一次氣壓擾動(dòng)引起的水位變化

韓文英，梁麗環(huán)，尹宏偉，郭學(xué)增

（1.深州地震臺(tái)，河北 深州 053800；2.興濟(jì)地震臺(tái)，河北 滄州 061721）

一次氣壓擾動(dòng)引起的水位變化

韓文英1，梁麗環(huán)1，尹宏偉1，郭學(xué)增2

（1.深州地震臺(tái)，河北 深州 053800；2.興濟(jì)地震臺(tái)，河北 滄州 061721）

氣壓變化可引起井水位同步變化，這是水位觀測(cè)的一種微動(dòng)態(tài)，稱為水位的氣壓效應(yīng)，其量值用氣壓效率表示，即單位氣壓變化量引起井水位的變化量。2016年5月12日河北省多地普遍降溫，降溫幅度達(dá)5～11℃，降溫的同時(shí)，氣壓大幅度上升，引起河北省地震地下流體觀測(cè)井網(wǎng)多數(shù)井水位同步下降。利用這次氣壓快速上升及其相應(yīng)的水位下降，計(jì)算了井網(wǎng)內(nèi)12口觀測(cè)井的氣壓效率。計(jì)算結(jié)果顯示，多數(shù)井的氣壓效率與已有的研究結(jié)果基本相符，個(gè)別井孔的計(jì)算結(jié)果不符合井孔本身實(shí)際的氣壓效率。結(jié)果表明，應(yīng)用氣壓擾動(dòng)進(jìn)行水位氣壓效率計(jì)算也是方法之一，但僅利用一次氣壓擾動(dòng)，會(huì)造成計(jì)算結(jié)果的偶然性。

氣壓；水位；氣壓擾動(dòng)；氣壓效率；地震觀測(cè)井網(wǎng)

P315.723

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.011

1674-8565（2017）04-0059-07

2017-07-26

2017-09-30

韓文英（1971-），女，河北省衡水市人，畢業(yè)于防災(zāi)科技學(xué)院，大專，工程師，現(xiàn)主要從事地下流體觀測(cè)方面的研究工作。E-mail: szhanwy@126.com

0 引言

氣壓變化具有較穩(wěn)定的周期，一般是年周期和日周期，其周期性與氣溫的周期性具有同步性變化特征。除上述周期變化外，氣壓在各種氣象條件下又具有隨機(jī)性。在某些天氣過(guò)程中氣壓會(huì)發(fā)生大幅度波動(dòng)，如冷鋒過(guò)境時(shí)，冷空氣入侵，溫度下降，氣壓上升，有時(shí)氣壓變化幅度可達(dá)10hPa[1]。氣壓的升降可引起井水位同步反向變化，這種同步響應(yīng)稱為水位的氣壓效應(yīng)，其量值一般用氣壓效率或氣壓系數(shù)表示[2-3]。

氣壓效率與氣壓系數(shù)的區(qū)別是，氣壓效率的單位是mm/hPa，而氣壓系數(shù)無(wú)量綱，氣壓效率比氣壓系數(shù)大一個(gè)量級(jí)。計(jì)算氣壓系數(shù)時(shí)需要將氣壓變化量換算成等效水柱高，即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓等效水柱高為104mm[4]。氣壓效率的解算，一般利用水位日均值一階差分和氣壓日均值一階差分，應(yīng)用線性回歸方法計(jì)算。吳伯等[5]、劉裕生等[6]和卜凡泉等[7]等此前曾對(duì)氣壓系數(shù)的求解進(jìn)行了理論研究。張子廣等[8]利用氣壓擾動(dòng)求解了不同井孔的氣壓效率。

2016年5月12日河北省大部地區(qū)降溫，多地日最低氣溫降幅達(dá)8～9oC，保定降溫11oC，北京、承德降溫10oC，張家口和天津降溫幅度較小，為6oC和5oC。隨著氣溫的急劇下降，氣壓大幅度快速上升，河北省境內(nèi)氣壓在十多個(gè)小時(shí)內(nèi)平均上升約14 hPa。本文利用2016年5月12日氣壓大幅度上升及其引起的水位同步下降，計(jì)算了河北省地震觀測(cè)井網(wǎng)內(nèi)部分井水位的氣壓效率，選取了水位和氣壓觀測(cè)資料完整、氣壓效應(yīng)較為顯著的12口井，進(jìn)行氣壓效率計(jì)算。

