崇明地震台新井水位干扰成因分析与改进措施＊

潘国勇，王 军

（上海市地震局，上海 200062；上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站，上海 201602）

地下水位的异常变化包含很重要的地震前兆异常信息，但亦有可能是由环境干扰所致，所以正确识别与排除异常，对科学判定震情至关重要。经过50 多年的发展，地下水位观测技术已日臻成熟，并且在地震监测中起到了至关重要的作用。在已有理论知识的指导下，随着研究的不断深入，在异常核实方面也逐渐建立了一套完整的方法[1]，在这些理论和方法指导下，国内外学者对地下水的震前异常进行广泛研究并且取得了一系列的优秀成果[2-5]。

崇明地震台（以下简称“崇明台”）新井水位自投入观测以来每天都有一个较大幅度的下降型台阶，最大下降幅度达0.95 m。为了弄清下降型水位异常是环境干扰所致还是地震前兆异常，本文按照地下水异常核实方法，对引起下降型台阶的各种因素进行分析，并在查明原因的基础上提出改进措施。

1 崇明台新井水位观测概况

崇明台位于崇明岛的中南部，地势平坦，水系发达，隶属崇明县竖新镇行政区，建于1974 年，1976 年投入观测，属国家级基本台，有电磁和流体两大前兆观测学科，共13个观测项目，在地震监测中发挥着重要作用。

崇明台新井地址为崇明岛竖新镇新烈南路206 号。始建于2014-09-18，终孔于2014-12-29，历时三个半月。基岩井孔深416.13 m，其中0～367 m 为第四系泥夹砂型的松散沉积物，367～388.2 m 为全风化至中等风化花岗岩，388.2～416.13 m 为微风化花岗岩。成井时，上部0～27.41 m 为ф168×6.5 mm 的不锈钢套管，同时包有长24 m 的ф273 mm螺旋钢外套管，中部27.41～386.8 m 为ф168×6.5 mm 的地质无缝钢套管，下部386.8～416.13 m 为ф150 mm 的基岩裸孔。2016-11 开始水位观测，使用的仪器是ZKGD3000-N 型地下流体监测系统。其既可单独监测地震观测井的水位或水温，也能同时监测水位、气压和水温等多个测项，具有运行稳定、可靠、安装维护简便等优点。

2 异常调查及成因分析

2016-11-26 该井投入水位观测以来，该井每日都有一个较大幅度的下降型台阶。本文按照地下水异常核实方法对引起水位变化的原因，进行了详细的核实。

2.1 地质构造分析

地质构造上，崇明新井位于扬子地块东南边缘的上海断块隆起区，喜山运动后下沉接受堆积，之下为燕山晚期花岗岩，构造稳定，周围无大型水库、矿山采空区、降雨聚水区、大型抽水站且10 km 以内未见较大断裂。水位观测期间在崇明区发生过两次地震，即2017-01-26 的ML0.8 地震和2017-05-25 的ML1.3 地震，地震当天水位数据没有记录到地震前兆信息，记录到的信息仍为日常下降型台阶水位异常。由此可知，并不是地震活动引起，也并非受地质构造的影响。

2.2 观测系统检查

观测仪器运行状况、线路、电压等因素可以引起异常变化。通过总结以往经验，崇明台存在以下干扰：仪器故障、传感器故障、外线路故障、数采故障、电源故障以及停电等。而这些故障造成的影响往往是单点突跳、毛刺、数据格式错误以及断记等，不会出现上文中有规律的台阶状干扰。现场校测水位埋深为13.63 m，而监测系统记录的水位分量为13.61 m，误差在允许范围之内，符合技术规范要求；其他技术指标也均符合要求。此外，同井抽水时水泵的开启与关闭的瞬间可能会由于电压不稳导致水位突变。但是经仔细分析发现，这种情况下水位会在短时间内恢复至与原水位相似的高度，而不会出现本文中“下降—几个小时的平衡阶段—恢复到原始高度”的情况，所以排除水泵闭合瞬间电压不稳造成的影响，从而排除观测系统的影响。

