四川會理川-31 井水位變化與降雨量關(guān)系及異常識別

芮雪蓮，楊 耀，官致君，林圣杰

（四川省地震局，成都 610041）

0 引言

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)[1]。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，就會成為地下水位異常識別的重要干擾因素[2]。車用太等人通過研究北京地區(qū)、福建湯坑與黑龍江尚志等典型觀測井認為，降雨對深井水位的微動態(tài)影響并不是垂直入滲而是暴雨積水的荷載作用到含水層中去的結(jié)果[3-4]。為分析排除降雨對井水位的影響，學(xué)者們提出響應(yīng)函數(shù)法[5-6]、卷積濾波法[7]、組合水箱模型法[8]，這些方法在云南地區(qū)地下流體異常分析中已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用[9-10]。此外，也有學(xué)者通過統(tǒng)計分析，研究了不同時期井水位與降雨量之間的關(guān)系及異常特征[2,11-13]。但目前針對四川境內(nèi)的觀測井相關(guān)方面的研究相對較少。

四川會理川-31 井位于南北地震帶中南段，是國內(nèi)地震監(jiān)視跟蹤工作重點區(qū)域。自開展觀測以來，水位動態(tài)變化受降雨干擾明顯，總體表現(xiàn)為雨季上升，旱季下降的特征。2019 年3 月20 日該井水位出現(xiàn)明顯的上升，幅度達到0.728 m，同時該年雨季水位上升幅度也明顯增大。為了判定兩次水位上升異常是干擾造成還是由區(qū)域構(gòu)造活動引起的地震前兆異常信息，本文在前人研究的基礎(chǔ)上擬通過分析降雨量與水位變化幅度之間的相關(guān)性、井孔水化學(xué)組成及氫氧同位素特征，對兩次水位上升的原因進行分析。

1 觀測井概況及井水位異常特征

會理縣處于南北地震帶的中南段，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地殼運動頻繁，斷裂發(fā)育。區(qū)內(nèi)發(fā)育有安寧河深斷裂帶、磨盤山-昔格達斷裂、寧會大斷裂等。川-31 井位于會理縣城內(nèi)（102.25°E，26.65°N），處于安寧河斷裂帶南段與寧會斷裂交界區(qū)域，距寧會斷裂約3 km。寧會斷裂沿寧南理力馬河一線延展，走向NE，西南段被昔格達斷裂帶錯斷，東北端交匯于則木河大斷裂，沿斷裂帶地震活動頻繁，2008 年8 月30 日攀枝花-會理6.1 級地震距觀測井僅60 km（圖1）。

圖1 川-31 井周邊地質(zhì)構(gòu)造及2000 年以來地震分布圖

觀測井周邊及附近區(qū)域地層為河湖相沉積，巖性主要是上白堊統(tǒng)雷打樹組砂巖、下白堊統(tǒng)小壩組的砂巖、泥巖和上三疊至下侏羅統(tǒng)白果灣群砂巖、頁巖，含煤。研究區(qū)內(nèi)地下水資源豐富，縱橫交錯發(fā)育的斷裂，破壞了含水層的連續(xù)性，同時也溝通了一些含水層間的水力聯(lián)系，部分斷層出現(xiàn)了充水及地下水的局部富集。區(qū)域內(nèi)地下水的補給、徑流、排泄條件及動態(tài)變化受氣候、地貌及構(gòu)造等因素的控制，除小型山間盆地及裂隙孔隙水外，一般以降雨補給為主。山地與河谷區(qū)的氣象特征直接影響區(qū)域地下水的動態(tài)變化。

川-31 井深約260 m，鉆孔揭露地層巖性為下白堊統(tǒng)小壩組砂巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖及砂泥巖互層，觀測含水層深度為182～192 m。地下水類型為裂隙承壓水，觀測井位于山區(qū)，其地下水的動態(tài)變化直接受到區(qū)域氣象特征的影響。

會理川-31 井水位于2019 年3 月20 日開始快速上升，并于4 月12 日開始出現(xiàn)回落，最大上升幅度達0.728 m。自觀測以來，該井年變上升時間與當(dāng)?shù)赜昙颈３忠恢拢磕?—10 月），但此次水位上升時間較往年相比，提前約2 個月。同時，2019 年6 月23—26 日水位也出現(xiàn)了明顯上升。通常情況下，水位出現(xiàn)上升主要由以下原因引起[10,14]：①環(huán)境干擾：區(qū)域降水或者人為抽注水引起含水層內(nèi)水量的變化；②區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，含水層固體骨架發(fā)生變形從而導(dǎo)致孔隙壓發(fā)生變化，進而引起水位發(fā)生變化。因此，為了進一步明確觀測井水位發(fā)生變化的原因，收集相關(guān)降雨等輔助資料和進行井孔水化學(xué)特征分析是十分有必要的。

