平凉C11井水位观测资料影响因素分析

史继平，田野，张远富

(1.甘肃省地震局平凉地震台，甘肃平凉 744000； 2.甘肃省地震局，甘肃兰州 730000)

平凉C11井水位观测资料影响因素分析

史继平1，田野2*，张远富1

(1.甘肃省地震局平凉地震台，甘肃平凉 744000； 2.甘肃省地震局，甘肃兰州 730000)

采用看图识字法、相关分析、日极差法对平凉C11井水位观测资料进行研究，结果表明同震、降雨、气压、泾河水位是影响C11井水位观测资料的主要因素。

平凉C11井；水位；泾河水位；相关性分析

0 引 言

平凉中心地震台铁路小区流体观测站C11观测井(简称平凉C11井)是西北电力设计院于1994年7月成孔的水文地质勘察井。平凉地震台于1996年7月开始使用SW-40型仪器在该井进行模拟水位等流体项目观测。2001年2月开始，利用LN-3型仪器进行数字化水位与模拟水位并行观测。2011年6月后，利用LN-3A型数字化水位仪进行观测。平凉C11井水位观测已积累了近20年的资料，张昱等研究认为平凉C11井模拟与数字化水位资料衔接好，一致性好，观测资料具有一定的应用与研究价值[1]。

我国水位观测经过30多年的发展，已建立了比较完善的地震地下流体水位观测网，水位观测作为重要的地震前兆观测手段被应用于地震预测实践[2-3]。但是影响水位观测的因素有很多，在资料使用前要排除干扰，诸如高频干扰、地下水开采、仪器故障、降雨、人为干扰、同震、气压等[4-6]。大量的震例表明在许多地震前可以观测到井水位的异常变化，井水位观测一直被看作是用于地震预测、预报的有效手段之一[7]。曾文浩等研究认为2013年岷县漳县Ms6.6级地震前平凉C11井水位观测出现了明显的地震前兆异常[8]。

平凉C11井附近有一条泾河，该河对C11井水位观测是否有影响，目前还没有进行相关的研究。本文仔细分析C11井水位观测资料，总结干扰特征，分析异常信息，期望研究结果为今后C11井水位观测资料的使用提供参考。

1 平凉C11井概况

平凉地处贺兰褶带的南段，系六盘山旋回褶带的复合部位，地质构造复杂，属南北地震带北段、鄂尔多斯块体的西南缘，六盘山东侧，泾河南岸Ⅰ级阶地。C11井由西北电力设计院为平凉电厂展开水文地质调查钻成，完钻井深610.27 m，孔口标高1 340.168 m，井孔直径168 mm，套管深度310 m，井水位埋深约38 m，1996年平凉地震台改造为流体观测站，进行水位和水温观测。井孔结构及地层情况如下：16.9 m以上为沙砾卵石；顶部为灰黄色耕土，下部为含水层以灰岩砂岩为主；16.9 m至162.76 m为砂质泥岩，棕褐色，块状，质地均匀，致密；162.76 m 至202 m为砂岩，深褐色，棕红色，粉沙岩，块状，致密，坚硬，成分以石英、长石为主；202 m 至610.27 m以砾岩为主，中下部为含水层，角砾成分以灰岩为主，钙质胶结，较坚硬，裂隙发育，岩心较破碎，局部夹有棕红色薄层，砂质泥岩。

2 方法介绍

2.1 看图识字法

看图识字法在分析地震观测资料时得到较为广泛地应用，即观测资料不需要经过任何数学方法处理，用肉眼可直观地看出是干扰等，如同震、抽水等引起的明显变化。

2.2 相关性分析法

相关性分析是指对2个或多个具备相关性的变量进行分析，进而衡量2个变量因素的相关密切程度。相关程度用相关系数来衡量，一般用字母r来表示。

(1)

公式(1)中，x、y分别表示一组数据，x、y之间具有线性函数关系，相关系数r取值在-1到1之间，当|r|=1时，称x、y完全相关；r=0时，称x、y不相关；|r|<1时，x的变化引起y的部分变化，r的绝对值越大，x的变化引起y的变化就越大，|r|>0.8时称为高度相关，当|r|<0.3时称为低度相关，其他时候为中度相关。

2.3 日极差法

日极差值是以每日逐时值为样本，求取最大值与最小值之间的差值，作为日变特征量。该方法直观地反映地下水位异常动态的变化，减少了地下水位动态随机变化的影响[9]。结合极差的数学含义,笔者认为日极差值在水位日常观测中体现的是单位时间段内井孔水位在垂直方向的绝对变化，同时由于水的不可压缩性和观测井的封闭性，日极差值也进一步体现了井孔水体在单位时间内所受能量影响的大小。

