蚌埠監(jiān)測(cè)中心井水位短時(shí)升高成因探究

石小磊　李良輝　王俊　孫亮亮　張偉峰　潘潔

摘要本文在蚌埠監(jiān)測(cè)中心井水位長(zhǎng)時(shí)上升的研究基礎(chǔ)上，對(duì)蚌埠監(jiān)測(cè)中心井2017—2020年水位出現(xiàn)的59次短時(shí)間升高進(jìn)行分析。通過選取不同時(shí)段的降雨參數(shù)，建立多元回歸方程，研究顯示，水位 59次短時(shí)升高與降雨部分參數(shù)有一定的影響關(guān)系。結(jié)合蚌埠周邊 ML2.0以上震例和13次無降雨事件分析結(jié)果認(rèn)為，蚌埠周邊以 ML2.0—3.0地震為主，地殼應(yīng)力釋放稍弱，且對(duì)蚌埠地下流體的影響幅度不大。 ML3.0以上地震主要發(fā)生在皖西部和郯廬斷裂帶附近，地震活動(dòng)性強(qiáng)，對(duì)蚌埠地下流體觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化幅度大，且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。由此得出水位短時(shí)上升在排除降雨因素影響的同時(shí)還與蚌埠地區(qū)地殼應(yīng)力變化有關(guān)系，可見蚌埠監(jiān)測(cè)中心井具有一定的預(yù)測(cè)效能，能夠反映蚌埠周邊地區(qū)地震應(yīng)力場(chǎng)變化，對(duì)于地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析預(yù)報(bào)研究具有重要的意義。

關(guān)鍵詞降雨；水位；多元回歸；地震

中圖分類號(hào)： P315.63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)：2096-7780（2023）06-0261-07

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-134

Study on the cause of short-term rise of water levelin Bengbu monitoring center well

Shi Xiaolei1， 2），Li Lianghui1），Wang Jun2， 3），Sun Liangliang4），Zhang Weifeng4），Pan Jie4）

1） Bengbu Emergency Management Bureau， Anhui Bengbu 233000， China

2） Anhui Mengcheng National Geophysical Observatory， Anhui Mengcheng 233500， China

3） Anhui Key Laboratory of Subsurface Imaging Detection and Earthquake Hazard Risk Prevention （under preparation）， Anhui Hefei 230031， China

4） Bengbu Earthquake Monitoring Center Station of Anhui Earthquake Agency， Anhui Bengbu 233000， China

AbstractBased on the previous study on the long-term rise of water level in Bengbu monitoring center well，we analyze 59 short-time rises of the water level in Bengbu monitoring center well from 2017 to 2020. By selecting rainfall parameters in different periods and establishing multiple regression equations，the results show that there is a certainrelationship between 59 short-term rise of water level and some rainfall parameters. According to the analysis results ofearthquake cases above ML2.0 and 13 non rainfall events around Bengbu，thesurrounding area of Bengbu is mainlyaffected by ML2.0—3.0 earthquakes，withslightly weaker crustalstress release and minimal impact on undergroundfluids in Bengbu. Earthquakes above ML3.0 mainly occurred in the west of Anhui Province and near the Tanlu fault zone， with strong seismic activity. The observation data of underground fluid in Bengbu changed greatly and lasted longer. It isconcluded that the short-time rise of water level is related to the change of crustal stress in Bengbu area while excludingthe influence of rainfall. It can be seen that Bengbu monitoring center well has a certain prediction efficiency，which canreflect the changes of seismic stress field around Bengbu，and is of great significance for the analysis and prediction ofearthquake precursor observation data.

Keywordsrainfall; water level; multiple regression; earthquake

引言

地下流體觀測(cè)是我國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)科學(xué)研究領(lǐng)域重要的地震前兆觀測(cè)手段，前人學(xué)者對(duì)流體與地震之間的關(guān)系做過大量的科學(xué)研究，流體動(dòng)態(tài)主要受大氣降水、地殼應(yīng)力變化等多種因素制約[1-2]。水位動(dòng)態(tài)受多種氣象因素影響，尤其是降雨，它對(duì)井水位的影響較為直接，是影響水位動(dòng)態(tài)變化的一個(gè)主要因素，所以對(duì)降雨與水位變化的關(guān)系上的研究分析較多[3-6]。由于降雨這一因素本身對(duì)水位的影響受降雨量、降雨強(qiáng)度、入滲系數(shù)等多種條件影響，具有復(fù)雜多變性，在流體學(xué)科預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中去除降雨對(duì)井水位的干擾一直是一個(gè)復(fù)雜的研究課題[7]。在對(duì)監(jiān)測(cè)中心井水位出現(xiàn)的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)升高的研究分析的基礎(chǔ)上[8]，本文對(duì)蚌埠監(jiān)測(cè)中心井在相同時(shí)間尺度下出現(xiàn)的59次水位短時(shí)升高進(jìn)行分析，繼續(xù)探究水位與降雨、地應(yīng)力之間的相關(guān)性；同時(shí)選取蚌埠周邊 ML2.0以上地震目錄分析，通過震例來檢驗(yàn)蚌埠流體觀測(cè)與蚌埠區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)之間是否存在影響關(guān)系，為今后蚌埠區(qū)域的地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)分析提供有力的科學(xué)依據(jù)。

