王　靜，王利兵，宋　昭，解　真，羅　娜，趙志遠(yuǎn)，李細(xì)順

(河北省地震局紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)，河北　邢臺(tái)　054000)

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辛集冀21井?dāng)?shù)字化水位觀測(cè)內(nèi)在質(zhì)量分析

王靜，王利兵，宋昭，解真，羅娜，趙志遠(yuǎn)，李細(xì)順

(河北省地震局紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)，河北邢臺(tái)054000)

對(duì)辛集冀21井模擬、數(shù)字化水位觀測(cè)精度變化進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明數(shù)字化水位資料觀測(cè)精度高、儀器運(yùn)行穩(wěn)定。文章分析并總結(jié)了影響數(shù)字化水位觀測(cè)精度的因素，為今后觀測(cè)資料分析及異常判定提供依據(jù)，也為進(jìn)一步提高水位觀測(cè)內(nèi)在質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

水位觀測(cè)；觀測(cè)精度；內(nèi)在質(zhì)量；影響因素

0　引言

地下水位能夠隨潮汐引力的大小發(fā)生升降變化，表現(xiàn)較明顯的地球固體潮效應(yīng)。辛集冀21井觀測(cè)的水位數(shù)據(jù)日變動(dòng)態(tài)均呈現(xiàn)顯著規(guī)律性，較多地呈雙峰雙谷型，分析井點(diǎn)對(duì)固體潮記錄的響應(yīng)能力可以判別該井點(diǎn)的靈敏度。

固體潮具有豐富的潮汐分量，由月球引力引起的O1波和M2波受氣壓影響的程度較小，理論上都是分析水位固體潮較理想的指標(biāo)。但由于O1波幅度較小，信息往往隱含在噪聲中難以識(shí)別，而M2波幅度為水位潮汐信息中最大的一個(gè)諧波，因此M2波是分析井水位固體潮以及含水層特征最有效的潮汐分量[1]。通過(guò)對(duì)不同時(shí)間長(zhǎng)度采樣數(shù)據(jù)的頻譜分析表明，M2波幅度與潮汐長(zhǎng)度變化密切相關(guān)，選取不同時(shí)間長(zhǎng)度的采樣數(shù)據(jù)對(duì)M2波幅度的差異性較大。一個(gè)月時(shí)間尺度的采樣數(shù)據(jù)包含2個(gè)大潮和小潮，且有足夠的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以使計(jì)算結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定[2]。

本文選取2015年辛集冀21井模擬和數(shù)字化地下水位數(shù)據(jù)，采用維尼迪可夫(Venedlkov)調(diào)和分析方法，逐月分析計(jì)算水位對(duì)固體潮M2波的響應(yīng)能力，以此檢驗(yàn)井水位數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量。

1　觀測(cè)井概況

辛集冀21井觀測(cè)站位于河北辛集市北偏西7 km處，屬邢臺(tái)—河間地震帶。井深2 052.4 m，觀測(cè)層為震旦亞界白云巖，埋深1 539.40 m至2 052.37 m，厚度512.97 m。站點(diǎn)的地質(zhì)—水文條件清楚，套管止水措施效果良好且不受降雨直接滲入補(bǔ)給影響，但受地下熱水開采影響明顯。目前，進(jìn)行正式觀測(cè)的測(cè)項(xiàng)包括模擬水位、數(shù)字化水位和氣象三要素。觀測(cè)儀器采用SW-40型模擬水位儀、LN-3A型數(shù)字式水位儀及WYY-1型氣象三要素觀測(cè)儀。

辛集冀21井模擬觀測(cè)采用SW-40型日記水位計(jì)，圖紙記錄方式，人工讀取整點(diǎn)值數(shù)據(jù)。數(shù)字化觀測(cè)采用LN-3A型數(shù)字水位儀，使用中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)收取儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，用中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。該儀器采用高精度壓力式水位傳感器，無(wú)機(jī)械隨動(dòng)系統(tǒng)，觀測(cè)精度不受水位埋深和井斜影響，有極高的水位跟蹤速度。其工作原理是利用測(cè)量液體內(nèi)部壓強(qiáng)的方法來(lái)測(cè)量水位。水位傳感器的量程范圍為0～10 m，水位分辨率為1 mm[3]。

2　辛集冀21井模擬、數(shù)字化水位觀測(cè)資料內(nèi)在質(zhì)量對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)潮汐效應(yīng)的分析計(jì)算可獲得水位動(dòng)態(tài)及潮汐響應(yīng)函數(shù)的基本特征參數(shù)，即為觀測(cè)井的特征參數(shù)。其可以客觀反映觀測(cè)井的基本“素質(zhì)”和周邊環(huán)境的影響，可用于定量評(píng)價(jià)各個(gè)井的內(nèi)在質(zhì)量?jī)?yōu)劣。水位數(shù)據(jù)的觀測(cè)精度為中誤差與潮汐因子比值，固體潮相對(duì)誤差越小，數(shù)字化水位觀測(cè)越穩(wěn)定。

