張清秀，陳 瑩，陳懿德，黃曉華

(1．福建省地震局分析預(yù)報中心，福建 福州 50003；2．福建省地震局廈門地震臺，福建 廈門 361003)

采用相關(guān)分析法研究降雨對水位的影響

張清秀1，陳 瑩1，陳懿德1，黃曉華2

(1．福建省地震局分析預(yù)報中心，福建 福州 50003；2．福建省地震局廈門地震臺，福建 廈門 361003)

地下水位動態(tài)受降雨影響顯著，且由于降雨的持續(xù)時間、強(qiáng)度和面積的不同，由降雨引起的水位變化形態(tài)也復(fù)雜多樣。為了能直觀地判別降雨對水位的影響，排除水位資料中降雨的影響成分，本文采用水位月變化量與降雨月累計值作相關(guān)分析后得到的余差值，作為水位微動態(tài)研究對象。選用與降雨關(guān)系分別為顯著、一般、不相關(guān)的連江江南井、泉州局一號井、福州浦東井水位進(jìn)行分析，結(jié)果顯示水位月變化量均表現(xiàn)了高值異常，異常與地震時間的對應(yīng)關(guān)系有3個震前異常，2個同震異常、1個震后效應(yīng)、1個無震異常。

水位月變化量；降雨影響；相關(guān)分析；高值異常

0 引言

地震是地殼應(yīng)力積累-釋放的一個復(fù)雜過程，地下水位的異常動態(tài)變化與地震的孕育和發(fā)展過程之間有著密切的成因上的關(guān)系[1]。因此，在地震前兆觀測中，地下水位的動態(tài)觀測是重要手段之一。地下水位動態(tài)觀測，是指對水位隨時間變化過程的測量，測量的結(jié)果常以時間序列上某一時刻的水位數(shù)值來表示。但是，在實際觀測中，水位還受到降雨、氣壓等氣象因素的影響，其中降雨影響較為突出。降雨影響可使水位呈現(xiàn)一定的規(guī)律變化，每逢雨季，水位受到降雨滲入補(bǔ)給呈現(xiàn)上升趨勢，雨季過后，水位呈現(xiàn)下降趨勢。從短期觀測結(jié)果分析，集中強(qiáng)降雨影響時，由于受到降雨附加應(yīng)力的作用，水位會出現(xiàn)突升-突降的形態(tài)。因此，為了尋找水位與地震成因的關(guān)系，即地震前水位的微動態(tài)變化，我們試圖探索排除降雨對水位的影響成分的方法，以達(dá)到利用監(jiān)測水位微動態(tài)變化預(yù)報地震的目的。

1 原理與方法

1.1 原理

水位受降雨的影響表現(xiàn)為上升態(tài)勢。但由于降雨的持續(xù)時間、強(qiáng)度、面積的不同，受降雨影響的水位變化形態(tài)也變得復(fù)雜多樣[2、3]。例如，在多年動態(tài)中，由于每年的降雨量不同，水位受降雨影響而呈現(xiàn)出的年變化幅度也不同；且在一年中，水位會隨著雨季的變化呈現(xiàn)季節(jié)性的變化規(guī)律，以上這兩種現(xiàn)象多是由降雨滲入補(bǔ)給引起的。而當(dāng)遇到短時間的集中強(qiáng)降雨時，水位會出現(xiàn)突升-突降的變化形態(tài)，這時水位的上升就不僅是降雨滲入補(bǔ)給引起的，同時還有降雨附加應(yīng)力作用的結(jié)果。因此，水位受降雨影響是復(fù)雜多樣的，直接利用水位觀測值，很難識別不同降雨類型對水位的影響[3、4]。

水位變化量是指某一時段內(nèi)水位最高值與最低值的變化差值。假設(shè)某一時段水位最高值為ymax，最低值為ymin，則這一時段的水位變化量y=ymax-ymin，因此水位變化量不受該井水位高低以及長時間水位累積變化的影響。在不受外界干擾的理想狀態(tài)下，一個觀測井的水位變化量是很穩(wěn)定的。但在實際觀測中，水位變化量卻總是出現(xiàn)高低起伏變化，其中重要因素之一是受到降雨的影響。假設(shè)該井只受降雨干擾，那么如上文所述，某一時段的水位變化量為y，累積降雨量為x，則兩者之間存在y=f(x)函數(shù)關(guān)系。

