山西漫水井水位微動態特征及干擾因素分析

竇立婷，楊順達，平 旗，李 云，成 誠

(1.山西省地震局長治中心地震臺，山西 長治 046000；2.山西省地震局,山西 太原 030021；3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地下水易受自然、人為等多種因素的影響，其動態變化取決于井所在區域的地質構造、水文環境、固體潮、氣壓、降雨量等諸多因素。因此，對觀測數據進行干擾因素分析，可以獲得最直接的宏觀短臨前兆[1]。通過對近年來山西漫水井水位微動態特征及主要干擾因素的分析，探討水位變化與各類干擾因素的關系，并對各類干擾因素進行歸納總結，以期為異常核實和地震預測研究工作提供參考。

1 漫水井基本概況

漫水井位于沁縣冊村鎮后泉村，高程1 036 m，井深240.05 m。觀測層巖性時代為三迭系砂巖層，地下水類型為承壓水。該井包含水位和水溫兩個測項，水位探頭埋深1.223 m,水溫探頭放置3.00 m。2017年新增氣象三要素輔助觀測。

多年的觀測資料表明，漫水井水位的干擾主要有觀測系統、自然環境和人為干擾三方面。其中，觀測系統干擾包括儀器故障、電源干擾、電壓不穩、通信單元故障等；自然環境干擾包括雷電和降雨等；人為干擾包括抽水、更換儀器等。

2 漫水井微動態特征

2.1 長趨勢動態特征

從漫水井2008-2018年水位、水溫日均值圖(見圖1)，看出水位水溫同步變化。漫水井水位長趨勢變化呈現2個階段，2008-2010年為水位下降趨勢，2010-2018年水位整體呈現上升趨勢。其中，2014-2016年其周邊工業用水井及民用灌溉井逐年增多，對其觀測環境影響較大，2016年8月以后由于采取環境保護措施，抽水干擾減少，數據質量明顯變好。

圖1 漫水井水位、水溫長趨勢曲線Fig.1 Long trend curve of water level and water temperature in Manshui well

2.2 年、月、日動態特征

第22頁圖2為2017和2018年水位日均值變化，可以看出，漫水井水位的正常年變動態不明顯，但每年6-9月水位上升明顯，降雨是影響漫水井水位動態變化的主要因素。圖中可看到水位上升前幾個月降雨量明顯增多，水位值的升高相對滯后，并且滯后的時間與降雨量大小有關，2017年降雨量較少，水位滯后時間更長。由于漫水臺氣象三要素觀測時間較短，文章使用了長治地區降雨量。從第22頁圖3、圖4看出，在無抽水干擾和降水的情況下，漫水井水位的月均值和日均曲線記錄良好，固體潮清晰，表現出明顯的潮汐效應。

2.3 同震響應特征

據統計，漫水井是山西地區井水位中記錄地震較靈敏的水位觀測井之一[2]，主要是由于漫水井為承壓自流水，所屬觀測層為T1砂巖，而灰巖和砂巖含水層觀測井記震能力最強[3]。2007-2016年全球7.0級以上地震的同震響應能力為49.5%，如表1所示，對漫水井2017-2018年記錄到的地震進行統計，可以看出，基本可記錄到全球7級以上地震和部分6級地震。第23頁圖5給出了2018年9月6日日本北海道地區6.9級地震和28日印度尼西亞7.4級地震。可以看出，7.4級地震的水震波振幅明顯高于6.9級地震，并且持續時間更久。漫水井記錄到的同震響應形態主要以振蕩型為主，響應幅度與震級呈正相關，與震中距呈負相關[3]。

圖2 漫水井水位日均值年變化Fig.2 Annual variation of daily mean water level in Manshui well

圖3 漫水井水位整點值月變化Fig.3 Monthly variation of water level in Manshui well

圖4 漫水井水位分鐘值日變化Fig.4 Diurnal variation of minute water level in Manshui well

日期年-月-日開始時間時:分結束時間時:分持續時間/min記錄地震2017-01-2213:0013:3737所羅門群島(北緯-6.19°,東經155.1°)7.9級地震2017-09-0813:5614:5256墨西哥(北緯15.06°,東經-93.9°)8.2級地震2018-01-2213:0013:3232阿拉斯加灣(北緯55.96°,東經-149.13°)8.0級地震2018-01-2407:4508:1530臺灣花蓮(北緯24.20°,東經-121.72°)6.4級地震2018-08-1908:3609:2549斐濟群島(北緯-18.08°,東經-178.06°)8.1級地震2018-09-0602:1502:3015日本北海道(北緯42.65°,東經142°)6.9級地震2018-09-2818:1218:5846印度尼西亞(北緯-25°,東經119.9°)7.4級地震2018-12-2101:1801:3820巴布亞新幾內亞(南緯5.7°,東經151.25°)7.1級地震

