井水位氣壓系數正負動態變化分析

丁風和哈媛媛魏建民李 彬

1）中國呼和浩特 010010 內蒙古自治區地震局

2）中國呼和浩特 010020 內蒙古大學交通學院

井水位氣壓系數正負動態變化分析

丁風和1）哈媛媛2）魏建民1）李 彬1）

1）中國呼和浩特 010010 內蒙古自治區地震局

2）中國呼和浩特 010020 內蒙古大學交通學院

針對氣壓作用下井水位動態變化的不同類型（顯著型、隱蔽型和中間型），假設最終采用一元線性回歸得到相應的井水位氣壓系數。分析結果表明，氣壓系數存在正負變化，主要和引起井水位升降變化的非構造應力與構造應力因素等有關。在實際跟蹤分析氣壓系數動態變化過程中，可將其取絕對值。當氣壓系數絕對值過大或過小時，首先排除井水位受非構造應力因素的影響，否則可能與構造應力變化有關，簡單地將氣壓系數的一些高值和負異常認定為地震異常是不嚴謹的。

井水位；氣壓系數；正負動態變化；影響因素

0 引言

引起井孔地下水位變化的因素主要有非構造應力和構造應力因素。非構造應力因素一般視為干擾因素，有補給（降雨以及淺層水躍層補給等）、排泄（抽水及開采、蒸發等）、氣壓和潮汐應力等（汪成民等，1988；車用太等，2006；Manga and Wang，2007；鄧亮等2010；Lee et al，2013）。而構造應力因素則是我們提取與地震活動有關異常信息的目的。但是非構造應力因素干擾往往掩蓋了由構造應力引起的水位異常變化。就氣壓對井水位的影響來說，一般，水位與氣壓呈負相關關系（即氣壓系數為正）。當出現水位與氣壓正相關關系時，則氣壓系數為負，違背了水位和氣壓的正常變化規律。針對氣壓系數為負的情況，很多地震科技工作者對此做了不同程度的研究。譬如，漁金子等（1990）采用滑動濾波延時處理方法，計算3口井的氣壓系數，并把存在水位與氣壓的正相關關系和氣壓系數值超過-9mm/hPa作為水位異常判據。分析認為，氣壓系數的這種 “異常”變化已不屬于氣壓效應，而是說明了氣壓效應之外新的作用疊加在其上，這種新的作用可能就是與地震活動有關的力學作用（即歸因于構造應力）。另外，他們認為，雨季很難求得合理的氣壓系數背景值（雨季偏高、旱季偏低）。夏菲等（1994）利用水位、氣壓整點值資料和多元回歸方法，求取了井水位氣壓系數，發現氣壓系數正負變化皆有，關系復雜。且認為氣壓系數這種無明顯規律性的變化，不代表水位的升降，只表明參數間的關系。張元勝（1997）利用新4井水位、氣壓日值資料，采用彼爾采夫濾波、高階差分及一元線性回歸等方法，將獲取的氣壓系數小于零的現象歸結于地震異常，并將水位和氣壓從負變關系變為正變關系，作為異常指標判定界限。魏煥等（2001）認為，井水位隨機氣壓效率（系數）大于3倍均方誤差的異常變化（正或負異常）與地震活動有關的力學作用有關，即地震前兆異常反應。

井水位氣壓系數出現正負變化到底與哪些因素有關，氣壓系數為負或是高值異常是否都可以歸因于地震前兆異常，今后如何分析氣壓系數的動態變化曲線，本文將進行重點討論分析。

1 氣壓系數獲取

氣壓作用下的地下水位動態變化主要有顯著型、隱蔽型和中間型。顯著型水位動態受氣壓影響比較明顯，較易剔除，直接采用一元線性回歸就可得到比較理想的氣壓系數結果。而隱蔽型水位氣壓系數的計算，主要步驟有：首先對水位和氣壓數據進行濾波（譬如彼爾采夫濾波），其次對濾波后的數據進行差分處理（一階或高階），最后根據差分結果，構建一元回歸或二元回歸模型來擬合氣壓系數（張昭棟，1986；殷積濤等，1988；董守玉等，1987；劉學領等，2010；方慧娜，2013）。通常水位和氣壓數據，經過濾波、差分處理后，采用一元回歸模型就可擬合出理想的氣壓系數結果。

