泉州地区地下水位观测资料初步分析

尤宇星，陈小云，谢文杰，林文峰，吴声伟，黄圣棕

（1.福建省地震局，福州 350001；2.泉州市地震局，福建 泉州 362000）

0 引言

地下水位变化伴随着地球内部岩石受力变形、破裂，流体迁移的过程，也伴随着地震孕育和发生发展的过程，揭示了许多有用的信息。因此，对地下水位变化的观测、识别提取地震前兆信息是十分有意义的［1－8］。“九五”、“十五”和“十一五”期间建设的泉州地区数字化地下流体前兆观测网自正式观测以来，为福建省地震预测提供了丰富的地下流体前兆观测资料。由于异常是相对于正常动态而言的，其异常信息量是在与其正常动态的对比中获得的。因此，笔者通过具体分析研究，计算出泉州地区主要观测井的正常动态特征参数，并对这些观测井内在质量进行分析评估，以此作为异常对比识别可信度的主要依据。

1 泉州地区数字化水位观测基本概况

由于福建省内80%的强震活动都是分布在长乐－诏安断裂带上，该断裂带是一条纵贯福建省东南沿海的活动断裂带。而作为地震前兆观测，观测点必须能够控制一个地区的构造活动，因为活动断裂上一些有利的构造部位往往是应力集中部位，出现前兆异常的概率明显高于远离断裂处。所以泉州地区的各个观测点均分布在NNE－NE 向的长乐－诏安断裂带和NW 向的永安－晋江断裂带及其次一级断裂带上，具体情况见表1。泉州地区各观测点的水位观测均采用LN－3型数字化水位仪，该仪器由2部分组成，一部分是水位传感器，另一部分是数字记录器，其优点是采样率高、信息量大、自动化程度高、资料传递快速等。

2 泉州地区地下水位资料质量分析

资料的完整性、稳定性、内在质量精度是衡量观测资料质量的重要指标。观测资料只有达到观测技术标准要求时，其应用价值才高，才能更好地判断出观测资料的正常动态背景，以利于识别异常。为此有必要对观测资料进行完整性、稳定性、内在质量及其影响因素的检验［6］。

2.1 观测资料的完整性分析

利用下述公式计算统计了2006—2011年泉州地区各观测点自观测以来水位整点值观测资料的完整连续率：

得出泉州地区各观测井点除南安2号井、南安梅山井（2010年后停测）、惠安2号井（2011年后停测）外，其它11口观测井的完整连续率均大于97.4%，其中2011年均超过99%，影响完整率的主要因素是仪器故障。

2.2 水位观测资料的内在质量对比分析

地下水位能够能随潮汐引力的大小而发生升降变化，体现较明显的地球固体潮效应已经是众所皆知的事实。具体表现在泉州地区各测点观测的水位数据日变动态均呈现显著规律性，较多地呈双峰双谷型，分析各测点对固体潮记录的响应能力可以判别各测点的灵敏度。固体潮具有丰富的潮汐分量，由月球引力引起的O1波和M2波受气压影响的程度较小，理论上O1波和M2波对于分析水位固体潮都是较理想的指标。但O1波的幅度较小，信息往往掩埋在噪声中，而M2波幅度为水位潮汐信息中最大的一个谐波，因此M2波是分析井水位固体潮以及含水层特征最有效的潮汐分量。通过对不同时间长度采样数据的频谱分析表明：M2波幅度与潮汐长度变化密切相关，选取不同时间长度的采样数据对M2波幅度的差异性较大，一个月时间尺度的采样数据，包含两个大潮和小潮，且有足够的数据长度，可以使计算结果相对稳定［11］。所以，笔者选取2011年泉州地区地下水位数据，采用维尼迪可夫（Venedlkov）调和分析方法逐月分析计算水位对固体潮M2波的响应能力，以此来检验泉州地区上述井点井水位数据的内在质量［9］。

图1 泉州地区地下水位日均值动态变化图

表2 2011年泉州地区地下水位M2 潮汐因子计算结果

表3 2011年泉州地区地下水位M2 潮汐因子相对误差计算结果

从表2及表3可以看出：

（1）永春1号井潮汐因子变化在9.38～17.88之间，平均值为13.10，其幅度与泉州地区其它观测井相比较大，表明该井的灵敏度很高；相对误差在0.028～0.046之间，平均值为0.038，说明动水位观测相对静水位观测要灵敏很多。

（2）晋江地办井、惠安地办井、惠安净峰井的潮汐因子基本保持在0.3以下，这3个观测井的潮汐效应不明显，说明其观测资料不能较好反映该地区地下构造应力变化，其可利用价值不高。南安地办井的潮汐因子0.489～0.825，起伏较大，其潮汐因子的相对误差也是最大的，说明该井的观测资料可利用价值也不太理想。

