長沙井數字化水位觀測資料典型干擾分析

沈 平，田優平，敬少群，康承旭

（湖南省地震局，湖南 長沙 410004）

0 引言

地下水位對地殼介質應力應變反映靈敏，一直以來是地震地下流體觀測的重要手段之一。地下水位的動態特征能夠直接或間接地反映地震活動的發展過程，但有時候地下水位的變化并不是由地震活動引起[1]。數字化地下水位觀測經常受到各種干擾因素的影響，相應引起的干擾特征也各不相同。只有排除了各種干擾異常才能有效抓住地震前兆異常。因此，理清各類干擾源及其干擾特征，分析各類干擾因素對地下水位正常動態產生的影響，以便更加準確有效地識別與排除干擾異常信息，是地震監測預報工作的重要環節，對成功判定地震前兆異常具有重要意義。

本文通過對近年來湖南長沙數字化井水位在日常觀測中可能遇到的各類干擾因素進行總結，歸納水位觀測數據曲線的不同干擾特征，分析不同干擾源與水位變化的相關性，以期為異常核實和地震預測研究工作提供一些參考。

1 長沙井觀測概況

長沙井為長沙地震臺的地下流體綜合觀測井，同時進行水位、水溫和氣氡觀測。長沙地震臺位于揚子準臺地與華南褶皺系的交匯部位，處于長樂盆地南端，長壽—永安斷裂北西側，岳麓山背斜東翼。距離臺站最近斷裂為臺址西側的白鶴泉斷裂，僅100m 左右，斷裂寬約5m，沿斷裂線有泉水涌出（圖1）。長沙井為動水位觀測，地面標高56m，井深273m，井孔套管口徑146mm，套管長53m。該井于2002 年開始數字化觀測，主要觀測層為深度97m 以下的石英砂巖裂隙承壓含水層。長沙井孔柱狀圖如圖2 所示。

圖1 長沙地震臺附近地質構造圖Fig.1 Geological structure map of Changsha Seismic Station

圖2 長沙井柱狀剖面圖Fig.2 Columnar section of Changsha well

2 長沙井水位的正常動態變化

自數字化觀測以來，長沙井觀測到的水位分鐘值曲線光滑，固體潮清晰，日變規律非常明顯，記錄到的日波與半日波都比較完整，呈現出較好的周期性特征（圖3b）。另外，長沙井水位氣壓效應明顯，與大氣壓呈時間滯后線性負相關關系（圖3a）。

圖3 長沙井氣壓和水位觀測曲線（2011 年5 月）Fig.3 Water leveland air pressure curve of Changsha well（May，2011）

3 觀測資料影響因素分析

多年觀測資料數據變化表明，引起長沙井數字化水位異常變化的干擾因素主要包括以下4 類，分別為自然環境、人為干擾、觀測技術系統以及地球物理事件等。其中，自然環境干擾主要包括氣壓、強降雨和雷電等；人為干擾主要包括更換儀器、清理排水管路、調節氣氡進水量等；觀測系統干擾主要包括儀器故障、電源干擾、電壓不穩等；地球物理事件主要為同震響應。

3.1 自然環境干擾

3.1.1 氣壓突變干擾

車用太等[2]研究認為，承壓井水位對大氣壓力的響應，是由于井孔中水所承受的大氣壓力增（減）量大于含水層中水的孔隙壓力增（減）量，井-含水層系統為達到力平衡而引起水的互相滲流，從而引起井水位的改變。具體表現為井水位隨著氣壓的增大而下降，隨著氣壓減小而上升[2]。

長沙井水位受到氣壓突變的影響比較明顯。2019 年 4 月 25 日 4 時 26 分，長沙井氣壓突然急劇下降，然后上升，隨后又經歷了幾次小幅的下降—上升變化，之后慢慢恢復至正常的日變形態（圖4）。與此同時，受氣壓突變影響，長沙井水位也先后經歷了幾次上升—下降的轉折變化，與氣壓變化呈負相關。4 月26 日17 時35 分，長沙井的氣壓和水位觀測數據曲線再次出現明顯的同步反向畸變現象。

圖4 氣壓變化對長沙井水位的影響曲線Fig.4 The influence curve of water level in Changsha well caused by air pressure

3.1.2 強降雨干擾

有研究指出，大氣降雨主要通過降水滲入補給以及地表荷載兩種方式影響井水位的變化。淺井的水位變化主要受前者作用影響，深井的水位變化主要受后者作用影響[3]。降雨干擾的具體表現為水位日變曲線出現畸變，呈壓性上升變化。

