乌什地震台静水位观测一致性及干扰因素分析①

也尔扎提·巴合提汉

(新疆维吾尔自治区地震局富蕴地震台，新疆 富蕴 836100)

地下水位的变化在一定程度上反映了岩层的应力—应变状态、裂隙额的发育与串通、断层的闭锁、蠕动和错动等[1]。因此地下水位的异常变化在地震短期预报中发挥了重要作用[2-5]。由于观测台站建立在地球表层，会受到各种因素的影响，会激励、调制出相应的周期性变化，并为观测仪器所记录，地下流体水位变化包含了许多非构造应力的因素，这些非构造应力因素的干扰往往掩盖了由构造应力引起的水位异常变化。而且从测量的误差来源对分类来说可以用公式来表示观测值序列所包含的信息[6]：① 观测值=目标值+仪器装备误差+环境误差+人员误差+方法误差；② 观测值=目标值+系统误差+偶然误差+粗差。如何估计方法误差，应用不同观测方式所测得观测值序列的一致性问题前人已有研究，耿杰[7-8]从潮汐因子、中误差、气压效应等方面研究山东数字化水位与模拟观测的一致性和无线地下流体数据监测系统水位观测数据与模拟水位观测数据的一致性；胡玉良[9]对静乐井SWY-II型水位仪和LN-3A水位仪从稳定性、数据一致性、内在质量、系统漂移、水震波、气压效应、自然环境干扰等方面对比分析。乌什46井与体应变辅助水位属同井观测，若某一仪器发生故障，资料是否可以替代具有现实意义。因此，本文中选取新46井静水位与体应变辅助水位为研究对象，利用时间序列分解及滤波技术将数据分离，并利用相关性分析探究相应频段水位的一致性及干扰因素。

1 台站及观测系统简介

新46井测点位于乌什地震台院内，地处北东向阔克沙勒深大断裂南侧，柯坪断块的东北部，井区出露有大面积基岩，岩性为石英质砂岩[10-11]。新46井深75.6 m，属于基岩裂隙水，仪器型号为LN-3A型，传感器投放至井下15.25 m[12]。新46井采用与形变同孔新型试验的综合观测方法[13]，同孔观测仪器还有SZW-1A水温仪、TJ-II型体应变仪及体应变辅助水位观测仪。在以往的震例总结中，乌什水位与地震具有较好的对应关系[14]。

2 数据处理

2.1 数据基本情况与处理

选取2016～2019年小时值数据为研究对象(图1)，水位与温度有较好的年变形态，每年3月水位由下降转为上升，夏季受台站附近水厂抽水干扰影响有波动变化。新46井测值范围1 043～1 177 cm，变化幅度为134 cm。体应变辅助水位测值296～434 cm，变化138 cm。从测值上来说新46井是井下参考点到水面的绝对值，数值减小表示水位上升；而辅助水位为水位的相对数值变化，数值增大表示水位上升，计算两者相关系数为 -0.999 6。统计分析水位与气温相关系数和相位滞后关系(图2)，水位相位滞后温度约55 d。两者的相关系数较高，能否说明两者观测结果的一致性呢？如前所述，各种因素的影响，会激励、调制出相应的周期性变化，并为观测仪器所记录，本文中利用时间序列分解等方法研究两者的一致性。

图1 新46井静水位、体应变辅助水位气压、气温曲线图

图2 新46井水位相位滞后温度天数与相关系数关系图

2.2 时间序列分解

时间序列的长期趋势因素反映了事物现象在某段较长时间内的发展方向。季节变动因素是事物现象受季节变动影响所形成的一种长度和幅度近乎固定的周期波动。不规则变动因素又称随机变动，是指一种无规则的变化。它影响时间序列是短期的，不可预见的和不重复出现的，把这几种构成和影响时间序列的因素用一定的数学关系式表示，就构成了时间序列的分解模型。