1 氣壓變化特征

2016年5月12日01時(shí)左右，氣壓開(kāi)始快速上升，至16時(shí)左右上升速率減緩，之后持續(xù)上升至13日09時(shí)左右。河北省地震觀測(cè)井網(wǎng)各井的氣象三要素測(cè)項(xiàng)，記錄了這次氣壓的變化過(guò)程。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，5月12日至13日氣壓上升幅度平均值達(dá)27.1hPa，其中，快速上升段平均上升幅度為13.9hPa。表1列出了河北省地震觀測(cè)井網(wǎng)部分井點(diǎn)的氣壓變化過(guò)程。圖1是部分井孔2016年5月的氣壓曲線，圖2是本次即5月12-13日的氣壓變化過(guò)程。圖2中的1-3是氣壓上升的全過(guò)程，1-2是氣壓快速上升過(guò)程。

圖1和圖2顯示，氣壓變化曲線在不同時(shí)間尺度和不同地點(diǎn)均表現(xiàn)出高度一致，但變化幅度略有不同，這是大氣壓力的變化特征。

表1 2016年5月12日河北省地震觀測(cè)井網(wǎng)部分井點(diǎn)氣壓變化統(tǒng)計(jì)表

圖1 2016年5月氣壓觀測(cè)曲線Fig.1 Pressure observation curves in May, 2016

圖2 2016年5月12日氣壓觀測(cè)曲線Fig.2 Pressure observation curves on May 12，2016

2 水位變化特征

2.1 井孔基本概況

表2列出了河北省地震觀測(cè)井網(wǎng)內(nèi)具有氣壓效應(yīng)井孔的基本條件，這些井都是深井，含水層承壓性較好，因此地下水類型均為承壓水[9]。唐山的林西井入網(wǎng)時(shí)間較晚，除井深外其它參數(shù)不詳。

表2 河北省地震觀測(cè)井網(wǎng)部分井孔基本概況

2.2 水位變化特征

2016年5月12日氣壓大幅度波動(dòng)上升，引起河北省地震觀測(cè)井網(wǎng)大部分井水位同步下降。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，有12口井的水位，同步于氣壓變化的觀測(cè)資料完整而且明顯，水位下降幅度如表3所示。圖3給出了上述12口井水位在5月12日前后的氣壓變化分鐘值曲線。綜合圖3和表3可以看出，井水位隨氣壓快速上升而同步下降，各井的水位下降幅度不同，下降幅度最大的是黃驊井水位，下降幅度最小的是河間井水位。

表3 2016年5月12日河北省地震觀測(cè)井網(wǎng)部分井水位下降幅度統(tǒng)計(jì)表

圖3 水位與氣壓分鐘值曲線Fig.3 Water level and pressure minute value curves

水位下降幅度最小的河間井是高溫自流井，水位測(cè)值噪聲帶較寬，本文利用水位擬合值統(tǒng)計(jì)了對(duì)應(yīng)于5月12日氣壓快速上升的水位下降幅度（圖4）,圖4中的紅色曲線即擬合值,由此求得河間井水位下降幅度為6mm。

圖5是滄縣井水位、氣壓變化曲線，顯示水位具有氣壓效應(yīng)，但水位、氣壓不同步。圖6是圖5的放大圖像，圖6顯示，氣壓上升4個(gè)多小時(shí)后，水位才開(kāi)始下降，即圖6中氣壓曲線標(biāo)記1與水位曲線標(biāo)記（1），在時(shí)間軸上相差4個(gè)多小時(shí)；氣壓快速上升結(jié)束后5個(gè)小時(shí)，水位的下降趨勢(shì)才略有改變，即圖6氣壓曲線標(biāo)記2與水位曲線標(biāo)記（2）的時(shí)間差。滄縣井水位滯后氣壓的時(shí)間比其它井大很多，與井孔自身?xiàng)l件有關(guān)。取相應(yīng)于氣壓快速變化時(shí)間段是水位變幅，即水位下降幅度為13mm。

