史繼平，田野，張遠(yuǎn)富

(1.甘肅省地震局平?jīng)龅卣鹋_(tái)，甘肅平?jīng)?744000； 2.甘肅省地震局，甘肅蘭州 730000)

平?jīng)鯟11井水位觀測(cè)資料影響因素分析

史繼平1，田野2*，張遠(yuǎn)富1

(1.甘肅省地震局平?jīng)龅卣鹋_(tái)，甘肅平?jīng)?744000； 2.甘肅省地震局，甘肅蘭州 730000)

采用看圖識(shí)字法、相關(guān)分析、日極差法對(duì)平?jīng)鯟11井水位觀測(cè)資料進(jìn)行研究，結(jié)果表明同震、降雨、氣壓、涇河水位是影響C11井水位觀測(cè)資料的主要因素。

平?jīng)鯟11井；水位；涇河水位；相關(guān)性分析

0 引 言

平?jīng)鲋行牡卣鹋_(tái)鐵路小區(qū)流體觀測(cè)站C11觀測(cè)井(簡(jiǎn)稱(chēng)平?jīng)鯟11井)是西北電力設(shè)計(jì)院于1994年7月成孔的水文地質(zhì)勘察井。平?jīng)龅卣鹋_(tái)于1996年7月開(kāi)始使用SW-40型儀器在該井進(jìn)行模擬水位等流體項(xiàng)目觀測(cè)。2001年2月開(kāi)始，利用LN-3型儀器進(jìn)行數(shù)字化水位與模擬水位并行觀測(cè)。2011年6月后，利用LN-3A型數(shù)字化水位儀進(jìn)行觀測(cè)。平?jīng)鯟11井水位觀測(cè)已積累了近20年的資料，張昱等研究認(rèn)為平?jīng)鯟11井模擬與數(shù)字化水位資料銜接好，一致性好，觀測(cè)資料具有一定的應(yīng)用與研究?jī)r(jià)值[1]。

我國(guó)水位觀測(cè)經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，已建立了比較完善的地震地下流體水位觀測(cè)網(wǎng)，水位觀測(cè)作為重要的地震前兆觀測(cè)手段被應(yīng)用于地震預(yù)測(cè)實(shí)踐[2-3]。但是影響水位觀測(cè)的因素有很多，在資料使用前要排除干擾，諸如高頻干擾、地下水開(kāi)采、儀器故障、降雨、人為干擾、同震、氣壓等[4-6]。大量的震例表明在許多地震前可以觀測(cè)到井水位的異常變化，井水位觀測(cè)一直被看作是用于地震預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的有效手段之一[7]。曾文浩等研究認(rèn)為2013年岷縣漳縣Ms6.6級(jí)地震前平?jīng)鯟11井水位觀測(cè)出現(xiàn)了明顯的地震前兆異常[8]。

平?jīng)鯟11井附近有一條涇河，該河對(duì)C11井水位觀測(cè)是否有影響，目前還沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)的研究。本文仔細(xì)分析C11井水位觀測(cè)資料，總結(jié)干擾特征，分析異常信息，期望研究結(jié)果為今后C11井水位觀測(cè)資料的使用提供參考。

1 平?jīng)鯟11井概況

平?jīng)龅靥庂R蘭褶帶的南段，系六盤(pán)山旋回褶帶的復(fù)合部位，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，屬南北地震帶北段、鄂爾多斯塊體的西南緣，六盤(pán)山東側(cè)，涇河南岸Ⅰ級(jí)階地。C11井由西北電力設(shè)計(jì)院為平?jīng)鲭姀S展開(kāi)水文地質(zhì)調(diào)查鉆成，完鉆井深610.27 m，孔口標(biāo)高1 340.168 m，井孔直徑168 mm，套管深度310 m，井水位埋深約38 m，1996年平?jīng)龅卣鹋_(tái)改造為流體觀測(cè)站，進(jìn)行水位和水溫觀測(cè)。井孔結(jié)構(gòu)及地層情況如下：16.9 m以上為沙礫卵石；頂部為灰黃色耕土，下部為含水層以灰?guī)r砂巖為主；16.9 m至162.76 m為砂質(zhì)泥巖，棕褐色，塊狀，質(zhì)地均勻，致密；162.76 m 至202 m為砂巖，深褐色，棕紅色，粉沙巖，塊狀，致密，堅(jiān)硬，成分以石英、長(zhǎng)石為主；202 m 至610.27 m以礫巖為主，中下部為含水層，角礫成分以灰?guī)r為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，較堅(jiān)硬，裂隙發(fā)育，巖心較破碎，局部夾有棕紅色薄層，砂質(zhì)泥巖。

