蚌埠監(jiān)測(cè)中心井水位長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)升高成因分析＊

石小磊 李良輝 王 俊 張偉峰 肖 攀 潘 潔 杜默然

1) 蚌埠市地震局地震監(jiān)測(cè)中心，安徽蚌埠 233000

2) 安徽省地震局，合肥 230031

引言

井水位作為流體學(xué)科重要的觀測(cè)物理量，是最有敏感性的前兆觀測(cè)手段之一，主要受大氣降水、氣壓、固體潮、地應(yīng)力等多種因素制約[1-2]。多位學(xué)者對(duì)降雨、氣壓、固體潮、地應(yīng)力等因素對(duì)水位影響做過(guò)大量科學(xué)研究，尤其是在氣象因素方面，對(duì)降雨與水位變化關(guān)系的分析最多，認(rèn)為降雨是影響水位變化的一個(gè)主要因素[3-7]。由于水位受降雨影響的形成機(jī)理較為復(fù)雜，定量排除降雨干擾就成了一個(gè)難題。劉錦等[8]在排除降雨干擾方面做了大量研究，例如同時(shí)對(duì)水位升高期間中的長(zhǎng)時(shí)升高和短時(shí)升高兩種情況分別進(jìn)行回歸分析。由于監(jiān)測(cè)中心井水位長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)升高比較顯著，因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)2017—2020年水位10次明顯的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)升高進(jìn)行分析，以不同時(shí)段降雨量作為自變量，建立水位與不同時(shí)段降雨量的多元回歸方程，來(lái)判斷降雨量與水位升高的顯著性，同時(shí)選取蚌埠周邊ML2.5以上地震目錄進(jìn)行分析，檢驗(yàn)這一結(jié)果的可靠性，從而為蚌埠監(jiān)測(cè)中心井水位數(shù)據(jù)的日常分析提供更加科學(xué)準(zhǔn)確的排除降雨干擾的方法。

1 蚌埠區(qū)域地質(zhì)背景

蚌埠監(jiān)測(cè)中心井位于經(jīng)燕山路虎山西路300 m處，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造單元屬于中朝淮地臺(tái)華北地塊南緣蚌埠臺(tái)穹，郯廬大斷裂的西側(cè)，次級(jí)斷裂較發(fā)育。區(qū)域地層屬華北地層大區(qū)、晉冀魯豫地層區(qū)徐淮底層分區(qū)。蚌埠基底主要為蚌埠期的混合花崗巖、混合花崗閃長(zhǎng)巖等，東西兩側(cè)及南部分布為上太古界五河雜巖的一套沉積變質(zhì)巖。本區(qū)位于江淮波狀平原水文地質(zhì)區(qū)中北緣，含水巖組主要為塊狀（巖體）裂隙水，富水性弱，當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面標(biāo)高約13 m。

2 蚌埠監(jiān)測(cè)中心井觀測(cè)條件

該井地處老虎山巖體中東部，地形地貌上屬老虎山東南坡平地。水井位于兩個(gè)斷層之間，蚌埠復(fù)背斜軸跡的南側(cè)，地質(zhì)構(gòu)造位置較好。井孔深115—201 m為本井主要觀測(cè)含水層段，為承壓水，水位埋深17.8 m，取基巖中的裂隙水。水井取水段地下水主要接受上部風(fēng)化帶孔隙裂隙水和區(qū)域地下水的側(cè)向補(bǔ)給，受兩側(cè)斷層影響，地下水的側(cè)向補(bǔ)給主要來(lái)自南、南西方向深部地下水的徑流。排泄以側(cè)向徑流為主，流向北、北東。蚌埠監(jiān)測(cè)中心井水位觀測(cè)使用SWY-Ⅱ型數(shù)字化水位儀觀測(cè)，觀測(cè)質(zhì)量較好，數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。

3 水位上升與降雨的回歸分析

降雨是水位觀測(cè)中的一個(gè)復(fù)雜因素，不同時(shí)期雨量、不同地區(qū)的分布、雨量的大小和不同的速率對(duì)水位都會(huì)產(chǎn)生不同的影響效應(yīng)，而在降雨的過(guò)程中，雨水滲入又受水文地質(zhì)、地形地貌、植被、包氣帶的厚度、透水性、含水量等的影響，因此，在數(shù)據(jù)選擇和處理分析中都需要考慮這些因素[9-10]。區(qū)域水文地質(zhì)因素是較難考慮到的方面，因此，在數(shù)據(jù)選擇上盡量選擇誤差小的參數(shù)進(jìn)行分析。本文利用因變量水位與5個(gè)自變量進(jìn)行回歸分析，統(tǒng)計(jì)了降雨量大小、降雨持續(xù)時(shí)間等氣象因素與水位變化的關(guān)系，分析了蚌埠監(jiān)測(cè)中心井水位10次長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)升高原因，來(lái)研究蚌埠地區(qū)近年來(lái)長(zhǎng)時(shí)間降雨對(duì)水位的影響。

