井水位气压系数正负动态变化分析

丁风和哈媛媛魏建民李 彬

1）中国呼和浩特 010010 内蒙古自治区地震局

2）中国呼和浩特 010020 内蒙古大学交通学院

井水位气压系数正负动态变化分析

丁风和1）哈媛媛2）魏建民1）李 彬1）

1）中国呼和浩特 010010 内蒙古自治区地震局

2）中国呼和浩特 010020 内蒙古大学交通学院

针对气压作用下井水位动态变化的不同类型（显著型、隐蔽型和中间型），假设最终采用一元线性回归得到相应的井水位气压系数。分析结果表明，气压系数存在正负变化，主要和引起井水位升降变化的非构造应力与构造应力因素等有关。在实际跟踪分析气压系数动态变化过程中，可将其取绝对值。当气压系数绝对值过大或过小时，首先排除井水位受非构造应力因素的影响，否则可能与构造应力变化有关，简单地将气压系数的一些高值和负异常认定为地震异常是不严谨的。

井水位；气压系数；正负动态变化；影响因素

0 引言

引起井孔地下水位变化的因素主要有非构造应力和构造应力因素。非构造应力因素一般视为干扰因素，有补给（降雨以及浅层水跃层补给等）、排泄（抽水及开采、蒸发等）、气压和潮汐应力等（汪成民等，1988；车用太等，2006；Manga and Wang，2007；邓亮等2010；Lee et al，2013）。而构造应力因素则是我们提取与地震活动有关异常信息的目的。但是非构造应力因素干扰往往掩盖了由构造应力引起的水位异常变化。就气压对井水位的影响来说，一般，水位与气压呈负相关关系（即气压系数为正）。当出现水位与气压正相关关系时，则气压系数为负，违背了水位和气压的正常变化规律。针对气压系数为负的情况，很多地震科技工作者对此做了不同程度的研究。譬如，渔金子等（1990）采用滑动滤波延时处理方法，计算3口井的气压系数，并把存在水位与气压的正相关关系和气压系数值超过-9mm/hPa作为水位异常判据。分析认为，气压系数的这种 “异常”变化已不属于气压效应，而是说明了气压效应之外新的作用叠加在其上，这种新的作用可能就是与地震活动有关的力学作用（即归因于构造应力）。另外，他们认为，雨季很难求得合理的气压系数背景值（雨季偏高、旱季偏低）。夏菲等（1994）利用水位、气压整点值资料和多元回归方法，求取了井水位气压系数，发现气压系数正负变化皆有，关系复杂。且认为气压系数这种无明显规律性的变化，不代表水位的升降，只表明参数间的关系。张元胜（1997）利用新4井水位、气压日值资料，采用彼尔采夫滤波、高阶差分及一元线性回归等方法，将获取的气压系数小于零的现象归结于地震异常，并将水位和气压从负变关系变为正变关系，作为异常指标判定界限。魏焕等（2001）认为，井水位随机气压效率（系数）大于3倍均方误差的异常变化（正或负异常）与地震活动有关的力学作用有关，即地震前兆异常反应。

井水位气压系数出现正负变化到底与哪些因素有关，气压系数为负或是高值异常是否都可以归因于地震前兆异常，今后如何分析气压系数的动态变化曲线，本文将进行重点讨论分析。

1 气压系数获取

气压作用下的地下水位动态变化主要有显著型、隐蔽型和中间型。显著型水位动态受气压影响比较明显，较易剔除，直接采用一元线性回归就可得到比较理想的气压系数结果。而隐蔽型水位气压系数的计算，主要步骤有：首先对水位和气压数据进行滤波（譬如彼尔采夫滤波），其次对滤波后的数据进行差分处理（一阶或高阶），最后根据差分结果，构建一元回归或二元回归模型来拟合气压系数（张昭栋，1986；殷积涛等，1988；董守玉等，1987；刘学领等，2010；方慧娜，2013）。通常水位和气压数据，经过滤波、差分处理后，采用一元回归模型就可拟合出理想的气压系数结果。

