寧波臺動水位記錄到強對流天氣現(xiàn)象中探討其響應機理

李慧峰 袁寶珠

摘 要：安裝在寧波臺ZK03井上的SW-Ⅱ型水位儀在2015年4月3日到4日記錄時間段內(nèi)兩次出現(xiàn)干擾曲線，排除干擾原因時發(fā)現(xiàn)在此時間段內(nèi)寧波臺WYY-1型氣溫、氣壓、雨量綜合觀測儀同時記錄到強對流天氣，時間上與此關聯(lián)。本文通過對該臺在強對流天氣影響下水位記錄到曲線從時間和變化形態(tài)上解讀，其結論是動水位與氣壓驟變的形態(tài)負相關，其響應時間與氣壓驟變基本同步。而在正常氣壓變化下，該臺動水位與氣壓并沒有同步變化現(xiàn)象，分析認為，這是由于強對流天氣打破動水位井含水層水滲流平衡而產(chǎn)生動水位與氣壓同步響應。

關鍵詞：動水位；強對流天氣；響應；水滲流水氡觀測

寧波市強對流天氣的出現(xiàn)具有明顯的季節(jié)性和區(qū)域性特點，其在一定的天氣系統(tǒng)影響下，在不穩(wěn)定的層結中，如前期有較高的能量的積累，在加上較強的上升運動，則極易產(chǎn)生強對流天氣，其特點是影響時間短，強度大[ 1 ]。

井水位作為一種靈敏的體應變儀，是一種重要的前兆觀測資料，目前我國已建成較為密集的地下水觀測井網(wǎng)，有望用于提取地下應力和介質(zhì)變化信息[ 2 ]，在提取地下水地震異常信息的過程中，通常需要扣除井氣壓及潮汐對井水位天然的載荷。而然，一些研究結構表明，用簡單相關性分析和回歸分析是很難剔除水位中的氣壓效應，原因就是氣壓和水位的關系非常復雜，氣壓可以通過含水層上的覆地層產(chǎn)生承壓變化使，也可以使井孔水面承壓產(chǎn)生變化，因此分析水位觀測記錄提取孕震信息，就必須搞清其井水位的氣壓效應。

水位在氣壓的效應，一般認為大氣壓作用一方面作用在井孔水面上，另一方面作用于井孔周圍的地面上。由于作用于地面上的面積要比井孔水面積大的多，所以可以看成為面積無窮大的載荷。有彈性理論可知，這樣的載荷作用于半空間的界面上，地表壓力將無衰減地向下傳遞。這個地表壓力傳遞到含水層，使含水層產(chǎn)生彈性壓縮而釋放出水來，釋放水將從含水層向井孔內(nèi)滲流。而作用于在井孔水面上壓力將使井孔內(nèi)的水向水層內(nèi)反滲流[ 3 ]。寧波臺動水位在正常氣壓變化中這兩種加大滲流和反加大滲流趨于平衡，而在強對流天氣這種平衡被打破，氣壓驟變產(chǎn)生的壓強垂直向地面?zhèn)鬟f作用在井孔水面上，而強對流天氣作用在含水層上地面再傳遞到的含水層會相對滯后且其作用時間短。因此，在這種失衡的狀態(tài)下，只有井孔水面上壓力將使井孔內(nèi)的水向含水層內(nèi)反滲流，產(chǎn)生變化與氣壓產(chǎn)生同步且有負相關效應。

1 井孔及觀測儀器

1.1 井孔概況

寧波地震臺地處我國東部沿海杭州灣的南側，寧波平原北西四明山余脈的南麓，距離海岸線約16km，寧波臺綜合流體觀測ZK03井在該臺院內(nèi)，海拔標高20m。該井1979年4月成井，井深83.06m，井孔巖性為白堊紀火山凝灰?guī)r，井在16.5∽25.0m和44.5∽48.5m處裂隙發(fā)育，為主要的含水層，屬山前補給的基巖構造裂隙水。成井時日流量大于3t，目前約0.5t。該井完工時，采用Φ168套管下至9.8m處（第四系覆蓋物厚約為6m） 并在Φ168管外用水泥固井止水，Φ148套管下至75m處，80米后是Φ91孔徑，深3.06米為沉沙孔段。井孔周邊5km內(nèi)無其它開采點，是上述含水層唯一的深井，水文地質(zhì)環(huán)境良好。

1.2 SW-Ⅱ型水位儀簡介

SW-Ⅱ型數(shù)字式水位儀由中國地震局地殼應力研究所研制生產(chǎn)，是地下流體前兆觀測設計的壓力式水位儀。其原理是采用壓力式水位傳感器，即通過壓力與水深成正比關系的靜水壓力原理測量水位。傳感器為壓敏元件，當傳感器固定在水下某一測點時，該壓力與水柱高度成正比關系，間接測出水柱高度，再通過水柱高度轉化成井孔水位埋深。其具有高分辨率、高穩(wěn)定性、高精度、數(shù)字化自動觀測等特點。

