高郵車邏井水位大幅波動異常分析

劉 琨 張 華 周少輝 趙亞琴 孔 暢 費玉禮

（中國江蘇 225009 揚州市地震臺網中心）

0 引言

水位觀測是全國地震地下流體觀測項目中較重要的測項（馮恩國等，2012），水位類異常信息可占震例統計中地下流體異常信息總數的29%（孫小龍等，2016），因此，對于水位類異常信息應予以重視，這其中可能包含與地震有關的信息。在對地下水位觀測資料的分析中常將異?，F象出現時間與地震發生時間進行對比，并結合歷史震例開展相關研究。如果單以異常出現和地震發生的時間來判斷，一些異?？赡芘c地震有關。但深入分析后卻發現，雖然時間相近，但異?，F象并不是構造活動引起的，即異常為地震地球物理異常的理由并不充分（張磊等，2014）。因此，發現水位異常后，應先判斷異常的性質，再進行深入研究。

2016—2019 年高郵車邏井水位觀測記錄到多次水位大幅波動異常，在兩三周時間內出現較強水位波動，最大幅度超過0.4 m。本文圍繞井水位大幅波動的性質判定、引起異常的可能因素、是否與地震有關等問題，根據《地震前兆異常落實工作指南》（中國地震局監測預報司，2000）中對地下水位異常進行核實的工作方法，并借鑒井水位干擾異常識別與排除的4 個“相關性”原則（車用太等，2011），對上述問題進行了分析。

1 高郵車邏井概況

高郵車邏井（簡稱“車邏井”）是為替代高郵臨澤東43 井，在高郵地震臺東邊架設的地下流體數字化綜合觀測井，與高郵地震臺地下流體觀測井共用同一井孔。該井可觀測水位、水溫、氣象等要素。該井地質上處于高郵凹陷內，距高郵湖約5 km，觀測含水層為第Ⅲ含水層，深度為地表下340—432 m，地下水資源為孔隙承壓水。當地地下承壓水總體流動方向為自西北向東南。自投入觀測以來，井水位年變化整體趨勢性上升，同時，高郵地震臺在該井孔內架設的另一套地下流體儀器觀測到的水位變化與車邏井觀測到的水位變化一致。

2 高郵車邏井水位異?，F象分析

2.1 異常情況

2016—2019 年車邏井水位觀測記錄到井水位會不定期出現大幅波動異常變化，變化速度較快，最短6 天時間內井水位出現0.17 m 的下降幅度，變化幅度中位數達0.27 m。圖1 為2016—2019 年車邏井水位。由圖1 可以明顯觀察到大幅波動的異?，F象。

圖1 2016—2019 年車邏井水位Fig.1 Cheluo well water level（2016—2019）

2.2 影響因素分析

異常出現后，立即根據《地震前兆異常落實工作指南》（中國地震局監測預報司，2000）開展跟蹤調查工作。通過長期跟蹤調查，在核實儀器觀測數據無誤，并確認高郵及周邊地區無顯著地震活動與井水位異常對應的情況下，初步判斷該異常為非地震異常。根據車邏井的情況，參考非地震因素所造成的井水位異常案例（車用太等，2004），并結合對近年出現的井水位異常的跟蹤分析經驗（汪成國等，2010；王喜龍等，2018），認為氣壓變化、降水、農業灌溉及京杭運河、高郵湖的影響等因素可能是造成井水位大幅波動的原因，因此，需要開展相關調查和分析，以判斷異?，F象的具體性質。

2.2.1 氣壓變化。氣壓是引起井水位變化的自然因素之一。車邏井年度井水位數據與氣壓記錄間存在明顯的負相關性，而短期內氣壓的劇烈變化對車邏井水位記錄也會產生顯著的影響，其中，極端氣壓變化過程的影響尤為明顯。如2019 年8 月9—13 日在1909 號臺風“利奇馬”影響過程中，記錄到了明顯的氣壓對井水位的影響（圖2）。由圖2 可見，氣壓最大變化幅度約20 hPa，水位最大變化幅度約0.08 m。