3.1 數(shù)據(jù)處理

水位觀測(cè)曲線在雨季大多數(shù)會(huì)出現(xiàn)持續(xù)升高現(xiàn)象，本文選取水位升高期間降雨量、降雨持續(xù)時(shí)間、最大單日降雨量、最高水位和升高前期降雨量5個(gè)自變量對(duì)水位升高幅度因變量進(jìn)行多元回歸分析。來(lái)研究2017—2020年監(jiān)測(cè)中心井水位的10次水位長(zhǎng)時(shí)間上升期間水位和降雨數(shù)據(jù)（圖1）。

圖1 蚌埠監(jiān)測(cè)中心井水位與降雨對(duì)比圖（2017—2020年）Fig. 1 Comparison of well water level with rainfall in Bengbu Monitoring Center （2017—2020）

由于降雨對(duì)水位的影響在時(shí)間上有些滯后，因此，在計(jì)算水位與降雨的相關(guān)系數(shù)時(shí)，在降雨量時(shí)間段的統(tǒng)計(jì)上進(jìn)行更準(zhǔn)確的劃定。通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析后發(fā)現(xiàn)，水位升高期間降雨量表現(xiàn)出從水位開(kāi)始上升前2天到水位上升結(jié)束前2天與水位的相關(guān)系數(shù)最大，因此，文中對(duì)升高期間降雨量劃定為水位上升開(kāi)始前2天至水位結(jié)束上升前2天。而水位升高還需要考慮升高前期降雨量，前期降雨量這一自變量對(duì)蚌埠監(jiān)測(cè)中心井的影響較為復(fù)雜，通過(guò)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算，認(rèn)為水位升高前25天至上升前3天的相關(guān)性最好，因此，文中把升高前期降雨量的時(shí)間段劃定為升高開(kāi)始前25天至上升開(kāi)始前3天。同時(shí)需要考慮最大單日降雨量和升高階段最高水位與持續(xù)時(shí)間等相關(guān)影響因素。

3.2 回歸分析

由圖2，表1可以看出，2017—2020年10次水位長(zhǎng)時(shí)間上升期間，監(jiān)測(cè)中心水位升高天數(shù)最長(zhǎng)一次達(dá)到76天，降雨量最高達(dá)到409.6 mm，水位升高幅度最高達(dá)到了2.3 m，用表1中10次水位升高期間的數(shù)據(jù)與多個(gè)參數(shù)之間建立了回歸方程：

表1 10次水位升高幅度與降雨參數(shù)的數(shù)值變化Table 1 The amplitude of 10 water level rises and the numerical variation of rainfall parameters

圖2 水位升高幅度和5個(gè)自變量之間的影響關(guān)系Fig. 2 The influential relationship between the height of water level rise and five independent variables

式中，Y表示水位升高幅度；x1表示水位升高持續(xù)時(shí)間；x2表示升高階段最高水位；x3表示水位上升期間降雨量；x4表示最大單日降雨量；x5表示升高前期降雨量。

模型R方值為0.967，意味著降雨對(duì)水位升高的影響比例達(dá)到96.7%，其中，對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，p值為0.005小于0.05，回歸方程是顯著的，也即說(shuō)明模型構(gòu)建有意義。

根據(jù)回歸方程計(jì)算得出，升高持續(xù)時(shí)間的回歸系數(shù)為-0.008（t=-1.659，p=0.173>0.05），意味著升高持續(xù)時(shí)間并不會(huì)對(duì)水位升高幅度產(chǎn)生影響。水位升高階段最高水位的回歸系數(shù)為0.450（t=3.017，p=0.039<0.05），意味著水位升高階段最高水位會(huì)對(duì)水位升高幅度產(chǎn)生顯著的正向影響。上升期間降雨量的回歸系數(shù)為0.006（t=5.832，p=0.004<0.01），意味著上升期間降雨量會(huì)對(duì)水位升高幅度產(chǎn)生顯著的正向影響。最大單日降雨量的回歸系數(shù)為-0.005（t=-1.852，p=0.138>0.05），意味著最大單日降雨量并不會(huì)對(duì)水位升高幅度產(chǎn)生影響。升高前期降雨量的回歸系數(shù)為0.002（t=1.419，p=0.229>0.05），意味著升高前期降雨量并不會(huì)對(duì)水位升高幅度產(chǎn)生影響。因此，總結(jié)分析可知，只有升高階段最高水位和上升期間降雨量會(huì)對(duì)水位升高幅度產(chǎn)生顯著的正向影響。而升高持續(xù)時(shí)間、最大單日降雨量和升高前期降雨量并不會(huì)對(duì)水位升高幅度產(chǎn)生影響。根據(jù)回歸方程結(jié)果，上升期間降雨量這一因素只能解釋水位短時(shí)升高而不能解釋水位長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)升高，需考慮蚌埠監(jiān)測(cè)中心井水位的升高在受到降雨短時(shí)影響的同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)升高是否和蚌埠及周?chē)貐^(qū)地震前后區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化相關(guān)。

