秦雙龍，劉水蓮，趙文波

（1.福建省地震局，福州 350003；2.福建省永安地震臺，福建 永安 365000）

0 引言

井水位、水溫觀測目前是我國地震地下流體前兆觀測中一項重要觀測手段，旨在捕捉地震孕震過程中地殼的應力-應變信息，越來越受到許多地震研究工作者的重視[1-4]。但同時因數(shù)字化水位、水溫觀測對靈敏度和觀測精度要求較高，所以受到外界環(huán)境的干擾影響多，比如降雨、周邊抽水、儀器不穩(wěn)定、電源故障等因素的影響，都會對水位、水溫的動態(tài)變化造成一定的影響。因此，判定地下水水位、水溫的動態(tài)變化是否是由構造因素引起的還是由非構造因素引起的對于地震預報分析工作是非常重要的。

福建永安井水位、水溫測項作為中國地震局背景場項目，自2014年以來開始數(shù)字化觀測，自觀測以來，儀器運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠、潮汐響應明顯。水位變化比較穩(wěn)定，但水溫受降雨影響明顯，背景噪音較大，且具有一定的滯后效應。因此，對該井的數(shù)字化水位、水溫資料展開分析，并提出適合該井水溫觀測的建議是一項十分有意義的研究。

1 井孔基本概況特征

福建永安水位、水溫觀測井是我國東南沿海最深的地震地下流體觀測井，井深1000.44 m，套管埋深6.91 m，海拔高程172 m。構造上該井孔位于政和—海豐斷裂帶西側(cè)，永安—晉江斷裂帶上，NNE向壓性斷裂與NW向張扭性斷裂交匯處（圖1），該井的地質(zhì)觀測巖層為火山巖裂隙承壓匯合水，封閉條件較好。5.2～400 m為第三系—白堊系上統(tǒng)赤石群，巖性為紫紅色砂巖；400～1000 m為侏羅系上統(tǒng)南園組，巖性為凝灰?guī)r層。含水層主要分布在70～552 m，為混合承壓水[5]。該井有水位和水溫兩個測項，目前測點周邊無明顯環(huán)境干擾情況。在距離該水井約20 km的上游處有一個水庫，在水庫泄洪時會對水位造成一定的影響。

圖1 永安井所處區(qū)域地質(zhì)構造圖Fig.1 Regional geological structure of Yong'an well

2 井水位、水溫動態(tài)特征

永安井數(shù)字化水位、水溫觀測儀器分別采用的是中國地震局地殼研究所研制的SWY-Ⅱ型數(shù)字化水位儀和SWZ-1A V2004數(shù)字式水溫儀，水位探頭距井口埋深12 m，水溫探頭距井口埋深180 m。自觀測以來該井水位年變幅度大約在1 m左右，呈現(xiàn)出夏高冬低的年變形態(tài)（圖2a），這是受降雨及年變形態(tài)的影響；井水溫在25.06℃～25.70℃之間變化（圖2b），也呈現(xiàn)出一定的年變形態(tài)，但波動變化相對較大。該井水位、水溫都能清晰地記錄到固體潮效應（圖3），表明水位、水溫觀測對地球動力作用具有較強的響應能力。永安井水溫梯度測試結(jié)果表明該井水溫梯度呈現(xiàn)正梯度變化（見圖4），探頭埋深處水溫約在25℃左右變化。

圖2 2014—2017年永安井水位、水溫動態(tài)變化圖Fig.2 Dynamic change of water level and temperature in Yong'an well from 2014 to 2017

圖3 2016年1月1日—3日永安井水位、水溫與固體潮理論值對比圖Fig.3 Comparison of water level，water temperature and solid tide in Yong'an well from January 1st to 3rd in 2016

圖4 永安井水溫梯度變化圖Fig.4 Water temperature gradient of Yong'an well

3 井水位、水溫主要干擾因素及機理分析

通過分析永安井2014—2017年的數(shù)字化水位、水溫資料，該井水位干擾因素相對較少，主要為降雨及上游水庫泄洪會對水位造成一定的影響，機理也較為簡單。而該井水溫的影響因素較為復雜，主要為水位變化、降雨以及上游水庫泄洪影響，而且影響形態(tài)和機理也各不相同。

3.1 降雨對水位的影響分析

在地震地下水動態(tài)觀測過程中，約90%的觀測井水位會受到降雨干擾，進而對地震前兆信息的識別造成一定的影響[6]，大氣降水對井水位的影響主要通過降水滲入補給及地表荷載2種作用影響井水位的變化。永安井水位主要為降雨滲入補給。

圖5為永安井水位月均值與降雨量月總量的關系圖，從圖中可以看出該井水位與降雨量具有一定的相關性，即隨著降雨量的增大水位埋深值升高，降雨量的減少水位埋深值降低，對該井水位的年均值與年降雨量總和做相關性分析，相關系數(shù)R=0.71，相關性較好。

