福建地下流体观测台网水位、水温测项观测质量影响因素

张清秀 陈 莹 任丛荣 黄艳丹 陈彩虹 刘坚刚 洪旭瑜

（中国福州350003福建省地震局）

福建地下流体观测台网水位、水温测项观测质量影响因素

张清秀 陈 莹 任丛荣 黄艳丹 陈彩虹 刘坚刚 洪旭瑜

（中国福州350003福建省地震局）

福建地下流体台网布局较为合理，水位、水温测项能观测到较为规律的长期、年、月、日动态，多数指标符合学科规范要求，能记录到较大远震的同震响应波。观测数据质量主要影响因素有降雨、观测环境破坏、观测系统故障等；地下水位动态受降雨影响表现为上升态势，由于降雨的持续时间、强度和面积不同，由降雨引起的水位变化形态也复杂多样；水位和水温同震变化与变化幅度、持续时间明显相关。

水位；水温；观测背景；影响因素

0 引言

地下流体动态，是指在特定的观测井（泉）中观测到的地下流体物理化学特性随时间的变化（国家地震局监测预报司，1997；车用太等，2006）。可靠的观测资料是提高地震地下流体理论研究和地震预测水平的基础，也是关键。因此，产出第一手观测资料的地震观测台站，保证数据的准确、连续、可靠是日常工作重点。由于观测仪器老化及周边环境干扰，地震观测数据质量受到严重影响。为系统了解福建地下水位、水温测项的运行情况，从观测数据完整率、观测精度及地震同震变化等方面进行探讨，分析观测数据质量影响因素。

1 福建地下流体台网概况

福建地下流体台网是包含水化学和水物理动态观测并相互配合的综合观测台网，共有29个观测台站（陈小云等，2009）。水物理动态测项主要有水位、水温；水化学动态观测以氡为主，水电导、氟离子等水化学组分为背景性监测；多数观测井配备气温、气压、降雨量等测项进行辅助对比观测。

以福建省地质构造背景为基础，依据沿主要活动构造带布井的原则，福建地震地下流体观测井多分布在长乐—诏安断裂带的主、次断裂带上，均位于利于应力积累部位，台基岩性多为花岗岩，观测网内有多个独立的水文地质单元，各观测层以基岩裂隙承压水为主，符合地震地下流体前兆观测井要求。福建省地下流体观测台站各井（泉）信息见表1。

表1　福建省地下流体观测井（泉）信息Table 1 Basic information of water well in Fujian Province

2 地下水位、水温观测质量分析

2.1 观测仪器

福建省地下流体数字化观测从2002年开始，历经“九五”“十五”改造，到2015年，共有23个观测井开展水位、水温观测（未包含因中途仪器故障或改造而停测的观测井）。仪器类型包括：中国地震局地震预测研究所生产的LN-3、LN-3A数字化水位仪；中国地震局地壳应力研究所生产的SWY-Ⅱ数字化水位仪及SZW-1、SZW-1A数字化温度计；珠海泰德企业有限公司生产的PTX-1730、HLM-15、HM21F-C1-1-A1水位传感器及TDT-36水温传感器。除背景场新增仪器外，其余仪器运行时间均10年以上，致使部分台站数据完整率受到一定影响。2015年1—8月各套仪器数据完整率见表2、表3。

表2　福建地下流体水位M2波潮汐因子及观测精度（2015年1—8月）Table 2 Tidal factor and observation accuracy of water level in Fujian Province（from January to August，2015）

表3　福建地下流体水温观测主要技术指标（2015年1—8月）Table 3 The main specifications of water temperature in Fujian Province（from January to August，2015）

由表2、表3可知，2015年1—8月，福建地下流体数字化水位数据平均完整率为98.43%，完整率低于95%的有晋江地办台、晋江深沪台、南安2号台，多为仪器故障造成，其中晋江地办台水位仪4月2日—23日主机电压通道模块故障，晋江深沪台7月19日—8月15日、安2号台6月24日—7月6日水位仪雷击故障；同期数字化水温观测数据平均完整率为98.25%，均大于95%，整体运行情况优于水位仪器。

