竇立婷，楊順達(dá)，平 旗，李 云，成 誠

(1.山西省地震局長治中心地震臺，山西 長治 046000；2.山西省地震局,山西 太原 030021；3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地下水易受自然、人為等多種因素的影響，其動(dòng)態(tài)變化取決于井所在區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、水文環(huán)境、固體潮、氣壓、降雨量等諸多因素。因此，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾因素分析，可以獲得最直接的宏觀短臨前兆[1]。通過對近年來山西漫水井水位微動(dòng)態(tài)特征及主要干擾因素的分析，探討水位變化與各類干擾因素的關(guān)系，并對各類干擾因素進(jìn)行歸納總結(jié)，以期為異常核實(shí)和地震預(yù)測研究工作提供參考。

1 漫水井基本概況

漫水井位于沁縣冊村鎮(zhèn)后泉村，高程1 036 m，井深240.05 m。觀測層巖性時(shí)代為三迭系砂巖層，地下水類型為承壓水。該井包含水位和水溫兩個(gè)測項(xiàng)，水位探頭埋深1.223 m,水溫探頭放置3.00 m。2017年新增氣象三要素輔助觀測。

多年的觀測資料表明，漫水井水位的干擾主要有觀測系統(tǒng)、自然環(huán)境和人為干擾三方面。其中，觀測系統(tǒng)干擾包括儀器故障、電源干擾、電壓不穩(wěn)、通信單元故障等；自然環(huán)境干擾包括雷電和降雨等；人為干擾包括抽水、更換儀器等。

2 漫水井微動(dòng)態(tài)特征

2.1 長趨勢動(dòng)態(tài)特征

從漫水井2008-2018年水位、水溫日均值圖(見圖1)，看出水位水溫同步變化。漫水井水位長趨勢變化呈現(xiàn)2個(gè)階段，2008-2010年為水位下降趨勢，2010-2018年水位整體呈現(xiàn)上升趨勢。其中，2014-2016年其周邊工業(yè)用水井及民用灌溉井逐年增多，對其觀測環(huán)境影響較大，2016年8月以后由于采取環(huán)境保護(hù)措施，抽水干擾減少，數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯變好。

圖1 漫水井水位、水溫長趨勢曲線Fig.1 Long trend curve of water level and water temperature in Manshui well

2.2 年、月、日動(dòng)態(tài)特征

第22頁圖2為2017和2018年水位日均值變化，可以看出，漫水井水位的正常年變動(dòng)態(tài)不明顯，但每年6-9月水位上升明顯，降雨是影響漫水井水位動(dòng)態(tài)變化的主要因素。圖中可看到水位上升前幾個(gè)月降雨量明顯增多，水位值的升高相對滯后，并且滯后的時(shí)間與降雨量大小有關(guān)，2017年降雨量較少，水位滯后時(shí)間更長。由于漫水臺氣象三要素觀測時(shí)間較短，文章使用了長治地區(qū)降雨量。從第22頁圖3、圖4看出，在無抽水干擾和降水的情況下，漫水井水位的月均值和日均曲線記錄良好，固體潮清晰，表現(xiàn)出明顯的潮汐效應(yīng)。

2.3 同震響應(yīng)特征

據(jù)統(tǒng)計(jì)，漫水井是山西地區(qū)井水位中記錄地震較靈敏的水位觀測井之一[2]，主要是由于漫水井為承壓自流水，所屬觀測層為T1砂巖，而灰?guī)r和砂巖含水層觀測井記震能力最強(qiáng)[3]。2007-2016年全球7.0級以上地震的同震響應(yīng)能力為49.5%，如表1所示，對漫水井2017-2018年記錄到的地震進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以看出，基本可記錄到全球7級以上地震和部分6級地震。第23頁圖5給出了2018年9月6日日本北海道地區(qū)6.9級地震和28日印度尼西亞7.4級地震?？梢钥闯?，7.4級地震的水震波振幅明顯高于6.9級地震，并且持續(xù)時(shí)間更久。漫水井記錄到的同震響應(yīng)形態(tài)主要以振蕩型為主，響應(yīng)幅度與震級呈正相關(guān)，與震中距呈負(fù)相關(guān)[3]。

