山西临汾地震观测站水位观测数据对比分析

霍拥军，张 梅，高 娟

（山西临汾市地震局，山西 临汾 041000）

0 引言

地下流体观测是地震前兆观测的重要组成部分，地下水位观测在地震短临预报中起着非常重要的作用。临汾地震观测站于2014年9月安装了一套ZKGD3000—N型地下流体监测设备，与2000年10月安装的LN—3型数字化水位仪并行观测。为保证观测数据的真实性和可靠性，对两套仪器同一时段的观测数据进行对比分析。

1 观测台站及仪器概况

1.1 观测站概况

临汾井建于临汾地震观测站内，观测站位于临汾盆地中部的临汾凹陷，是多组活动断裂复合交汇的部位，北北东向赤峪断裂纵穿临汾市区，北东东向淹底—临汾断裂在市区南部与之交汇，临汾一带为盆地内地壳沉降幅度最大的地段，第四纪厚度500米以上。

该井处在汾河东岸二级阶地上，成井于1984年，井深600.37m，观测层为上新统顶部中砂层，主要受西部山区地下水和汾河上游补给，并向汾河下游排泄。

1.2 仪器概况

此井为地震专用井，于1985年1月开始正式观测，先后使用SW40－1型水位自记仪、SW－3型和SW－5型水位观测仪等观测设备。2000年10月，安装了1台LN—3型数字式水位仪进行水位观测，同时还安装国家地壳应力研究所生产的SEW—1A型数字式温度计，探头下到井下320m处。

2014年5月以来，多次出现水位异常变化，根据分析，该变化与观测室温度的变化似乎有某种关系。为探究观测数据的这种变化是否反映真实的水位变化，于2014年9月11日，在该井孔中又安装一套中科光大自动化设备有限公司生产的ZKGD3000—N型地下流体观测设备，两套设备开始并行观测。

2 临汾井水位动态分析

2.1 年动态特征

临汾井自1985年观测以来，水位一直表现为缓慢下降，符合临汾地下水下降速率。因临汾市地下水开采范围内有一中层降水漏斗，范围很大，临汾井自观测以来累计下降29m之多，每年平均下降1.2m左右。为保障观测井与观测层有较好的水力联系，2004年8月对临汾井进行全面清洗。经过清洗深井，水位上升3米多。从多年的观测看，此井观测数据连续、可靠（见图1）。

图1 临汾观测站井水位日均值Fig.1 Daily mean value of well water level at Linfen observation station

2.2 映震效果

临汾井水位自1985年观测以来，共出现2次地震前兆异常，具体情况如下：

（1）井水位在趋势下降的背景下，于2001年12月20日至2002年4月5日累计上升300多毫米，之后恢复趋势下降，在异常结束后4个多月发生2002年9月2日太原郝庄5.0级地震（见图2）。

图2 临汾观测站井水位日均值（2001－10—2002－05）Fig.2 Daily mean value of well water level at Linfen observation station（October 2001to May 2002）

（2）2003年11月21日至23日，临汾井水位出现突降突升，20日至21日突降183mm，22日至23日突升200mm。在落实异常过程中，发生山西洪洞甘亭5.0级地震（见图3）。

图3 临汾观测站井水位日均值（2003－09—2004－01）Fig.3 Daily mean value of well water level at Linfen observation station（September 2003to January 2004）

3 观测数据对比分析

2014年9月11日，在井孔内安装ZKGD3000—N型地下流体观测设备。在仪器安装过程中，破坏了观测井原有的水位动态特征，需要恢复到正常动态。根据观测实际，选取2014年10月1日至2015年3月31日的观测数据进行分析。

3.1 气压对比分析

气压对地下水影响有普遍性［1－2］，临汾井水位受气压影响明显，且滞后于气压变化约1.5小时。从2014年10月至2015年3月水位、气压对比数据看出，新、旧数据与气压都有明显的负相关关系，即气压上升时，水位下降，反之，水位上升（见图4、图5）。

从新、旧设备的气压系数和相关系数对比分析看出，新设备的相关系数比旧设备的略小，气压系数相当（见表1）。

以2014年10月为例，对新、旧仪器观测数据做去除潮汐分析，发现两套仪器的观测曲线在去除潮汐变化后的形态基本一致，且与气压有较好的负相关关系（见图6）。

图4 LN—3型水位仪水位、气压对比曲线Fig.4 Contrast between water level and pressure of LN－3water level meter