圖5 永安井水位與降雨曲線圖Fig.5 Curve of water level and rainfall in Yong'an well

從該井的短期資料來看，并不是每次降雨對井水位的動態(tài)有影響，例如在該地區(qū)2015年6—7月的雨季中（圖6a），只有在7月2—3日短時間內(nèi)降雨量累積達67.8 mm，7月20—22日短時間內(nèi)降雨量累計達47.4 mm時，才引起水位分別上升185 mm、100 mm，但只是短時間內(nèi)水位出現(xiàn)明顯上升或畸變，表明該井的含水層的承壓性較強。在2015年5月19日當天降雨量達126.1 mm，井孔上游的水庫泄洪，泄洪量達3000 m3/s，導致處于下游的永安井井孔含水層孔隙壓力增大，使得水位出現(xiàn)階升現(xiàn)象，并且持續(xù)時間較長（圖6b）。

圖6 降雨對水位的影響動態(tài)分析Fig.6 Dynamic analysis of the influence of rainfall on water level

3.2 降雨對水溫的影響分析

降雨作為水位動態(tài)的主要影響因素，同樣影響著水溫的變化。通過對永安井降雨量對水溫變化幅度的相關性分析（表1），相關系數(shù)R=0.62，表明降雨對水溫有一定的影響，但沒有對水位的影響相關性強，主要表現(xiàn)為短時間內(nèi)的影響。通過分析降雨對該井水溫動態(tài)的影響特征，主要影響形態(tài)可分為3種類型：

表1 永安井水溫受降雨定量分析Table 1 Quantitative analysis of the influence of rainfall on water temperature in Yong'an Well

（1）水溫短時間內(nèi)下降變化類型（圖7（a）（b）。對于此種顯現(xiàn)分析認為是隨著地表雨水下滲，由于該井套管埋深較淺，導致淺層低溫水水頭升高，進入到永安井的淺層低溫水比例增大，高溫水所占比例減小，使得水溫下降，而井孔內(nèi)含水層的水頭壓力基本不變，所以水位沒有明顯的變化。

（2）水溫短時間內(nèi)快速上升變化類型（圖7（c）（d）。認為是由于該井受上游水庫泄洪影響，導致處于下游的該井含水層滲透率增大，從而引起水位快速上升，使得該井水溫探頭處的水溫梯度發(fā)生一定程度的改變，而引起水溫上升。

圖7 降雨對井水溫的影響分析圖Fig.7 Analysis of the influence of rainfall on well water temperature

（3）水溫的長趨勢變化類型。對比了2014—2017年水位與水溫的趨勢變化動態(tài)，發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)同步變化（圖8），兩者相關系數(shù)R=0.92，相關性很高。尤其是在2015—2016年該井水位由于受該地區(qū)降雨量的影響，水位呈上升趨勢，水溫也呈現(xiàn)出明顯的趨勢加速上升背景。楊竹轉(zhuǎn)[7]基于流體運動的控制方程和熱傳導方程，應用最新版本COMSOL Multiphysics 4.1有限元分析軟件，對塔院井水位、水溫同震變化進行數(shù)值模擬研究，在同震水位上升或下降的情況下，認為井孔深處有水進入或流出，此時引起井孔中水位整體上升或下降，放在套管封閉區(qū)段內(nèi)的溫度探頭探測到的上升或下降時水溫梯度產(chǎn)生的原因。表明井孔水位的變化，會引起井孔含水層孔隙壓力的變化，從而引起水溫梯度的變化。永安井水位在2015—2016年呈現(xiàn)上升趨勢，而該井套管埋深只有6 m，含水層水頭壓力的變化導致孔隙壓力的變化，使得該井水溫探頭處水溫梯度發(fā)生一定程度的改變，從而使得水溫變化升高。

圖8 2014—2017年永安井水位與水溫旬均值變化曲線圖Fig.8 Curve of 10-day mean value change of water level and water temperature of Yong'an Well

4 結(jié)論和建議

（1）通過對永安井水位、水溫數(shù)字化觀測以來的資料分析，表明該井的水位、水溫儀器記錄資料是井中水體變化的真實反映，水溫潮汐變化對水位變化的響應時間滯后約2 h左右，是受到水位變化的影響。

（2）該井水位主要干擾因素為降雨和上游水庫泄洪的影響；水溫主要干擾因素為降雨和上游泄洪的影響，且影響水溫變化的形態(tài)機理各不相同。水位的趨勢性變化會影響水溫傳感器所在處水溫梯度的變化，從而引起水溫的變化；降雨引起的水溫變化是由于雨水的下滲，導致淺層低溫水混入，高溫水所占比例減小，從而導致水溫下降；上游泄洪導致的水溫變化是由于井—含水層滲透率的增大，引起水位升高，導致水溫梯度的變化，從而引起水溫升高。

（3）按照中華人民共和國地震行業(yè)標準DBT49-2012中有關水溫傳感器放置深度的規(guī)定，應放置在水溫梯度變化大、水溫背景噪聲低與水溫潮汐明顯的區(qū)段。建議增加一個水溫傳感器，對該井水溫測項進行同井對比觀測，最終選擇一處井孔裂隙發(fā)育、固體潮響應明顯，受降雨和上游泄洪影響小的位置進行水溫觀測。