而車邏井出現水位大幅波動異常期間，沒有記錄到明顯的氣壓變化，也沒有記錄到類似臺風影響過程中氣壓和水位的變化形態，故無法通過時間、形態、振幅等方面對車邏井水位大幅波動現象予以解釋。因此，氣壓影響不是造成車邏井水位大幅波動異常變化的主要原因，但氣壓的影響時刻存在，且在極端情況下會造成井水位的顯著波動。

2.2.2 降水和農業灌溉。車邏井觀測含水層距地表340—432 m。對于觀測層埋深僅幾百米的觀測井而言，降水的影響難以避免，因此，需要判斷降水的影響程度。同樣，車邏井所在地車邏鎮屬于高郵灌區，該灌區灌溉面積較大，需要確認灌溉滲入對車邏井水位觀測的影響程度，即有無直接影響車邏井觀測含水層的情況。

圖2 2019 年8 月9—13 日臺風“利奇馬”影響期間氣壓和水位整點值Fig.2 Hour value of air pressure and water level during the typhoon Lekima

通過觀察發現，車邏井周邊地勢平坦，除大型地表水體高郵湖外，都為土層覆蓋。車邏井觀測含水層為第Ⅲ含水層且泥巖頂板完整，觀測含水層之上還有2 層地下水?？碧劫Y料和地表觀察都未發現該井周邊觀測層上方有斷裂或斷裂破碎帶。因此，降水穿過觀測層以上地層，直接滲入車邏井觀測含水層的可能性不大，但不排除降水滲入潛水，通過潛水和深部水之間的對流間接影響車邏井觀測含水層的可能，但這種情況一般需要的時間較長，且影響水位變化的過程并不劇烈，與車邏井水位在短時間內出現較大幅度波動的變化特征不相符。

而高郵當地每年夏季降水相對較多，且同期也是農業灌溉用水量較大的時段。以車邏井所在的高郵灌區為例，灌溉面積共計63 萬畝，年用水量約4.8 億 m3，其中，農業灌溉約3.8億m3（顧宏等，2018），灌區內農業作物以水稻為主，水稻種植面積40.98 萬畝，品種都是中稻，水稻種植期各階段的灌水時間相對集中（方晨蕾等，2017），每年6—9 月為水稻灌水期。車邏井水位大幅波動異常多數也出現在水稻灌水期內，圖3 為2016—2019 年高郵降水量，對圖3 和圖1 進行比較發現，存在農業灌溉和降水疊加的情況。分析每年7、8、9 月降水量和井水位間的相關性發現，相關性結果R 值很小，2016—2019 年分別為-0.336、-0.057、-0.028、-0.080。同時發現2016 年11 月出現的車邏井水位大幅波動異常未出現在水稻種植灌水期內，而2019 年整個水稻灌水期內車邏井都沒有出現水位大幅波動異常。因此，由灌溉造成車邏井水位大幅波動異常的證據并不充分。

圖3 2016—2019 年高郵降水量Fig.3 Gaoyou rainfall in 2016—2019

通過研究農業灌溉、降水與車邏井水位間的關系發現，二者在時間、強度上都與車邏井水位大幅波動的現象無相關性，即使在夏季，灌溉和降水密集疊加也難以引起井水位的大幅波動，故排除降水和農業灌溉為造成井水位大幅波動變化主要原因的可能。