圖5 漫水井水位同震震蕩型曲線Fig.5 Co-oscillation curve of water level in Manshui well

3 漫水井水位干擾分析

如前所述，引起漫水井水位測值變化的原因較多，下面從氣象、環境、儀器自身等對漫水井水位觀測資料的影響情況進行分析。

3.1 氣象因素的影響分析

影響漫水井觀測數據變化的氣象因素有降雨和雷電干擾(1)張淑亮，范雪芳，李 斌.山西靜樂、孝義井水位異常調查報告，2009：109-114.(2)李自紅，范雪芳，呂 芳，等.山西省2011年度地震趨勢研究報告，2010：36-37.。水位上升幅度與降雨量呈正相關，降雨是導致水位快速上升的主要原因。研究結果以漫水井水位2018年年動態曲線為例，如圖6所示，可以看到6-7月雨季時水位明顯升高，在8月中旬水位達到最高點，水位漲幅相應地滯后，10月份水位明顯回升。因此，6月以來水位的快速上升主要受降雨量影響。2017年10月漫水臺新增氣象三要素，可以清晰地看出水位與水溫的變化滯后于降雨量。

每年6-7月是雷電高發期，雷電也會對井水位造成一定的影響。如2017年7月2日井水位受雷電干擾出現突跳，干擾之后數據很快恢復，不影響數據持續觀測(見圖7)。

圖6 漫水井水位、水溫、降雨量整點值變化Fig.6 Integer point variation of water level，water temperature and rainfall in Manshui well

圖7 漫水井水位雷電干擾曲線Fig.7 Lightning disturbance curve of water level in Manshui well

3.2 抽水干擾分析

從第24頁圖8可看出，2014至2016年漫水井井區附近長期抽水，明顯影響觀測數據。2014年4月23日11點至24日23點漫水井水位出現大幅度下降，水位數據從1.04 m變化到1.674 m，變化幅度0.634 m，同時觀測到水溫上升0.088 ℃，排除了儀器干擾后，對該時段漫水井水位觀測數據與襄礦華安焦化廠抽水時間進行對比，發現漫水井水位大幅度下降主要集中在23日9點到24日9點，而焦化廠在此時間段進行抽水作業(見表2)。對比當天觀測數據發現，焦化廠大量抽水時間主要集中在23日上午9點到24日上午9點，共五次抽水作業，漫水井水位從11點24分開始下降，24日9點水位達到抽水完成后的最低水位值(見圖8)。井水位于24日9點焦化廠停止抽水后，開始緩慢恢復。

表2 焦化廠23-24日抽水統計Table 2 Pumping of coking plant from April 23 to 24, 2014

圖8 漫水井水位4月23日至24日觀測資料Fig.8 Observation data of water level in Manshui well from 23 to 24 April

3.3 儀器干擾分析

漫水井儀器故障主要有傳感器故障、路由器死機和數采死機等，都可導致數據中斷。2018年開始，數據經常出現毛刺狀突跳，維護人員做了大量工作來尋找突跳原因。

首先更換儀器接地，發現突跳仍未改善，排除了接地導致電壓不穩出現的突跳;其次對智能電源內輸出電壓穩定狀態進行測試，于5月29日對數據進行直流測試即切斷220 V交流輸入，如圖9a所示，可看出交直流切換過程中由于電壓差導致數據出現大的階變，在直流供電中未出現突跳，初步確定探頭內部元器件敏感度較高，智能電源在220 V供電下，直流輸出電壓不穩造成數據突跳。12月,對臺站進行太陽能改造，突跳現象有所改觀，但仍存在少量突跳(見圖9b)，確定探頭老化也會導致數據突跳。因此，認為水位突跳主要與智能電源在交流供電下輸出電壓不穩有關，同時探頭老化也會造成不定期的突跳。

圖9 漫水井水位交直流切換和太陽能改造后曲線Fig.9 The curve of water level after AC/DC switching and solar energy transformation in Manshui well

4 結論及建議

通過對漫水井水位觀測數據各類信息識別及其原因分析，獲得如下一些認識。

(1) 漫水井水位與水溫同步變化，水位受同層井工業用水抽水干擾，無干擾時可清晰地記錄到固體潮，日變化表現為雙峰雙谷的特征。

(2) 氣象干擾因素主要有降雨干擾和雷電干擾，雷電干擾會導致數據突跳，但可很快恢復，且對數據質量影響較小；降雨干擾與井水位呈正相關，水位變化滯后于降雨時間。

(3) 儀器故障主要有傳感器故障、路由器死機和數采死機等。

(4) 漫水井可記錄到全球6.0級以上大震，同震響應形態主要以振蕩型為主，響應幅度與震級呈正相關，與震中距呈負相關。

為了將漫水井水位觀測數據更好地運用于地震監測與研究，特提出幾點建議：

(1) 漫水井水位主要受同層井工業用水的抽水干擾，通過對周邊幾口井的調查，并和相關部門協調，自2016年8月以來數據質量明顯好轉。

(2) 在氣象因素分析時，因井區氣象三要素數據觀測時間短，使用了長治地區的降雨量，可能會對分析結果造成一定的影響。2017年10月漫水井新增了氣象三要素輔助觀測，為定量分析氣象因素的干擾創造了條件，可更精確地捕捉地震前兆異常信息。

(3) 漫水井水位觀測受多種干擾因素影響，只有準確地識別各種干擾，才能有效識別地震前兆信息。

感謝山西省地震局張淑亮研究員對本文提出細致又中肯的指導意見。