烏什地震臺靜水位觀測一致性及干擾因素分析①

也爾扎提·巴合提漢

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局富蘊(yùn)地震臺，新疆 富蘊(yùn) 836100)

地下水位的變化在一定程度上反映了巖層的應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)、裂隙額的發(fā)育與串通、斷層的閉鎖、蠕動和錯動等[1]。因此地下水位的異常變化在地震短期預(yù)報中發(fā)揮了重要作用[2-5]。由于觀測臺站建立在地球表層，會受到各種因素的影響，會激勵、調(diào)制出相應(yīng)的周期性變化，并為觀測儀器所記錄，地下流體水位變化包含了許多非構(gòu)造應(yīng)力的因素，這些非構(gòu)造應(yīng)力因素的干擾往往掩蓋了由構(gòu)造應(yīng)力引起的水位異常變化。而且從測量的誤差來源對分類來說可以用公式來表示觀測值序列所包含的信息[6]：① 觀測值=目標(biāo)值+儀器裝備誤差+環(huán)境誤差+人員誤差+方法誤差；② 觀測值=目標(biāo)值+系統(tǒng)誤差+偶然誤差+粗差。如何估計方法誤差，應(yīng)用不同觀測方式所測得觀測值序列的一致性問題前人已有研究，耿杰[7-8]從潮汐因子、中誤差、氣壓效應(yīng)等方面研究山東數(shù)字化水位與模擬觀測的一致性和無線地下流體數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)水位觀測數(shù)據(jù)與模擬水位觀測數(shù)據(jù)的一致性；胡玉良[9]對靜樂井SWY-II型水位儀和LN-3A水位儀從穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)一致性、內(nèi)在質(zhì)量、系統(tǒng)漂移、水震波、氣壓效應(yīng)、自然環(huán)境干擾等方面對比分析。烏什46井與體應(yīng)變輔助水位屬同井觀測，若某一儀器發(fā)生故障，資料是否可以替代具有現(xiàn)實意義。因此，本文中選取新46井靜水位與體應(yīng)變輔助水位為研究對象，利用時間序列分解及濾波技術(shù)將數(shù)據(jù)分離，并利用相關(guān)性分析探究相應(yīng)頻段水位的一致性及干擾因素。

1 臺站及觀測系統(tǒng)簡介

新46井測點位于烏什地震臺院內(nèi)，地處北東向闊克沙勒深大斷裂南側(cè)，柯坪斷塊的東北部，井區(qū)出露有大面積基巖，巖性為石英質(zhì)砂巖[10-11]。新46井深75.6 m，屬于基巖裂隙水，儀器型號為LN-3A型，傳感器投放至井下15.25 m[12]。新46井采用與形變同孔新型試驗的綜合觀測方法[13]，同孔觀測儀器還有SZW-1A水溫儀、TJ-II型體應(yīng)變儀及體應(yīng)變輔助水位觀測儀。在以往的震例總結(jié)中，烏什水位與地震具有較好的對應(yīng)關(guān)系[14]。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)基本情況與處理

選取2016～2019年小時值數(shù)據(jù)為研究對象(圖1)，水位與溫度有較好的年變形態(tài)，每年3月水位由下降轉(zhuǎn)為上升，夏季受臺站附近水廠抽水干擾影響有波動變化。新46井測值范圍1 043～1 177 cm，變化幅度為134 cm。體應(yīng)變輔助水位測值296～434 cm，變化138 cm。從測值上來說新46井是井下參考點到水面的絕對值，數(shù)值減小表示水位上升；而輔助水位為水位的相對數(shù)值變化，數(shù)值增大表示水位上升，計算兩者相關(guān)系數(shù)為 -0.999 6。統(tǒng)計分析水位與氣溫相關(guān)系數(shù)和相位滯后關(guān)系(圖2)，水位相位滯后溫度約55 d。兩者的相關(guān)系數(shù)較高，能否說明兩者觀測結(jié)果的一致性呢？如前所述，各種因素的影響，會激勵、調(diào)制出相應(yīng)的周期性變化，并為觀測儀器所記錄，本文中利用時間序列分解等方法研究兩者的一致性。

圖1 新46井靜水位、體應(yīng)變輔助水位氣壓、氣溫曲線圖

圖2 新46井水位相位滯后溫度天數(shù)與相關(guān)系數(shù)關(guān)系圖

2.2 時間序列分解

時間序列的長期趨勢因素反映了事物現(xiàn)象在某段較長時間內(nèi)的發(fā)展方向。季節(jié)變動因素是事物現(xiàn)象受季節(jié)變動影響所形成的一種長度和幅度近乎固定的周期波動。不規(guī)則變動因素又稱隨機(jī)變動，是指一種無規(guī)則的變化。它影響時間序列是短期的，不可預(yù)見的和不重復(fù)出現(xiàn)的，把這幾種構(gòu)成和影響時間序列的因素用一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式表示，就構(gòu)成了時間序列的分解模型。

本文中對靜水位與體應(yīng)變輔助水位、氣壓、溫度測值進(jìn)行分解(圖3)，并利用相關(guān)性分析研究水位、氣溫、氣壓的關(guān)系，結(jié)果見表1。

圖3 新46井水位時間序列分解圖

表1 新46井、體應(yīng)變輔助水位與氣壓、氣溫相關(guān)系數(shù)