圖2 漫水井水位日均值年變化Fig.2 Annual variation of daily mean water level in Manshui well

圖3 漫水井水位整點(diǎn)值月變化Fig.3 Monthly variation of water level in Manshui well

圖4 漫水井水位分鐘值日變化Fig.4 Diurnal variation of minute water level in Manshui well

日期年-月-日開始時(shí)間時(shí):分結(jié)束時(shí)間時(shí):分持續(xù)時(shí)間/min記錄地震2017-01-2213:0013:3737所羅門群島(北緯-6.19°,東經(jīng)155.1°)7.9級地震2017-09-0813:5614:5256墨西哥(北緯15.06°,東經(jīng)-93.9°)8.2級地震2018-01-2213:0013:3232阿拉斯加灣(北緯55.96°,東經(jīng)-149.13°)8.0級地震2018-01-2407:4508:1530臺灣花蓮(北緯24.20°,東經(jīng)-121.72°)6.4級地震2018-08-1908:3609:2549斐濟(jì)群島(北緯-18.08°,東經(jīng)-178.06°)8.1級地震2018-09-0602:1502:3015日本北海道(北緯42.65°,東經(jīng)142°)6.9級地震2018-09-2818:1218:5846印度尼西亞(北緯-25°,東經(jīng)119.9°)7.4級地震2018-12-2101:1801:3820巴布亞新幾內(nèi)亞(南緯5.7°,東經(jīng)151.25°)7.1級地震

圖5 漫水井水位同震震蕩型曲線Fig.5 Co-oscillation curve of water level in Manshui well

3 漫水井水位干擾分析

如前所述，引起漫水井水位測值變化的原因較多，下面從氣象、環(huán)境、儀器自身等對漫水井水位觀測資料的影響情況進(jìn)行分析。

3.1 氣象因素的影響分析

影響漫水井觀測數(shù)據(jù)變化的氣象因素有降雨和雷電干擾(1)張淑亮，范雪芳，李 斌.山西靜樂、孝義井水位異常調(diào)查報(bào)告，2009：109-114.(2)李自紅，范雪芳，呂 芳，等.山西省2011年度地震趨勢研究報(bào)告，2010：36-37.。水位上升幅度與降雨量呈正相關(guān)，降雨是導(dǎo)致水位快速上升的主要原因。研究結(jié)果以漫水井水位2018年年動(dòng)態(tài)曲線為例，如圖6所示，可以看到6-7月雨季時(shí)水位明顯升高，在8月中旬水位達(dá)到最高點(diǎn)，水位漲幅相應(yīng)地滯后，10月份水位明顯回升。因此，6月以來水位的快速上升主要受降雨量影響。2017年10月漫水臺新增氣象三要素，可以清晰地看出水位與水溫的變化滯后于降雨量。

每年6-7月是雷電高發(fā)期，雷電也會對井水位造成一定的影響。如2017年7月2日井水位受雷電干擾出現(xiàn)突跳，干擾之后數(shù)據(jù)很快恢復(fù)，不影響數(shù)據(jù)持續(xù)觀測(見圖7)。

圖6 漫水井水位、水溫、降雨量整點(diǎn)值變化Fig.6 Integer point variation of water level，water temperature and rainfall in Manshui well

圖7 漫水井水位雷電干擾曲線Fig.7 Lightning disturbance curve of water level in Manshui well

3.2 抽水干擾分析

從第24頁圖8可看出，2014至2016年漫水井井區(qū)附近長期抽水，明顯影響觀測數(shù)據(jù)。2014年4月23日11點(diǎn)至24日23點(diǎn)漫水井水位出現(xiàn)大幅度下降，水位數(shù)據(jù)從1.04 m變化到1.674 m，變化幅度0.634 m，同時(shí)觀測到水溫上升0.088 ℃，排除了儀器干擾后，對該時(shí)段漫水井水位觀測數(shù)據(jù)與襄礦華安焦化廠抽水時(shí)間進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)漫水井水位大幅度下降主要集中在23日9點(diǎn)到24日9點(diǎn)，而焦化廠在此時(shí)間段進(jìn)行抽水作業(yè)(見表2)。對比當(dāng)天觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，焦化廠大量抽水時(shí)間主要集中在23日上午9點(diǎn)到24日上午9點(diǎn)，共五次抽水作業(yè)，漫水井水位從11點(diǎn)24分開始下降，24日9點(diǎn)水位達(dá)到抽水完成后的最低水位值(見圖8)。井水位于24日9點(diǎn)焦化廠停止抽水后，開始緩慢恢復(fù)。