2 降雨量與水位變化關(guān)系分析

川-31 井所處地區(qū)屬中亞熱帶半濕潤氣候區(qū)，據(jù)2009—2019 年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，會理川-31 井所屬地區(qū)年降雨量為791～1 503 mm，各年間的降雨量差異較大。一年之內(nèi)，雨旱季分明，降雨量≥50 mm 的月份主要集中在5—10 月。

觀測資料表明，川-31 井水位的變化受到該地區(qū)降雨的影響明顯，年變動態(tài)為降雨補給型，水位變化主要表現(xiàn)為雨季上升，旱季下降的年變形態(tài)。由于川-31 井位于山間，考慮到降雨有效入滲及間接補給等其他因素，本文主要研究雨季降雨對水位的影響，而非年降雨量的影響。

2.1 水位變化與降水量相關(guān)性分析

2.1.1 雨季降水量與水位變化的關(guān)系

根據(jù)2009—2018 年每年水位變化幅度與降雨量數(shù)據(jù)分析，可認為水位變化與降雨量之間存在著密切的關(guān)系（圖2）。且降雨對井水位變化的影響并不是短時間的，而是對此后年變化幅度均會產(chǎn)生影響。為進一步研究雨季降水量與年變幅度之間的關(guān)系，將各年雨季累計降雨量與年變幅度值做線性回歸擬合二者之間的線性關(guān)系（圖3），可以看出二者之間具有一定的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)R=0.60）。

圖2 川-31 井井水位（月均值）與降雨量的同軸曲線

圖3 井水位年變幅和雨季降雨總量的關(guān)系

2011 年會理地區(qū)降雨量為統(tǒng)計時段內(nèi)（2008—2019 年）最低，全年降雨量僅793.8 mm，其中雨季（5—10 月）降雨量741.2 mm，占全年降雨量的93.4%，為2009—2018 年內(nèi)唯一年降水量在900 mm 以下的年份。由此造成該變化周期內(nèi)（2011 年5 月至2012 年5 月）低 水 位 值（4.945 m）較 起 始 水 位 值（4.527 m）低0.418 m，該變化周期內(nèi)的低水位值為10 年（2009—2018 年）統(tǒng)計范圍內(nèi)的最低值。2012 年雨季降水升至1 023.7 mm，含水層水量得到補充，高水位恢復(fù)至往年水平，由此造成2012 年水位變化較其他時間明顯增高。

2.1.2 月降水量與水位變化的關(guān)系

水位變化正常年份（2009—2018 年），會理川-31 井水位動態(tài)變化曲線形態(tài)為谷-峰-谷型，即井水位在春冬季節(jié)，該地區(qū)幾乎無降水，井水位基本保持在較低水位，水位變化線較平穩(wěn)，而在夏季由于該地區(qū)降水較多，水位受此影響出現(xiàn)明顯上升，進入秋季之后，降雨明顯減少，水位趨勢下降逐漸保持平穩(wěn)。本文對該地區(qū)雨季降雨量及其對應(yīng)的月水位值變化進行一元線性擬合回歸分析。水位月變幅值在擬合線1 倍方差線范圍時，則認為該井水位月變化量與降水量符合該線性擬合關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R=0.63）（圖4）。

圖4 井水位月變幅和月累計降雨量的關(guān)系

2012 年6 月降雨量為260.1 mm，但是該月水位變化幅度明顯高于其他同等降雨量下的水位變化幅度值，這是由于2011 年降雨明顯減少，年變水位低值到達歷史低值，同時6 月降雨量較五月出現(xiàn)明顯增加，導(dǎo)致本月水位出現(xiàn)明顯上升造成水位變化幅值較大。此外通過數(shù)據(jù)分析表明，井水位變化不僅與累計降雨量有關(guān)，與降雨方式也存在密切的關(guān)系。2018 年10 月降雨量僅為62.8 mm，但是該月水位變化量幅度為81 cm，明顯高于同等月降雨強度下的水位變化幅度，不在擬合范圍內(nèi)，這是由于9 月27 至10 月1 日連續(xù)降雨，且日均降雨量可達30 mm，導(dǎo)致水位升高，并在10 月2 日達到本月水位最高值，此后該月只有零星降雨，且日降雨量均小于5 mm，降雨對水位并沒有形成影響。此期間內(nèi)水位保持持續(xù)下降趨勢。2017 年6 月、8 月和2019 年9 月水位月變幅值受降雨方式的影響超出擬合范圍。

2.1.3 集中降雨量與水位變化的關(guān)系

川-31 井含水層巖性主要為紫紅色砂巖，泥砂巖，透水性較好，同時由于其處于山地地區(qū)，地下水補給和排泄速度快。故該井對降雨響應(yīng)快速，較強降雨后很快可見水位的上升變化，雨停后水位則快速回落，達成一個新的平衡。