1 蚌埠區(qū)域地質(zhì)背景和觀測(cè)井條件

在地震地質(zhì)環(huán)境上，蚌埠市位于大華北地震區(qū)南緣，郯廬斷裂帶從五河縣境內(nèi)斜穿而過，對(duì)該區(qū)地震活動(dòng)起主要控制作用；區(qū)域內(nèi)其他斷裂帶主要有：渦河斷裂、固鎮(zhèn)—懷遠(yuǎn)斷裂、太和—五河斷裂、臨泉—?jiǎng)⒏當(dāng)嗔?、阜?yáng)—鳳臺(tái)斷裂、自來橋—來安斷裂。蚌埠監(jiān)測(cè)中心井距離郯廬大斷裂較近，次級(jí)斷裂較發(fā)育，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造單元屬于中朝準(zhǔn)地臺(tái)華北地塊南緣蚌埠臺(tái)穹。該井地處安徽省蚌埠市延安路西側(cè)老虎山南段緩坡平地，位于山巖體的中東部。周邊有斷裂帶分布，處于斷層之間，地質(zhì)構(gòu)造位置較好。以孔隙裂隙水和區(qū)域地下水補(bǔ)給為主，受水井附近兩側(cè)的斷層影響，深部地下水徑流由偏西南方向和南部方向向東北方向流動(dòng)。蚌埠監(jiān)測(cè)中心井觀測(cè)層含水層深115—201 m，為承壓水，使用數(shù)字化水位儀（ SWY-Ⅱ型）觀測(cè)，2016年9月投入使用，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。

2 水位上升與降雨的相關(guān)分析

降雨對(duì)流體觀測(cè)的影響較為復(fù)雜，在參數(shù)選擇時(shí)，需要考慮雨量大小、不同時(shí)間段雨量、不同地區(qū)雨量以及不同的速率等因素，在雨水降落到地面后，又會(huì)受水文地質(zhì)、地形地貌、植被等因素影響[9-10]，因此在數(shù)據(jù)分析上以誤差結(jié)果小的參數(shù)為參考。本文利用不同的降雨參數(shù)與水位變化的關(guān)系進(jìn)行多元回歸分析，探究蚌埠監(jiān)測(cè)中心井水位59次短時(shí)升高與不同降雨參數(shù)之間的關(guān)系。

2.1 數(shù)據(jù)處理

水位動(dòng)態(tài)受季節(jié)性降雨影響，夏高冬低，本文選取水位升高期間的降雨量、降雨持續(xù)時(shí)間、最大單日降雨量、升高前期降雨量和升高階段最高水位5個(gè)自變量的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并與水位升高幅度因變量建立多元回歸方程，選取2017—2020年數(shù)據(jù)資料，經(jīng)過處理提取出59次水位短時(shí)升高數(shù)據(jù)和區(qū)域降雨量數(shù)據(jù)（圖1，表1）。

由于水位短時(shí)升高在時(shí)間上間隔較短，經(jīng)常與前一次降雨導(dǎo)致的水位升高變化重合，因此升高前期降雨量無論是對(duì)水位長(zhǎng)時(shí)升高還是短時(shí)升高，相關(guān)系數(shù)均不顯著，因此在對(duì)水位短時(shí)間升高的回歸分析中不再考慮加入升高前期降雨量因素。降雨對(duì)水位的影響在時(shí)間上有滯后，計(jì)算水位與降雨在水位上升開始前2天至水位結(jié)束上升前2天的相關(guān)系數(shù)最大，因此選取該時(shí)間段提取數(shù)據(jù)。

2.2 方程計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出，2017—2020年59次水位短時(shí)上升期間，降雨量最高達(dá)到211.1 mm，水位升高幅度最高達(dá)到了0.509 m，其中59次水位上升過程中有13次無降雨情況發(fā)生，把59次水位升高幅度與多個(gè)自變量之間的關(guān)系建立回歸方程式如下：

式中，Y 為水位升高幅度；x 1為升高階段最高水位； x2為水位升高持續(xù)時(shí)間；x3為水位上升期間降雨量； x4為最大單日降雨量。

模型 R 方值為0.707，意味著回歸方程中的4個(gè)自變量可以解釋水位升高幅度的70.7%變化原因。其中，對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn) p 值小于0.05，回歸方程是顯著的。