本文中对静水位与体应变辅助水位、气压、温度测值进行分解(图3)，并利用相关性分析研究水位、气温、气压的关系，结果见表1。

图3 新46井水位时间序列分解图

表1 新46井、体应变辅助水位与气压、气温相关系数

新46井静水位与体应变辅助水位在趋势、季节、随机三项均具有较高的线性相关性，其趋势性变化与气压、温度具有较强的线性相关性，而季节项与温度相关程度较高。

2.3 滤波分析

别尔采夫滤波可以把地球物理场观测量分解成由日月引力作用形成的潮汐部分和仪器零漂及其他因素引起的低频趋势变化。本文中利用别尔采夫滤波将新46井水位、体应变辅助水位、气温、气压分解出日波、半日波(图4)，并利用一般多项式分段曲线拟合[15]将剩余的低频成分滤除周期在1～2个月内的月波(图5)。计算相应频段静水位与气温、气压、理论固体潮的相关系数(表2)。

图4 新46井水位、体应变辅助水位、气温、气压别尔采夫滤波结果

图5 新46井水位、体应变辅助水位、气温、气压多项式分段拟合结果

表2 新46井、体应变水位、温度、气压、固体潮之间的相关系数

新46井水位与体应变辅助水位在月波、年波频段均具有较高的线性相关性。年波频段，水位与气温线性相关程度较高，这与前面时间序列分解中季节项与气温关系一致。

新46井水位与体应变辅助水位在月波、年波及趋势变化具有较好的一致性，但在日波、半日波频段两者基本无关。年波频段，水位与气温线性相关程度较高。趋势变化与气温、气压均具有一定的相关性。

3 分析与讨论

新46井井水位仪器型号为LN-3A，该仪器的水位分辨率为1 mm，图1和图4分析正常情况下水位日变化幅度约为0.88 mm，小于仪器的分辨率，因此仪器无法监测到乌什水位的潮汐频段变化。这与本文中潮汐频段乌什井水位与理论固体潮相关系数较低的结果一致。大气降水是地下水的主要来源，因降水具有准年周期波动，故地下水位也呈现周期性动态变化[16]。由图6a可知，乌什降水具有夏高冬低的准年周期变化，因此气温并非影响水位上升的直接因素，但呈现出静水位年周期变化与气温具有较强正相关性，而两者的滞后可能与该地区降水的补给方式及土壤渗透性等因素有关。趋势变化中，温度变化与水位变化呈负相关关系，显然从物理机制上是矛盾的，因此水位的趋势变化与温度无关。

气压变化对地下水位的影响具有普遍性[17]，气压发生变化时，在含水层空隙压力和孔水柱压力间形成一个压力差，从而导致地下水在含水层和井孔之间流动，引起水位的升降变化。井水位的气压系数的大小因井而异，因时而异，但变化范围一般在1～8 mm/hPa[18]。由图3c、图6b、表2可知，气压的趋势变化量约2.6 hPa，水位的趋势变化范围0～2.08 cm，远小于水位的趋势变化量19.6 cm，且各频段气压与水位均线性相关程度较差，因此两套水位观测受气压影响较小。

图6 乌什降水和气压趋势变化图

4 结 语

首先利用时间序列分解的加法模型，将新46井水位、体应变辅助水位、气温、气压分解为随机、季节、趋势3项，接着利用别尔采夫滤波、一般多项式分段拟合将数据分解为日波、半日波、月波、年波等，并利用相关性分析研究新46井水位与体应变辅助水位的一致性，并探讨其主要周期的影响因素，结果表明：(1) 新46井水位与体应变辅助水位在月波、年波、趋势变化等频段观测结果基本一致；(2) 新46井水位与体应变辅助水位在日波、半日波频段观测结果不一致，且均与理论固体潮基本无关，两套资料固体潮频段记录较差；(3) 水位的趋势性变化与气温、气压无关，且在各频段与气压线性相关程度较差；(4) 水位年周期变化与气温具有较强的相关性，相位滞后约55 d。但气温并非影响水位上升的直接因素。大气降水是地下水的主要来源，夏季降水丰沛，冬季降水少，故呈现出静水位年周期变化与气温具有较强正相关性。台站是一个多输入单输出的动态系统，因此仪器观测数据包含来自于地球外部的多种作用，在一般情况下应视为干扰，而需要通过多种数据处理，努力地加以排除，这就需要研究其影响特征，本文中研究乌什水位观测的一致性一方面了解乌什水位观测数据的准确性，一方面了解了乌什水位所包含各类影响因素的特征，这对该数据用于地震分析预测具有积极意义。