如果我們能確定兩者的相關(guān)方程式，就能求得在一定降雨量時水位變化量的理論值及剔除了降雨影響的余差值。我們將余差值作為水位微動態(tài)變化的研究對象。

1.2 具體計算方法

1.2.1 作水位變化量與降雨月累積值的散點圖

為了消除水位固體潮朔望日對水位變化幅度的影響，本文采用水位月變化量參與計算。首先求出水位的月變化量和降雨月累積值。以降雨月累積值x為橫坐標(biāo)，水位月變化量y為縱坐標(biāo)做散點圖。

1.2.2 求散點圖趨勢線方程

從散點圖發(fā)現(xiàn)，y的取值隨x的取值范圍而出現(xiàn)趨勢性的變化，這種趨勢變化可由一條適當(dāng)?shù)那€來擬合它，這條曲線稱為擬合趨勢線。一般情況下，任何一條曲線都可以用一個高次方的代數(shù)多項式y(tǒng)=a+bx+cx2+… 來表示，其中a、b、c…為常數(shù)。因此可以根據(jù)y與x不同的變化規(guī)律，求出相應(yīng)的趨勢線方程，并得到兩者的相關(guān)系數(shù)R。正常情況下，圖中的點都應(yīng)分布在該曲線的附近，若出現(xiàn)偏離曲線的情況，則說明該點為異常點。

1.2.3 求水位月變化量余差值

為了更方便顯示異常點的時間序列以及與地震作對比，根據(jù)求出的趨勢線方程，計算水位月變化量在降雨影響下的理論值，然后計算水位月變化量實際值與其理論值之差，即余差值，為了方便對比余差值的變化幅度，再取其絕對值作為研究對象。

1.2.4 作水位月變化量余差值時序圖

以時間為橫坐標(biāo)，水位月變化量余差值為縱坐標(biāo)，作水位月變化量余差值時序圖。

2 實例分析

本文選用與降雨關(guān)系分別為顯著、一般、不相關(guān)的連江江南井、泉州局一號井、福州浦東井2007-01～2011-09水位資料按以上步驟進(jìn)行計算、分析。

2.1 連江江南井水位資料分析

由圖1、2、3可知，連江江南井水位受降雨影響明顯，得到的趨勢線方程為

說明水位月變化量與降雨呈二次函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.782，屬顯著相關(guān)。圖中，偏離趨勢線的異常點為2007年7月、2007年8月、2008年7月、2008年8月、2009年8月以及2011年8月。分析圖1、2，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常的點值都處在每年7、8月份，這時段正是每年臺風(fēng)暴雨多發(fā)時段，連江江南井水位受強(qiáng)降雨影響異常明顯（見圖3），因此我們先將短時間集中強(qiáng)降雨引起的水位突變剔除，然后再做進(jìn)一步分析。圖4為剔除短時間集中強(qiáng)降雨引起的水位突變值后的月變化量和降雨關(guān)系圖，其趨勢線方程為

圖1 連江江南井去突跳前水位月變化量與降雨月累計值關(guān)系散點圖Fig.1 ScatterDiagram-RelationbetweenMonthlyWater LevelVariationandMonthlyRainfallIntegratedValueof rainfallinLianjiangJiangnanWellincludingtheJump

圖2 連江江南井去突跳前水位月變化量余差分析圖Fig.2 Analysis on D-value of Monthly Water Level Variation in Lianjiang Jiangnan Well including the Jump

圖3 連江江南井2007～2011年水位與降雨量日測值對比圖Fig.3 Comparison between Daily Observation Value of Water Level and Rainfall in Lianjiang Jiangnan Well from 2007 to 2011

表1 水位觀測井孔基礎(chǔ)概況Table 1 Foundation of Water Level Observation Well

圖4 連江江南井去突跳后水位月變化量與降雨月累計值關(guān)系散點圖Fig.4 ScatterDiagram-RelationbetweenMonthlyWater LevelVariationandMonthlyRainfallIntegratedValuein LianjiangJiangnanWellexcludingtheJump