3 井水位短時(shí)升高成因探討

3.1 影響因子分析

根據(jù)回歸方程計(jì)算得出，升高階段最高水位的回歸系數(shù)值為?0.004（ t =?0.391，p =0.698＞0.05），表示對(duì)水位升高幅度不存在影響關(guān)系；水位升高持續(xù)時(shí)間的回歸系數(shù)值為0.013（ t =6.122，p =0.000＜0.01），表示為顯著的正向影響關(guān)系；上升期間降雨量的回歸系數(shù)值為0.001（ t =3.179，p =0.003＜0.01），表示為顯著的正向影響關(guān)系；最大單日降雨量的回歸系數(shù)值為?0.001（ t =?1.416，p =0.164＞0.05），表示不存在相互影響的關(guān)系?？偨Y(jié)分析可知：水位升高持續(xù)時(shí)間和上升期間降雨量均會(huì)對(duì)水位升高幅度產(chǎn)生顯著的正向影響關(guān)系；但是升高階段最高水位、最大單日降雨量與水位升高幅度產(chǎn)生影響關(guān)系并不顯著（圖2）。這樣根據(jù)計(jì)算結(jié)果也驗(yàn)證了前期對(duì)于監(jiān)測(cè)中心井水位長(zhǎng)時(shí)升高討論結(jié)果的科學(xué)性[8]。即降雨因素可以解釋監(jiān)測(cè)中心井水位的短時(shí)上升，并且對(duì)水位短時(shí)升高具有顯著的正向影響關(guān)系；蚌埠區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化影響監(jiān)測(cè)中心井水位長(zhǎng)時(shí)升高變化。那么，是否對(duì)水位短時(shí)升高也具有一定的影響作用呢？在59次水位短時(shí)升高中有13次無降雨事件發(fā)生時(shí)是否受區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化影響？接下來本文用震例來做進(jìn)一步的探究。

3.2 震例分析

根據(jù)2017年1月1 日—2020年12月30日蚌埠周邊 ML2.0以上地震目錄繪制震中分布圖（圖3），依據(jù)震例分析水位短時(shí)上升是否存在受地震前后區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化影響的可能。

如圖3所示，蚌埠周邊2017—2020年期間，小震活動(dòng)頻繁，主要沿郯廬斷裂帶分布，ML2.0以上地震發(fā)生頻次自2017年（40次）、2018年（39次）、2019年（27次）到2020年（47次），水位升高次數(shù)自2017年（16次/無降雨上升3次）、2018年（17次/無降雨上升3次）、2019年（14次/無降雨上升5次）到2020年（ 12次/無降雨上升2次）。從地震發(fā)生頻次上來看，2017—2019年發(fā)震頻次與水位升高次數(shù)強(qiáng)弱相當(dāng)，2020年發(fā)震頻次雖增多，但水位升高次數(shù)減少；從地震目錄來看，主要是由于2020年皖北地區(qū)地震頻次減弱，地震能量釋放主要集中在皖西南，距離蚌埠較遠(yuǎn)，對(duì)蚌埠及其周邊區(qū)域的水井觀測(cè)數(shù)據(jù)影響有減弱的可能性。

從13次無降雨事件發(fā)生時(shí)的水位短時(shí)升高來分析與地震發(fā)生的對(duì)應(yīng)關(guān)系（表2、圖4）。序號(hào)1—5、8—13發(fā)生的 ML2.0地震，主要表現(xiàn)為震中距小于150 km 時(shí)，水位升高幅度小、持續(xù)時(shí)間短；大于 150 km 時(shí)，水位升高幅度小、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。ML3.0地震主要發(fā)生在150 km 以外，對(duì)應(yīng)的水位升高幅度或小或大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。ML 4.0地震主要發(fā)生在 150 km 以外，呈現(xiàn)的水位升高幅度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)應(yīng)上文所說，蚌埠周邊以 ML2.0—3.0地震為主，地殼應(yīng)力釋放稍弱，且對(duì)流體的影響幅度不大。ML3.0

以上地震主要發(fā)生在皖西部和郯廬斷裂帶附近，地震活動(dòng)性強(qiáng)，對(duì)蚌埠地下流體觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化大，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。本文認(rèn)為地殼應(yīng)力受不同斷裂帶及同一斷裂帶的不同破裂方向影響對(duì)同一地區(qū)釋放的能量點(diǎn)和能量強(qiáng)弱也會(huì)有所不同，并且同一口水井也會(huì)在不同的震例中表現(xiàn)出震前效應(yīng)或震后效應(yīng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在前人學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，以水位長(zhǎng)時(shí)升高為研究背景，對(duì)蚌埠監(jiān)測(cè)中心井2017—2020年水位59次短時(shí)升高事件進(jìn)行深入分析，并建立回歸方程，發(fā)現(xiàn)上升階段最高水位和上升期間降雨量這兩個(gè)自變量對(duì)水位短時(shí)升高具有顯著的影響作用。通過結(jié)合蚌埠周邊 ML2.0以上地震目錄與13次無降雨發(fā)生水位上升事件分析，認(rèn)為水位短時(shí)上升在排除降雨因素影響的同時(shí)還與蚌埠地區(qū)地殼應(yīng)力變化有關(guān)系?？梢姲霾罕O(jiān)測(cè)中心井具有一定的預(yù)測(cè)效能，能夠反映蚌埠周邊地區(qū)地震應(yīng)力場(chǎng)變化，對(duì)于地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析預(yù)報(bào)研究具有重要的意義。

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