仙游井水位在2017年7月打井干扰前后频带响应的特性变化

2021-10-26樊俊屹刘春国陶志刚

地震工程学报 2021年5期

樊俊屹, 刘春国, 陶志刚

(中国地震台网中心,北京100045)

0 引言

通过井水位观测获取含水岩体的应力、应变状态变化,是研究地震孕育与发展过程的重要手段之一。井水位的动态变化是水岩系统对外部环境激励的综合响应,主要影响因素有构造应力、气压、固体潮、降雨及抽水等[1]。其中构造应力引起的水位变化是我们观测的目标,气压和固体潮长期作用于井-含水层系统,具有自身固有的变化规律,通常作为水位背景动态的影响因素来看待,且井水位的响应系数(气压系数和潮汐系数)常用于衡量其应力、应变的响应能力。而降雨与抽水则是水位观测的主要干扰因素,与降雨相比,抽水干扰幅度大、无规律,其更难被排除。根据2020年全国地震地下水位观测网干扰因素统计,全国有多口井受到抽水干扰,其中约有10%的井水位观测受抽水干扰较为严重,出现大幅的阶变与突跳,增加了从水位观测数据中提取地震异常信息的难度。

通过对仙游井的观测系统进行排查,并完成其抽水实验分析,结果显示仙游井是受打井、抽水干扰较为严重的观测井[2]。这种井水位动态抽水干扰在时域上的影响是显著的[3-6],但是在频域上是如何影响,及其影响下的频带差异性以及与应力应变响应能力变化的研究相对较少。

小波变换具有多分辨率分析的特点,在时频两域都具有表征信号局部特征的能力[7-9],因此本文拟采用连续小波分析、离散小波分析与调和分析方法来分析福建仙游井在打井抽水前后各频带的影响程度和水位与气压、固体潮响应特性的变化,寻找受干扰较少的频段,以期为受干扰的水位资料分析处理与异常提取提供一种新的思路。

1 仙游井水位观测概况

仙游井位于福建莆田市仙游县枫亭镇宝坑村,属非自流井,井深153.37 m。根据钻孔资料,0～10.51 m为河相冲积物,10.51 m以下为花岗岩。花岗岩局部裂隙发育,赋水性较好,138.51～138.67 m为主要观测含水带。该井自2013年8月起开始观测水位,观测仪器为珠海泰德公司生产的TDL-15水位仪,水位仪的分辨力为1 mm,观测精度优于2 cm,量程为0～10 m。图1为其观测井柱状图。

图1 观测井柱状图[2]Fig.1 Bar graph of the observation well[2]

2017年7月5日以前水位动态年变规律较清晰,年动态总体受降雨控制,每年9—10月出现波峰、5月出现波谷,年变幅度小于1 m。多年动态受区域性浅层地下水开采影响呈现缓慢下降趋势,水位固体潮效应和气压效应明显,受干扰前全年平均潮汐系数为2.3 mm/10-8,观测精度达到0.24%。

2017年7月5日14—17时水位出现大幅下降,幅度达到2.5 m;7月6日8—12时水位出现大幅下降-回升变化,幅度约4 m;7月13—23日水位上升超量程,之后调整传感器继续正常观测;10月31日达到峰值后缓慢下降,期间伴有多次阶降。2018年5月以后数据突跳、阶变频次及幅度大幅变化减少,动态相对趋于稳定,稳定后水位与2017年同期相比上升约6.5 m(如图2所示)。根据张清秀等[2]的研究结果,水位出现大幅上升与2017年7月4—6日在仙游井东南面108 m处新打100 m机井有关。新打机井可能成为上部浅层含水层的涌入通道,使其经常出现下降变化。通过新打机井的抽水试验来确定与机井的不定期、不定量抽水有关。

图2 2017—2018年仙游井水位小时值变化Fig.2 Hourly value variation of water level in Xianyou well (2017—2018)

2 时频特征分析

收集仙游井2017年1月1日—2018年12月31日水位整点值数据。由于该段数据中存在缺数问题,因此在进一步开展水位时频特征分析前,首先的对水位数据进行错误数据去除、缺数插值等预处理[10],以保证时频处理的合理性与完备性。

2.1 总体时频特征

小波变换包括连续小波变换和离散小波变换两种,两者的区别在于尺度参数是否离散化。小波连续变换通常使用基数小于2的指数尺度,离散小波变换则通常使用基数为2的指数尺度。连续小波变换具有频带更为连续的特点,特别适合全局时频特征的总体把握。

对于任意能量有限信号f(t),其连续小波变换的定义为:

式中:ψ(t)是母小波或者基本小波;将小波母函数ψ(t)进行伸缩和平移,设其伸缩因子(尺度因子)为a和平移因子为t,连续小波变换中a和t均取连续变化的值,将a和t离散化则为离散小波变换。

要得到水位观测的振幅和相位两方面的信息,就要选择复值小波,因为复值小波具有虚部,可以对相位进行很好的表达[11]。Morlet小波不但具有非正交性而且还是由Gaussian调节的指数复值小波,因此采用Morlet小波对2017—2018年全时段整点值序列进行连续小波变换,获得全时段连续小波功率谱图[图3(a)]。从图3(a)可以看出2017年6月8日—2018年8月17日全频带能量均较强,特别在低频带存在10～30天显著的长周期信号。在干扰发生前,功率谱上呈现显著的串珠状排列的固体潮日波、半日波[图3(b)]。干扰最强的周期成分能量是正常时段最强的半日波能量的20倍左右,因此固体潮在全时段功率谱图上不明显。干扰趋缓段[图3(c)],不再存在能量大于0.1的周期成分,半日波有规律排列,能量较为显著;日波起始不清晰,2018年10月7日以后趋于清晰,与正常时段相比,低频周期信号丰富,且出现没有规律,2.15～5.68天、6.53～9.89天、9.89～16.07天的周期成分能量与半日波基本相当或略大。