圖7是永清井水位和氣壓觀測(cè)曲線。永清井受地下熱水開(kāi)采影響，水位在每年9月至次年3月呈下降趨勢(shì)，3月中旬停止地下熱水開(kāi)采后，水位呈上升趨勢(shì)。水位的趨勢(shì)動(dòng)態(tài)掩蓋了其氣壓效應(yīng)，經(jīng)過(guò)趨勢(shì)擬合處理后，水位與氣壓的同步反向變化形態(tài)即能顯現(xiàn)出來(lái)，計(jì)算永清井水位去除趨勢(shì)上升后下降幅度為100mm（圖7、表3）。

圖4 2016年5月12日河間井原始水位、擬合水位分鐘值曲線Fig.4 The minute value curve of the original Hejian well water level and the fitting water level

圖5 滄縣井水位、氣壓分鐘值曲線Fig.5 Cangxian minute value curves of the water level and pressure

圖6 滄縣井水位、氣壓分鐘值曲線（20160510）Fig.6 Cangxian minutes value curve of the water level and pressure

圖7 永清井原始水位、趨勢(shì)擬合水位、氣壓分鐘值曲線Fig.7 Original Yongqing well water level and trend fitting minute value curves of the water level and pressure

3 氣壓效率

氣壓效率是指單位氣壓變化量引起的井水位變化量，即：

b為氣壓效率（mm/hPa）；?h為水位變化量（mm）；?p為氣壓變化量（hPa）。

利用表3的水位下降幅度和表1中氣壓的上升幅度，進(jìn)行各個(gè)井孔水位的氣壓效率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。表4還列出了盛艷蕊等[10]和張子廣等[8]的氣壓效率計(jì)算結(jié)果。

由表4可以看出，唐山、河間、滄縣、無(wú)極、寧晉、永年、峰峰等井水位的氣壓效率與盛艷蕊等[10]的計(jì)算結(jié)果基本一致；永清的氣壓效率與盛艷蕊等[10]的計(jì)算結(jié)果有較大偏差，黃驊、深州井水位的氣壓效率與張子廣等[8]和盛艷蕊等[10]的計(jì)算結(jié)果偏差較大，其中黃驊井的氣壓效率與已有的研究結(jié)果相差約1倍。

4 討論

利用2016年5月12日的一次氣壓擾動(dòng)，計(jì)算了河北省地震觀測(cè)井網(wǎng)部分井孔的氣壓效率。計(jì)算結(jié)果表明，氣壓擾動(dòng)引起的水位同步變化基本符合井水位的氣壓效率，但亦有偏差較大的井孔。對(duì)氣壓效率偏差較大的可能原因進(jìn)行簡(jiǎn)要分析：

表4 氣壓效率（mm/hPa）

唐山井：張子廣等[8]利用水位、氣壓日均值一階差分，然后將差分結(jié)果再進(jìn)行線性回歸計(jì)算。本文是利用某一時(shí)間段水位、氣壓分鐘值的變化幅度計(jì)算氣壓效率。前者具有平均性，后者具有隨機(jī)性。

林西井：氣壓效率與同樣深度的承壓井相比，氣壓效率很低。因該井成井基礎(chǔ)資料不詳，氣壓效率偏小的原因有待日后研究。

永清井：本文計(jì)算得到氣壓效率小于盛艷蕊等①的計(jì)算結(jié)果，盛艷蕊等①是采用一階差分和滑動(dòng)濾波兩種方法計(jì)算結(jié)果的平均值，具有平均性；再者，該井受地下熱水開(kāi)采影響，水位呈多年波動(dòng)性趨勢(shì)下降，其波動(dòng)周期為年周期，每年5月份處于快速上升期。氣壓擾動(dòng)上升引起的水位下降掩埋于顯著的趨勢(shì)上升中，影響水位的實(shí)際變化幅度。因此，采用原始水位趨勢(shì)擬合后的擬合值進(jìn)行計(jì)算，其氣壓效率為7.407mm/hPa，符合永清井的氣壓效率。