2.2.3 京杭運河的影響。京杭運河高郵段距車邏井最近約800 m，是南水北調東線工程——江都水利樞紐至寶應抽水站間的輸水河道，河道與高郵湖并不直接連通。1949 年新中國成立以來京杭運河高郵段經過治淮、江水北調和南水北調等工程連續幾十年的治理，目前，河道在冬春季主要用于江水北上，夏秋季則為淮水南下，同時河水還是高郵當地飲用水源，河道無滲漏情況。考慮到車邏井與京杭運河間的距離較近，存在京杭運河水位變化通過荷載方式影響車邏井水位變化的可能，因此需要對此進行判斷。京杭運河高郵段水位主要受水利部門調節控制和降水影響。除降水豐沛時段會出現河水位上升以外，每年冬春季的南水北調或干旱氣象條件時江水北調工作也會使京杭運河高郵段水位出現短時間快速上升。調查發現，2020 年4 月23 日起為緩解江蘇北部用水緊張問題而加大江水北調調水量后，京杭運河高郵段水位快速上升。比較4 月22 日0 時至5 月4 日0 時車邏井、京杭運河高郵段水位整點值發現，車邏井與運河的水位變化形態并不相似（圖4）。其中，京杭運河高郵段水位從4 月22 日0 時的6.58 m 上升至4 月26 日10 時的7.38 m，上升了0.80 m，并在4 月30 日20 點前保持在7.30 m 附近。而車邏井水位在4 月22 日0 時為15.57 m，4 月26 日10 時仍為15.57 m，其間實測變化僅幾毫米。且比較時段內車邏井水位最低值出現于4 月26 日16 時，為15.59 m，最高值出現于5 月3 日20 時為15.54 m。

圖4 2020 年4 月22 日0 時至5 月4 日0 時京杭運河高郵段、車邏井水位（a）京杭運河高郵段；（b）車邏井Fig.4 The water level of the Gaoyou section of the Beijing Hangzhou Canal and Cheluo well

雖然京杭運河高郵段距井孔僅800 m，但二者的水位記錄形態并不一致，說明車邏井水位受京杭運河高郵段水位變化的影響可以忽略。

2.2.4 高郵湖的影響。高郵湖是高郵市境內最大的地表水體，為全國第6 大淡水湖，水域總面積760 km2，南北長約42 km，東西最大寬度約24 km，湖底一般高程4.5 m，高出東部里下河平原1.0—2.5 m，湖水位6 m 時可蓄水10.8 億 m3。車邏井距高郵湖湖堤約5 km，觀測含水層頂板與湖盆落差大于340 m，存在高郵湖影響車邏井水位高低的現象，該影響可通過滲入和荷載2 種方式產生。

（1）滲入影響的可能性分析。分析2016 年1 月—2019 年12 月水利部門對高郵湖水位的觀測記錄發現，在時間上車邏井水位大幅升降變化與高郵湖水位大幅升降變化高度吻合，水位變化形態相似（圖5）。相關性分析也顯示，車邏井水位大幅升降變化與同時期高郵湖水位數據的相關性較高，這說明高郵湖與車邏井觀測含水層之間存在某種密切聯系。而以年度長數據進行比較，則相關性明顯偏低，甚至發現高郵湖、車邏井水位變化趨勢長時間背離的情況，如2019 年3—5 月，高郵湖水位下降約0.40 m，而車邏井水位上升0.20 m。根據不同時段的差異進行判斷認為，高郵湖水位直接滲入補給車邏井觀測含水層的可能性并不大。該判斷也得到了高郵水利部門對當地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ含水層水位埋深趨勢觀測結果的佐證，2000 年以前由于無序開采在高郵城區形成了降落漏斗區，2010 年后采取嚴格的限制壓采地下水措施以后，漏斗區的水位埋深才逐漸回升（許鳳群等，2015）。2011—2013 年壓減開采量193 萬m3，在2013 年完成區域供水全覆蓋后，計劃2020 年再壓減183 萬m3的開采量。目前，已基本完成限制壓采目標，高郵當地地下水埋深也逐漸回升。比較圖1 與圖5 可見，若高郵湖水可直接補給車邏井觀測含水層，則2019 年3—5 月就不應出現井水位和湖水位變化趨勢背離的現象，同時當地也不會出現地下水降落漏斗區。因此，高郵湖水直接滲入造成車邏井水位大幅波動的可能性也被排除。