圖5 連江江南井去突跳后水位月變化量余差分析圖Fig.5 tAnalysis on D-value of Monthly Water Level Variation in Lianjiang Jiangnan Well excluding the Jump

相關(guān)系數(shù)R=0.336，同樣兩者間呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系。如圖4、5所示，2007年8月和2008年8月的點值仍偏離趨勢線，且異常點都偏于趨勢線上方，表現(xiàn)為水位變化量高值異常。說明這些異常點值在剔除集中強(qiáng)降雨影響后，水位變化量仍偏大，與地震對應(yīng)關(guān)系見表1。

2.2 泉州局一號井水位資料分析

圖6為泉州局井水位月變化量與降雨月累計值關(guān)系散點圖，趨勢線方程為

相關(guān)系數(shù)R=0.465，說明水位月變化量與降雨呈線性關(guān)系。圖6、7顯示，偏離趨勢線的異常點有2006年7月、2006年8月、2006年11月、2007年7月、2007年8月、2011年9月，且異常點都偏于趨勢線上方，表現(xiàn)為水位變化量高值異常。與地震對應(yīng)關(guān)系情況見表2。

表2 連江江南井水位月變化量余差分析映震表Table 2 Earthquake Reflection Table-D-value Analysis of Monthly Water Level Variation in Lianjiang Jiangnan Well

2.3 福州浦東井水位資料分析

如圖8、9、10所示，福州浦東井水位受降雨影響較小，其趨勢線方程為

相關(guān)系數(shù)R=0.243，兩者不相關(guān)，其值基本分布在0.2～0.8之間。偏離這個區(qū)間的點有2007年月1月、2007年2月、2009年1月和2009年2月。因為該井水位受降雨影響較小，所以直接用水位月變化量和水位月變化量余差值作圖，其效果相似（圖7、8），與地震對應(yīng)關(guān)系情況見表3。

圖6 泉州局一號井水位月變化量與降雨月累計值關(guān)系散點圖Fig.6 Scatter Diagram-Relation between Monthly Water Level Variation and Monthly Rainfall Integrated Value in Quanzhou Seismostation Well NO.1

圖7 泉州局一號井水位月變化量余差分析圖Fig.7 Analysis on D-value of Monthly Water Level Variation in Quanzhou Seismostation Well NO.1

表3 泉州局一號井水位月變化量余差分析映震表Table 3 Earthquake Reflection Table-D-value Analysis of Monthly Water Level Variation in Quanzhou Seismostation Well No.1

圖8 福州浦東井水位月變化量與降雨月累計值關(guān)系散點圖Fig.8 Scatter Diagram-Relation between Monthly Water Level Variation and Monthly Rainfall Integrated Value in Fuzhou Pudong Well

圖9 福州浦東井水位月變化量分析圖Fig.9 Analysis on Monthly Water Level Variation in Fuzhou Pudong Well

圖10 福州浦東井后水位月變化量余差分析圖Fig.10 Analysis on D-value of Monthly Water Level Variation in Fuzhou Pudong Well

表4 福州浦東井水位月變化量映震表Table 4 Earthquake Reflection Table-Monthly Water Level Variation in Fuzhou Pudong Well

4 結(jié)論

從以上分析圖件和結(jié)果，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）地下水位動態(tài)受降雨影響顯著，且由于降雨的持續(xù)時間、強(qiáng)度和面積的不同，由降雨引起的水位變化形態(tài)也復(fù)雜多樣，例如由降雨滲入補(bǔ)給引起的水位年動態(tài)變化，或由降雨補(bǔ)給和降雨附加應(yīng)力共同作用引起的水位突升等。因此，要研究地下水位與地震成因的關(guān)系，尋找地震前水位的微動態(tài)變化，排除降雨對它的影響就顯得尤為重要。

