廣東信宜井水位異常分析

鐘天任，陳大慶，劉 錦，嚴(yán) 興，王小娜，俞 崗

（廣東省地震局，廣州 510070）

0 引言

地下水在上地殼中廣泛存在，對上地殼中發(fā)生的各種地殼動力作用的響應(yīng)具有靈敏性，其變化動態(tài)對地震活動與構(gòu)造活動的響應(yīng)十分靈敏，地下水異?？赡苁亲钪苯拥亩膛R地震前兆[1-2]，但多種自然環(huán)境干擾，如降水、臺風(fēng)等，和人為干擾，如地下水開采，很大程度上影響到了水位的正常觀測，這使得識別和提取地震前兆信息變得困難，因此，如何有效地識別和排除干擾信息，尋找真正反映地殼構(gòu)造活動的水位變化特征，在地震預(yù)測預(yù)報(bào)中發(fā)揮著重要作用。眾多學(xué)者也一直在研究并提出了多種排除干擾的方法，為地下流體觀測異常核實(shí)工作提供可借鑒的思路[3-6]。

廣東信宜井水位作為廣東省流體觀測唯一的A類測項(xiàng)，觀測效能較好，對全球強(qiáng)震都有較好的同震響應(yīng)。針對2018 年8 月16～19 日水位出現(xiàn)異常下降和上升，核實(shí)小組對異常情況進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，對各種干擾因素進(jìn)行分析，探討了水位上升與降雨的關(guān)系，并建立水位上升與降雨量的回歸方程，判定水位上升不僅受降雨影響，還疊加了其它因素的干擾。

此次對信宜井水位異常變化的研究分析，為以后對信宜井地下水位觀測異常識別提供了依據(jù)，水位與降雨的回歸分析，從以往定性的分析降雨的影響到建立回歸模型可以定量化的排除降雨的影響，對地震監(jiān)測預(yù)報(bào)有一定意義。

1 臺站及觀測井概況

1.1 信宜區(qū)域斷裂分布

信宜地震臺在大地構(gòu)造上屬于粵西窿起帶，本地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，總體格局為一組北東向的活動斷層和一組北西向的活動斷層互相切割，形成網(wǎng)格狀構(gòu)造，其中北東向的斷層有合浦—玉林—梧州斷裂、廉江—信宜—牛衛(wèi)斷裂、湛江—吳川—四會斷裂；北西向的斷層有橫縣—博白—茂名斷裂、高州—電白斷裂、茶山—閘坡斷裂。信宜臺位于廉江—信宜—牛衛(wèi)斷裂帶的信宜段西北測[7-8]，見圖1。

圖1 信宜臺周邊主要斷裂分布圖Fig.1 Distribution of main faults around Xinyi Station

1.2 信宜井基礎(chǔ)資料

信宜水位井位于信宜市地震臺內(nèi)，井孔所在位置的基巖主要為花崗片麻巖變質(zhì)后產(chǎn)生的混合巖，井深101.90 m。儲水空隙類型：以裂隙承壓水為主，少量孔隙水。觀測層地下水埋藏類型：混合型水為主，井孔柱狀圖見圖2。井孔水的PH 值：7.2，屬中性水。又根據(jù)為57.97 mg/L，為13.30 mg/L，游離CO2為3.76 mg/L，Ca2+為10.42 mg/L，Mg2+為5.83 mg/L，為14.18 mg/L。按舒卡列夫分類法可確定水的化學(xué)類型為重碳酸鹽—鈉型水①廣東省地質(zhì)工程公司.信宜地震臺地震前兆觀測井建井報(bào)告（3號井），2006.。

圖2 信宜水位井井孔剖面圖Fig.2 The well bore log chart of Xinyi well

2 信宜井水位同震響應(yīng)效能分析

選取2007 年6 月起，即水位開始觀測至2018年12 月31 日，全球17 次MS≥8.0 地震（目錄來自中國地震信息網(wǎng)），從表1 響應(yīng)特征統(tǒng)計(jì)和圖3 水位同震響應(yīng)記錄曲線可見，信宜井水位對17 次MS≥8.0 地震中6 次地震產(chǎn)生了同震響應(yīng)，同震響應(yīng)的基本形態(tài)均為下降型。10次地震無響應(yīng)，1次因儀器故障缺記，此次故障不納入計(jì)算，響應(yīng)率為37.5%。從圖4同震響應(yīng)的地震震中分布可以看出，信宜水位井對3500 km 內(nèi)的遠(yuǎn)大震較為靈敏，尤其是我國大陸、東南沿海和印尼蘇門答臘島的大震活動。井震距越短，震級越大，同震響應(yīng)也越明顯，與眾多學(xué)者的研究結(jié)果一致，這三者之間有良好的相關(guān)性[9-12]。

圖3 信宜井水位同震響應(yīng)動態(tài)記錄曲線Fig.3 Dynamic record curve of coseismic response of Xinyi well water level

圖4 信宜井水位同震響應(yīng)全球分布圖Fig.4 Global distribution map of coseismic response of Xinyi well water level