2 方法介紹

2.1 看圖識(shí)字法

看圖識(shí)字法在分析地震觀測(cè)資料時(shí)得到較為廣泛地應(yīng)用，即觀測(cè)資料不需要經(jīng)過(guò)任何數(shù)學(xué)方法處理，用肉眼可直觀地看出是干擾等，如同震、抽水等引起的明顯變化。

2.2 相關(guān)性分析法

相關(guān)性分析是指對(duì)2個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量進(jìn)行分析，進(jìn)而衡量2個(gè)變量因素的相關(guān)密切程度。相關(guān)程度用相關(guān)系數(shù)來(lái)衡量，一般用字母r來(lái)表示。

(1)

公式(1)中，x、y分別表示一組數(shù)據(jù)，x、y之間具有線性函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r取值在-1到1之間，當(dāng)|r|=1時(shí)，稱(chēng)x、y完全相關(guān)；r=0時(shí)，稱(chēng)x、y不相關(guān)；|r|<1時(shí)，x的變化引起y的部分變化，r的絕對(duì)值越大，x的變化引起y的變化就越大，|r|>0.8時(shí)稱(chēng)為高度相關(guān)，當(dāng)|r|<0.3時(shí)稱(chēng)為低度相關(guān)，其他時(shí)候?yàn)橹卸认嚓P(guān)。

2.3 日極差法

日極差值是以每日逐時(shí)值為樣本，求取最大值與最小值之間的差值，作為日變特征量。該方法直觀地反映地下水位異常動(dòng)態(tài)的變化，減少了地下水位動(dòng)態(tài)隨機(jī)變化的影響[9]。結(jié)合極差的數(shù)學(xué)含義,筆者認(rèn)為日極差值在水位日常觀測(cè)中體現(xiàn)的是單位時(shí)間段內(nèi)井孔水位在垂直方向的絕對(duì)變化，同時(shí)由于水的不可壓縮性和觀測(cè)井的封閉性，日極差值也進(jìn)一步體現(xiàn)了井孔水體在單位時(shí)間內(nèi)所受能量影響的大小。

3 觀測(cè)資料影響因素分析

水位作為傳統(tǒng)的地震前兆觀測(cè)項(xiàng)目，是以捕捉地震信息為目的的淺層地殼流體觀測(cè)手段。理想的井水位變化對(duì)地殼微小的應(yīng)力—應(yīng)變具有明顯的放大作用和十分靈敏的反應(yīng)[10]。但是作為地震前兆觀測(cè)的水位測(cè)項(xiàng)觀測(cè)到的測(cè)值可能除了包含地震信息外，還摻雜著一些非地震前兆信息，如固體潮、同震、氣壓、抽水、降雨、河流以及人為干擾等。平?jīng)鯟11井水位自2014年開(kāi)始呈現(xiàn)出長(zhǎng)趨勢(shì)上升的態(tài)勢(shì)如圖1b所示，因此在進(jìn)行地震前兆異常研究時(shí)，及時(shí)準(zhǔn)確地排除非震異常信息，對(duì)識(shí)別及提取地震前兆信息都是至關(guān)重要的。通過(guò)對(duì)平?jīng)鯟11井多年來(lái)的觀測(cè)，認(rèn)為主要有以下幾個(gè)方面的影響。

(a)C11井水位同震效應(yīng)；(b)C11井水位近期變化形態(tài)圖1 平?jīng)鯟11井水位變化曲線

3.1 同震效應(yīng)

2004年12月26日，印尼蘇門(mén)答臘島北海域發(fā)生Ms8.7級(jí)強(qiáng)烈地震并引發(fā)海嘯，平?jīng)鯟11井震中距3 694 km，水位同震效應(yīng)十分明顯，地震后水位突降5 m,然后迅速回升，該地震使平?jīng)鏊豢傮w下降2.4 m； 2008年5月12日，四川汶川發(fā)生Ms8.0級(jí)地震,震中距589 km，該地震使C11井水位又突降0.778 m,震后水位下降速率明顯加快，汶川地震發(fā)生后至5月31日水位下降1.7 m，如圖1a所示。自從汶川地震發(fā)生后，水位停止下降7個(gè)月左右，從2009年11月又開(kāi)始下降 。強(qiáng)震對(duì)平?jīng)鯟11井水位影響明顯，一方面在進(jìn)行地震預(yù)測(cè)研究時(shí)要排除同震影響；另一方面說(shuō)明該井對(duì)地球內(nèi)部應(yīng)力變化比較敏感，是地震前兆觀測(cè)較為理想的井，觀測(cè)資料可信度高。

3.2 固體潮效應(yīng)