圖5 2016—2019 年高郵湖水位Fig.5 Gaoyou Lake water level in 2016—2019

（2）荷載影響的可能性分析。在確定降水、氣壓變化、農業灌溉、京杭運河高郵段和高郵湖的滲入等都不是車邏井水位大幅波動現象的主要原因后，結合車邏井水位大幅波動和高郵湖水位迅速同步的現象，判斷車邏井水位大幅波動極有可能是高郵湖產生的荷載影響造成的。

對照4 個“相關性”原則發現，在時間上，高郵湖和車邏井的水位變化幾乎同步，滿足時間相關性的原則。在空間上，高郵湖和車邏井水位存在相對落差，雖然距離約為5 km，但已有距離相近，甚至相距更遠的大型地表水體通過荷載影響井孔水位變化的情況，如三峽水庫庫區編號W7 的周坪井（距三峽水庫庫堤6 km）和陜西咸陽三原井（距馮村水庫9 km）。但是上述兩井的荷載影響也存在一些不確定因素。其中，周坪井是一口自流井，井孔出水位置高于三峽水庫壩體。雖然該井水位變化與三峽庫區蓄水過程同步變化，但是否受三峽水庫庫區蓄水產生的荷載影響波及，并不十分確定（車用太等，2004）。陜西咸陽三原井距荷載源馮村水庫約9 km，三原井和造成荷載影響的馮村水庫附近存在斷裂或者斷層破碎帶，歷史觀測存在馮村水庫滲漏使得下游10 km 范圍內地下水位升高的情況（吳富春等，1999）。對照上述兩井存在的情況，車邏井觀測含水層低于高郵湖湖盆，存在高郵湖對車邏井觀測含水層施加荷載影響的空間落差，且車邏井井孔位于高郵湖東南側，大致位于高郵當地地下承壓水側向徑流下游方向。結合車邏井水位資料和對降水、農業灌溉的分析，判斷高郵湖相對車邏井觀測含水層在空間上存在荷載影響的可能。

對車邏井水位波動幅度的統計發現，車邏井出現井水位大幅波動異常期間的井水位變化標準差較異常出現前1 個月的井水位變化標準差增大了1 倍以上（表1），顯示井水位異常波動強度較大。比較車邏井水位和同期高郵湖水位發現，二者變化趨勢一致，湖水位的變化幅度大于同期井水位波動幅度，并呈現出湖水位變化幅度越大，較高湖水位持續時間越長，則井水位變化幅度也相應更大的現象，顯示車邏井水位大幅波動與高郵湖水位變化之間存在相關性。

表1 高郵湖、車邏井水位變化情況Table 1 Statistics of water level changes of Gaoyou Lake and Cheluo well

以高郵湖水位上升的最小幅度0.67 m 計算，產生的荷載約為65.7 hPa，是臺風“利奇馬”影響車邏井氣壓記錄最大變化值20.0 hPa 的3.2 倍。如此大的荷載垂直作用于高郵湖湖盆并迅速向周邊地區傳導擴散至車邏井觀測含水層，對觀測含水層水體產生擠壓，使得局部水體受力增加，打破了車邏井觀測含水層內水體的相對平衡狀態，含水層巖石孔隙壓力的增加或局部地下水補給量的增大使得地下水流入車邏井觀測井孔內，進而引起井水位升高，出現大幅波動變化。而2018 年10 月后出現的高郵湖水位趨勢性下降及車邏井水位持續上升現象，主要是由兩水體補給和排泄的差異所致。高郵湖的補排關系清楚，補給源是上游洪澤湖來水和降水，排泄主要通過水位差使其流入長江以及蒸發作用，2018 年10 月以后，尤其是2019 年，大范圍的四季連旱氣象條件導致高郵湖上游來水和降水補給減少，造成了水位下降。雖然車邏井觀測含水層主要補給源尚不明確，但可排除在井孔周邊的可能。而高郵當地承壓水的排泄主要是人工抽水（李章林等，2001）及東南方向的側向徑流。由于嚴格的限制壓采措施，2015 年以來高郵第Ⅲ含水層開采量約260 萬 m3/a，較2010 年的約390 萬 m3/a 有所下降，高郵市第Ⅲ含水層水位整體呈上升趨勢，由此判斷，包括車邏井觀測含水層在內的高郵當地第Ⅲ含水層整體補給量大于排泄量導致了車邏井水位上升。因此，在水位記錄中呈現湖水水位下降而車邏井水位持續上升。綜合分析認為，高郵湖的荷載變化是造成車邏井水位大幅異常波動的主要原因。