2.2 干扰后效细节分析

针对上述干扰趋于稳定后与正常时段相比,低频周期信号丰富,且出现没有规律的现象。本文使用离散小波方法分析抽水给地下水动态带来的后效,分别选取正常时段中的一个月(2017年1月)和干扰趋缓段中的一个月(2018年12月)的观测数据来分析。

对这两个月的水位整点值数据进行小波分解,小波函数为db4、分解为8层[7]。正常期和趋缓期地下水位小波分解后细节部分对比曲线如图4所示。由图可见:在中频带4～32 h[图4(b)、(c)、(d)]趋缓期和正常期的振幅幅度一致,峰值时间不同,存在明显日波与半日波,但是两个时期相位略有改变。在高频带[图4(a)]存在多个强信号,出现没有规律;在低频带[图4(e)、(f)、(g)、(h)]仍然存在多个强信号,幅度差异较大,趋稳期振幅是正常期振幅的2～4倍。

图4 正常期和趋缓期地下水位小波分解后主要波动频段Fig.4 Main fluctuation frequency bands of ground water level after wavelet decomposition in normal and slowdown periods

3 气压与固体潮响应特性

3.1 水位与气压、固体潮相关

抽水干扰趋稳后,抽水干扰仍对水位的低频带存在影响,但仙游井水位对固体潮、气压的响应特性是否会发生变化?

选择正常期(2017年1月)、干扰期(2017年10月)、恢复期(2018年12月)为代表,同时获取该井同期观测的气压整点值数据,利用Mapsis2000软件计算同期重力理论固体潮整点值数据。采用db4小波函数,将水位、气压、理论固体潮分解为8层[12],分别计算每一层细节部分水位与气压、水位与固体潮的相关系数,绘制正常期、干扰期、趋缓期水位与气压、水位与固体潮不同频段相关系数变化如图5所示。

图5 正常期、干扰期及趋缓期的水位与固体潮、气压的频域相关性Fig.5 Frequency domain correlation of water level with earth tide and pressure in normal period, disturbance period, and slowdown period

正常期2～32 h频带,水位与固体潮高度相关,相关系数0.8～1.0;32 h以上周期成分相关性急剧下降,64～256 h基本不相关;气压正好相反,2～32 h基本不相干,而64～256 h则显著相关。

干扰期水位与固体潮相关系数变化曲线上出现两个小峰,同时它与气压的相关系数变化呈现与正常期相反的变化趋势。水位与固体潮、气压在整个频段的相关系数分别低于0.2和0.3,显示二者关联性较差。

趋缓期水位固体潮的相关系数变化形态又恢复到正常期的变化形态。2～4 h水位与固体潮相关不显著,8～32 h水位与固体潮相关较为显著,但与正常期相比偏低,64～256 h基本不相关;与气压的相关系数仍延续了干扰期的变化规律,基本不相关。

综上所述,仙游井在打井及抽水干扰后,水位动态趋于稳定,水位对固体潮在8～32 h频段的效应逐渐恢复,而气压效应则基本消失。这可能与恢复期仍存在大量的低频成分,而水位对气压的响应主要在低频段有关。

3.2 M2潮汐参数变化

以上水位与固体潮的相关性分析表明,干扰前后水位对8～32 h的固体潮周期成分响应能量变化总体上较为稳定。选择固体潮分波中最为显著的谐波M2水位响应潮汐系数和相位来研究其在整个时段的变化。

利用滑动Venidicov调和分析方法,滑动步长1天,窗长30天,获得M2波潮汐因子、相位滞后序列。M2波观测精度为M2波潮汐因子计算中误差与M2波潮汐因子的比值,可以反映水位M2波潮汐观测的干扰程度。去除干扰强烈段,绘制2017年1月1日—2018年12月31日M2潮汐因子及相位滞后随时间变化对比曲线(图6)。从图中可以看出,7—8月观测精度大于0.5,最大达到3.42,水位M2波潮汐信号淹没在强干扰信号中,计算的潮汐因子和相位滞后没有参考价值,2018年下半年缓和期M2波潮观测精度较好,但仍不及未打井前的1/10。

图6 井水位M2波观测振幅与相位随时间变化Fig.6 Variation of observation amplitude and phase of M2 wave of well water level with time

从图6可以看出,水位M2潮汐相位波动比振幅波动显著,反映了观测含水层花岗岩裂隙水非均质特性。打井抽水前M2潮汐振幅变化很小,打井后一直到2018年5月井水位M2潮汐振幅及相位均处于剧烈变化阶段,总体上大幅上升、下降变化基本同步,部分时段出现不同步现象,初步分析认为打井及抽水引发了垂向流[13]。干扰趋缓期振幅及相位波动接近打井前水平,相位略有抬升、振幅有所下降,反映了打井后浅部地下水混入,原观测含水系统的封闭性变差,潮汐应变响应能力有所下降。