西吉王民井?dāng)?shù)字化水位動態(tài)變化的影響因素分析

朱鵬濤,沈 寧,李自芮,馬禾青

（1.寧夏回族自治區(qū)地震局,銀川 750001；2.寧夏回族自治區(qū)地震局銀川基準(zhǔn)臺,銀川 750001）

0 引言

地下水的基本特性是上地殼中廣泛存在,具有流動性,對上地殼中發(fā)生的各種地殼動力作用的響應(yīng)具有靈敏性,其動態(tài)對地震活動與構(gòu)造活動的響應(yīng)十分靈敏,同時受多種自然環(huán)境的影響也較大。因此,提高利用地下水動態(tài)預(yù)測地震的效能,必須不斷強化地下水異常調(diào)查與落實的工作力度,力爭事前能夠識別和排除各種干擾異常,并對其前兆異常性質(zhì)做出肯定的確認(rèn)[1]。首先,確定地下水的主要干擾因素,一般可分為兩類,一類是通過含水層水量變化引起的水位變化（其主要因素是降雨和開采）；另一類是含水層應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)改變引起的水位變化,例如氣壓、固體潮、地面荷載、地震波等附加應(yīng)力對含水層的影響[2]。井水位觀測一直被看作是用于地震預(yù)測、預(yù)報的有效手段之一[3],在排除干擾異常之后,研究震例是確定地震前兆異常的重要手段,通過大量的震例表明在許多地震前可以觀測到井水位的異常變化。因此,本文仔細分析研究西吉王民井水位的變化影響因素,期望研究成果對今后的地震預(yù)報有著重要的意義。

1 井孔基礎(chǔ)資料

1.1 井周邊水文地質(zhì)條件

西吉王民井觀測含水層為第三系向斜承壓水,巖性為砂巖。由月亮山區(qū)的大氣降水和基巖裂隙水補給。地下水補給源遠,徑流途徑長,受地表水干擾小,溝谷地帶一般為富水性地帶。在觀測井東側(cè)有一隱伏斷裂從區(qū)域穿過,且斷錯了中新統(tǒng)（N1）泥質(zhì)砂巖與砂質(zhì)泥巖和漸新統(tǒng)（E3）的泥巖等。

1.2 井孔基本情況

西吉王民井是寧夏地質(zhì)局第二水文隊于1982年9月16日在水文地質(zhì)普查工作中建成的普查井。井層底深357.62 m,現(xiàn)有井深351.20 m,水位埋深10.16 m,套管直徑127 mm,套管深 度326.44 m,水 溫12.0 ℃。1984年 成 為 地震水位觀測專用井,架設(shè)SW40-1型水位自記儀觀測,2007年6月對該觀測儀器進行數(shù)字化改造,使用LN-3A水位儀和SZW-1A水溫儀進行觀測,配有氣溫、氣壓和降雨等輔助觀測項目。水位探頭投放深度為16.00 m；水溫探頭投放深度為180 m。同時安裝了公用數(shù)字化通信設(shè)備、供電、避雷等系統(tǒng)。水位觀測段位于井下225.50～324.80 m間,過濾管位于井下225.50～324.80 m間。周圍10 km無其它水井抽水干擾,觀測條件比較理想。

2 水位影響因素分析

2.1 水位對氣壓的響應(yīng)

2.1.1 頻譜分析

將時域信號變換至頻域加以分析的方法稱為頻譜分析。頻譜分析的目的是把復(fù)雜的時間歷程波形,經(jīng)過傅里葉變換分解為若干單一的諧波分量來研究,以獲得信號的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波和相位信息。選取2008年數(shù)字化正式觀測以來,王民井2個不同時段（2012年1月至3月、2017年1月至3月）的水位整點值數(shù)據(jù),得到該井水位2時段的頻譜結(jié)果（圖1）,通過頻譜分析發(fā)現(xiàn),引起王民水位變化的主要潮汐分波有M2波、S2波、O1波、K1波。其中,S2波和K1波由氣壓引起。

2.1.2 回歸分析

（1） 線性回歸分析

線性回歸是利用稱為線性回歸方程的最小平方函數(shù)對一個或多個自變量和因變量之間關(guān)系進行建模的一種回歸分析。選枯水期兩個月（2018年11月—12月）水位整點值作為因變量與氣壓做線性回歸計算,從置信水平95%條件下的回歸結(jié)果看,水位和氣壓存在明顯的負相關(guān),并得到相關(guān)系數(shù)R=-0.813（圖2）,從而得到氣壓對水位有一定的影響。