2.3 對2019 年干旱條件下車邏井、高郵湖水位相關性的分析

2019 年江蘇省經歷了罕見的春夏秋冬四季連旱，全省年平均降水量796 mm，較常年偏低21%。高郵市年降水量650 mm，較常年減少30%。高郵湖上游的洪澤湖及整個淮河流域也同樣經歷了大規模長時間的干旱。2019 年入洪澤湖水量較往年同期偏少70%，淮河干流在2019 年9 月中旬至11 月初基本接近斷流。此次大范圍、長時間的氣象干旱，使得可能影響車邏井水位變化的降水因素在長時間和大空間范圍內被控制在較低的程度，這提供了一個有利于觀察車邏井含水層和高郵湖水位之間關系的時間窗口。

通過觀察2019 年車邏井水位數據發現，車邏井水位沒有出現大幅異常波動變化，上半年整體上升、下半年小幅回落的年度變化趨勢更顯著，全年水位上升約0.20 m。自2019 年4 月以來高郵湖水位較往年同期偏低，水位持續低于6.00 m。該現象反映了長時間的干旱天氣對車邏井觀測含水層補給的影響不大。若車邏井觀測含水層補給源可接受降水或地表水的下滲，則補給源可能距井孔較遠，從滲入開始，通過地下水循環最終徑流到車邏井井孔位置并被水位儀器記錄需要經歷一段時間，而高郵湖水位受上游即時來水和降水的影響，變化較快，因此，高郵湖不可能為補給源。趙暉等（2010）認為，淮河流域的里下河洼地深層地下水是由含水層的補給源區通過地下水深部循環方式側向徑流補給的，而車邏井恰位于淮河下游地下水系統中里下河沿海平原亞系統內的里下河洼地地區，但具體到車邏井，其補給源和補給方式仍未知。根據本文的工作并結合前人的調查，認為車邏井補給源不在井孔周邊地表，無論補給源具體在何處，以何種方式對車邏井觀測含水層進行補給，對2019 年干旱條件下車邏井、高郵湖水位相關性的分析表明，車邏井觀測含水層與高郵湖接受補給的形式不同，長時間、大范圍的干旱條件對車邏井水位變化的影響不大，而高郵湖水位則受到顯著影響；在沒有高郵湖水位大幅波動的影響時，2 個水體水位的變化反映出各自補給源來水和排泄的情況。

3 結束語

通過對車邏井水位大幅升降異常的跟蹤調查分析，并將《地震前兆異常落實工作指南》（中國地震局監測預報司，2000）中的工作原則與井孔實際情況相結合，判斷該井水位出現的大幅波動異常是高郵湖水位大幅波動產生荷載所致。整個跟蹤調查分析工作是經過從認識到實踐，再從實踐回到認識，最終落實異常的復雜過程。通過跟蹤調查分析認為，一些較直觀的因素如降水、灌溉等對車邏井水位大幅波動異常變化的影響并不顯著。而對高郵湖水位變化影響因素的確認，也是通過跟蹤不同年份高郵湖存在的不同水利情況，并結合對高郵當地地下水開采和降水量的調查后綜合分析得出的結果。通過整個工作過程，不僅認識到車邏井水位大幅波動異?，F象并非地震異常，同時還加深了對該井水位記錄特征的理解，以及對自然環境和農業活動等因素可影響該井水位的認識，這為進一步開展車邏井水位研究及地下流體觀測的規劃建設等提供了有益的參考。