2.2 观测精度

（1）水位观测精度。井水位观测作为一种灵敏的“体应变计”被广泛应用于地震监测，也是地下流体观测台站数量最多的测项之一。大量水位观测事实证明，一个好的承压井地下水位变化，能反映地球潮汐体应变变化（郑小菁等，2013）。福建省地震地下流体台网水位观测井大部分能观测到地球固体潮汐效应，在日、月引力作用下，随着含水层体积的压缩和膨胀变形，水位日观测曲线呈现具有规律的“双峰双谷”周期性变化，但不同观测井的水位潮汐效应程度不同，多数井水位潮汐显著，相位清晰。各井水位2015年1—8月M2波潮汐因子及观测精度见表2。

潮汐因子表示水位观测振幅与理论振幅之比（本文采用M2波潮汐因子），值大于1.0 mm/10-9的占52.17%，最大的是福清龙田台水位潮汐因子达到12.353 mm/10-9，潮汐因子最小的是南安梅山台，其水位未记录到固体潮效应，观测曲线呈直线型变化，因此其潮汐因子接近于0。

M2观测精度反映了井水位潮汐与体应变理论固体潮的相对误差（车用太等，2008），观测精度≤0.2（学科规定≤0.2）的占全部水井的91.3%，较差的有丰泽地办台和闽侯台井水位，丰泽地办台由于附近房地产工地施工和抽水影响，导致该井水位整体下降，曲线无规则变化，当低于传感器，则出现水位呈一条直线的形态；闽侯台受到周边鱼塘抽水和仪器老化两重影响，测值长年无规则。

（2）水温观测精度。福建省地震地下流体台网共有23个流体观测井开展水温观测，年变化动态多为直线平稳型，部分呈现趋势性上升或下降变化，可能与仪器零漂有关。

流体观测井水温微动态观测一般指，由于含水层岩石受力状态发生变化而引起的井水温度随时间的变化，测值变化幅度较小（张清秀等，2007）。按地下流体学科要求，水温测项一阶差分序列超过3倍均方差的个数应小于1%，福建省水温测项未达到要求的仅福清江兜台和南安地办台，占全省水温观测的8.7%，见表3，可见水温观测资料可靠性较高。

永安井和龙田井能记录到水温固体潮，水温日变动态与同井水位日变动态一致，当潮汐引力为压性时，井水位上升，水温同步上升；当潮汐引力为张性时，井水位下降，水温同步下降，见图1。车用太等（2008）研究认为，水温记录固体潮机理可能是：当含水层受到潮汐引力作用而压缩变形时，含水层地下水流入井筒，一方面井水得到热而使水温升高，另一方面由于井水位上升使温度相对高的水向上迁移，水温梯度线向上平移，导致传感器所处温度升高；当含水层受到潮汐引力作用而膨胀变形时，井筒中的水流入含水层，井水位下降，水温梯度线向下平移。如此反复交替，产生与井水位潮汐同步变化的井水温度潮汐效应。

2.3 同震变化

井—含水层系统可作为一个宽频带体应变计，对地震瑞雷波所引起的体应变波（水震波）有天然放大效能。在一次大地震发生前后，震中外围的观测井孔可以记录到因地震波传播造成的水位、水温同震响应变化。相关研究结果表明，福建省地下流体观测台网（分采样数据）可较好记录到全球7.8级以上大震远场效应；不同测点对不同地震具有不同反应，且记录的同震异常与震级、震中距、地震类型、地震所处的构造位置以及水点的水文地质条件等相关；由于瑞雷波围绕地震传播时不断削弱，当震中距超过一定范围时，观测水点就无法接收到地震的同震异常（张清秀等，2007，2011，2012）。本文以2011年3月11日日本本州东海岸附近海域9.0级地震为例，简要说明福建地下流体观测台网记录的水位和水温同震响应（张清秀等，2012），见图2。

图1　水位、水温记录到同步固体潮变化曲线（2014年9月21日—9月25日）（a）永安台水位分钟值曲线；（b）福清龙田台水位分钟值曲线；（c）永安台水温分钟值曲线；（d）福清龙田台水温分钟值曲线Fig.1 The solid tide curve of water level and water temperature（from Sept.21 to Sep.25，2014）