水位觀測(cè)內(nèi)在質(zhì)量是全國(guó)觀測(cè)資料的質(zhì)量單項(xiàng)評(píng)比與綜合評(píng)比中的一項(xiàng)，評(píng)比分?jǐn)?shù)為20分。根據(jù)2015年新修訂的水位觀測(cè)資料評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，水位數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量占20分：當(dāng)觀測(cè)精度<0.01得15分，每增大 0.01扣0.35分；當(dāng)觀測(cè)精度<0.04，潮汐因子≥1.00(動(dòng)水位≥0.08)時(shí)，得5分，每降低0.1(動(dòng)水位0.05)扣0.05分；觀測(cè)精度>0.4時(shí)，潮汐因子不得分。

采用Venedlkov調(diào)和分析方法對(duì)辛集冀21井模擬和數(shù)字化水位觀測(cè)資料進(jìn)行分析。表1為模擬水位2012至2015年(2011年無(wú)數(shù)據(jù))與數(shù)字水位2011至2015年潮汐因子、中誤差、觀測(cè)精度變化年均值對(duì)比表，表2為2015年1至12月模擬、數(shù)字化水位觀測(cè)資料潮汐因子、中誤差、觀測(cè)精度變化月均值對(duì)比表。

表1　辛集冀21井模擬、數(shù)字化水位2011年至2015年潮汐因子、觀測(cè)精度變化年均值對(duì)比表

表2　辛集冀21井模擬、數(shù)字化水位2015年1月至12月潮汐因子、觀測(cè)精度變化月均值對(duì)比表

由表2可以看出，辛集冀21井模擬水位觀測(cè)資料12個(gè)月的潮汐因子在2.61～2.98之間，均大于1.00，不扣分；觀測(cè)精度9月為0.007 8(<0.01)，不扣分，其余每月均超過(guò)0.01。圖1為辛集冀21井模擬、數(shù)字化水位觀測(cè)資料2015年1至12月觀測(cè)精度曲線對(duì)比圖，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，模擬水位觀測(cè)資料的觀測(cè)精度低于數(shù)字化的，且后者相對(duì)穩(wěn)定。數(shù)字化水位觀測(cè)資料潮汐因子在3.07～3.14之間，觀測(cè)精度在0.006～0.012之間。由表1、表2可知，辛集冀21井不論是模擬還是數(shù)字化水位觀測(cè)資料，固體潮效應(yīng)都很明顯，較好地反映了地球潮汐變化。由于模擬水位觀測(cè)過(guò)程中，需每24小時(shí)更換一張記錄紙，數(shù)據(jù)靠人工讀取，存在換紙?jiān)斐傻馁Y料缺數(shù)和人為誤差及記錄筆污染圖紙和記錄曲線虛的弊端[4]。因此，數(shù)字化觀測(cè)數(shù)據(jù)的固體潮效應(yīng)反映都優(yōu)于相應(yīng)的模擬觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)字化觀測(cè)數(shù)據(jù)的觀測(cè)精度也優(yōu)于相應(yīng)的模擬觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1　辛集冀21井?dāng)?shù)字化、模擬水位觀測(cè)資料2015年1月至12月觀測(cè)精度曲線圖Fig.1　Observation accuracy of digitized water level and simulated water level in Xinjiji Well 21 from January to December in 2015

3　影響數(shù)字化水位觀測(cè)內(nèi)在質(zhì)量的因素

3.1周圍井孔地下水開采造成干擾

辛集冀21井水位觀測(cè)主要干擾源為每年冬季采暖期周圍井孔的地?zé)衢_采。采暖期開始就會(huì)引起地下水趨勢(shì)性下降，采暖期結(jié)束后開始緩慢上升。井水位的年起伏完全受控于周圍井孔的地?zé)衢_采，影響水位的正常動(dòng)態(tài)。如圖2所示，水位自2011年至2015年已累計(jì)下降約26.5 m。

圖2　辛集冀21井2011年至2015年水位日均值圖Fig.2　Daily mean values of water level in Xinjiji Well21 from 2011 to 2015

