崇明地震臺新井水位干擾成因分析與改進措施＊

潘國勇，王 軍

（上海市地震局，上海 200062；上海佘山地球物理國家野外科學觀測研究站，上海 201602）

地下水位的異常變化包含很重要的地震前兆異常信息，但亦有可能是由環境干擾所致，所以正確識別與排除異常，對科學判定震情至關重要。經過50 多年的發展，地下水位觀測技術已日臻成熟，并且在地震監測中起到了至關重要的作用。在已有理論知識的指導下，隨著研究的不斷深入，在異常核實方面也逐漸建立了一套完整的方法[1]，在這些理論和方法指導下，國內外學者對地下水的震前異常進行廣泛研究并且取得了一系列的優秀成果[2-5]。

崇明地震臺（以下簡稱“崇明臺”）新井水位自投入觀測以來每天都有一個較大幅度的下降型臺階，最大下降幅度達0.95 m。為了弄清下降型水位異常是環境干擾所致還是地震前兆異常，本文按照地下水異常核實方法，對引起下降型臺階的各種因素進行分析，并在查明原因的基礎上提出改進措施。

1 崇明臺新井水位觀測概況

崇明臺位于崇明島的中南部，地勢平坦，水系發達，隸屬崇明縣豎新鎮行政區，建于1974 年，1976 年投入觀測，屬國家級基本臺，有電磁和流體兩大前兆觀測學科，共13個觀測項目，在地震監測中發揮著重要作用。

崇明臺新井地址為崇明島豎新鎮新烈南路206 號。始建于2014-09-18，終孔于2014-12-29，歷時三個半月。基巖井孔深416.13 m，其中0～367 m 為第四系泥夾砂型的松散沉積物，367～388.2 m 為全風化至中等風化花崗巖，388.2～416.13 m 為微風化花崗巖。成井時，上部0～27.41 m 為ф168×6.5 mm 的不銹鋼套管，同時包有長24 m 的ф273 mm螺旋鋼外套管，中部27.41～386.8 m 為ф168×6.5 mm 的地質無縫鋼套管，下部386.8～416.13 m 為ф150 mm 的基巖裸孔。2016-11 開始水位觀測，使用的儀器是ZKGD3000-N 型地下流體監測系統。其既可單獨監測地震觀測井的水位或水溫，也能同時監測水位、氣壓和水溫等多個測項，具有運行穩定、可靠、安裝維護簡便等優點。

2 異常調查及成因分析

2016-11-26 該井投入水位觀測以來，該井每日都有一個較大幅度的下降型臺階。本文按照地下水異常核實方法對引起水位變化的原因，進行了詳細的核實。

2.1 地質構造分析

地質構造上，崇明新井位于揚子地塊東南邊緣的上海斷塊隆起區，喜山運動后下沉接受堆積，之下為燕山晚期花崗巖，構造穩定，周圍無大型水庫、礦山采空區、降雨聚水區、大型抽水站且10 km 以內未見較大斷裂。水位觀測期間在崇明區發生過兩次地震，即2017-01-26 的ML0.8 地震和2017-05-25 的ML1.3 地震，地震當天水位數據沒有記錄到地震前兆信息，記錄到的信息仍為日常下降型臺階水位異常。由此可知，并不是地震活動引起，也并非受地質構造的影響。

2.2 觀測系統檢查

觀測儀器運行狀況、線路、電壓等因素可以引起異常變化。通過總結以往經驗，崇明臺存在以下干擾：儀器故障、傳感器故障、外線路故障、數采故障、電源故障以及停電等。而這些故障造成的影響往往是單點突跳、毛刺、數據格式錯誤以及斷記等，不會出現上文中有規律的臺階狀干擾。現場校測水位埋深為13.63 m，而監測系統記錄的水位分量為13.61 m，誤差在允許范圍之內，符合技術規范要求；其他技術指標也均符合要求。此外，同井抽水時水泵的開啟與關閉的瞬間可能會由于電壓不穩導致水位突變。但是經仔細分析發現，這種情況下水位會在短時間內恢復至與原水位相似的高度，而不會出現本文中“下降—幾個小時的平衡階段—恢復到原始高度”的情況，所以排除水泵閉合瞬間電壓不穩造成的影響，從而排除觀測系統的影響。