長沙水位觀測井多年觀測資料表明，由于長沙井的封閉條件較好，其周圍發生一般的日常降雨時，并不會引起長沙井水位的上升變化。而持續性或大幅度降雨，水位則會受到影響。如2017 年6 月30 日至7 月 1 日，長沙市出現多年罕見大暴雨天氣，局地3 小時降雨量達100 毫米。長沙井水位觀測數據在此次大暴雨過程中也出現了明顯的異常變化（圖5）。水位數據隨著短時強降雨的開始而上升，隨著短時強降雨的結束而下降，表現為一個向上的脈沖變化，但幅度不大。而且，從長沙井水位與降雨量的對比曲線來看，6 月30 日出現的脈沖持續時間明顯大于其它幾次的持續時間，這主要與短時降雨量大小有關。降雨量的大小與脈沖持續時間呈正相關關系。另外，受這兩天大暴雨天氣的影響，長沙井水位總體表現為緩慢上升的趨勢。

圖5 強降雨對長沙井水位的影響曲線（2017 年6 月30 日—7 月 1 日）Fig.5 The influence curve of water level in Changsha well caused by heavy rainfall

3.1.3 雷電干擾

數字化觀測儀器在遇到大的電壓波動、強雷暴干擾等時都可能會對其正常工作產生較大影響，有時甚至會損毀儀器[4]。井水位觀測值受到雷電干擾主要是由強雷暴前氣溫和氣壓突變引起，但這種干擾變化一般持續時間較短，容易識別。2018 年7 月24 日17 時2 分長沙出現短時強對流天氣，電閃雷鳴，長沙井數字化水位觀測曲線同步出現先降后升的變化，呈“V”形，雷擊過后曲線恢復正常（圖6）。總的來說，雷電對水位觀測資料的影響時間較短，不會對水位的總體變化趨勢造成影響。

圖6 雷電干擾對長沙井水位的影響曲線Fig.6 The influence curve of water level in Changsha well caused by thunder and lightning

3.2 人為干擾

井房改造、儀器維修與更換、水溫梯度測量等都會對水位觀測數據造成人為干擾。長沙井因為同時進行水位、水溫、氣氡觀測，其中任一儀器出現故障進行檢查或維修時，均會對水位觀測數據造成不同程度的干擾。特別是前幾年長沙井的氣氡儀經常出現故障，且于2018年更換了新氣氡儀，并對井房進行了施工改造，這期間對長沙井的水位觀測數據造成了多次人為干擾。

圖7-10 分別是長沙井安裝氣氡儀、井房施工改造、清理排水管路、調節氣氡進水量對長沙井水位觀測曲線造成的干擾曲線。2018 年12月19 日，因原有氣氡儀故障，長沙井重新安裝新氣氡儀，導致水位觀測曲線快速下降接近0.2m，隨后又發生3 次轉折變化，水位數據變化曲線呈“W”形。2018 年10 月16 日-17 日，長沙井水房進行施工改造，引起長沙井水位兩次較大的脈沖變化，一次為上升脈沖，一次為下降脈沖，幅度均為0.5m 左右。2017 年7 月24 日，長沙井因排水管堵塞導致水位上升。對排水管進行清理之后，水位觀測曲線迅速下降，接連產生一大一小2 個下降臺階，幅度分別為0.15m 和 0.06m 左右。2016 年 10 月 29 日，因調節氣氡儀進水量，導致長沙井水位觀測曲線產生多次突跳和臺階變化，突跳幅度最大約為0.01m。因為人為干擾的因素一般都是短期和暫時的，故此類干擾具有異常變化突然、異常變化幅度較大且持續時間短等特點，比較容易識別。

圖7 安裝氣氡儀引起的干擾Fig.7 Interference caused by installingradon meter

圖8 井房施工改造引起的干擾Fig.8 Interference caused by construction and renovation of borehole

圖9 清理排水管路引起的干擾圖Fig.9 Interference caused by cleaning up the drain pipe

圖10 調節氣氡進水量引起的干擾Fig.10 Interference caused by regulating the amount of radon inflow

3.3 觀測系統故障干擾

觀測技術系統由供電、采集、存儲和傳輸數據等環節組成，其中任一環節出現問題，均會對觀測資料產生影響。觀測系統故障干擾具有隨機、異常變化幅度大和持續時間長等特點。長沙井觀測系統干擾主要包括以下幾個方面。