1.3 WYY-1型氣溫、氣壓、雨量綜合觀測儀簡介

WYY-1型氣溫、氣壓、雨量綜合觀測儀由中國地震局地殼應力研究所研制生產(chǎn)，該儀器適用于地震臺的氣象三要素輔助觀測。“十五”中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡項目使用210套，性能穩(wěn)定、可靠性高。其主要技術指標：氣溫測量范圍-50～+50℃，精準度±0.1℃、氣壓測量范圍500～1100hPa，精準度0.2%、雨量分辨率0.1mm降雨量，精準度4%，測量降水強度<4mm/min。采樣率1/min。

1.4 動水位儀與氣象儀運行狀態(tài)

寧波臺ZK03井是綜合觀測井，動水位記錄使用的是SW-Ⅱ型數(shù)字式水位儀，探頭安裝深度1.095m，能記錄到清晰的一日兩峰兩谷的固體潮，該井因水氡觀測需要，每天10時后進行人工取水樣，其過程造成對動水位記錄曲線V字型干擾，在取樣過程有時也會出現(xiàn)階躍現(xiàn)象，其時間尺度約為10分鐘，根據(jù)規(guī)范每日對其作缺數(shù)處理。該臺氣象輔助觀測項采用WYY-1型氣溫、氣壓、雨量綜合觀測儀，儀器安裝地點與觀測井在同一院內(nèi)，位置相近。

2 氣壓與動水位相關變化特征

2.1 正常天氣動水位與氣壓的變化特征

圖1是寧波臺2015年4月1日動水位（a）、氣壓（b）、氣溫（c）、雨量（d）分鐘值曲線圖。從圖中可以看出當天該臺周圍沒有降雨，氣溫出于正常變化狀態(tài)即6時氣溫出于最低狀態(tài)，至中午13時處于當日最高值。氣壓變化也處于正常變化狀態(tài)，上午處于高位午后下降。從氣壓的變化與動水位的變化狀態(tài)分析，沒有明顯的相關性。

2.2 降水、降溫天氣動水位與氣壓的變化特征

圖2是寧波臺2015年4月7日動水位（a）、氣壓（b）、氣溫（c）、雨量（d）分鐘值曲線圖。從圖中可以看出當天該臺周圍有降水，且降水量超過25mm/d，為大雨級。氣溫處于降溫狀態(tài)，氣壓則趨勢性升高，其過程緩慢，是典型的降水降溫天氣。從氣壓的變化與動水位的變化狀態(tài)分析，沒有明顯的相關性。

2.3 強對流天氣與水位變化特征

圖3是寧波臺2015年4月3日～4日動水位（a）、氣壓（b）、氣溫（c）、雨量（d）分鐘值曲線圖。從圖中可以看出3日10時后取水樣伴有向下階躍，這種狀態(tài)在該臺時常出現(xiàn)屬于正常變化，但其在3日01～04時和4日21～22時曲線有明顯抖動干擾，與之相對應的是該臺在同時也記錄到氣壓驟變且伴降水的強對流天氣。

圖4是寧波臺2015年4月， 3日00～05時氣壓（a）、動水位（b），4日18～23時氣壓（c）、動水位（d）分鐘值曲線圖。從圖中可以看出這兩時間段內(nèi)氣壓有明顯驟變現(xiàn)象，與之對應的水位也出現(xiàn)相應變化，時間同步，動水位變化形態(tài)與氣壓負相關。

3 結論與討論

1）該臺動水位與正常氣壓變化相關性不大，分析認為是由于氣壓通過地表壓力傳遞到含水層，使含水層產(chǎn)生彈性壓縮使水加大釋放，釋放水將從含水層向井孔內(nèi)加大滲流。而作用于在井孔水面上壓力將使井孔內(nèi)的水向水層內(nèi)反加大滲流，在正常情況下這種加大釋放滲流和反加大釋放滲流趨于平衡。

2）通過對該臺在強對流天氣影響下動水位記錄到曲線從時間上和形態(tài)上分析，是由氣壓驟變產(chǎn)生的壓強垂直向地面?zhèn)鬟f作用在井孔水面上，產(chǎn)生孔內(nèi)的水向水層內(nèi)反滲流現(xiàn)象，而強對流天氣作用在含水層上地面?zhèn)鬟f到的含水層會相對緩慢且變化時間短，含水層沒有時間產(chǎn)生彈性壓縮。因此，在這種失衡的狀態(tài)下，井孔水面上單向壓力將井孔內(nèi)的水向含水層內(nèi)反滲流產(chǎn)生與氣壓同步負相關的響應。

3）從氣壓與井孔水位水滲流原理分析，由于因各個觀測井孔含水層水滲流環(huán)境差異大，因此各個觀測井的水位與氣壓效應存在較大差異。

參考文獻：

[1] 金艷慧，張程明，錢燕珍.2000年初夏浙江兩次強對流天氣過程對比分析[J].湖北氣象，2001.

[2] 來貴娟.井水位對比氣壓和潮汐的響應特征與機理研究[A].中國地震局地球物理研究所2014屆博士論文摘要（Ⅱ）[C].2014.

作者簡介：李慧峰（1970-），男，浙江寧波人，本科，工程師。