3 观测资料影响因素分析

水位作为传统的地震前兆观测项目，是以捕捉地震信息为目的的浅层地壳流体观测手段。理想的井水位变化对地壳微小的应力—应变具有明显的放大作用和十分灵敏的反应[10]。但是作为地震前兆观测的水位测项观测到的测值可能除了包含地震信息外，还掺杂着一些非地震前兆信息，如固体潮、同震、气压、抽水、降雨、河流以及人为干扰等。平凉C11井水位自2014年开始呈现出长趋势上升的态势如图1b所示，因此在进行地震前兆异常研究时，及时准确地排除非震异常信息，对识别及提取地震前兆信息都是至关重要的。通过对平凉C11井多年来的观测，认为主要有以下几个方面的影响。

(a)C11井水位同震效应；(b)C11井水位近期变化形态图1 平凉C11井水位变化曲线

3.1 同震效应

2004年12月26日，印尼苏门答腊岛北海域发生Ms8.7级强烈地震并引发海啸，平凉C11井震中距3 694 km，水位同震效应十分明显，地震后水位突降5 m,然后迅速回升，该地震使平凉水位总体下降2.4 m； 2008年5月12日，四川汶川发生Ms8.0级地震,震中距589 km，该地震使C11井水位又突降0.778 m,震后水位下降速率明显加快，汶川地震发生后至5月31日水位下降1.7 m，如图1a所示。自从汶川地震发生后，水位停止下降7个月左右，从2009年11月又开始下降 。强震对平凉C11井水位影响明显，一方面在进行地震预测研究时要排除同震影响；另一方面说明该井对地球内部应力变化比较敏感，是地震前兆观测较为理想的井，观测资料可信度高。

3.2 固体潮效应

由于地下水观测井孔深度，最深莫过几千米，这个深度仍是地球表层，所以地球表层的潮汐应力分布势必影响井水位变化。因地球表层潮汐应力大小随地球与天体在运动中相对位置的变化而有规律的变化，当潮汐应力增大时，含水岩层发生体膨胀，含水层的孔隙水压降低，井水位下降；当潮汐应力变小时，含水岩层发生体压缩，含水层的孔隙水压升高，井水位上升。通过对平凉C11井水位2015年8月的实际观测值和理论固体潮对比分析(图2a～2b)，可以明显地观测到全日波、半日波、1/3日波和长周期(半月波)等周期的成分，对2012～2015年的资料计算，潮汐因子均值为1.2左右，变化相对稳定(图2c)。表明该井观测水位存在明显的固体潮效应。

(a)C11井水位时间序列；(b)理论固体潮；(c)C11井水位潮汐因子图2 平凉C11井水位固体潮效应曲线

3.3 降雨影响

在天然条件下,由于气候因素在多年中趋于某一平均状态,因此,一个含水层或含水层系统的补给量与排泄量在多年中保持平衡。反映地下水储量的地下水位在某一范围内起伏,而不会持续地上升或下降。在有关因素的影响下,地下水的水位、水量等随时间变化的状况,是由于收支不平衡的结果。例如,当含水层的补给量大于排泄量时,储存水量增加,地下水位上升;反之,补给量小于排泄量时,储存水量减少,水位下降。因此有必要对平凉C11井水位与降雨的关系进行分析，从图3可以看出2012～2013年该井水位受降雨的影响明显，曲线形态相似，只是存在一定的滞后，而从2014年以后曲线形态相关度不高，表明该井水位受降雨的影响逐渐减弱，可能存在其他更大的影响因素。

图3 平凉C11井水位与降雨的关系

图4 平凉C11井水位与气压的关系

3.4 气压效应

据相关研究[11]表明，承压含水层的井水位气压效应与含水层参数有关：井孔半径越小、含水层厚度越大、含水层的渗透系数越大、含水层的孔隙度越大、含水层固体骨架压缩系数越小，井水位的气压效率越大，而井水位气压效应的相位滞后通常越小；气压效率的大小主要由含水层的导水系数、孔隙度、固体骨架压缩系数和井孔半径决定，相位滞后的大小主要由含水层的导水系数和井孔半径决定；潮汐信号周期不同，井水位的气压效应不同；气压效应的主要影响分波对含水层参数的变化具有指示作用：含水层参数不同，井水位气压效应的主要影响分波有所不同；气压效应主要影响分波的差异主要是由于观测孔性质(井孔半径、所处含水层位置、含水层厚度、孔隙度、渗透系数、导水系数和含水层固体骨架压缩系数)综合导致的；对同一口井，即井孔半径一定、含水层厚度一定的情况下，井水位气压效应的主要影响分波由日波变为半日波时，含水层的导水系数、渗透系数、孔隙度可能变大，而含水层的固体骨架压缩系数可能减小。对平凉C11井水位与气压的相关性进行分析，从图4可以看出，和降雨的关系相似，2012年至2013年该井水位受气压的影响明显，曲线变化趋势接近，而从2014年以后曲线形态相关度不高，表明该井水位受气压的影响逐渐减弱，可能存在其他更大的影响因素。

