采用相关分析法研究降雨对水位的影响

张清秀，陈 莹，陈懿德，黄晓华

(1．福建省地震局分析预报中心，福建 福州 50003；2．福建省地震局厦门地震台，福建 厦门 361003)

采用相关分析法研究降雨对水位的影响

张清秀1，陈 莹1，陈懿德1，黄晓华2

(1．福建省地震局分析预报中心，福建 福州 50003；2．福建省地震局厦门地震台，福建 厦门 361003)

地下水位动态受降雨影响显著，且由于降雨的持续时间、强度和面积的不同，由降雨引起的水位变化形态也复杂多样。为了能直观地判别降雨对水位的影响，排除水位资料中降雨的影响成分，本文采用水位月变化量与降雨月累计值作相关分析后得到的余差值，作为水位微动态研究对象。选用与降雨关系分别为显著、一般、不相关的连江江南井、泉州局一号井、福州浦东井水位进行分析，结果显示水位月变化量均表现了高值异常，异常与地震时间的对应关系有3个震前异常，2个同震异常、1个震后效应、1个无震异常。

水位月变化量；降雨影响；相关分析；高值异常

0 引言

地震是地壳应力积累-释放的一个复杂过程，地下水位的异常动态变化与地震的孕育和发展过程之间有着密切的成因上的关系[1]。因此，在地震前兆观测中，地下水位的动态观测是重要手段之一。地下水位动态观测，是指对水位随时间变化过程的测量，测量的结果常以时间序列上某一时刻的水位数值来表示。但是，在实际观测中，水位还受到降雨、气压等气象因素的影响，其中降雨影响较为突出。降雨影响可使水位呈现一定的规律变化，每逢雨季，水位受到降雨渗入补给呈现上升趋势，雨季过后，水位呈现下降趋势。从短期观测结果分析，集中强降雨影响时，由于受到降雨附加应力的作用，水位会出现突升-突降的形态。因此，为了寻找水位与地震成因的关系，即地震前水位的微动态变化，我们试图探索排除降雨对水位的影响成分的方法，以达到利用监测水位微动态变化预报地震的目的。

1 原理与方法

1.1 原理

水位受降雨的影响表现为上升态势。但由于降雨的持续时间、强度、面积的不同，受降雨影响的水位变化形态也变得复杂多样[2、3]。例如，在多年动态中，由于每年的降雨量不同，水位受降雨影响而呈现出的年变化幅度也不同；且在一年中，水位会随着雨季的变化呈现季节性的变化规律，以上这两种现象多是由降雨渗入补给引起的。而当遇到短时间的集中强降雨时，水位会出现突升-突降的变化形态，这时水位的上升就不仅是降雨渗入补给引起的，同时还有降雨附加应力作用的结果。因此，水位受降雨影响是复杂多样的，直接利用水位观测值，很难识别不同降雨类型对水位的影响[3、4]。

水位变化量是指某一时段内水位最高值与最低值的变化差值。假设某一时段水位最高值为ymax，最低值为ymin，则这一时段的水位变化量y=ymax-ymin，因此水位变化量不受该井水位高低以及长时间水位累积变化的影响。在不受外界干扰的理想状态下，一个观测井的水位变化量是很稳定的。但在实际观测中，水位变化量却总是出现高低起伏变化，其中重要因素之一是受到降雨的影响。假设该井只受降雨干扰，那么如上文所述，某一时段的水位变化量为y，累积降雨量为x，则两者之间存在y=f(x)函数关系。

如果我们能确定两者的相关方程式，就能求得在一定降雨量时水位变化量的理论值及剔除了降雨影响的余差值。我们将余差值作为水位微动态变化的研究对象。

1.2 具体计算方法

1.2.1 作水位变化量与降雨月累积值的散点图

为了消除水位固体潮朔望日对水位变化幅度的影响，本文采用水位月变化量参与计算。首先求出水位的月变化量和降雨月累积值。以降雨月累积值x为横坐标，水位月变化量y为纵坐标做散点图。

1.2.2 求散点图趋势线方程

从散点图发现，y的取值随x的取值范围而出现趋势性的变化，这种趋势变化可由一条适当的曲线来拟合它，这条曲线称为拟合趋势线。一般情况下，任何一条曲线都可以用一个高次方的代数多项式y=a+bx+cx2+… 来表示，其中a、b、c…为常数。因此可以根据y与x不同的变化规律，求出相应的趋势线方程，并得到两者的相关系数R。正常情况下，图中的点都应分布在该曲线的附近，若出现偏离曲线的情况，则说明该点为异常点。