2.3 地下水開采與補給情況分析

地下水的開采是影響地下水位變化的重要因素。本文對2016 年以來新井周圍5 km 內的開采井進行了調查。發現距崇明新井約300 m 處的三烈中學內有一個575.25 m 深的井，該井原為測震專用井，成井后，由于技術指標不達標等問題而廢棄，現作為水位、水溫觀測點。除此之外周圍無開采井。當地居民的飲用水現為長江原水，農田灌溉用水為地表水，新井周圍無同層開采井。

地下水的補給是影響地下水位變化的另一個重要因素，當地地下水的補給主要來自降雨。收集2017-06-01—2017-07-31 該區降雨資料。崇明新井水位和降雨量變化關系曲線如圖1 所示。從時間上來說，降雨與水位變化并非一一對應。從降雨的量來分析，也不足以因此這么大幅度的水位變化。加之，該井是深水井本身受地表降水影響也不大，可排除降雨因素的影響。

圖1 崇明新井水位與降雨量變化曲線

2.4 水位異常與抽水

崇明新井在用于觀測水位的同時也作為水氡觀測井，所以每天都會進行抽水操作。從成因上分析臺階的下降和恢復過程符合抽水過程造成的影響，且抽水的起止時間和臺階出現的時間大體相符合。為了進一步驗證臺階的產生是不是由于抽水造成的，又做了如下實驗。臺階型水位隨水泵開閉時間的變化情況如圖2 所示。

開泵時間不變：在開泵時間不變的情況下，觀察臺階出現的情況。將2017-06-01—2017-06-15 每天開泵的時間都設置為5：21：00—8：51：00。研究發現臺階出現的時間與開泵時間同步，如圖2（a）所示。

開泵時間變化：從2017-06—2017-12，每個月月初將開泵時間提前1 min，開泵時長不變，如圖2（b）所示。發現下降型臺階出現和終止的時間也隨著開泵時間發生相應變化（為了使圖形更清晰，所以圖2（b）中只放了2017-06-01、08-01、10-01 和12-01 的，所以在圖上開泵時間顯示的時差是2 min）。

綜上所述，崇明新井深層水位出現的臺階變化可判定為干擾異常，干擾是由于水氡觀測時抽水所致。抽水造成的下降型臺階主要分為三個過程：第一階段從開始抽水到水位穩定，此時抽水一直持續進行；第二階段是整個過程中地下水位已經達到并且維持穩定的一個階段，此時水位曲線中的固體潮開始恢復；第三階段是停止抽水后水位的恢復階段。

圖2 臺階型水位隨水泵開閉時間的變化情況

3 改進措施

明確原因以后，在盡量不改變現有觀測條件基礎上，為保證水位觀測質量，提出一個解決臺階問題的方案——連續開泵，持續抽水。開始抽水時，抽水量大于補給量所以水位下降得很快。隨著水位的繼續降低，周圍水的補給量越來越大也越來越快，當抽水量等于補給量時，水位達到穩定狀態，水位不再降低，此時水位記錄的固體潮恢復。如果再持續抽水，那么抽水造成的影響就相當于在沒抽水時水位數據減去一個基線值，在此基礎上記錄的水位就相當于靜水位。通過連續開泵，持續抽水實驗，可以看出臺階問題得到了解決并且固體潮信息記錄很清晰，如圖3 所示。

圖3 連續抽水時的水位變化

為了驗證連續抽水這段時間記錄的固體潮信息是否可靠。崇明新井水位的觀測層位與距其300 m 的三烈中學井距崇明新井的觀測層位相同且距離較近，把連續抽水這段時間的水位變化趨勢和三烈中學井水位的變化趨勢作對比，如圖4 所示。結果發現變化趨勢一致。這也說明了持續抽水過程中記錄的固體潮信息是可靠的。

圖4 崇明新井持續抽水時水位與三烈中學井水位記錄的固體潮信息對比

4 結語

崇明臺新井水位出現的臺階可判定為干擾異常，干擾是由水氡觀測時抽水所致。抽水造成的下降型臺階主要分為三個過程：第一階段從開始抽水到水位穩定，此時抽水一直持續進行；第二階段是整個過程中地下水位已經達到并且維持穩定的一個階段，此時水位曲線中的固體潮開始恢復；第三階段是停止抽水后水位的恢復階段。明確干擾原因以后，提出一個解決臺階問題的方案——連續開泵，持續抽水，在不改變現有觀測條件的基礎上很好解決了抽水造成干擾，對日后分析前兆異常具重要的指導意義。