新46井靜水位與體應(yīng)變輔助水位在趨勢、季節(jié)、隨機(jī)三項均具有較高的線性相關(guān)性，其趨勢性變化與氣壓、溫度具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性，而季節(jié)項與溫度相關(guān)程度較高。

2.3 濾波分析

別爾采夫濾波可以把地球物理場觀測量分解成由日月引力作用形成的潮汐部分和儀器零漂及其他因素引起的低頻趨勢變化。本文中利用別爾采夫濾波將新46井水位、體應(yīng)變輔助水位、氣溫、氣壓分解出日波、半日波(圖4)，并利用一般多項式分段曲線擬合[15]將剩余的低頻成分濾除周期在1～2個月內(nèi)的月波(圖5)。計算相應(yīng)頻段靜水位與氣溫、氣壓、理論固體潮的相關(guān)系數(shù)(表2)。

圖4 新46井水位、體應(yīng)變輔助水位、氣溫、氣壓別爾采夫濾波結(jié)果

圖5 新46井水位、體應(yīng)變輔助水位、氣溫、氣壓多項式分段擬合結(jié)果

表2 新46井、體應(yīng)變水位、溫度、氣壓、固體潮之間的相關(guān)系數(shù)

新46井水位與體應(yīng)變輔助水位在月波、年波頻段均具有較高的線性相關(guān)性。年波頻段，水位與氣溫線性相關(guān)程度較高，這與前面時間序列分解中季節(jié)項與氣溫關(guān)系一致。

新46井水位與體應(yīng)變輔助水位在月波、年波及趨勢變化具有較好的一致性，但在日波、半日波頻段兩者基本無關(guān)。年波頻段，水位與氣溫線性相關(guān)程度較高。趨勢變化與氣溫、氣壓均具有一定的相關(guān)性。

3 分析與討論

新46井井水位儀器型號為LN-3A，該儀器的水位分辨率為1 mm，圖1和圖4分析正常情況下水位日變化幅度約為0.88 mm，小于儀器的分辨率，因此儀器無法監(jiān)測到烏什水位的潮汐頻段變化。這與本文中潮汐頻段烏什井水位與理論固體潮相關(guān)系數(shù)較低的結(jié)果一致。大氣降水是地下水的主要來源，因降水具有準(zhǔn)年周期波動，故地下水位也呈現(xiàn)周期性動態(tài)變化[16]。由圖6a可知，烏什降水具有夏高冬低的準(zhǔn)年周期變化，因此氣溫并非影響水位上升的直接因素，但呈現(xiàn)出靜水位年周期變化與氣溫具有較強(qiáng)正相關(guān)性，而兩者的滯后可能與該地區(qū)降水的補(bǔ)給方式及土壤滲透性等因素有關(guān)。趨勢變化中，溫度變化與水位變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，顯然從物理機(jī)制上是矛盾的，因此水位的趨勢變化與溫度無關(guān)。

氣壓變化對地下水位的影響具有普遍性[17]，氣壓發(fā)生變化時，在含水層空隙壓力和孔水柱壓力間形成一個壓力差，從而導(dǎo)致地下水在含水層和井孔之間流動，引起水位的升降變化。井水位的氣壓系數(shù)的大小因井而異，因時而異，但變化范圍一般在1～8 mm/hPa[18]。由圖3c、圖6b、表2可知，氣壓的趨勢變化量約2.6 hPa，水位的趨勢變化范圍0～2.08 cm，遠(yuǎn)小于水位的趨勢變化量19.6 cm，且各頻段氣壓與水位均線性相關(guān)程度較差，因此兩套水位觀測受氣壓影響較小。

圖6 烏什降水和氣壓趨勢變化圖

4 結(jié) 語

首先利用時間序列分解的加法模型，將新46井水位、體應(yīng)變輔助水位、氣溫、氣壓分解為隨機(jī)、季節(jié)、趨勢3項，接著利用別爾采夫濾波、一般多項式分段擬合將數(shù)據(jù)分解為日波、半日波、月波、年波等，并利用相關(guān)性分析研究新46井水位與體應(yīng)變輔助水位的一致性，并探討其主要周期的影響因素，結(jié)果表明：(1) 新46井水位與體應(yīng)變輔助水位在月波、年波、趨勢變化等頻段觀測結(jié)果基本一致；(2) 新46井水位與體應(yīng)變輔助水位在日波、半日波頻段觀測結(jié)果不一致，且均與理論固體潮基本無關(guān)，兩套資料固體潮頻段記錄較差；(3) 水位的趨勢性變化與氣溫、氣壓無關(guān)，且在各頻段與氣壓線性相關(guān)程度較差；(4) 水位年周期變化與氣溫具有較強(qiáng)的相關(guān)性，相位滯后約55 d。但氣溫并非影響水位上升的直接因素。大氣降水是地下水的主要來源，夏季降水豐沛，冬季降水少，故呈現(xiàn)出靜水位年周期變化與氣溫具有較強(qiáng)正相關(guān)性。臺站是一個多輸入單輸出的動態(tài)系統(tǒng)，因此儀器觀測數(shù)據(jù)包含來自于地球外部的多種作用，在一般情況下應(yīng)視為干擾，而需要通過多種數(shù)據(jù)處理，努力地加以排除，這就需要研究其影響特征，本文中研究烏什水位觀測的一致性一方面了解烏什水位觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，一方面了解了烏什水位所包含各類影響因素的特征，這對該數(shù)據(jù)用于地震分析預(yù)測具有積極意義。