蚌埠监测中心井水位短时升高成因探究

石小磊　李良辉　王俊　孙亮亮　张伟峰　潘洁

摘要本文在蚌埠監测中心井水位长时上升的研究基础上，对蚌埠监测中心井2017—2020年水位出现的59次短时间升高进行分析。通过选取不同时段的降雨参数，建立多元回归方程，研究显示，水位 59次短时升高与降雨部分参数有一定的影响关系。结合蚌埠周边 ML2.0以上震例和13次无降雨事件分析结果认为，蚌埠周边以 ML2.0—3.0地震为主，地壳应力释放稍弱，且对蚌埠地下流体的影响幅度不大。 ML3.0以上地震主要发生在皖西部和郯庐断裂带附近，地震活动性强，对蚌埠地下流体观测数据的变化幅度大，且持续时间更长。由此得出水位短时上升在排除降雨因素影响的同时还与蚌埠地区地壳应力变化有关系，可见蚌埠监测中心井具有一定的预测效能，能够反映蚌埠周边地区地震应力场变化，对于地震前兆观测数据的分析预报研究具有重要的意义。

关键词降雨；水位；多元回归；地震

中图分类号： P315.63文献标识码： A文章编号：2096-7780（2023）06-0261-07

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-134

Study on the cause of short-term rise of water levelin Bengbu monitoring center well

Shi Xiaolei1， 2），Li Lianghui1），Wang Jun2， 3），Sun Liangliang4），Zhang Weifeng4），Pan Jie4）

1） Bengbu Emergency Management Bureau， Anhui Bengbu 233000， China

2） Anhui Mengcheng National Geophysical Observatory， Anhui Mengcheng 233500， China

3） Anhui Key Laboratory of Subsurface Imaging Detection and Earthquake Hazard Risk Prevention （under preparation）， Anhui Hefei 230031， China

4） Bengbu Earthquake Monitoring Center Station of Anhui Earthquake Agency， Anhui Bengbu 233000， China

AbstractBased on the previous study on the long-term rise of water level in Bengbu monitoring center well，we analyze 59 short-time rises of the water level in Bengbu monitoring center well from 2017 to 2020. By selecting rainfall parameters in different periods and establishing multiple regression equations，the results show that there is a certainrelationship between 59 short-term rise of water level and some rainfall parameters. According to the analysis results ofearthquake cases above ML2.0 and 13 non rainfall events around Bengbu，thesurrounding area of Bengbu is mainlyaffected by ML2.0—3.0 earthquakes，withslightly weaker crustalstress release and minimal impact on undergroundfluids in Bengbu. Earthquakes above ML3.0 mainly occurred in the west of Anhui Province and near the Tanlu fault zone， with strong seismic activity. The observation data of underground fluid in Bengbu changed greatly and lasted longer. It isconcluded that the short-time rise of water level is related to the change of crustal stress in Bengbu area while excludingthe influence of rainfall. It can be seen that Bengbu monitoring center well has a certain prediction efficiency，which canreflect the changes of seismic stress field around Bengbu，and is of great significance for the analysis and prediction ofearthquake precursor observation data.

Keywordsrainfall; water level; multiple regression; earthquake

引言

地下流体观测是我国地震监测预报科学研究领域重要的地震前兆观测手段，前人学者对流体与地震之间的关系做过大量的科学研究，流体动态主要受大气降水、地壳应力变化等多种因素制约[1-2]。水位动态受多种气象因素影响，尤其是降雨，它对井水位的影响较为直接，是影响水位动态变化的一个主要因素，所以对降雨与水位变化的关系上的研究分析较多[3-6]。由于降雨这一因素本身对水位的影响受降雨量、降雨强度、入渗系数等多种条件影响，具有复杂多变性，在流体学科预测预报中去除降雨对井水位的干扰一直是一个复杂的研究课题[7]。在对监测中心井水位出现的长时间持续升高的研究分析的基础上[8]，本文对蚌埠监测中心井在相同时间尺度下出现的59次水位短时升高进行分析，继续探究水位与降雨、地应力之间的相关性；同时选取蚌埠周边 ML2.0以上地震目录分析，通过震例来检验蚌埠流体观测与蚌埠区域应力场之间是否存在影响关系，为今后蚌埠区域的地震前兆观测数据分析提供有力的科学依据。

1 蚌埠区域地质背景和观测井条件

在地震地质环境上，蚌埠市位于大华北地震区南缘，郯庐断裂带从五河县境内斜穿而过，对该区地震活动起主要控制作用；区域内其他断裂带主要有：涡河断裂、固镇—怀远断裂、太和—五河斷裂、临泉—刘府断裂、阜阳—凤台断裂、自来桥—来安断裂。蚌埠监测中心井距离郯庐大断裂较近，次级断裂较发育，区域地质构造单元属于中朝准地台华北地块南缘蚌埠台穹。该井地处安徽省蚌埠市延安路西侧老虎山南段缓坡平地，位于山岩体的中东部。周边有断裂带分布，处于断层之间，地质构造位置较好。以孔隙裂隙水和区域地下水补给为主，受水井附近两侧的断层影响，深部地下水径流由偏西南方向和南部方向向东北方向流动。蚌埠监测中心井观测层含水层深115—201 m，为承压水，使用数字化水位仪（ SWY-Ⅱ型）观测，2016年9月投入使用，观测数据质量较好，数据连续可靠。

2 水位上升与降雨的相关分析

降雨对流体观测的影响较为复杂，在参数选择时，需要考虑雨量大小、不同时间段雨量、不同地区雨量以及不同的速率等因素，在雨水降落到地面后，又会受水文地质、地形地貌、植被等因素影响[9-10]，因此在数据分析上以误差结果小的参数为参考。本文利用不同的降雨参数与水位变化的关系进行多元回归分析，探究蚌埠监测中心井水位59次短时升高与不同降雨参数之间的关系。