假设显著型、中间型和隐蔽型水位的气压系数最终采用一元线性回归得到，那么可用式（1）和式（2）滑动确定井水位气压系数的动态变化过程。

其中，wi为i时刻水位值，wi+1为i+1时刻的水位值；pi为i时刻气压值，pi+1为i+1时刻的气压值；Bpi为i时刻的气压系数；bi为截距。

2 气压系数正负动态变化影响因素分析

正常情况下，井水位与气压之间呈负相关关系（图1，图2）。据式（2），当水位与气压之间呈负相关关系时，Bpi＞ 0。此时，Bpi的变化有2种可能：①水位变幅很大（升或降），气压变化不大时，造成Bpi较大［图1（b），图2（b）］；②水位变幅不大，而气压变化较大时，造成Bpi较小［图1（c），图2（c）］。换句话说，当水位与气压之间呈负相关关系（Bpi＞0）、气压变化相对正常时，引起井水位升降变化的补给（降雨以及地下水跃层补给等）、排泄（抽水及开采、蒸发等）、潮汐应力等非构造应力和构造应力因素等的变化均会造成气压系数Bpi较大。Bpi很小除与气压扰动有关外，也与这些因素有一定关联。如，气压变化较大时，按照正常水位对气压的响应，水位也应变化较大，但实际变化不大，很可能与地下水排泄［图1（c）］、补给［图2（c）］或构造应力变化等有关。

对于气压系数为负，同理按照式（2）思路，当水位与气压之间呈正相关关系（图3，图4）时，Bpi＜0。Bpi的变化有2种情况：①水位变幅很大（升或降），气压变化不大时，造成气压系数Bpi很小，但其绝对值很大［图3（b），图4（b）］；②水位变幅不大，而气压变化很大时，造成Bpi较大，但绝对值较小［图3（c），图4（c）］。

图1 水位上升、气压下降时，水位与气压呈负相关关系示意（a） 水位与气压变幅正常；（b） 水位上升幅度很大而气压变化不大； （c） 水位变幅不大而气压下降幅度很大Fig.1 A diagram of negative correlation between the water level and barometric pressure when the water level rises and the barometric pressure drops

图2 水位下降、气压上升时，水位与气压呈负相关关系示意（a） 水位与气压变幅正常；（b） 水位下降幅度很大而气压变化不大；（c） 水位变幅不大而气压上升幅度很大Fig.2 A diagram of negative correlation between the water level and barometric pressure when the water level drops and the barometric pressure rises

图3 水位和气压都下降时，水位与气压呈正相关关系示意（a） 水位与气压变幅正常；（b） 水位下降幅度很大而气压变化不大； （c） 水位变幅不大而气压下降幅度很大Fig.3 A diagram of positive correlation between the water level and barometric pressure when the water level and barometric pressure drop all

由于引起井水位变化的补给（降雨以及地下水跃层补给等）、排泄（抽水及开采、蒸发等）、潮汐应力等非构造应力和构造应力因素的共同作用，隐藏了水位对气压的正常响应。图3所示整体表明，抽水及地下水开采、蒸发、潮汐应力等非构造应力或构造应力因素对水位的影响远大于气压影响。而有效的降雨及地下水补给、潮汐应力、气压扰动等非构造应力或构造应力因素变化，可造成水位和气压的关系产生如图4所示变化。

图4 水位和气压都上升时，水位与气压呈正相关关系示意（a） 水位与气压变幅正常；（b） 水位上升幅度很大而气压变化不大；（c） 水位变幅不大而气压上升幅度很大Fig.4 A diagram of positive correlation between the water level and barometric pressure when the water level and barometric pressure rise all

需要说明的是，水位观测序列中，往往包含潮汐的周期成分、气压的周期成分和非周期成分以及降雨等因素引起的随机成分，对计算气压系数均有较大影响（方慧娜，2013）。因此，计算水位气压系数时，一般采用水位和气压的日均值资料（类似于低频滤波），可将周期、随机和高频影响因素抑制到最低水平或剔除，以提高信噪比。