4 震例分析

由于蚌埠及周邊地區(qū)歷史地震以小震為主，因此，文中選取安徽省地震臺(tái)網(wǎng)中心2017年1月1日—2020年12月30日蚌埠周邊ML2.5以上地震目錄。判定水位長(zhǎng)時(shí)間上升是由上升期間降雨量增加引起的，還是由地震前后區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化而引起的地殼應(yīng)力年度積累變化釋放的前兆信息變化，本文在此做進(jìn)一步的分析研究。

蚌埠及周邊地區(qū)處于郯廬斷裂帶上，由圖3可見(jiàn)，2017—2019年期間，本地區(qū)地震活動(dòng)以小震活動(dòng)為主，地震頻次逐年上升，到2020年頻次減弱。從發(fā)震間隔時(shí)間和水位持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)圖可以看出，在水位長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)上升31—77天時(shí)，蚌埠區(qū)域發(fā)生地震的可能性較大。2017年發(fā)震間隔時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)到193天，2018—2019年發(fā)震時(shí)間間隔縮短，平均87天發(fā)生一次ML2.5地震，到2020年地震能量釋放減緩，最長(zhǎng)發(fā)震時(shí)間間隔達(dá)到343天。所以，在這一時(shí)間尺度內(nèi)蚌埠區(qū)域地震活動(dòng)表現(xiàn)出平緩—逐漸增強(qiáng)—增強(qiáng)—減弱的發(fā)震規(guī)律特點(diǎn)，而水位在此期間表現(xiàn)出2017年1次長(zhǎng)時(shí)升高（平緩）、2018年3次長(zhǎng)時(shí)升高（逐漸增強(qiáng)）、2019年4次長(zhǎng)時(shí)升高（增強(qiáng)）和2020年3次長(zhǎng)時(shí)升高（減弱）的對(duì)應(yīng)變化規(guī)律，這可以說(shuō)明蚌埠監(jiān)測(cè)中心水位長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)上升除受到降雨影響外，主要還受到地殼應(yīng)力變化的影響。

圖3 2017—2020年蚌埠周邊發(fā)生的ML≥2.5地震的M-t圖和發(fā)震時(shí)間間隔圖Fig. 3M-t diagram and time interval diagram of earthquakes withML≥2.5 around Bengbu between 2017—2020

從圖4震中分布圖可以看出，這14次地震震中均沿郯廬斷裂帶分布，因此，判斷蚌埠及周邊地區(qū)的地震活動(dòng)主要是受郯廬斷裂帶地殼應(yīng)力變化的影響。為了探索地震活動(dòng)和觀測(cè)井水位動(dòng)態(tài)變化之間的關(guān)系，首先剔除升高持續(xù)時(shí)間、最大單日降雨量和升高前期降雨量的干擾因素后，利用回歸方程提取出升高期間最高水位和升高期間降雨量對(duì)水位升高幅度的有效影響，結(jié)合歷史震例探究蚌埠及周邊地區(qū)地殼應(yīng)力釋放規(guī)律，進(jìn)一步解釋水位長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)升高的原因，研判蚌埠及周邊地區(qū)地震活動(dòng)趨勢(shì)及地震活動(dòng)水平是否增強(qiáng)或減弱。通過(guò)研究分析得出，蚌埠監(jiān)測(cè)中心井水位動(dòng)態(tài)變化能在一定程度上反映郯廬斷裂帶地震活動(dòng)的水平。

圖4 蚌埠及周邊地區(qū)ML2.5以上地震震中分布圖Fig. 4 Epicenter distribution map aboveML2.5 in Bengbu and its surrounding areas

5 結(jié)論和討論

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)蚌埠監(jiān)測(cè)中心2017—2020年水位10次長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)升高這種情況進(jìn)行分析研究，選取水位升高期間降雨量、降雨持續(xù)時(shí)間、最大單日降雨量、最高水位和升高前期降雨量5個(gè)自變量對(duì)水位升高幅度因變量進(jìn)行多元回歸分析，并建立了水位與降雨參數(shù)之間的回歸方程。其中升高階段最高水位和上升期間降雨量與水位升高幅度存在顯著的正向相關(guān)關(guān)系，而水位升高持續(xù)時(shí)間、最大單日降雨量和升高前期降雨量這3個(gè)自變量對(duì)水位升高幅度影響都不顯著。可見(jiàn)水位長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)升高與降雨有一定的關(guān)系，但可能不是影響水位長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)升高的唯一因素。結(jié)合蚌埠周邊ML2.5以上地震目錄與蚌埠地區(qū)地殼應(yīng)力釋放規(guī)律進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水位長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)升高的規(guī)律與地震頻次發(fā)生規(guī)律相對(duì)應(yīng)，因此，水位長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)升高可能不是受降雨這一單一因素影響的，應(yīng)該是降雨和蚌埠地區(qū)地震前后區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化共同作用的結(jié)果。