（3）不同井点的潮汐可能受多种因素的影响，如井的封闭性、井孔观测层岩性及所处观测位置等。泉州局井、晋江深沪井、晋江安海井、泉港一中井、石狮赤湖井、永春一号井等井点的潮汐因子均大于2.0，其M2波的相对误差也较小，均有较强的记录固体潮汐效应的能力。安溪1 号井的潮汐因子不大，但相对误差较小，资料亦比较稳定可靠。

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2.3 气压对水位动态变化的影响分析

泉州地区的井孔都属于深井，且封闭性较好，受降雨垂直渗入补给的影响较小。然而，“在水位观测中不受气压影响的井，几乎是不存在的，只是影响程度不同罢了。”因此在地震分析预报当中，人们采用了不同的数理方法，希望将它从水位观测值中扣除得越干净越好［12］。笔者研究了泉州地区带有气象三要素的测点水位气压效应，发现各测点水位与气压之间规律性不强。但经过分析整个地区井网2011年1—12月水位日均值与气压日均值的相关关系，发现泉州井、晋江安海井、晋江深沪井、石狮赤湖井及泉港一中井上述5个（永春一号井其井孔类型为动水位）具有较强记录固体潮能力的测点，与气压基本呈负相关关系，气压系数均较大，但气压系数本身并非常数，其变化幅度也较大，没有固定规律，其中以表4中最有代表性的石狮赤湖井为例。而晋江地办井、惠安地办井以及惠安净峰井等记录固体潮能力较弱的井点在与气压的相关关系分析中，基本表现为不相关。由此可见，记录固体潮能力愈强的井孔往往受到的气压效应越大，如何去除水位观测值中气压的影响，需要我们正确地选择时段以及运用合理的数理方法。

表4 石狮赤湖井2011年水位与气压日均值相关关系计算结果

2.4 周围环境对水位观测的影响

泉州地区上述水位观测较为完整连续的11个测点中，根据历年各测点的年终资料会商，泉州局井、惠安地办井及安溪1号井这3个测点的水位观测值长期受到周边环境干扰较大。泉州局井、惠安地办井均处在各自的新兴开发区内，自开始观测以来附近多处工地多次断断续续地施工，而安溪1号井东面的城东大水闸不定期的畜水与放水对测井的水位资料动态变化造成一定的影响。

3 泉州地区地下水位资料动态特征分析

3.1 多年趋势动态对比分析

对观测井不少于一年正常观测数据的计算，可以获得水位动态及潮汐响应函数的基本特征，这些参数可称之为观测井的特征参数。这些特征参数可以客观地反映观测井的基本素质和周边环境的影响，因而也可用于定量评价各个井的内在质量的优劣［6］。然而由于各观测点的观测值高低不一，故笔者对2006—2011年泉州地区地下水位数字资料相对年变幅做了分析统计，在每个井点全年365个日均值中找出正负最大值后，将两者的绝对值相减，即得该井点水位变化的年变幅，再以年变幅除以年均值得到相对年变幅。并对这几年的相对年变幅做了均方差的分析计算（表5），得到泉州地区上述测井数字化水位多年及年趋势变化的几个特征：

（1）从表5得出：若相对年变幅较大，说明该井的年动态变化起伏较大，反之，则较小。如2006年年变规律起伏最大的惠安地办井，相对年变幅达到2.0238 倍，2010年年变规律起伏最小的泉港一中井，其相对年变幅度为0.106倍。

（2）通过对2006—2011年泉州地区上述测点地下水位数字资料相对年变幅的均方差计算可以得出其多年动态趋势变化规律。多年相对年变幅的均方差越小，说明多年趋势变化越稳定，根据表5 和图1，笔者对2006—2011年泉州地区地下水位数字资料各观测点各自多年动态变化稳定性进行分析认为：永春1号井、石狮赤湖井、泉港一中井稳定性最好，属于平稳变化型；泉州局井、晋江地办井、晋江深沪井、晋江安海井、惠安净峰井的多年动态起伏相对较大，基本属于下降—上升—下降型；安溪1号井则属于下降—平稳—渐升型。