由于降雨對水位的影響不僅與降雨量相關(guān)，同時還受到降雨形式、植被、地形、包氣帶巖性、地下水的埋深等眾多因素的影響[15]。因此，本文在進行降雨量-水位月變化相關(guān)性擬合分析時，個別點偏離擬合線較遠。為進一步研究降雨形式對水位的影響，明確二者之間的關(guān)系，本文對該井2009—2018年集中降雨時段水位的變化進行詳細分析。

根據(jù)降雨及水位對降雨的響應(yīng)特征，本文“集中降雨”指日降雨量在25 mm 以上或者連續(xù)多天降雨導(dǎo)致水位有明顯上升變化時的降雨量。通過統(tǒng)計2009—2018 年每一次集中降雨時段的降雨量及對應(yīng)的水位變幅，對其進行擬合發(fā)現(xiàn)，其擬合關(guān)系較好（相關(guān)系數(shù)R=0.84）（圖5）。通過擬合水位變幅（y）受集中降雨量（x）影響的公式為

式（1）可以作為經(jīng)驗公式用于川-31 井降雨量與水位變化的關(guān)系分析，在今后的震情監(jiān)視跟蹤時用于分析水位變化的異常判定。但是由于降雨對水位的影響不僅與降雨量相關(guān)，同時還受到降雨強度、地質(zhì)條件等其他因素的影響，且本次研究樣本量有限，故此經(jīng)驗公式具有一定的適用范圍。當(dāng)集中降雨量明顯超出這一范圍時，需要進行重新分析。

圖5 集中降雨與水位變幅的關(guān)系

2.2 利用降水量反演水位動態(tài)變化

王旭升等基于響應(yīng)函數(shù)法描述降雨入滲補給的滯后特征并建立了觀測井降雨-水位動態(tài)的組合水箱模型，該模型利用降水量反演水位變化特征，并通過模擬值與實測值對比去除降水量對水位的影響[8]。孫小龍等基于該模型，模擬了云南姚安井水位的變化曲線，并對該井的水位異常變化與降雨之間的定量關(guān)系進行了研究，得到了較為理想的應(yīng)用效果[10]。本文基于前人的研究成果，利用孫小龍等人編寫的Matlab 程序，更加客觀性地研究分析了川-31 井水位變化與降水量之間的相關(guān)性特征。

首先，利用川-31 井水位2017—2018 年正常動態(tài)變化時期的降水與水位資料（取值均為月均值），擬合求取了模型計算所需的響應(yīng)函數(shù)參數(shù)t0、β，動力學(xué)時間因子Th、Tjq、Tiq（Th反映的是斷裂帶貯存水的能力；Tjq反映的是降水直接滲入斷裂帶的能力；Tiq反映的是斷裂帶獲得側(cè)向補給的能力）及排泄基準(zhǔn)面高度z0（可用斷裂帶周圍的最低排泄點高程代替）[8]，得出以上6 個參數(shù)的取值分別為z0=4.2，β=3.1，t0=0.1，Th=3.3，Tjq=1.3，Tiq=51.3。從井水位觀測值與模擬值曲線對比圖（圖6）可以看出，在水位正常變化時期（2017—2018 年）模擬值與實測值吻合度較好，說明模擬效果理想，所得模擬參數(shù)可靠。模型的平均絕對誤差為0.093 m。

圖6 川-31 井水位觀測值與模擬值對比及相對水位動態(tài)變化曲線

基于2017—2018 年模擬所得參數(shù)，對2019 年1—12 月水位進行模擬。為形象直觀地說明水位實測值與模擬值之間的差值，本文引入相對水位的概念，即相對水位等于水位實測值與模擬值的差值。以相對水位±0.1 m 作為誤差參考線（圖6 中虛線）來判斷水位是否異常。圖6 中將相對水位超過誤差線的事件分別標(biāo)識為A、B、C、D、E 共5 個事件，A～D 事件均發(fā)生在雨季，造成該類異常的原因可能是由于本文所用模型在處理高頻率降雨輸入尚不完善造成，從而形成明顯的雨季擾動。綜合2.1.2 節(jié)中月降雨量與水位變化規(guī)律分析結(jié)果，可將A～D 事件視為由雨季擾動引起，不作為水位異常事件處理。

圖6 中相對水位在2019 年2—9 月表現(xiàn)為負異常，表明實測水位值高于模擬水位值，即以E 事件為異常起始事件，后續(xù)此項異常持續(xù)至9 月。值得注意的是，該異常事件開始時間2 月，3—4 月會理地區(qū)月累計降雨量均小于10 mm，可認為無降雨擾動，其后異常動態(tài)無法用模型受到雨季擾動解釋，故綜合分析認為此類事件為區(qū)域構(gòu)造活動引起的異常動態(tài)。5—9 月為當(dāng)?shù)囟嘤陼r段，降雨量明顯增加，該段時間內(nèi)異常產(chǎn)生的原因可認為是雨季擾動和區(qū)域構(gòu)造活動疊加引起。