2.1 数据处理

水位动态受季节性降雨影响，夏高冬低，本文选取水位升高期间的降雨量、降雨持续时间、最大单日降雨量、升高前期降雨量和升高阶段最高水位5个自变量的原始观测数据进行处理分析，并与水位升高幅度因变量建立多元回归方程，选取2017—2020年数据资料，经过处理提取出59次水位短时升高数据和区域降雨量数据（图1，表1）。

由于水位短时升高在时间上间隔较短，经常与前一次降雨导致的水位升高变化重合，因此升高前期降雨量无论是对水位长时升高还是短时升高，相关系数均不显著，因此在对水位短时间升高的回归分析中不再考虑加入升高前期降雨量因素。降雨对水位的影响在时间上有滞后，计算水位与降雨在水位上升开始前2天至水位结束上升前2天的相关系数最大，因此选取该时间段提取数据。

2.2 方程计算结果

由表1可以看出，2017—2020年59次水位短时上升期间，降雨量最高达到211.1 mm，水位升高幅度最高达到了0.509 m，其中59次水位上升过程中有13次无降雨情况发生，把59次水位升高幅度与多个自变量之间的关系建立回归方程式如下：

式中，Y 为水位升高幅度；x 1为升高阶段最高水位； x2为水位升高持续时间；x3为水位上升期间降雨量； x4为最大单日降雨量。

模型 R 方值为0.707，意味着回归方程中的4个自变量可以解释水位升高幅度的70.7%变化原因。其中，对回归方程进行显著性检验 p 值小于0.05，回归方程是显著的。

3 井水位短时升高成因探讨

3.1 影响因子分析

根据回归方程计算得出，升高阶段最高水位的回归系数值为?0.004（ t =?0.391，p =0.698＞0.05），表示对水位升高幅度不存在影响关系；水位升高持续时间的回归系数值为0.013（ t =6.122，p =0.000＜0.01），表示为显著的正向影响关系；上升期间降雨量的回归系数值为0.001（ t =3.179，p =0.003＜0.01），表示为显著的正向影响关系；最大单日降雨量的回归系数值为?0.001（ t =?1.416，p =0.164＞0.05），表示不存在相互影响的关系。总结分析可知：水位升高持续时间和上升期间降雨量均会对水位升高幅度产生显著的正向影响关系；但是升高阶段最高水位、最大单日降雨量与水位升高幅度产生影响关系并不显著（图2）。这样根据计算结果也验证了前期对于监测中心井水位长时升高讨论结果的科学性[8]。即降雨因素可以解释监测中心井水位的短时上升，并且对水位短时升高具有显著的正向影响关系；蚌埠区域应力场变化影响监测中心井水位长时升高变化。那么，是否对水位短时升高也具有一定的影响作用呢？在59次水位短时升高中有13次无降雨事件发生时是否受区域应力场变化影响？接下来本文用震例来做进一步的探究。

3.2 震例分析

根据2017年1月1 日—2020年12月30日蚌埠周边 ML2.0以上地震目录绘制震中分布图（图3），依据震例分析水位短时上升是否存在受地震前后区域应力场变化影响的可能。

如图3所示，蚌埠周边2017—2020年期间，小震活动频繁，主要沿郯庐断裂带分布，ML2.0以上地震发生频次自2017年（40次）、2018年（39次）、2019年（27次）到2020年（47次），水位升高次数自2017年（16次/无降雨上升3次）、2018年（17次/无降雨上升3次）、2019年（14次/无降雨上升5次）到2020年（ 12次/无降雨上升2次）。从地震发生频次上来看，2017—2019年发震频次与水位升高次数强弱相当，2020年发震频次虽增多，但水位升高次数减少；从地震目录来看，主要是由于2020年皖北地区地震频次减弱，地震能量释放主要集中在皖西南，距离蚌埠较远，对蚌埠及其周边区域的水井观测数据影响有减弱的可能性。

从13次无降雨事件发生时的水位短时升高來分析与地震发生的对应关系（表2、图4）。序号1—5、8—13发生的 ML2.0地震，主要表现为震中距小于150 km 时，水位升高幅度小、持续时间短；大于 150 km 时，水位升高幅度小、持续时间长。ML3.0地震主要发生在150 km 以外，对应的水位升高幅度或小或大、持续时间长。ML 4.0地震主要发生在 150 km 以外，呈现的水位升高幅度大、持续时间长。对应上文所说，蚌埠周边以 ML2.0—3.0地震为主，地壳应力释放稍弱，且对流体的影响幅度不大。ML3.0

以上地震主要发生在皖西部和郯庐断裂带附近，地震活动性强，对蚌埠地下流体观测数据的变化大，持续时间更长。本文认为地壳应力受不同断裂带及同一断裂带的不同破裂方向影响对同一地区释放的能量点和能量强弱也会有所不同，并且同一口水井也会在不同的震例中表现出震前效应或震后效应。

4 结语

本文在前人学者研究的基础上，以水位长时升高为研究背景，对蚌埠监测中心井2017—2020年水位59次短时升高事件进行深入分析，并建立回归方程，发现上升阶段最高水位和上升期间降雨量这两个自变量对水位短时升高具有显著的影响作用。通过结合蚌埠周边 ML2.0以上地震目录与13次无降雨发生水位上升事件分析，认为水位短时上升在排除降雨因素影响的同时还与蚌埠地区地壳应力变化有关系。可见蚌埠监测中心井具有一定的预测效能，能够反映蚌埠周边地区地震应力场变化，对于地震前兆观测数据的分析预报研究具有重要的意义。

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