（3）泉州局井、惠安地办井及安溪1号井受干扰较多，其相对年变幅的均方差亦较大。

表5 泉州地区水位观测资料多年稳定性分析

3.2 年变化动态特征对比分析

从图1可以看出泉州地区各测点间存在着较为同步的年变规律，在2012年4月之后，属多年动态平稳型的永春1号井、石狮赤湖井、泉港一中井，水位趋势仍保持较为平稳的动态变化，其余测点（除泉州局井外）的水位走势均呈下降趋势。对于具有较好记录固体潮能力的泉州井、晋江安海井、晋江深沪井、永春一号井、石狮赤湖井及泉港一中井，利用泉州地区自开始观测以来上述测点水位月均值最高值进行统计得到：泉州地区上述6个测点水位的月均最高值95%发生在6—10月（图2）。结合图1可以得出：一般从3月份起各测点水位开始呈上升趋势，6—10月内达到峰值，10月后开始下降，一般在次年2月降到最低点。而图1与图2表明：泉州局井的水位在2011年12月至2012年4月存年畸变异常。对上述6个测点具有一致动态曲线特征对比分析发现：泉州局井水位在2011年04月至2012年9月连续上升，但其余5个测点在7月后有3个下降，2个较为平稳（图1），表明该年变异常并非区域应力场发生变化所致。事实上，2012年初，泉州局曾组织相关人员经过对周边环境的实地考察，最后判定2011年4月起至2012年3月附近几处工地的施工可能是对该井水位造成干扰的原因①关于泉州市地震局水位异常情况的报告。

图2 泉州地区各测点历年水位最高月均值统计

3.3 月变化动态特征对比分析

对于各观测点的观测值高低不一的情况，可以用各测点相对变化幅度的相对均方差对泉州地区水位观测资料每月及每日动态变化特征进行分析。相对均方差是给定时间段内数列的均方差与数列的均值之比［8］：

式中：S为均方差，为均值，选定“日”为单位时间段，那么日相对均方差就是每天水位整点值相对变幅的均方差与日均值之比，用EIS2000软件［9］计算，求取各井点每天的相对均方差，再以式（1）计算得出各测点每天的相对均方差与月均值之比，用该统计结果来研究泉州地区水位观测资料的曲线变化动态特征。如果观测水位的日相对均方差小，说明其日变幅度规律较好，月动态规律性好，其月相对均方差变化较小。

由于泉州局井处在一个新兴开发区内，自该井开始观测以来附近多处工地多次断断续续地施工，对该井的水位资料动态变化造成一定的影响，并从表6看出泉州局井月相对均方差远大于泉州地区其它观测点，表明测点附近存在干扰的事实印证了其月动态规律不好的现象。

表6 2011泉州地区水位观测资料稳定性分析

4 结论

（1）泉州数字化水位观测目前共有17个测点，其中3个测点为2011年以后新增，观测时间较长的有14个测点，其中11个测点资料较为连续完整可靠，利用2006—2011年这11个观测点的日值图并结合相对均方差方法对多年、年、月及日动态变化进行定量分析，可以找出其多年、年、月及日动态特征。其中泉州井由于受到2011年附近工地施工干扰影响，其月相对均方差偏大，该井该年的月动态规律性不好；安溪1号井的多年动态特征起伏较大，规律性不强；其余的观测井数字化水位资料多年、年、月及日动态特征规律性较强。对于年变规律清晰、相对动态变化较为同步且记录固体潮汐效应能力较强的观测井，比如泉州局井、晋江深沪井、晋江安海井、石狮赤湖井、泉港一中井、永春1号井等，由于这些测点同处于NNE－NE向的长乐－诏安断裂带和NW向的永安－晋江断裂带上，之间存在的同步变化的动态变化特征共同反映了该构造区域活动引起的地下流体变化的信息，形成了一个非常直观的地震前兆监控网。所以需要有效识别这些测点水位的正常动态，才有可能在地震中短期或短期前兆异常监测中发挥一定的效能。

（2）永春井井孔类型属于动水位类型，其观测井井孔条件较好、年变规律清晰、动态变化平稳，是福建省少有的自流温泉井，不仅能反映含水层孔隙压力的变化，且由于热水井或水中含有较多气体，“温度效应”和“气体效应”又对水位变化产生次生放大作用，所以较泉州地区其它静水位观测要灵敏得多。

（3）泉州地区的水位观测井类型（除永春井）均为封闭的承压含水井，地下水位的观测值动态变化中包含了地质过程、固体潮、大气压力及周围地下开采与施工等因素。而对含水应力层反应愈灵敏的井孔（如泉州井、晋江安海井、晋江深沪井、石狮赤湖井及泉港一中井），对固体潮、大气压力及周围环境变化的记录愈清晰，这其中除了地质过程，其它均可看作干扰因素，应采取较为合理的数理方法去有效地排除地下水位资料中的各种干扰因素，才能提取可靠的地震信息。

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