图2　福建地下流体台网水位、水温同震响应典型图例Fig.2 The typical pictures of digital water level and coseismic response of groundwater temperature in Fujian Province

（1）17口观测井记录到水位同震响应，主要有同震水震波和同震阶变两种类型。同震响应井孔的含水层岩性大多为花岗岩，其次是凝灰岩。花岗岩和凝灰岩属于中酸性、酸性岩类，岩性坚硬。岩石越坚硬，井水位潮差越大，越能反映地震引起的体应变变化，记震能力也越强。

（2）水位水震波的最大双振幅受井孔水位日变化影响。采用水位日变幅与日均值的比值H表示该井日变化，应用回归分析法，对水震波最大双振幅A和H之间的关系进行分析。在日本9级地震的水位同震响应中，有10口井产生水震波，利用观测资料（永春井为自流井除外）分析得出，A与H存在以下关系

可见，随着水位日变化幅度的增大，水震波的最大双振幅呈对数关系增大，见图3。

图3　水位水震波与日变化的关系Fig.3 The relationship between water shock wave and the diurnal variations

（3）同一口井的水温变化总是滞后于水位变化，这是因为水温变化是由于地震波到达后井水位振荡引起的，从水位开始振荡到水温变化需要一段时间，这段时间的长短与该井的温度梯度、水温探头位置和灵敏度有关。

（4）水温异常幅度及持续时间与水位异常幅度之间存在相关关系。本文采用水震波最大双振幅与水位日变幅之比ΔA表示水位异常幅度，用水温同震变化量与水温日变幅之比ΔW表示水温异常幅度，用ΔT表示水温异常持续时间，采用回归分析方法，计算ΔW、ΔT与ΔA，关系式为

由以上关系式，绘制水温异常与水位异常关系图，见图4。由图4可见，当取水位异常幅度ΔA为自变量，水温异常幅度ΔW为因变量时，满足线性关系，如公式（2）；当取水温异常幅度ΔW为自变量，水温异常持续时间ΔT为因变量时，满足二次函数关系，如公式（3）；当取水位异常幅度ΔA为自变量，水温异常持续时间ΔT为因变量时，满足二次函数关系，如公式（4）。总之，水位异常幅度越大，水温异常幅度就越大，水温异常持续时间也就越长。

图4　水温异常幅度、水温异常持续时间与水位异常幅度的关系Fig.4 The relationship among abnormal amplitude of water temperature，abnormal duration time of water temperature and abnormal amplitude of water level

3 观测质量影响因素

3.1 降雨

福建省水位观测井多年长期变化动态多为平稳型，地下水补给主要来源于大气降水，每年大部分水位随着降雨过程而起伏变化，年变幅度与当年降雨量呈正相关。

地下水位动态受降雨影响表现为上升态势。由于降雨的持续时间、强度和面积不同，由降雨引起的水位变化形态复杂多样。例如，在多年动态中，由于每年降雨量不同，水位受降雨影响而呈现的年变化幅度也不同，且在1年中，水位会随着雨季的变化呈现季节性变化规律，以上两种现象多由降雨渗入补给引起。而当遇到短时间的集中强降雨时，水位会出现突升—突降的变化形态，这时水位上升不仅由降雨渗入补给引起，还有降雨附加应力作用的结果；而当降雨持续时间较长时，水位则随降雨过程缓慢上升。水位受降雨影响典型曲线见图5。

图5　长乐水位、降雨观测曲线（a） 2012年1月—2014年12月水位时值曲线；（b） 2014年8月1日—4日水位分钟值曲线；（c） 2012年1月—2014年12月降雨量时值曲线；（d） 2014年8月1日—4日降雨量分钟值曲线Fig.5 The value of water level and rainfall in Changle

为了研究水位上升幅度与降雨的影响，以连江江南台为例，计算水位月变化量和降雨量的相关关系，得到趋势线方程，即

该方程说明，水位月变化量与降雨呈二次函数关系，相关系数R=0.782，属显著相关（张清秀等，2014），见图6。

图6　连江江南井水位月变化量与降雨月累计值关系Fig.6 Discrete point relationship between monthly variation of water level and monthly aggregate-value of rainfall in Jiangnan well of Lianjiang before eliminating step