圖1 王民井2時段內(nèi),原始水位的主要潮汐分波振幅譜Fig.1 The main tidal partial wave amplitude spectrum of the original water level in the 2nd period of Wangmin well

圖2 2018年11—12月剔除氣壓（a）、擬合結(jié)果（b）及王民水位（c）對比曲線Fig.2 Contrast curves of rejecting air pressure (a), fitting result (b) and Wangmin water level (c) from November to December in 2018

（2）卷積回歸分析

考慮水位與氣壓間的非線性關(guān)系及滯后時間的卷積回歸法,已成為近年來氣壓校正的主要方法之一[4-11]。該方法利用相對應(yīng)的水位、氣壓數(shù)據(jù)來擬合階躍響應(yīng)函數(shù)的最佳值,再由該最佳階躍響應(yīng)函數(shù)對水位進行校正,最終計算出校正后的水位。

井水位對氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù)可表示為：

式中,A(i)為井水位對氣壓的階躍響應(yīng)函數(shù),可由氣壓單位脈沖響應(yīng)函數(shù)α(i)累加求和得到。

校正后的水位可表示為：

選取2018年12月的水位整點值,通過兩種方法（線性回歸和卷積回歸）進行氣壓校正對比,兩種方法剔除氣壓之后的固體潮清晰,曲線變化形態(tài)一致（圖3）,再次證實西吉王民井水位受氣壓影響。

圖3 西吉王民兩種方法剔除氣壓之后的水位對比圖Fig.3 Comparison of the water level of Wangmin wella fter removing the air pressure by the two methods(dotted line is convolution regression, solid line is linear regression)

2.2 水位對降雨的響應(yīng)

西吉王民井水位數(shù)字化以來由于更換芯片,電瓶試驗以及更換儀器產(chǎn)生多個臺階,選取2013年以來變化相對平穩(wěn)的水位整點值進行分析。由于該井點的降雨輔助觀測資料不全,故向?qū)幭臍庀缶稚暾埼骷h降雨量月值（表1）,分析西吉王民水位與降雨量之間的相關(guān)性?？紤]到其他因素的影響,將原始水位進行去氣壓、固體潮及趨勢,用剩余水位與降雨量做對比分析,結(jié)果顯示該井水位與區(qū)域降雨有關(guān),降雨量增大時水位也上升（圖4）。進一步利用2013年以來西吉王民水位月均值與降雨量月值做線性回歸分析,得到相關(guān)系數(shù)（見表2）,從表2可以得到在2013年、2017年和2018年雨季降雨量比往年同期降雨量偏高的情況下,相關(guān)系數(shù)也相對較高。證實西吉王民水位的變化受降雨影響。

表1 西吉縣歷年降雨月值Table 1 Monthly rainfall value of Xiji County (according to Ningxia Meteorological Bureau)

表2 西吉王民水位月均值與降雨量月值之間相關(guān)性統(tǒng)計Table 2 Correlation statistics between the monthly mean value of the water level of Wangmin well and the monthly value of rainfall

圖4 2013年以來王民水位（a）、降雨量（b）對比曲線Fig.4 Comparison of Wangmin water level (a) and rainfall (b) since 2013

2.3 李馬河水庫對井水位的可能影響分析

2.3.1 水庫基本情況

李馬河水庫于2015年下半年開建,2016年下半年完工,位于西吉王民測點上游1.2 km處（東經(jīng)106°31′39.9”,北緯35°55′03.6”）,距西吉縣城50 km,距王民鄉(xiāng)東4.5 km。建設(shè)過程中開始蓄水,總庫容628萬m3,目前蓄水量30萬m3,主要用于農(nóng)田灌溉。集水面積54 km2,河道總長60.6 km,河道平均比降30.7‰,流域跨越甘肅、寧夏兩個省區(qū),涉及甘肅省靜寧縣的原安鄉(xiāng)和寧夏西吉縣的王民、平峰鄉(xiāng),共計8個行政村（原安鄉(xiāng)的陳義村、關(guān)音村,王民鄉(xiāng)的王民村、三岔村、學(xué)楊村、平峰鄉(xiāng)的金塘村、西坡村、張武村）。庫區(qū)屬黃土丘陵地貌單元。由于地殼運動及河流長期切割作用,使河谷形成“U”字型,兩岸并形成相稱的Ⅰ、Ⅱ級階地,并有數(shù)條沖溝發(fā)育,岸坡較陡。第三系基巖強風(fēng)化厚2 m,中等風(fēng)化3 m,庫區(qū)地形簡單,臨水面多形成陡坎。庫區(qū)地處黃土丘陵地貌單元,第四系堆積物較厚,兩岸山體高聳且寬厚,壤土屬弱透水層。