河間井：因該井自流，所以氣壓效率較低。

滄縣井：該井有淤塞現(xiàn)象，水位對(duì)于潮汐、氣壓或人為影響，反應(yīng)緩慢②丁志華，等. 異常核實(shí)—2015年01月19日河北滄13#水溫.河北石家莊：河北省地震局，2015.。由于水位的滯后原因，本文所選取下降階段的結(jié)束時(shí)間，截至到12日的21:55，比其它井都晚。

黃驊井：該井水位經(jīng)常出現(xiàn)不明原因快速上升與下降[10]。5月12日08:04—12:40有一個(gè)144mm的下降，與氣壓引起下降有重合，所以本文計(jì)算的氣壓效率偏離黃驊井實(shí)際的氣壓效率。

深州井：本文的氣壓效率小于盛艷蕊等①和張子廣等[8]的計(jì)算結(jié)果，原因可能是該井水面上浮有一層石油，當(dāng)掏油后，浮油少時(shí)水位變化曲線光滑；浮油多了后，水位在上升轉(zhuǎn)下降或下降轉(zhuǎn)上升時(shí)記錄曲線經(jīng)常走直線；水面上的油層對(duì)氣壓短時(shí)間大幅度擾動(dòng)的響應(yīng)，比不存在浮油響應(yīng)幅度要小。再者，盛艷蕊等①和張子廣等[8]的計(jì)算結(jié)果具有平均性，本文的計(jì)算結(jié)果有隨機(jī)性。

氣壓效率解算常用的方法是：利用水位和氣壓的日均值一階差分進(jìn)行線性回歸計(jì)算。張子廣等[8]既采用了線性回歸方法，也利用氣壓擾動(dòng)進(jìn)行了井水位的氣壓效率計(jì)算（表4中列出的是日均值一階差分線性回歸計(jì)算結(jié)果）。盛艷蕊等①采用了3種方法進(jìn)行氣壓效率計(jì)算，一是利用水位和氣壓日均值線性回歸；二是水位和氣壓日均值一階差分線性回歸；三是水位和氣壓時(shí)值序列以5天窗長(zhǎng)1天步長(zhǎng)進(jìn)行別爾采夫滑動(dòng)濾波，然后再一階差分線性回歸（表4中列出的是氣壓效率平均值）。比較這些方法的計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為還是利用日均值一階差分線性回歸計(jì)算得出的氣壓效率更符合井孔的實(shí)際氣壓效率。

5 結(jié)論

本文利用一次氣壓擾動(dòng)，進(jìn)行井孔的氣壓效率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，多數(shù)井孔的氣壓效率與已有的研究結(jié)果基本相符，說(shuō)明利用氣壓擾動(dòng)進(jìn)行井孔氣壓效率計(jì)算有一定的可取之處。但個(gè)別井孔由于種種原因得出的結(jié)果不符合井孔本身實(shí)際的氣壓效率；還有利用一次氣壓擾動(dòng)計(jì)算井水位的氣壓效率，會(huì)有偶然性。所以，選用多次氣壓擾動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，取其平均值，可能結(jié)果更準(zhǔn)確。

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A Pressure Disturbance Caused by the Water Level Change

HAN Wen-ying1，LIANG Li-huan1，YIN Hong-wei1，GUO Xue-zeng2，

（1. Shenzhou Seismic Station，Hebei Shenzhou 053800，China；2. Xingji Seismic Station，Hebei Cangzhou 061721，China）

Pressure change can cause changes of level, this is a micro dynamic water level observation is called water pressure effect, its value in barometric efficiency, namely content of quantity of unit pressure change caused the change of the level.In hebei province on May 12, 2016 more widespread cooling, cooling by 5～11 ℃ , the cooling at the same time, the sharp rise in pressure, cause seismic subsurface fluid observation well network in hebei province level most synchronous decline.This paper, by using the pressure rising fast and corresponding water level drops, calculated the pattern within 12 observation Wells barometric efficiency.Calculation results show that most Wells barometric efficiency consistent with the existing research results,the calculation results of individual hole is not in conformity with the efficiency of the actual pressure hole itself.Results show that the application of air pressure disturbance on water efficiency calculation is one of the methods, but only use a pressure disturbance, the calculation results of contingency.

air pressure；the water level；air pressure disturbance；barometric efficiency；seismic observation well network