通过以上分析发现，气压系数Bpi有正有负，且影响因素一致，因此，在实际利用水位和气压的日均值资料，跟踪分析气压系数动态变化过程中，Bpi可取绝对值。当气压系数绝对值很大时，首先排除井水位受降雨及地下水的补给、排泄等非构造应力因素的影响，如果Bpi仍较大，可能与构造应力变化有关（这也是我们最关心的）。当气压系数绝对值很小时，除与气压扰动有关外，也与降雨及地下水的补给、排泄等非构造应力和构造应力变化有一定关联，即气压系数偏低，也可能孕育地震信息，分析时需注意。

3 结论

气压效应作为井水位变化普遍存在的微动态现象，一直是微动态领域的主要研究方向之一。本文从水位和气压间的变化现象着手，对一元线性回归得到的井水位气压系数出现的正负变化的可能影响因素进行分析。

（1）选用水位和气压的日均值资料，可将潮汐的周期成分、气压的周期成分和非周期成分、以及降雨等因素引起的随机、高频成分抑制到最低水平，最终获取相对可靠的气压系数。通常，可用卷积回归方法来校正气压等变化产生的延迟效应（Rasmussen and Crawford，1997；Toll and Rasmussen，2007），而选取水位和气压的日均值数据进行分析，也可忽略水位变化对气压的滞后效应，因为滞后一般持续几分钟到几小时。

（2）气压系数存在正负变化，主要和引起井水位升降变化的非构造应力与构造应力等相关，而我们关心后者的变化。

（3）实际利用水位和气压的日均值资料跟踪分析气压系数动态变化过程中，可将气压系数取绝对值。

（4）不论气压作用下的显著型水位气压系数的计算（直接一元回归），还是隐蔽型水位气压系数的计算（相应地进行滤波、差分和回归等处理），不管处理的好坏，一般认定引起井水位变化的补给、排泄、潮汐应力和荷载等非构造应力因素已抑制到最低水平，但影响因素或多或少地掺杂在气压系数结果中。这就是我们将一元线性回归气压系数再进行影响因素分析的原因。

（5）简单地将气压系数的一些高值异常和负异常认定为地震异常是不严谨的。

（6）前人对气压效率（气压系数）的影响因素分析，一般从含水层的力学参数、渗流参数（张昭栋等，1986，1989；殷积涛等，1988），上覆土壤层的结构和特性，含水层的厚度以及井的半径和深度等因素（Rojstaczer，1988）着手。而本文从水位和气压间的变化现象着手，对一元线性回归得到的井水位气压系数出现的正负变化的可能影响因素进行分析。二者实质相同，这是因为，选用水位和气压的日均值资料，一些周期、随机和高频的影响因素抑制到最低水平后，引起井水位变化的补给（降雨以及地下水跃层补给等）、排泄（抽水及开采、蒸发等）等就与含水层的力学参数、渗流参数、含水层结构和特性等有关。

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Analysis on the factors affecting dynamic variation of positive and negative barometric coefficient of well water level

Ding Fenghe1），Ha Yuanyuan2），Wei Jianming1）and Li Bin1）
1） Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region，Hohhot 010010，China
2） Transportation College of Inner Mongolia University，Hohhot 010020，China

According to the different types （explicit type，implicit type and middle type） of dynamic change of well water level under the action of the air pressure，the barometric coefficient of well water level is obtained by use of linear regression method.The analysis results show that the barometric coeffcient，positive and negative changes are relevant to non-tectonic stress and tectonic stress factors that caused the change of well water level etc.In the actual tracking analysis of barometric coefficient dynamic change process，absolute value of barometric coefficient is indispensable.When the barometric coeffcient absolute value is too large or too small，frst of all to exclude well water level is affected by non tectonic stress factors.If after excluding barometric coeffcient absolute value is too large or too small all the same，which may be related to tectonic stress change，this is our most concern.Some high value and negative anomaly of the barometric coeffcients is identifed by some authors as the seismic anomaly that is not precise.

well water level，barometric coeffcient，positive and negative dynamic changes，infuencing factors

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.011

丁风和（1977—），男，回族，宁夏吴忠人，硕士，高级工程师，主要从事地震地下流体研究工作。E-mail：dingfenghe@126.com

2016年度震情跟踪合同制定向重点工作任务资助项目（2016020305）

本文收到日期：2015-06-15