（2）水位變化量即某一時段內(nèi)水位最高值與最低值的變化差值，它只注重某一時段內(nèi)水位的變化幅度，而不受其水位高低與長時間水位累積變化的影響，它直接與某一時段的降雨量相關(guān)。因此我們利用水位變化量作分析的優(yōu)勢就在于，去除了水位的長趨勢變化，而突出了短時間內(nèi)的高頻變化。用它與降雨量作相關(guān)分析，得到的趨勢線反映了一般降雨情況下水位變化幅度隨降雨變化的規(guī)律。

（3）本文選用連江江南井、泉州局一號井、福州浦東井分別代表水位與降雨相關(guān)關(guān)系為顯著、一般、不相關(guān)三種情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示水位變化量均表現(xiàn)了高值異常，但也存在不同的特點。例如受降雨影響顯著的連江江南井，若用其水位原始觀測值計算變化量，則夾帶著短時間集中強(qiáng)降雨引起的水位突升-突降的成分，因此在計算其水位變化前，應(yīng)先排除因集中強(qiáng)降雨引起的水位突變。又如與降雨不相關(guān)的福州浦東水位，直接用水位變化量和水位月變幅和降雨相關(guān)分析后得到的余差值作對比，其分析結(jié)果相似。

（4）為了消除水位固體潮朔望日對水位變化幅度的影響，本文采用水位月變化量參與計算。用水位月變化量與降雨月累計值作相關(guān)分析后得到的余差值，作為水位微動態(tài)研究對象，當(dāng)異常點偏離趨勢線上方時即水位變化量出現(xiàn)高值異常，其與地震的對應(yīng)關(guān)系的分析結(jié)果表現(xiàn)出三種異常類型，其中4個震前異常，1個同震異常、1個震后效應(yīng)、1個未對應(yīng)，統(tǒng)計結(jié)果詳見表5。震前異常除2006年12月26日南海7.2級地震出現(xiàn)在震前半年外，其余幾個福建省內(nèi)中等地震均為震前1～2個月出現(xiàn)異常，地震后異常隨之消失。

表5 對應(yīng)地震的異常類型表Table 5 Anomaly Types of Corresponding Earthquakes

[1]國家地震局預(yù)測預(yù)防司.地震地下流體預(yù)報方法[M].北京：地震出版社，1997.

[2]中國地震局監(jiān)測預(yù)報司.地震地下流體理論基礎(chǔ)與觀測技術(shù) [M].北京：地震出版社，2007.

[3]車用太，魚金子.地震地下流體學(xué) [M].北京：氣象出版社，2006.

[4]丁建國，陸德明，狄梁，等.常熟臺傾斜儀降雨干擾定量分析[J].華南地震，2011，31(3)：83-88.

Abstract:The regime of groundwater level is significantly affected by rainfall.Different duration,intensity and area of rainfall also lead to complicated and diverse water level variation patterns.In order to intuitively distinguish the impact of rainfall on water level and exclude the rainfall impact in the water level data,this Paper uses the increment value,which is resulted from relevant analysis on the monthly water level variation and the monthly rainfall integrated value,as the object of study for water level micro-dynamic variation.The Paper analyzes the water levels of the Lianjiang Jiangnan Well,Quanzhou Seismostation Well No.1 and Fuzhou Pudong Well that are significantly related,generally related and irrelevant to the rainfall respectively,and arrives at the conclusion that,high value anomaly are found from all the monthly water level variations,including 3 pre-seismic and 2 coseismic anomalies,1 post-seismic effect,and 1 aseismic precursory anomaly.

Keywords:Monthly Water Level Variation； Rainfall Impact； Correlation Analysis； High Value Anomaly

Study on Impact of Rainfall on Water Level via Correlation Analysis

Zhang Qingxiu1,Chen Ying1,Chen Yide1,Huang Xiaohua2
(1.Analysis and Prediction Center,Earthquake Administration of Fujian Province,Fuzhou 50003 China;2.Xiamen Seismostation,Earthquake Administration of Fujian Province,Xiamen 361003 China)

P315.723

A

1001-8662（2012）02-0104-08

2011-12-30

張清秀，女，1972年生，工程師，主要從事地震地下流體監(jiān)測與研究.E-mail：yd036@163.com