（1）排水管堵塞。長沙井因為是動水位觀測，前幾年由于井口銹蝕，時有排水管堵塞現象發生，由此引起的水位觀測曲線臺階現象經常出現。對井孔進行了清洗改造之后，此種干擾才逐漸減少。排水管堵塞會引起水位突然升高，產生一個向上的臺階，在清理完排水管之后，水位觀測曲線會馬上下降，產生一個向下的臺階，但同時會對水位的背景變化值產生影響（圖11），水位一般不會繼續在原來的背景值范圍內變化。

圖11 排水管堵塞引起的干擾Fig.11 Interference caused by the blocked drain

（2）探頭松動。2018 年8 月18 日，長沙井水位探頭發生松動，導致觀測曲線產生一個0.05m 左右的下降臺階（圖12）。探頭松動引起的干擾與清理排水管路的干擾曲線特征有些類似，都會使水位觀測曲線在極短時間內產生較大的臺階變化。

圖12 水位探頭松動引起的干擾Fig.12 Interference caused by the loosening of water level probe

（3）供電故障。供電故障經常影響數字化水位觀測儀的正常運行，造成記錄中斷或數據干擾。2017 年3 月7 日，長沙井因UPS 突然發生故障，造成水位觀測數據斷記（圖13）。恢復供電后因有疊加的電壓脈沖伴隨，在水位觀測曲線上產生突跳干擾，隨后水位數值從突跳值開始回落，直至恢復正常變化水平。

圖13 供電故障引起的干擾Fig.13 Interference caused by power supply failure

3.4 地球物理事件

長沙井水位記錄到的地球物理事件主要是地震的同震響應。對于前兆分析而言，這種同震響應相對于正常的觀測曲線來說也屬于一種干擾因素。長沙井是湖南地區井水位觀測點中記錄地震最為靈敏的水位觀測井，主要原因為長沙井是承壓自流水，且觀測含水層巖性為石英砂巖[5]。

長沙井水位記錄到的同震響應形態主要有振蕩型、脈沖型和階變型三種類型[6]（圖14）。據統計，自數字化以來，長沙井水位對全球80%的7.0 級以上遠大地震均記錄到了振蕩型同震響應，同震水震波雙振幅范圍為5～1513mm，水震波持續時間長短不一。長沙井水位記錄到的脈沖型同震響應較少，包括突升脈沖和突降脈沖兩種類型。脈沖持續時間一般較短，脈沖幅度范圍為5～185mm。長沙井水位記錄到的階變型同震響應會引起水位觀測曲線在階變產生的新背景值上波動。

圖14 長沙井水位的同震響應曲線Fig.14 Co-seismic response curve of water level in Changsha well

4 結論

本文從自然環境、人為因素、觀測技術系統、地球物理事件等方面總結長沙井水位在日常觀測中可能遇到的各類干擾因素，并對不同干擾因素引起的干擾特征進行了分析，得到以下結論：

（1）長沙井水位無干擾時觀測曲線噪聲較低，日變規律明顯，可清晰地記錄到地球固體潮，半日波與日波較為完整。

（2）長沙井水位受到的自然環境干擾主要有氣壓、降雨和雷電等。氣壓變化與水位變化呈負相關關系；降雨量大小與水位變化呈正相關關系；雷電干擾對水位觀測資料的影響時間較短，不會對水位總體趨勢造成影響。

（3）長沙井水位受到的人為干擾主要包括更換同井觀測儀器、井房改造、清理排水管路和調節氣氡進水量等。這類干擾具有異常變化突然、幅度大且持續時間短等特點，比較容易識別。

（4）長沙井水位受到的觀測系統故障干擾主要為排水管堵塞和供電故障。對長沙井進行改造之后，排水管堵塞引起的干擾有所減少。觀測系統類的干擾具有時間隨機、幅度大且持續時間長等特點。

（5）長沙井水位受到的地球物理事件干擾主要為同震響應，其類型有振蕩型、脈沖型和階變型。這三種同震響應類型引起的水位變化特征各不相同。

5 認識

（1）數字化水位儀在觀測過程中遇到的干擾多種多樣，干擾原因各不相同，干擾形態也千差萬別。在實際工作中還存在一些難以找到干擾源的異常圖像。因此，歸納總結觀測數據曲線的不同干擾特征，提取可靠的地震前兆信息，仍是我們今后努力的目標。

（2）目前，對地下水位的干擾異常分析僅局限于宏觀分析，關于各類干擾因素對井水位動態影響程度的定量分析較少。因此，加強各類干擾因素對井水位動態影響程度的分析，是下一步研究工作的重點。

（3）地震臺站工作人員對儀器精心維護、對干擾情況進行認真細致記錄，以高度的責任心做好臺站每一項基礎工作，是地震分析預報人員能夠準確有效地提取地震前兆異常信息的重要前提。