2.3 地下水开采与补给情况分析

地下水的开采是影响地下水位变化的重要因素。本文对2016 年以来新井周围5 km 内的开采井进行了调查。发现距崇明新井约300 m 处的三烈中学内有一个575.25 m 深的井，该井原为测震专用井，成井后，由于技术指标不达标等问题而废弃，现作为水位、水温观测点。除此之外周围无开采井。当地居民的饮用水现为长江原水，农田灌溉用水为地表水，新井周围无同层开采井。

地下水的补给是影响地下水位变化的另一个重要因素，当地地下水的补给主要来自降雨。收集2017-06-01—2017-07-31 该区降雨资料。崇明新井水位和降雨量变化关系曲线如图1 所示。从时间上来说，降雨与水位变化并非一一对应。从降雨的量来分析，也不足以因此这么大幅度的水位变化。加之，该井是深水井本身受地表降水影响也不大，可排除降雨因素的影响。

图1 崇明新井水位与降雨量变化曲线

2.4 水位异常与抽水

崇明新井在用于观测水位的同时也作为水氡观测井，所以每天都会进行抽水操作。从成因上分析台阶的下降和恢复过程符合抽水过程造成的影响，且抽水的起止时间和台阶出现的时间大体相符合。为了进一步验证台阶的产生是不是由于抽水造成的，又做了如下实验。台阶型水位随水泵开闭时间的变化情况如图2 所示。

开泵时间不变：在开泵时间不变的情况下，观察台阶出现的情况。将2017-06-01—2017-06-15 每天开泵的时间都设置为5：21：00—8：51：00。研究发现台阶出现的时间与开泵时间同步，如图2（a）所示。

开泵时间变化：从2017-06—2017-12，每个月月初将开泵时间提前1 min，开泵时长不变，如图2（b）所示。发现下降型台阶出现和终止的时间也随着开泵时间发生相应变化（为了使图形更清晰，所以图2（b）中只放了2017-06-01、08-01、10-01 和12-01 的，所以在图上开泵时间显示的时差是2 min）。

综上所述，崇明新井深层水位出现的台阶变化可判定为干扰异常，干扰是由于水氡观测时抽水所致。抽水造成的下降型台阶主要分为三个过程：第一阶段从开始抽水到水位稳定，此时抽水一直持续进行；第二阶段是整个过程中地下水位已经达到并且维持稳定的一个阶段，此时水位曲线中的固体潮开始恢复；第三阶段是停止抽水后水位的恢复阶段。

图2 台阶型水位随水泵开闭时间的变化情况

3 改进措施

明确原因以后，在尽量不改变现有观测条件基础上，为保证水位观测质量，提出一个解决台阶问题的方案——连续开泵，持续抽水。开始抽水时，抽水量大于补给量所以水位下降得很快。随着水位的继续降低，周围水的补给量越来越大也越来越快，当抽水量等于补给量时，水位达到稳定状态，水位不再降低，此时水位记录的固体潮恢复。如果再持续抽水，那么抽水造成的影响就相当于在没抽水时水位数据减去一个基线值，在此基础上记录的水位就相当于静水位。通过连续开泵，持续抽水实验，可以看出台阶问题得到了解决并且固体潮信息记录很清晰，如图3 所示。

图3 连续抽水时的水位变化

为了验证连续抽水这段时间记录的固体潮信息是否可靠。崇明新井水位的观测层位与距其300 m 的三烈中学井距崇明新井的观测层位相同且距离较近，把连续抽水这段时间的水位变化趋势和三烈中学井水位的变化趋势作对比，如图4 所示。结果发现变化趋势一致。这也说明了持续抽水过程中记录的固体潮信息是可靠的。

图4 崇明新井持续抽水时水位与三烈中学井水位记录的固体潮信息对比

4 结语

崇明台新井水位出现的台阶可判定为干扰异常，干扰是由水氡观测时抽水所致。抽水造成的下降型台阶主要分为三个过程：第一阶段从开始抽水到水位稳定，此时抽水一直持续进行；第二阶段是整个过程中地下水位已经达到并且维持稳定的一个阶段，此时水位曲线中的固体潮开始恢复；第三阶段是停止抽水后水位的恢复阶段。明确干扰原因以后，提出一个解决台阶问题的方案——连续开泵，持续抽水，在不改变现有观测条件的基础上很好解决了抽水造成干扰，对日后分析前兆异常具重要的指导意义。