3.2儀器零漂

據(jù)張道口-1井LN-3A型水位儀2001年6月17日始測(cè)至2003年1月8日進(jìn)行零點(diǎn)檢查，1年半時(shí)間零漂達(dá)0.2 m，日零漂幅度0.35 mm[5]。據(jù)寧德一號(hào)井?dāng)?shù)字化水位儀零漂問(wèn)題的跟蹤校測(cè)與分析結(jié)果看，數(shù)字化水位儀在觀測(cè)過(guò)程中存在明顯的零漂現(xiàn)象，水位零漂幅度受儀器室溫度、井水溫、傳感器埋深多種因素綜合作用影響[6]。由此可知，儀器的零漂降低了數(shù)據(jù)的可靠性，影響數(shù)據(jù)的觀測(cè)精度。目前，大部分臺(tái)站缺乏零點(diǎn)檢查這方面工作的實(shí)施記錄，建議每半年對(duì)LN-3A型水位儀進(jìn)行水位探頭零點(diǎn)的歸零處理，并做記錄。

3.3探頭位置影響觀測(cè)精度

LN-3A型水位儀工作原理是利用測(cè)量液體內(nèi)部壓強(qiáng)的方法來(lái)測(cè)量水位。液體內(nèi)部的壓強(qiáng)與其深度的函數(shù)關(guān)系式為P=ρgh，這里密度ρ和重力g都是常數(shù)，壓強(qiáng)P與深度h成正比關(guān)系。當(dāng)把壓力傳感器固定在水下某一深度，水位變化時(shí)壓力傳感器的輸出信號(hào)產(chǎn)生與水位同步的變化[7]。分析認(rèn)為由于儀器自身的原因?qū)е聣簭?qiáng)與深度之間的線性關(guān)系不穩(wěn)定。

LN-3A型水位儀在水中的深度與水位觀測(cè)精度成反比關(guān)系：在水中越深，觀測(cè)精度越差；在水中越淺，觀測(cè)精度越好，但目前仍無(wú)法給出兩者的定量關(guān)系。因此，放置探頭時(shí)應(yīng)盡量靠近水面。

4　結(jié)語(yǔ)

(1) 辛集冀21井水位觀測(cè)儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定且數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，具有一定的研究?jī)r(jià)值。

(2) 同一井孔模擬水位觀測(cè)與數(shù)字化水位觀測(cè)相比較，數(shù)字化觀測(cè)可以提高水位觀測(cè)的內(nèi)在質(zhì)量，且具有較高的穩(wěn)定性和觀測(cè)精度。

(3) 辛集冀21井水位潮汐效應(yīng)明顯，水位潮汐因子和觀測(cè)精度分別為3.103 3和0.008 2。

(4) 針對(duì)LN-3A型水位儀的零點(diǎn)漂移問(wèn)題，在每半年對(duì)水位儀現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)應(yīng)進(jìn)行零點(diǎn)歸零處理。

[1]尤宇星，陳小云，謝文杰，等.泉州地區(qū)地下水位觀測(cè)資料初步分析[J].華北地震,2014(1):65-71.

[2]陳瑩，黃輔瓊，朱石軍，等.采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度對(duì)潮汐因子計(jì)算精度的影響[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2012，33(5/6):146-151.

[3]中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所.LN-3A型數(shù)字水位儀使用說(shuō)明書[N].中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，2006:7.

[4]解曉靜.瓊海加積井水位模擬觀測(cè)與數(shù)字化觀測(cè)資料對(duì)比分析[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2010，31(3):83-87.

[5]王建國(guó)，劉春國(guó)，陳華靜，等.影響張道口—1井?dāng)?shù)字化水位內(nèi)在質(zhì)量的因素分析[J].內(nèi)陸地震，2007(2):155-159.

[6]蘭陵，李新勇，夏愛(ài)國(guó).新04井?dāng)?shù)字化水位觀測(cè)與模擬觀測(cè)資料的對(duì)比分析[J].內(nèi)陸地震，2004，18(4):382-384.

[7]楊鼎鴻，程慶斌，鄧聰，等.數(shù)字化水位觀測(cè)儀零漂分析[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2013，34(3/4):144-149.

Intrinsic Quality of Observation of Digitized Water Level in Xinjiji Well 21

WANG Jing, WANG Li-bing, SONG Zhao, XIE Zhen, LUO Na, ZHAO Zhi-yuan, LI Xi-shun

(Hongshan Reference Seismological Station of Earthquake Administration of Hebei Province, Xingtai,Hebei 054000,China)

The accuracy of simulated water level observation and digital water level observation in Xinjiji well 21 is compared. The results show that the observation accuracy of digital water level data is high, and the operation of the instrument is stable. Several factors affecting the accuracy of digital water level observation are analyzed and summarized. This summary provides the basis for the analysis of observation data and the abnormity judgment in the future, and for further improving the intrinsic quality of water level observation.

Water level observation; Observation accuracy; Intrinsic quality; Influence factor

1000-6265(2016)03-0018-03

2016-03-21

河北省地震局監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、科研三結(jié)合課題(DZ201504024092)。

王靜(1983—)，女，河北省邢臺(tái)人。2009年畢業(yè)于河北工程大學(xué)，工程師。

P332.3

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