假設顯著型、中間型和隱蔽型水位的氣壓系數最終采用一元線性回歸得到，那么可用式（1）和式（2）滑動確定井水位氣壓系數的動態變化過程。

其中，wi為i時刻水位值，wi+1為i+1時刻的水位值；pi為i時刻氣壓值，pi+1為i+1時刻的氣壓值；Bpi為i時刻的氣壓系數；bi為截距。

2 氣壓系數正負動態變化影響因素分析

正常情況下，井水位與氣壓之間呈負相關關系（圖1，圖2）。據式（2），當水位與氣壓之間呈負相關關系時，Bpi＞ 0。此時，Bpi的變化有2種可能：①水位變幅很大（升或降），氣壓變化不大時，造成Bpi較大［圖1（b），圖2（b）］；②水位變幅不大，而氣壓變化較大時，造成Bpi較小［圖1（c），圖2（c）］。換句話說，當水位與氣壓之間呈負相關關系（Bpi＞0）、氣壓變化相對正常時，引起井水位升降變化的補給（降雨以及地下水躍層補給等）、排泄（抽水及開采、蒸發等）、潮汐應力等非構造應力和構造應力因素等的變化均會造成氣壓系數Bpi較大。Bpi很小除與氣壓擾動有關外，也與這些因素有一定關聯。如，氣壓變化較大時，按照正常水位對氣壓的響應，水位也應變化較大，但實際變化不大，很可能與地下水排泄［圖1（c）］、補給［圖2（c）］或構造應力變化等有關。

對于氣壓系數為負，同理按照式（2）思路，當水位與氣壓之間呈正相關關系（圖3，圖4）時，Bpi＜0。Bpi的變化有2種情況：①水位變幅很大（升或降），氣壓變化不大時，造成氣壓系數Bpi很小，但其絕對值很大［圖3（b），圖4（b）］；②水位變幅不大，而氣壓變化很大時，造成Bpi較大，但絕對值較小［圖3（c），圖4（c）］。

圖1 水位上升、氣壓下降時，水位與氣壓呈負相關關系示意（a） 水位與氣壓變幅正常；（b） 水位上升幅度很大而氣壓變化不大； （c） 水位變幅不大而氣壓下降幅度很大Fig.1 A diagram of negative correlation between the water level and barometric pressure when the water level rises and the barometric pressure drops

圖2 水位下降、氣壓上升時，水位與氣壓呈負相關關系示意（a） 水位與氣壓變幅正常；（b） 水位下降幅度很大而氣壓變化不大；（c） 水位變幅不大而氣壓上升幅度很大Fig.2 A diagram of negative correlation between the water level and barometric pressure when the water level drops and the barometric pressure rises

圖3 水位和氣壓都下降時，水位與氣壓呈正相關關系示意（a） 水位與氣壓變幅正常；（b） 水位下降幅度很大而氣壓變化不大； （c） 水位變幅不大而氣壓下降幅度很大Fig.3 A diagram of positive correlation between the water level and barometric pressure when the water level and barometric pressure drop all

由于引起井水位變化的補給（降雨以及地下水躍層補給等）、排泄（抽水及開采、蒸發等）、潮汐應力等非構造應力和構造應力因素的共同作用，隱藏了水位對氣壓的正常響應。圖3所示整體表明，抽水及地下水開采、蒸發、潮汐應力等非構造應力或構造應力因素對水位的影響遠大于氣壓影響。而有效的降雨及地下水補給、潮汐應力、氣壓擾動等非構造應力或構造應力因素變化，可造成水位和氣壓的關系產生如圖4所示變化。

圖4 水位和氣壓都上升時，水位與氣壓呈正相關關系示意（a） 水位與氣壓變幅正常；（b） 水位上升幅度很大而氣壓變化不大；（c） 水位變幅不大而氣壓上升幅度很大Fig.4 A diagram of positive correlation between the water level and barometric pressure when the water level and barometric pressure rise all

需要說明的是，水位觀測序列中，往往包含潮汐的周期成分、氣壓的周期成分和非周期成分以及降雨等因素引起的隨機成分，對計算氣壓系數均有較大影響（方慧娜，2013）。因此，計算水位氣壓系數時，一般采用水位和氣壓的日均值資料（類似于低頻濾波），可將周期、隨機和高頻影響因素抑制到最低水平或剔除，以提高信噪比。