表1 信宜井水位同震響應(yīng)形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)Table 1 The morphological characteristics statistics of coseismic response of Xinyi well water level

3 水位異常核實(shí)分析

3.1 井水位正常動態(tài)特征

從2014—2018年信宜井水位日均值曲線（圖5）可以看出，該井長趨勢變化較為平穩(wěn)，多年的觀測資料顯示，信宜井水位具有較規(guī)律的年變動態(tài)特征（圖6），受降雨的影響，表現(xiàn)為夏高冬低，每年5～8 月的雨季，水位升幅最大，11 月至次年3 月的旱季，水位處在低值，可見降雨是影響該井水位動態(tài)變化的主要因素。但從2018 年下半年開始，受到旁邊大型房地產(chǎn)工地施工影響，水位開始出現(xiàn)異常變化。

圖5 信宜水位長趨勢曲線Fig.5 Long-term trend curve of Xinyi well water level

3.2 井水位異常概況

信宜井水位2018年8月16～19日期間顯著下降后又快速回升，16 日20：58 出現(xiàn)下降，最大下降幅度0.671 m，17 日23：00 轉(zhuǎn)折回升，最大上升幅度1.014 m，見圖6。8 月17 日2：21 和2：22 日本火山列島地區(qū)分別發(fā)生了MS6.3 和MS6.5 級地震，19 日8：19 斐濟(jì)群島發(fā)生MS8.1 級地震，信宜井水位在16 日20：58 分就出現(xiàn)下降，即日本火山列島地震發(fā)生之前6 h，因此可以判斷此次異?，F(xiàn)象都不是上述三次強(qiáng)震的同震響應(yīng)，日本火山列島距離信宜井約3300 km，斐濟(jì)群島離信宜井約8900 km，此次水位下降沒有疊加兩次地震的同震響應(yīng)。另外，從圖7 可以看出，信宜井水位與3800 km 內(nèi)日本6.5～7.9級地震無明顯的相關(guān)性。

圖6 信宜井水位異常變化曲線Fig.6 The abnormal change curve of water level of Xinyi well

圖7 信宜水位與日本6.5～7.9級以上地震的對應(yīng)關(guān)系（2015-01—2018-12）Fig.7 Corresponding relationship between Xinyi water level and earthquakes with 6.5≤MS≤7.9 in Japan（2015-01—2018-12）

3.3 干擾情況分析

3.3.1 環(huán)境干擾情況

對此次水位異常變化，進(jìn)行了實(shí)地異常調(diào)查與落實(shí)，臺站周邊存在多個工地，分別為距離100 m 左右的信宜市第六小學(xué)工地，西側(cè)距離臺站約400 m 的冠一建筑工程公司房地產(chǎn)及采石場工地，還有緊鄰臺站東南側(cè)的即將動工的房地產(chǎn)工地，見圖8。

圖8 信宜臺周邊環(huán)境示意圖Fig.8 Schematic diagram of the surrounding environment of Xinyi Station

臺站人員到現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，信宜市第六小學(xué)工地為一土層場地平整小工程，未涉及爆破及抽水施工。

臺站西側(cè)的冠一建筑工程公司房地產(chǎn)及采石場工地面積約有1.5 萬平方米，內(nèi)有兩個作業(yè)區(qū)，較低處為花崗巖區(qū)開挖平整區(qū)，從7月15日開始，施工較為頻繁，涉及大量爆破，較高處為碎石加工區(qū)，兩者高差約15 m。工地西北角有一鉆井，用于抽取工作人員的生活用水。該井距臺站觀測井約400 m，方位角約280°。

門急診處方質(zhì)量關(guān)系到患者的用藥安全性和合理性，體現(xiàn)醫(yī)院的合理用藥水平[1]?！度壞[瘤醫(yī)院評審標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施細(xì)則（2011年版）》明確規(guī)定藥品不合理處方≤1%。現(xiàn)對江蘇省腫瘤醫(yī)院2016～2017年門急診藥房成功干預(yù)的不合理處方進(jìn)行回顧性分析，了解不合理處方狀況，為臨床合理用藥及處方質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)提供參考。

另外，信宜臺站內(nèi)還有數(shù)字化形變儀器RZB-2分量鉆孔應(yīng)變儀，采樣率為秒值。該套儀器的4個分量，北南、東西、北東和北西分量也都同時(shí)出現(xiàn)了異常突升變化，其中北南分量和北西分量持續(xù)時(shí)間較長，幅度較大，北南分量變化幅度為0.15%，北西分量變化幅度為0.07%。東西分量和北東分量異常變化持續(xù)時(shí)間小于1 天且幅度較小，見圖9。根據(jù)彈性力學(xué)[14]，在垂直方向的長鉆孔中，水平地層平面上某個α方向的鉆孔孔壁徑向位移u與水平面上的主應(yīng)力σ1σ2及主應(yīng)力方向φ之間的關(guān)系式：

圖9 信宜臺鉆孔應(yīng)變儀分鐘值曲線Fig.9 Minute value curve of borehole strain gauge in Xinyi Station