2.3.2 區(qū)域地形及高程變化情況

王民井處于典型的黃土溝壑區(qū)域,沖積溝發(fā)育,井水位變化受季節(jié)降雨影響較大。在觀測井SW方向的沖積溝內(nèi)有2016年上半年完工的李馬河水庫（圖5中的AA剖面）,主要用于農(nóng)田灌溉。值得注意的是,李馬河水庫所在的沖積溝（AA剖面）越接近觀測井,其海拔高度越低（也即王民井處于該沖積溝的下游）,更有利于降雨及地表水的匯集。位于觀測井北側(cè)稍遠的BB剖面,其海拔高度變化不明顯,且整體要比西南側(cè)的海拔高度低（圖6）。

圖5 王民井周邊地形及AA和BB剖面示意圖Fig.5 Schematic diagram of the surrounding terrain and AA and BB sections of Wangmin well

圖6 AA和BB剖面海拔高度變化情況Fig.6 Altitude changes of AA and BB profiles

結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件,西吉王民井觀測含水層為第三系向斜承壓水,巖性為砂巖,由月亮山區(qū)的大氣降水和基巖裂隙水補給。該井上游有利的地形條件和李馬河水庫的蓄水對井水位動態(tài)變化可能產(chǎn)生很大影響。也即王民井水位自2017年年初出現(xiàn)的下降速率變緩現(xiàn)象與李馬河水庫的蓄水可能有很大關(guān)系。

3 震例分析

西吉王民井自觀測以來,水位對發(fā)生在周邊300 km范圍內(nèi)的地震有一定映震能力。1990年10月20日和2000年6月6日先后在甘肅景泰地區(qū)發(fā)生的MS5.9級和MS6.2級地震前,均出現(xiàn)了異常變化。兩次地震前水位均出現(xiàn)明顯的上升,在上升速率減緩轉(zhuǎn)為下降的過程中發(fā)生地震,且異常持續(xù)時間較長,而此次該井水位自2017年年初至今出現(xiàn)下降速率減緩,并未出現(xiàn)明顯的上升變化,與之前異常形態(tài)不一致（圖7、表3）,是地震前兆異常的可能性不大。

圖7 1985—2018年西吉王民水位月均值曲線Fig.7 Curve of monthly average water level of Wangmin well in Xiji from 1985 to 2018

表3 西吉王民井水位歷史震例異常變化總結(jié)Table 3 Summary of abnormal changes in the historical earthquake case of Wangmin well

4 結(jié)語

西吉王民井水位2013年以來處于下降變化,2017年年初至今該井水位出現(xiàn)下降速率減緩的現(xiàn)象。本文利用頻譜分析得到引起王民水位變化的潮汐分波主要有M2波、S2波、O1波、K1波。其中,S2波和K1波由氣壓引起。采用兩種方法（卷積回歸法和線性回歸法）對水位進行氣壓校正,校正后的曲線變化形態(tài)一致。對水位和降雨量做線性回歸分析,從結(jié)果可以得到,降雨量增多時相關(guān)系數(shù)增大。并且經(jīng)過走訪調(diào)查發(fā)現(xiàn)水位的變化與新建李馬河水庫蓄水有很大關(guān)系,李馬河水庫建成后區(qū)域地下水可能達到一種新的動態(tài)平衡,但由于水庫建成時間不長,蓄水資料積累較少,后續(xù)需密切關(guān)注李馬河水庫蓄水以及區(qū)域降雨對該井水位動態(tài)變化的影響。通過對西吉王民井水位的變化影響因素分析,得出以下結(jié)論：

（1）氣壓和降雨是西吉王民井水位動態(tài)變化的主要影響因素。

（2）西吉王民井水位2017年年初至今出現(xiàn)下降速率減緩的現(xiàn)象可能是李馬河水庫建成后區(qū)域地下水達到了一種新的動態(tài)平衡。