通過以上分析發現，氣壓系數Bpi有正有負，且影響因素一致，因此，在實際利用水位和氣壓的日均值資料，跟蹤分析氣壓系數動態變化過程中，Bpi可取絕對值。當氣壓系數絕對值很大時，首先排除井水位受降雨及地下水的補給、排泄等非構造應力因素的影響，如果Bpi仍較大，可能與構造應力變化有關（這也是我們最關心的）。當氣壓系數絕對值很小時，除與氣壓擾動有關外，也與降雨及地下水的補給、排泄等非構造應力和構造應力變化有一定關聯，即氣壓系數偏低，也可能孕育地震信息，分析時需注意。

3 結論

氣壓效應作為井水位變化普遍存在的微動態現象，一直是微動態領域的主要研究方向之一。本文從水位和氣壓間的變化現象著手，對一元線性回歸得到的井水位氣壓系數出現的正負變化的可能影響因素進行分析。

（1）選用水位和氣壓的日均值資料，可將潮汐的周期成分、氣壓的周期成分和非周期成分、以及降雨等因素引起的隨機、高頻成分抑制到最低水平，最終獲取相對可靠的氣壓系數。通常，可用卷積回歸方法來校正氣壓等變化產生的延遲效應（Rasmussen and Crawford，1997；Toll and Rasmussen，2007），而選取水位和氣壓的日均值數據進行分析，也可忽略水位變化對氣壓的滯后效應，因為滯后一般持續幾分鐘到幾小時。

（2）氣壓系數存在正負變化，主要和引起井水位升降變化的非構造應力與構造應力等相關，而我們關心后者的變化。

（3）實際利用水位和氣壓的日均值資料跟蹤分析氣壓系數動態變化過程中，可將氣壓系數取絕對值。

（4）不論氣壓作用下的顯著型水位氣壓系數的計算（直接一元回歸），還是隱蔽型水位氣壓系數的計算（相應地進行濾波、差分和回歸等處理），不管處理的好壞，一般認定引起井水位變化的補給、排泄、潮汐應力和荷載等非構造應力因素已抑制到最低水平，但影響因素或多或少地摻雜在氣壓系數結果中。這就是我們將一元線性回歸氣壓系數再進行影響因素分析的原因。

（5）簡單地將氣壓系數的一些高值異常和負異常認定為地震異常是不嚴謹的。

（6）前人對氣壓效率（氣壓系數）的影響因素分析，一般從含水層的力學參數、滲流參數（張昭棟等，1986，1989；殷積濤等，1988），上覆土壤層的結構和特性，含水層的厚度以及井的半徑和深度等因素（Rojstaczer，1988）著手。而本文從水位和氣壓間的變化現象著手，對一元線性回歸得到的井水位氣壓系數出現的正負變化的可能影響因素進行分析。二者實質相同，這是因為，選用水位和氣壓的日均值資料，一些周期、隨機和高頻的影響因素抑制到最低水平后，引起井水位變化的補給（降雨以及地下水躍層補給等）、排泄（抽水及開采、蒸發等）等就與含水層的力學參數、滲流參數、含水層結構和特性等有關。

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Analysis on the factors affecting dynamic variation of positive and negative barometric coefficient of well water level

Ding Fenghe1），Ha Yuanyuan2），Wei Jianming1）and Li Bin1）
1） Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region，Hohhot 010010，China
2） Transportation College of Inner Mongolia University，Hohhot 010020，China

According to the different types （explicit type，implicit type and middle type） of dynamic change of well water level under the action of the air pressure，the barometric coefficient of well water level is obtained by use of linear regression method.The analysis results show that the barometric coeffcient，positive and negative changes are relevant to non-tectonic stress and tectonic stress factors that caused the change of well water level etc.In the actual tracking analysis of barometric coefficient dynamic change process，absolute value of barometric coefficient is indispensable.When the barometric coeffcient absolute value is too large or too small，frst of all to exclude well water level is affected by non tectonic stress factors.If after excluding barometric coeffcient absolute value is too large or too small all the same，which may be related to tectonic stress change，this is our most concern.Some high value and negative anomaly of the barometric coeffcients is identifed by some authors as the seismic anomaly that is not precise.

well water level，barometric coeffcient，positive and negative dynamic changes，infuencing factors

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.011

丁風和（1977—），男，回族，寧夏吳忠人，碩士，高級工程師，主要從事地震地下流體研究工作。E-mail：dingfenghe@126.com

2016年度震情跟蹤合同制定向重點工作任務資助項目（2016020305）

本文收到日期：2015-06-15