1.2.3 求水位月变化量余差值

为了更方便显示异常点的时间序列以及与地震作对比，根据求出的趋势线方程，计算水位月变化量在降雨影响下的理论值，然后计算水位月变化量实际值与其理论值之差，即余差值，为了方便对比余差值的变化幅度，再取其绝对值作为研究对象。

1.2.4 作水位月变化量余差值时序图

以时间为横坐标，水位月变化量余差值为纵坐标，作水位月变化量余差值时序图。

2 实例分析

本文选用与降雨关系分别为显著、一般、不相关的连江江南井、泉州局一号井、福州浦东井2007-01～2011-09水位资料按以上步骤进行计算、分析。

2.1 连江江南井水位资料分析

由图1、2、3可知，连江江南井水位受降雨影响明显，得到的趋势线方程为

说明水位月变化量与降雨呈二次函数关系，相关系数R=0.782，属显著相关。图中，偏离趋势线的异常点为2007年7月、2007年8月、2008年7月、2008年8月、2009年8月以及2011年8月。分析图1、2，发现出现异常的点值都处在每年7、8月份，这时段正是每年台风暴雨多发时段，连江江南井水位受强降雨影响异常明显（见图3），因此我们先将短时间集中强降雨引起的水位突变剔除，然后再做进一步分析。图4为剔除短时间集中强降雨引起的水位突变值后的月变化量和降雨关系图，其趋势线方程为

图1 连江江南井去突跳前水位月变化量与降雨月累计值关系散点图Fig.1 ScatterDiagram-RelationbetweenMonthlyWater LevelVariationandMonthlyRainfallIntegratedValueof rainfallinLianjiangJiangnanWellincludingtheJump

图2 连江江南井去突跳前水位月变化量余差分析图Fig.2 Analysis on D-value of Monthly Water Level Variation in Lianjiang Jiangnan Well including the Jump

图3 连江江南井2007～2011年水位与降雨量日测值对比图Fig.3 Comparison between Daily Observation Value of Water Level and Rainfall in Lianjiang Jiangnan Well from 2007 to 2011

表1 水位观测井孔基础概况Table 1 Foundation of Water Level Observation Well

图4 连江江南井去突跳后水位月变化量与降雨月累计值关系散点图Fig.4 ScatterDiagram-RelationbetweenMonthlyWater LevelVariationandMonthlyRainfallIntegratedValuein LianjiangJiangnanWellexcludingtheJump

图5 连江江南井去突跳后水位月变化量余差分析图Fig.5 tAnalysis on D-value of Monthly Water Level Variation in Lianjiang Jiangnan Well excluding the Jump

相关系数R=0.336，同样两者间呈现二次函数关系。如图4、5所示，2007年8月和2008年8月的点值仍偏离趋势线，且异常点都偏于趋势线上方，表现为水位变化量高值异常。说明这些异常点值在剔除集中强降雨影响后，水位变化量仍偏大，与地震对应关系见表1。

2.2 泉州局一号井水位资料分析

图6为泉州局井水位月变化量与降雨月累计值关系散点图，趋势线方程为

相关系数R=0.465，说明水位月变化量与降雨呈线性关系。图6、7显示，偏离趋势线的异常点有2006年7月、2006年8月、2006年11月、2007年7月、2007年8月、2011年9月，且异常点都偏于趋势线上方，表现为水位变化量高值异常。与地震对应关系情况见表2。

表2 连江江南井水位月变化量余差分析映震表Table 2 Earthquake Reflection Table-D-value Analysis of Monthly Water Level Variation in Lianjiang Jiangnan Well

2.3 福州浦东井水位资料分析

如图8、9、10所示，福州浦东井水位受降雨影响较小，其趋势线方程为

相关系数R=0.243，两者不相关，其值基本分布在0.2～0.8之间。偏离这个区间的点有2007年月1月、2007年2月、2009年1月和2009年2月。因为该井水位受降雨影响较小，所以直接用水位月变化量和水位月变化量余差值作图，其效果相似（图7、8），与地震对应关系情况见表3。

图6 泉州局一号井水位月变化量与降雨月累计值关系散点图Fig.6 Scatter Diagram-Relation between Monthly Water Level Variation and Monthly Rainfall Integrated Value in Quanzhou Seismostation Well NO.1

图7 泉州局一号井水位月变化量余差分析图Fig.7 Analysis on D-value of Monthly Water Level Variation in Quanzhou Seismostation Well NO.1

表3 泉州局一号井水位月变化量余差分析映震表Table 3 Earthquake Reflection Table-D-value Analysis of Monthly Water Level Variation in Quanzhou Seismostation Well No.1

图8 福州浦东井水位月变化量与降雨月累计值关系散点图Fig.8 Scatter Diagram-Relation between Monthly Water Level Variation and Monthly Rainfall Integrated Value in Fuzhou Pudong Well