3 井水化學(xué)特征分析

地下水的化學(xué)組分和穩(wěn)定同位素組成可以用于判定其水化類型、水-巖平衡反應(yīng)特征及其組分來源[16-17]。利用Piper 圖可以判定地下水的類型和地下水的混合作用；Giggenbach 圖可判定地下水的水巖平衡狀態(tài)，進一步揭示含水層的深淺部補給關(guān)系和地下水系統(tǒng)的開放與封閉程度[18]，利用水樣氫氧穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)與大氣降水線之間的關(guān)系研究地下水的運動過程[19]。本文對川-31 井水化學(xué)測試結(jié)果進行分析，以進一步了解該井地下水循環(huán)特征及補給來源。水樣測試機構(gòu)為中國地震局預(yù)測研究所，水化學(xué)組分測試結(jié)果見表1。

表1 川-31 井水化學(xué)成分及同位素分析結(jié)果

圖7 川-31 井地下水水樣測試結(jié)果分析圖

Giggenbach 提出的Na-K-Mg 三角圖可用來評價水-巖化學(xué)平衡狀態(tài)，判斷地下水循環(huán)深度等。從圖7c 可知，測試結(jié)果落在Mg 端元附近，為未成熟水，表明該井地下水循環(huán)周期相對較快，埋藏較淺，水-巖之間尚未達到離子平衡狀態(tài)，水巖作用仍在進行[18]。氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)能夠有效地識別地下水的來源與補給過程，可用于判定大氣降水和地表水與地下水的補給關(guān)系[19]。川-31 井水樣氫氧同位素測試結(jié)果位于中國西南地區(qū)大氣降水線上（δD=7.54δ18O+4.84[21]），故認為該觀測井地下水補給來源為大氣降水（圖7b）。

川-31 井水化學(xué)組分及穩(wěn)定氫氧同位素分析表明，該井水循環(huán)深度較淺，井水來源主要為大氣降水，與地表水水力聯(lián)系密切，水位動態(tài)易受到降雨影響，故該井水位、水溫出現(xiàn)異常時需分析是否存在降雨干擾。

4 結(jié)論

通過統(tǒng)計和數(shù)學(xué)物理模擬分析了降雨量與水位變化的相關(guān)性特征，并結(jié)合觀測井地下水化學(xué)特征明確了川-31 井地下水循環(huán)特征及補給來源。

1）會理川-31 井水位變化與該地區(qū)降雨量之間關(guān)系密切。水位年變幅值與雨季累計降雨量之間存在一定的線性關(guān)系，2009—2019 年之間降雨量與水位變化幅值均擬合較好，符合線性相關(guān)的關(guān)系；雨季月降水量與水位月變幅之間呈線性相關(guān)，水位月變化不僅與降雨量有關(guān)，與降雨強度也密切相關(guān)。

2）川-31 井對降雨響應(yīng)快速，集中降雨對井水位影響尤為明顯，在一定范圍內(nèi)二者變化有較好的線性相關(guān)關(guān)系。通過對比模擬水位與實測水位，認為2019 年3 月水位明顯上升為區(qū)域構(gòu)造活動引起的異常事件，同年雨季水位與模擬水位值差別較大可能是降雨與前期構(gòu)造活動疊加效應(yīng)所致。

3）井孔水化學(xué)組分和氫氧同位素分析結(jié)果表明，會理川-31 井地下水以淺層溶解作用為主，水巖作用程度較弱；大氣降水為地下水的主要補給來源。

4）綜合上述分析，會理川-31 井2019 年3 月水位出現(xiàn)明顯上升異常并非是降雨導(dǎo)致，而是與區(qū)域構(gòu)造活動有關(guān)。同年雨季上升幅度較往年大，則可能是降雨與構(gòu)造活動疊加作用造成。

本文在分析川-31 井降雨與水位變幅之間關(guān)系的過程中由于研究方法、數(shù)據(jù)等方面的限制，其相關(guān)系數(shù)不太理想，在今后的震情跟蹤工作中需要豐富數(shù)據(jù)量以進一步研究完善。

致謝感謝審稿專家給本文提供寶貴的修改意見，孫小龍研究員為本文提供計算程序，涼山州防震減災(zāi)局王娟及會理縣防震減災(zāi)局楊朝坤、羅文俊等人為本文提供了降雨量等其他相關(guān)數(shù)據(jù)，在此一并表示衷心的感謝！