图5 ZKGD3000—N设备水位、气压对比曲线Fig.5 Contrast between water level and pressure of ZKGD3000－N equipment

表1 临汾井新、旧设备气压系数对比表Table 1 Comparison of pressure coefficient of new and old equipment in Linfen Well

3.2 潮汐对比分析

从新、旧仪器2014年10月至2015年3月的逐月M2波潮汐因子分析可以看出，旧设备记录到的潮汐因子略大于新设备，但新设备中误差要低于旧设备的（见表2）。

为分析新旧仪器观测数据受潮汐变化的影响，以2014年10月为例，分别对两种观测数据进行去除气压干扰的分析，其结果如第15页图7所示。对比分析发现，新旧仪器观测曲线与理论固体潮曲线的大潮、小潮期基本吻合，且呈负相关关系。新仪器比旧仪器的潮汐变化幅度稍大，曲线较为光滑，与理论固体潮曲线更相近。

图6 两套仪器观测数据去除理论固体潮影响的曲线与气压曲线Fig.6 Observation data after removal of theoretical solid tide and pressure of two sets of instruments

表2 临汾井新、旧设备M2波潮汐因子对比表Table 2 Comparison of tidal factor of M2wave of new and old equipment in Linfen Well

图7 两套仪器观测数据去除气压影响的曲线与理论固体潮曲线Fig.7 Observation data after removal of pressure and theoretical solid tide of two sets of instruments

3.3 水位变化不一致的对比分析

从以上分析看出，两套设备观测数据变化形态基本一致，但也存在不同之处，下面对其进行分析。

（1）旧设备受观测室温度影响。

2014年10月2日至3日的分钟值曲线可看出（见图8），10月2日08：16旧仪器的观测数据突然下降，且变化幅度较大，新仪器观测数据平缓；10：47之后，两套仪器的观测数据又表现一致。10月3日又出现同样的变化：7：42旧仪器的观测数据突然下降，且变化幅度较大，新仪器观测数据平缓；09：41之后，两套仪器的观测数据又表现一致。经检查，并与当日值班人员核实，10月2日8：15左右和10月3日7：45左右，观测员将观测室窗户打开通风，因温度变化引起了水位观测值的变化，两者的关系如图9所示。经与仪器维护人员沟通，认为可能是数据采集器的温控元件出现故障。

由此说明，新仪器在稳定性上要优于旧仪器。

图8 2014年10月2日至3日两套仪器分钟值观测曲线Fig.8 Minute point value of two sets of instruments from October 2，2014to October 3，2014

图9 旧仪器水位、观测室温度分钟值观测曲线Fig.9 Minute point value of water level and temperature of observation room of the old instrument

（2）新仪器观测曲线较旧仪器光滑。

从2014年10月25日分钟值数据曲线看，新仪器观测曲线光滑，而旧仪器有毛刺，且出现台阶样变化（见图10）。

图10 2014年10月25日两套仪器水位分钟值对比观测曲线Fig.10 Minute point value of water level of two sets of instruments on October 25，2014

4 结论与建议

4.1 结论

通过对两套仪器2014年10月1日至2015年3月31日观测数据的对比分析看出，观测曲线较为一致，都基本真实地反映水位的变化。从去除气压影响后的观测曲线来看，新仪器记录曲线毛刺较少，且与理论固体潮变化更为接近。旧仪器水位观测值易受观测室温度变化的影响，抗干扰能力和稳定性要弱于新仪器。

4.2 建议

临汾观测站井水位观测近30年，特别是从2000年“九五”数字化改造以来，在日常观测中遇到过一些问题，如何提高观测质量，为地震预报提供更为准确的观测数据，结合观测实际提出以下两点建议。

（1）建议配备备用设备。当数据出现异常变化时，有的无法及时找到原因，如果有两套仪器同时观测，就可以在第一时间排除仪器出现故障所致的数据变化。

（2）建议加强对基层观测人员的业务培训。基层观测人员大多缺乏专业知识，主要依靠经验，在遇到数据变化及仪器出现故障时，无法快速找出原因并解决，对观测数据的连续性、完整性造成影响。

［1］汪成民，车用太.地下水微动态研究［M］.北京：地震出版社，1988：27－34.

［2］董守玉，贾化周，万迪堃，等.井水位气压系数的探讨［J］.地震研究，1987（1）：63－70.