其中，R為鉆孔半徑，E為巖石的楊氏模量。

每一個分量都存在這種本構(gòu)關(guān)系：

4個分量中，兩兩垂直的兩組測值之差為：

兩式相除：

取北南分量最大觀測值時(shí)間，可得到4 個分量該時(shí)間的測值，α為北南分量的方位角，求得相對主應(yīng)力的方位角為340°，說明北西方向存在干擾源，鉆孔應(yīng)變儀4個分量也在17～20日同時(shí)出現(xiàn)了畸變，因此可以判定，房地產(chǎn)施工工地與此次水位下降存在一定的關(guān)系。

3.3.2 氣象因素干擾情況

廣東茂名地區(qū)8 月10 日受臺風(fēng)“貝碧嘉”影響，遭受暴雨洪澇災(zāi)害，信宜市暴雨引發(fā)山洪。信宜臺WYY-1 氣象三要素觀測儀記錄到16～19 d 降雨量共46.7 mm。從圖10可見，井水位與降雨的相關(guān)性良好，上升幅度與雨量正相關(guān)，但氣壓與水位的相關(guān)性很小。因此判斷，臺風(fēng)“貝碧嘉”不是造成水位下降的原因。

圖10 水位與降雨、氣壓記錄曲線Fig.10 Record curves of water level，rainfall and air pressure

3.3.3 水位上升多元回歸分析

針對8 月16～19 d 水位顯著下降后又快速回升現(xiàn)象，如何排除降雨對水位的影響，顯得特別重要與關(guān)鍵，目前還沒有一種可以較好地排除降雨對井水位動態(tài)影響的數(shù)據(jù)處理方法，本文通過借鑒降雨與水位的回歸分析方法[15]，嘗試通過井水位升高幅度、升高持續(xù)時(shí)間和同期降雨量等參數(shù)，建立水位升高與降雨關(guān)系的多元回歸方程，統(tǒng)計(jì)2017 年以來信宜水位連續(xù)上升超過3 d，水位上升幅度與上升持續(xù)時(shí)間和同期降雨量?？紤]到降雨對井水位影響會有所滯后，同期降雨量取包括上升開始的前一天[16-18]。

建立的回歸方程為

y=-0.035862+0.013042x1+0.0010425x2

y：水位升高幅度（m）

x1：上升持續(xù)時(shí)間（d）

x2：同期降雨量（包括上升開始的前一天）（mm）

對回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[19-21]，檢驗(yàn)的p值為0.000 141 小于0.05，回歸方程是顯著的。圖11為時(shí)間序列上48 次水位連續(xù)上升大于等于3 d，原始上升幅度與根據(jù)回歸方程擬合的上升幅度比較，圖12 為水位上升幅度與回歸擬合得到的上升幅度差值，從圖11 和圖12 可以看到本次水位升高幅度遠(yuǎn)高于根據(jù)上升持續(xù)時(shí)間和降雨量擬合得到的上升幅度?？紤]到升高前有快速的下降，扣除前期的下降本次升高幅度為0.5 m 左右。而按照回歸方程得到的上升幅度在0.14 m，實(shí)際上升幅度仍然遠(yuǎn)高于擬合值，說明導(dǎo)致本次水位升高的原因不單單是降雨，另外還有其他因素疊加影響。

圖11 信宜水位上升幅度與回歸擬合上升幅度Fig.11 The rising range of Xinyi water level and its regression fitting

圖12 信宜水位上升幅度與回歸擬合上升幅度差值Fig.12 The difference between the rising range of Xinyi water level and its regression fitting

4 討論與認(rèn)識

（1）信宜井水位是廣東省流體學(xué)科效能評估為A類的唯一測項(xiàng)，映震能力較強(qiáng)，在多次強(qiáng)震后都有明顯的同震響應(yīng)，變化形態(tài)均為下降型。但此次水位下降并非是強(qiáng)震后的同震響應(yīng)。

（2）8 月16 日20：58 井水位快速下降，最大下降幅度為0.671 m，從圖9 可以看出，水位與氣壓相關(guān)性小，筆者認(rèn)為，臺風(fēng)“貝碧嘉”不是造成水位下降的原因。結(jié)合鉆孔應(yīng)變各分量變化的差異性，認(rèn)為16 日快速下降，有可能和北西方向的工地頻繁作業(yè)，施工爆破等有一定的關(guān)系。

（3）井水位8 月18 日0 點(diǎn)起轉(zhuǎn)折上升，18～19日上升幅度為1.014 m，8 月11 日起由于受臺風(fēng)“貝碧嘉”的影響，氣象三要素觀測儀記錄到16日降雨量0.9 mm、17 日18.3 mm、18 日16.4 mm、19日11.1 mm，根據(jù)水位升高變化與降雨量的回歸分析結(jié)果可得出，此次大幅度上升，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于擬合值，由此得出，水位快速回升除了受到降雨影響外，還有其它因素干擾。

（4）考慮到回歸方程中所取的影響因素可能不夠全面，臺站水文地質(zhì)環(huán)境還不夠了解，降雨的空間分布也未納入考慮范疇，后續(xù)仍需進(jìn)一步跟蹤調(diào)查與試驗(yàn)，確定干擾源，完善回歸方程。