图9 福州浦东井水位月变化量分析图Fig.9 Analysis on Monthly Water Level Variation in Fuzhou Pudong Well

图10 福州浦东井后水位月变化量余差分析图Fig.10 Analysis on D-value of Monthly Water Level Variation in Fuzhou Pudong Well

表4 福州浦东井水位月变化量映震表Table 4 Earthquake Reflection Table-Monthly Water Level Variation in Fuzhou Pudong Well

4 结论

从以上分析图件和结果，我们可以得出以下结论：

（1）地下水位动态受降雨影响显著，且由于降雨的持续时间、强度和面积的不同，由降雨引起的水位变化形态也复杂多样，例如由降雨渗入补给引起的水位年动态变化，或由降雨补给和降雨附加应力共同作用引起的水位突升等。因此，要研究地下水位与地震成因的关系，寻找地震前水位的微动态变化，排除降雨对它的影响就显得尤为重要。

（2）水位变化量即某一时段内水位最高值与最低值的变化差值，它只注重某一时段内水位的变化幅度，而不受其水位高低与长时间水位累积变化的影响，它直接与某一时段的降雨量相关。因此我们利用水位变化量作分析的优势就在于，去除了水位的长趋势变化，而突出了短时间内的高频变化。用它与降雨量作相关分析，得到的趋势线反映了一般降雨情况下水位变化幅度随降雨变化的规律。

（3）本文选用连江江南井、泉州局一号井、福州浦东井分别代表水位与降雨相关关系为显著、一般、不相关三种情况进行分析，分析结果显示水位变化量均表现了高值异常，但也存在不同的特点。例如受降雨影响显著的连江江南井，若用其水位原始观测值计算变化量，则夹带着短时间集中强降雨引起的水位突升-突降的成分，因此在计算其水位变化前，应先排除因集中强降雨引起的水位突变。又如与降雨不相关的福州浦东水位，直接用水位变化量和水位月变幅和降雨相关分析后得到的余差值作对比，其分析结果相似。

（4）为了消除水位固体潮朔望日对水位变化幅度的影响，本文采用水位月变化量参与计算。用水位月变化量与降雨月累计值作相关分析后得到的余差值，作为水位微动态研究对象，当异常点偏离趋势线上方时即水位变化量出现高值异常，其与地震的对应关系的分析结果表现出三种异常类型，其中4个震前异常，1个同震异常、1个震后效应、1个未对应，统计结果详见表5。震前异常除2006年12月26日南海7.2级地震出现在震前半年外，其余几个福建省内中等地震均为震前1～2个月出现异常，地震后异常随之消失。

表5 对应地震的异常类型表Table 5 Anomaly Types of Corresponding Earthquakes

[1]国家地震局预测预防司.地震地下流体预报方法[M].北京：地震出版社，1997.

[2]中国地震局监测预报司.地震地下流体理论基础与观测技术 [M].北京：地震出版社，2007.

[3]车用太，鱼金子.地震地下流体学 [M].北京：气象出版社，2006.

[4]丁建国，陆德明，狄梁，等.常熟台倾斜仪降雨干扰定量分析[J].华南地震，2011，31(3)：83-88.

Abstract:The regime of groundwater level is significantly affected by rainfall.Different duration,intensity and area of rainfall also lead to complicated and diverse water level variation patterns.In order to intuitively distinguish the impact of rainfall on water level and exclude the rainfall impact in the water level data,this Paper uses the increment value,which is resulted from relevant analysis on the monthly water level variation and the monthly rainfall integrated value,as the object of study for water level micro-dynamic variation.The Paper analyzes the water levels of the Lianjiang Jiangnan Well,Quanzhou Seismostation Well No.1 and Fuzhou Pudong Well that are significantly related,generally related and irrelevant to the rainfall respectively,and arrives at the conclusion that,high value anomaly are found from all the monthly water level variations,including 3 pre-seismic and 2 coseismic anomalies,1 post-seismic effect,and 1 aseismic precursory anomaly.

Keywords:Monthly Water Level Variation； Rainfall Impact； Correlation Analysis； High Value Anomaly

Study on Impact of Rainfall on Water Level via Correlation Analysis

Zhang Qingxiu1,Chen Ying1,Chen Yide1,Huang Xiaohua2
(1.Analysis and Prediction Center,Earthquake Administration of Fujian Province,Fuzhou 50003 China;2.Xiamen Seismostation,Earthquake Administration of Fujian Province,Xiamen 361003 China)

P315.723

A

1001-8662（2012）02-0104-08

2011-12-30

张清秀，女，1972年生，工程师，主要从事地震地下流体监测与研究.E-mail：yd036@163.com