由于地下水觀測(cè)井孔深度，最深莫過(guò)幾千米，這個(gè)深度仍是地球表層，所以地球表層的潮汐應(yīng)力分布勢(shì)必影響井水位變化。因地球表層潮汐應(yīng)力大小隨地球與天體在運(yùn)動(dòng)中相對(duì)位置的變化而有規(guī)律的變化，當(dāng)潮汐應(yīng)力增大時(shí)，含水巖層發(fā)生體膨脹，含水層的孔隙水壓降低，井水位下降；當(dāng)潮汐應(yīng)力變小時(shí)，含水巖層發(fā)生體壓縮，含水層的孔隙水壓升高，井水位上升。通過(guò)對(duì)平?jīng)鯟11井水位2015年8月的實(shí)際觀測(cè)值和理論固體潮對(duì)比分析(圖2a～2b)，可以明顯地觀測(cè)到全日波、半日波、1/3日波和長(zhǎng)周期(半月波)等周期的成分，對(duì)2012～2015年的資料計(jì)算，潮汐因子均值為1.2左右，變化相對(duì)穩(wěn)定(圖2c)。表明該井觀測(cè)水位存在明顯的固體潮效應(yīng)。

(a)C11井水位時(shí)間序列；(b)理論固體潮；(c)C11井水位潮汐因子圖2 平?jīng)鯟11井水位固體潮效應(yīng)曲線

3.3 降雨影響

在天然條件下,由于氣候因素在多年中趨于某一平均狀態(tài),因此,一個(gè)含水層或含水層系統(tǒng)的補(bǔ)給量與排泄量在多年中保持平衡。反映地下水儲(chǔ)量的地下水位在某一范圍內(nèi)起伏,而不會(huì)持續(xù)地上升或下降。在有關(guān)因素的影響下,地下水的水位、水量等隨時(shí)間變化的狀況,是由于收支不平衡的結(jié)果。例如,當(dāng)含水層的補(bǔ)給量大于排泄量時(shí),儲(chǔ)存水量增加,地下水位上升;反之,補(bǔ)給量小于排泄量時(shí),儲(chǔ)存水量減少,水位下降。因此有必要對(duì)平?jīng)鯟11井水位與降雨的關(guān)系進(jìn)行分析，從圖3可以看出2012～2013年該井水位受降雨的影響明顯，曲線形態(tài)相似，只是存在一定的滯后，而從2014年以后曲線形態(tài)相關(guān)度不高，表明該井水位受降雨的影響逐漸減弱，可能存在其他更大的影響因素。

圖3 平?jīng)鯟11井水位與降雨的關(guān)系

圖4 平?jīng)鯟11井水位與氣壓的關(guān)系

3.4 氣壓效應(yīng)

據(jù)相關(guān)研究[11]表明，承壓含水層的井水位氣壓效應(yīng)與含水層參數(shù)有關(guān)：井孔半徑越小、含水層厚度越大、含水層的滲透系數(shù)越大、含水層的孔隙度越大、含水層固體骨架壓縮系數(shù)越小，井水位的氣壓效率越大，而井水位氣壓效應(yīng)的相位滯后通常越?。粴鈮盒实拇笮≈饕珊畬拥膶?dǎo)水系數(shù)、孔隙度、固體骨架壓縮系數(shù)和井孔半徑?jīng)Q定，相位滯后的大小主要由含水層的導(dǎo)水系數(shù)和井孔半徑?jīng)Q定；潮汐信號(hào)周期不同，井水位的氣壓效應(yīng)不同；氣壓效應(yīng)的主要影響分波對(duì)含水層參數(shù)的變化具有指示作用：含水層參數(shù)不同，井水位氣壓效應(yīng)的主要影響分波有所不同；氣壓效應(yīng)主要影響分波的差異主要是由于觀測(cè)孔性質(zhì)(井孔半徑、所處含水層位置、含水層厚度、孔隙度、滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)和含水層固體骨架壓縮系數(shù))綜合導(dǎo)致的；對(duì)同一口井，即井孔半徑一定、含水層厚度一定的情況下，井水位氣壓效應(yīng)的主要影響分波由日波變?yōu)榘肴詹〞r(shí)，含水層的導(dǎo)水系數(shù)、滲透系數(shù)、孔隙度可能變大，而含水層的固體骨架壓縮系數(shù)可能減小。對(duì)平?jīng)鯟11井水位與氣壓的相關(guān)性進(jìn)行分析，從圖4可以看出，和降雨的關(guān)系相似，2012年至2013年該井水位受氣壓的影響明顯，曲線變化趨勢(shì)接近，而從2014年以后曲線形態(tài)相關(guān)度不高，表明該井水位受氣壓的影響逐漸減弱，可能存在其他更大的影響因素。

3.5 涇河水位影響

平?jīng)鯟11井位于甘肅省平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)鐵路住宅小區(qū)院內(nèi)，在井孔北面200 m左右，涇河由西往東流過(guò)。涇河是渭河一級(jí)支流，黃河二級(jí)支流，發(fā)源于寧夏六盤(pán)山東麓，南源出于涇源縣老龍?zhí)?，北源出于固原大灣?zhèn)，至平?jīng)霭死飿騾R合，東流經(jīng)平?jīng)?、涇川于楊家坪進(jìn)入陜西長(zhǎng)武縣，再經(jīng)政平、亭口、彬縣、涇陽(yáng)等，于高陵縣陳家灘注入渭河。