3.2观测环境

地震观测数据的准确性和连续性，在很大程度上还依赖于良好的地震观测环境。客观、全面地对地震台站周边的观测环境进行调查评估，并建立地震观测环境监控体系，对于观测数据的质量控制、地震预报水平的提高和地震行政执法均具有重要意义。随着城市现代化建设的扩张、工业化的加速发展，对前兆观测环境产生了不同程度的影响；福建地处温泉区，近年来加大了对地下温泉的开采量，台站观测环境发生了不同程度改变，从而在一定程度上影响了地震前兆台网观测环境。

丰泽地办台、闽清梅埔台、泉州南安地办台水位和洛江地办台水位、水温受到周边基础建设干扰，观测数据畸变。尤其是丰泽地办台水位观测井位于宝山村，受附近多户居民家用井抽水影响明显；2014年10月中旬起，在该观测井南边约3 km处一房地产工地施工，导致水位急剧下降，当水位低于传感器时呈一条直线，观测数据失真，将水位传感器下放后观测数据恢复；闽侯台水位受周边鱼塘抽水影响，观测曲线呈直线下降，鱼塘停止抽水后水位回升。鲤城地办台、泉州地震局泉州地震台、德化地办台（观测井距河流仅300 m）受周边河流水位不规则变化影响严重。

3.3 观测仪器

数字化水位、水温仪器故障类型主要有避雷系统、传感器、数采、主机故障等。仪器故障造成观测数据缺记或产出无效数据，严重影响数据的连续、可靠。目前存在的最大问题是，“九五”观测仪器老化现象严重，经常因仪器不稳定影响观测数据质量。部分“九五”观测仪器通过协转收数导致原始数据缺记，也是数据连续率无法达到100%的原因之一。

4 结束语

（1）以福建省构造背景为基础，依据沿主要活动构造带布井的原则，按照地震空间分布特征，福建地下流体台站在长乐—诏安断裂带地区覆盖密度大，空间分布密度自东向西逐渐减小，布局较为合理，能较好地监测福建省主要断裂带活动情况。

（2）福建数字化水位观测多年长期变化动态多为平稳型，地下水补给主要来源于大气降水。大部分水位能观测到地球固体潮汐效应，但不同观测井的水位潮汐效应程度不同，多数井水位潮汐显著，相位清晰，观测质量差的观测数据表现为固体潮汐不规则；多数水温观测多年变化动态为直线平稳型，部分呈现趋势性上升或下降变化，可能与仪器零漂有关。

（3）福建地下流体观测台网观测数据质量主要影响因素有降雨、观测场地遭受破坏、观测系统故障等。由于降雨的持续时间、强度和面积不同，由降雨引起的水位变化形态复杂多样。受降雨渗入补给影响，水位随雨季变化呈现季节性变化规律；受降雨渗入补给和附加应力作用，短时强降雨时水位呈突升突降变化。

（4）福建省地下流体观测台网（分采样数据）能较好记录到全球7.8级以上大震远场效应。含水层为花岗岩和凝灰岩的井孔记震能力强；随着水位日变化增大，水震波最大双振幅呈对数关系增大；同一口井水温变化滞后于水位变化；水位异常幅度越大，水温异常幅度就越大，水温异常持续时间也就越长。

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Abstract

The layout of Fujian subsurface fluid observation network is reasonable.And the observation data of water level，water temperature and water radon well reflect the long-term and shortterm changes.Most of the indicators of the network meet the subject standard requirements.The network can synchronously record the coseismal response waves.The main factors influencing the quality of observation data are rainfall，observation environment destruction，observation system failures et al.The duration，the intensity and the area of the rainfall have complex impacts on the dynamic of groundwater level.The coseismal changes on the water level and the water temperature are significantly related to the changes in amplitude and duration.

The observation quality and influence factors of the subsurface fluid for Fujian Province

Zhang Qingxiu，Chen Ying，Ren Congrong，Huang Yandang，Chen Caihong，Liu Jiangang and Hong Xuyu
（Earthquake Administration of Fujian Province，Fuzhou 350003，China）

water level，water temperature，observational background，influence factors

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.002

张清秀（1972—），女，福州人，高级工程师，主要从事地震前兆台网监控和地下流体研究工作