表2 焦化廠23-24日抽水統(tǒng)計(jì)Table 2 Pumping of coking plant from April 23 to 24, 2014

圖8 漫水井水位4月23日至24日觀測資料Fig.8 Observation data of water level in Manshui well from 23 to 24 April

3.3 儀器干擾分析

漫水井儀器故障主要有傳感器故障、路由器死機(jī)和數(shù)采死機(jī)等，都可導(dǎo)致數(shù)據(jù)中斷。2018年開始，數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)毛刺狀突跳，維護(hù)人員做了大量工作來尋找突跳原因。

首先更換儀器接地，發(fā)現(xiàn)突跳仍未改善，排除了接地導(dǎo)致電壓不穩(wěn)出現(xiàn)的突跳;其次對智能電源內(nèi)輸出電壓穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行測試，于5月29日對數(shù)據(jù)進(jìn)行直流測試即切斷220 V交流輸入，如圖9a所示，可看出交直流切換過程中由于電壓差導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)大的階變，在直流供電中未出現(xiàn)突跳，初步確定探頭內(nèi)部元器件敏感度較高，智能電源在220 V供電下，直流輸出電壓不穩(wěn)造成數(shù)據(jù)突跳。12月,對臺站進(jìn)行太陽能改造，突跳現(xiàn)象有所改觀，但仍存在少量突跳(見圖9b)，確定探頭老化也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)突跳。因此，認(rèn)為水位突跳主要與智能電源在交流供電下輸出電壓不穩(wěn)有關(guān)，同時(shí)探頭老化也會造成不定期的突跳。

圖9 漫水井水位交直流切換和太陽能改造后曲線Fig.9 The curve of water level after AC/DC switching and solar energy transformation in Manshui well

4 結(jié)論及建議

通過對漫水井水位觀測數(shù)據(jù)各類信息識別及其原因分析，獲得如下一些認(rèn)識。

(1) 漫水井水位與水溫同步變化，水位受同層井工業(yè)用水抽水干擾，無干擾時(shí)可清晰地記錄到固體潮，日變化表現(xiàn)為雙峰雙谷的特征。

(2) 氣象干擾因素主要有降雨干擾和雷電干擾，雷電干擾會導(dǎo)致數(shù)據(jù)突跳，但可很快恢復(fù)，且對數(shù)據(jù)質(zhì)量影響較??；降雨干擾與井水位呈正相關(guān)，水位變化滯后于降雨時(shí)間。

(3) 儀器故障主要有傳感器故障、路由器死機(jī)和數(shù)采死機(jī)等。

(4) 漫水井可記錄到全球6.0級以上大震，同震響應(yīng)形態(tài)主要以振蕩型為主，響應(yīng)幅度與震級呈正相關(guān)，與震中距呈負(fù)相關(guān)。

為了將漫水井水位觀測數(shù)據(jù)更好地運(yùn)用于地震監(jiān)測與研究，特提出幾點(diǎn)建議：

(1) 漫水井水位主要受同層井工業(yè)用水的抽水干擾，通過對周邊幾口井的調(diào)查，并和相關(guān)部門協(xié)調(diào)，自2016年8月以來數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)。

(2) 在氣象因素分析時(shí)，因井區(qū)氣象三要素?cái)?shù)據(jù)觀測時(shí)間短，使用了長治地區(qū)的降雨量，可能會對分析結(jié)果造成一定的影響。2017年10月漫水井新增了氣象三要素輔助觀測，為定量分析氣象因素的干擾創(chuàng)造了條件，可更精確地捕捉地震前兆異常信息。

(3) 漫水井水位觀測受多種干擾因素影響，只有準(zhǔn)確地識別各種干擾，才能有效識別地震前兆信息。

感謝山西省地震局張淑亮研究員對本文提出細(xì)致又中肯的指導(dǎo)意見。