3.5 泾河水位影响

平凉C11井位于甘肃省平凉市崆峒区铁路住宅小区院内，在井孔北面200 m左右，泾河由西往东流过。泾河是渭河一级支流，黄河二级支流，发源于宁夏六盘山东麓，南源出于泾源县老龙潭，北源出于固原大湾镇，至平凉八里桥汇合，东流经平凉、泾川于杨家坪进入陕西长武县，再经政平、亭口、彬县、泾阳等，于高陵县陈家滩注入渭河。

由于只收集到2012～2015年的泾河水位资料。因此，本文只对该时间段的资料进行分析。水位观测的是井口到井水面之间的距离，是以井口为原点记录井水位的变化。将平凉C11井水位和泾河水位日均值进行绘图(图5)，可以看出，2012年1月至2013年底，C11井水位和泾河水位呈现出反向变化的形态，而从2014年后两者表现出同步上升的态势，近2年来泾河水位缓慢抬升了0.20 m，C11井水位上升了2.48 m，表明该井水位与泾河水位关系密切，近期呈现出长趋势的上升变化，泾河水位的抬升可能是主要的影响因素。

图5 平凉C11井水位与泾河水位的关系

为进一步量化分析该井水位与各影响因素的关系，将2012～2015年平凉C11井水位与泾河水位、降雨量、气压做相关分析(表1)，以1个月为单位，分别计算出两者之间的相关系数。由表1可知：泾河水位对平凉C11井水位观测有一定的影响,2012年相关系数为0.698，自2014年以后相关性明显增强，达到0.788，尤其雨季后的几个月相关性较好，相关性最好可达0.998；与泾河水位相比降雨量的影响较弱，相关度最好仅为0.677，相关度有逐年减弱的趋势；该井水位与气压的相关性也较好，相关性最好可达0.976，和降雨量一样相关度有逐年减弱的趋势。综上所述，平凉C11井水位观测资料主要受降雨、气压、泾河水位等因素的影响，近年来水位呈现长趋势上升异常变化，引起该变化的主要原因可能是泾河水位的抬升。

表1 平凉C11井水位与泾河水位、降雨量、气压的相关性统计

4 主要结论

通过以上研究，本文得到以下主要结论：

(1)平凉C11井水位观测资料在印尼Ms8.7、汶川Ms8.0等强震中显示出十分明显的同震效应，表明该井对地球内部应力变化比较敏感，是地震前兆观测较为理想的井。

(2)平凉C11井水位存在明显的固体潮效应，有全日波、半日波、1/3日波和长周期(半月波)等周期成分，潮汐因子均值为1.2左右。

(3)平凉C11井水位观测资料主要受降雨、气压、泾河水位等因素的影响，特别是在雨季后受到泾河水位的影响较大，但存在一定的滞后效应；近年来水位呈现长趋势上升异常变化，引起该变化的主要原因可能是泾河水位的抬升。

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ANALYSIS ON INFLUENCE FACTORS OF THE WATER LEVEL DATA OF PINGLIANG C11 WELL

SHI Jiping1，TIAN Ye2，ZHANG Yuanfu1

(1.PingliangSeismicStation,EarthquakeAdministrationOfGansuProvince,Pingliang744000,China；2.EarthquakeAdministrationofGansuProvince,Lanzhou730000,China)

The water level observational data of Pingliang C11 well is studied by “picture flashcards” method, correlation analysis and range analysis in this paper.The results show that the co-seismic response, rainfall, air pressure, Jinghe River water level are the main factors affecting the water level observation data of C11 well.

Pingliang C11 well; Water level; Jinghe River water level; Correlation analysis

2016-05-10

中国地震局监测、预测、科研三结合课题(项目编号：162801)资助。

史继平(1978— )，男，甘肃平凉人，工程师，主要从事地震前兆监测及研究工作。

*通讯作者：田野(1984— )，女，甘肃陇南人， 工程师，硕士，主要从事地震前兆监测及运维工作。

P315.72+5

A

1005-586X(2016)04-0027-06