由于只收集到2012～2015年的涇河水位資料。因此，本文只對(duì)該時(shí)間段的資料進(jìn)行分析。水位觀測(cè)的是井口到井水面之間的距離，是以井口為原點(diǎn)記錄井水位的變化。將平?jīng)鯟11井水位和涇河水位日均值進(jìn)行繪圖(圖5)，可以看出，2012年1月至2013年底，C11井水位和涇河水位呈現(xiàn)出反向變化的形態(tài)，而從2014年后兩者表現(xiàn)出同步上升的態(tài)勢(shì)，近2年來(lái)涇河水位緩慢抬升了0.20 m，C11井水位上升了2.48 m，表明該井水位與涇河水位關(guān)系密切，近期呈現(xiàn)出長(zhǎng)趨勢(shì)的上升變化，涇河水位的抬升可能是主要的影響因素。

圖5 平?jīng)鯟11井水位與涇河水位的關(guān)系

為進(jìn)一步量化分析該井水位與各影響因素的關(guān)系，將2012～2015年平?jīng)鯟11井水位與涇河水位、降雨量、氣壓做相關(guān)分析(表1)，以1個(gè)月為單位，分別計(jì)算出兩者之間的相關(guān)系數(shù)。由表1可知：涇河水位對(duì)平?jīng)鯟11井水位觀測(cè)有一定的影響,2012年相關(guān)系數(shù)為0.698，自2014年以后相關(guān)性明顯增強(qiáng)，達(dá)到0.788，尤其雨季后的幾個(gè)月相關(guān)性較好，相關(guān)性最好可達(dá)0.998；與涇河水位相比降雨量的影響較弱，相關(guān)度最好僅為0.677，相關(guān)度有逐年減弱的趨勢(shì)；該井水位與氣壓的相關(guān)性也較好，相關(guān)性最好可達(dá)0.976，和降雨量一樣相關(guān)度有逐年減弱的趨勢(shì)。綜上所述，平?jīng)鯟11井水位觀測(cè)資料主要受降雨、氣壓、涇河水位等因素的影響，近年來(lái)水位呈現(xiàn)長(zhǎng)趨勢(shì)上升異常變化，引起該變化的主要原因可能是涇河水位的抬升。

表1 平?jīng)鯟11井水位與涇河水位、降雨量、氣壓的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

4 主要結(jié)論

通過(guò)以上研究，本文得到以下主要結(jié)論：

(1)平?jīng)鯟11井水位觀測(cè)資料在印尼Ms8.7、汶川Ms8.0等強(qiáng)震中顯示出十分明顯的同震效應(yīng)，表明該井對(duì)地球內(nèi)部應(yīng)力變化比較敏感，是地震前兆觀測(cè)較為理想的井。

(2)平?jīng)鯟11井水位存在明顯的固體潮效應(yīng)，有全日波、半日波、1/3日波和長(zhǎng)周期(半月波)等周期成分，潮汐因子均值為1.2左右。

(3)平?jīng)鯟11井水位觀測(cè)資料主要受降雨、氣壓、涇河水位等因素的影響，特別是在雨季后受到?jīng)芎铀坏挠绊戄^大，但存在一定的滯后效應(yīng)；近年來(lái)水位呈現(xiàn)長(zhǎng)趨勢(shì)上升異常變化，引起該變化的主要原因可能是涇河水位的抬升。

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ANALYSIS ON INFLUENCE FACTORS OF THE WATER LEVEL DATA OF PINGLIANG C11 WELL

SHI Jiping1，TIAN Ye2，ZHANG Yuanfu1

(1.PingliangSeismicStation,EarthquakeAdministrationOfGansuProvince,Pingliang744000,China；2.EarthquakeAdministrationofGansuProvince,Lanzhou730000,China)

The water level observational data of Pingliang C11 well is studied by “picture flashcards” method, correlation analysis and range analysis in this paper.The results show that the co-seismic response, rainfall, air pressure, Jinghe River water level are the main factors affecting the water level observation data of C11 well.

Pingliang C11 well; Water level; Jinghe River water level; Correlation analysis

2016-05-10

中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、科研三結(jié)合課題(項(xiàng)目編號(hào)：162801)資助。

史繼平(1978— )，男，甘肅平?jīng)鋈?，工程師，主要從事地震前兆監(jiān)測(cè)及研究工作。

*通訊作者：田野(1984— )，女，甘肅隴南人， 工程師，碩士，主要從事地震前兆監(jiān)測(cè)及運(yùn)維工作。

P315.72+5

A

1005-586X(2016)04-0027-06