and the variation of water level in south of the Yunnan area. Then, we extracted the abnormal information of water level of Chenjiang well and Jianshui well from 2012 to 2014, and analyzed the earthquake reflecting features. Finally, we concluded that abnormal changes of water level are mainly caused by rainfall variation.

Rainfall amount；The variable quantity of water level；Chenjiang well；Jianshui well；South of Yunnan area

1基金項(xiàng)目 云南省人民政府十項(xiàng)重點(diǎn)工程“云南大震短臨跟蹤工作”和中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司“2015年地下流體指標(biāo)建設(shè)”資助

2015-09-25

李利波，男，生于1984年。碩士，工程師。主要從事地下流體分析和地震預(yù)測(cè)研究。E-mail：licags@126.com

李利波，張立，毛慧玲，羅睿潔，2017．滇南地區(qū)降雨量與水位變化的關(guān)系——以澄江井、建水井為例．震災(zāi)防御技術(shù)，12（1）：230—239．doi：10.11899/zzfy20170124