新43泉改井水位观测数据的分析*

杨绍富 　徐长银

(新疆维吾尔自治区地震局库尔勒地震台， 新疆库尔勒841000)



学术论文

新43泉改井水位观测数据的分析*

杨绍富※徐长银

(新疆维吾尔自治区地震局库尔勒地震台， 新疆库尔勒841000)

摘要对新43泉改井水位观测数据进行分析。 结果表明， 泉改井效果较好， 利用水位仪能够观测动水位进而计算出流量。 震例表明， 泉改井水位观测数据在测点周围250 km范围内中强地震前表现出前兆异常， 异常特征表现为震前出现高于背景值的上升变化， 从异常持续时间看属于中短期异常。

关键词新43泉； 泉改井； 水位观测； 数据分析

引言

1966年邢台地震以来， 我国开展了地震地下水位的观测与预报研究工作， 并取得了许多宝贵的震例资料。 经过40多年的发展， 已形成了通过观测地下水动态获取地震孕育、 发生以及成灾过程中地球物理场和地球化学场变化的观测网， 建立了一套基于一定理论指导下的经验性地震预测方法， 在我国防震减灾工作中发挥着积极作用[1-2]。

新43 泉位于库尔勒市西霍拉山南麓吉格代布拉克， 构造上处于南天山构造带北轮台断裂带附近， 距离库尔勒市区40 km。 泉水出露于元古代片麻花岗岩和第三系页岩交界地带， 水温20℃， 流量0.03 L/s， 矿化度1.7 g/L， pH值7.2， 水质为SO4-CL-Na-Ca 型。 1987年开始观测流量和水温， 泉水流量不具有年变规律。 2002年8月在原观测站基础上由泉改为井水位观测， 2006年12月进行“十五”数字化改造， 数据通过扩频微波传输。 新43泉是我国最早实现泉改井水位观测的泉。

1仪器安装概况

新43泉原是一个断层泉， 采用了泉眼与观测室分离的方式， 对泉眼进行了改造并封闭在地下， 通过地下管道将泉水引入到观测室内。 通过改造， 观测室内安装了两套数字水位仪， 库尔勒台水位仪安装在上游， 巴州局水位仪安装在下游， 两套仪器相距3 m。

1.1库尔勒水位仪

新43泉原来观测的是动水位， 动水位观测是将流量观测转变为水位观测的方法。 但是， 由于在观测动水位时其泄流口的流量控制非常难， 而且限流孔经常被堵。 2006年12月数字化改造中， 采用水堰法[3]观测其流量， 堰口水头高度采用LN-3A水位仪进行测量， 然后根据其水头高度计算出流量。

由于该泉流量较小， 采用三角堰观测有一定的困难， 故根据矩形堰观测原理， 改造成为1个堰宽仅为0.5 cm的窄缝式小堰口。 通过试验表明， 该泉改井完全可以观测到流量的动态变化。

库尔勒台安装的LN-3A数字水位仪， 其传感器是压力传感器， 精度和分辨率高， 可以达到毫米级， 观测的是水柱的高度， 因此， 用其测量水堰的水头高度是非常合适的。 所用的传感器通常水柱高在5 m左右， 传感器本身长30～50 cm， 而水堰水头一般在20 cm以内， 所以在设计时水头测量管为1 m (图1)， 这样就可以使传感器增加一个固定的水柱高h2， 可能更有利传感器的响应。 在计算时， 如果水位仪给出的就是水柱高， 那么水堰水头高度h=水柱高-h2。 安装时仪器显示的水柱高， 但最终数据中心给出的是静水位埋深h1， 因此， 水堰的水头高度就是h=h3-h2-h1。 用数字化水位仪测量水堰的水头高度， 既实现了流量观测数字化， 又克服了动水位观测中限流口的控制、 堵塞等多种不足之处。 观测实践表明， 水头高度的年变动态清晰， 说明堰口宽度的选择是合适的， 这种方法观测流量也是可行的。 新43泉流量较小， 将其改造成矩形堰， 传感器投放深度阈值为-0.54 m， 即传感器最大投放深度为地下0.54 m。

图1LN-3A水位仪传感器安装示意图

1.2巴州局水位仪

新43泉测点1987年开始观测流量， 泉水流量不具有年变规律。 2002年8月在原观测基础上泉改井， 设计总高250 cm、 直径20 cm的PVC圆筒观测动水位流量。 库尔勒台窄缝式堰口流出的水经由进水口流入圆筒， 入水量较大时， 水由溢水口排出， 距圆筒底部5 cm为排水口(图2)。 安装的LN-3水位仪测量的是圆筒内水面到传感器的水位值， 从而将流量转变成水位观测， 理论上其最大量程小于190 cm。 观测实践表明， 传感器由于长期未取出检查， 导致多次出现故障， 排水口因树叶、 泥土块、 小石块等的阻塞疏通影响水位观测值。

图2　巴州局泉改井设备安装示意图

综合考虑两套观测资料的起始时间、 连续率以及资料分析的一致性， 本文选取了2009年7月1日～2011年9月18日的日均值数据。

2资料分析

2.1数据特征

计算库尔勒、 巴州局2009年7月1日～2011年9月18日水位资料相关系数， 结果为R=0.4%， 即两者不相关。 从该时段数据图(图3)上看： 库尔勒水位观测数据1月份出现低值， 7月处于高值； 巴州局水位观测数据2011年具有相似特征。 新43泉测点周边1 km内无地下水开采及注水， 水位动态与周围地表水体没有关系， 与本地区降水关系不显著。 以数据完整的2010年为例， 库尔勒水位观测数据年变幅为0.04 m， 巴州局水位数据年变幅度为0.25 m， 相比而言， 库尔勒水位观测更稳定。

2.2震例分析

新疆地下流体观测相关研究成果表明， 水位观测在中强地震前具有异常变化特征。 本文选取测点周围250 km范围内中强地震震例， 分析水位观测在中强地震前的变化特征。

(1) 选取新43泉改井2002年8月～2003年5月日均值数据做序列图(图4)， 图中曲线中断处为断记。 新43泉2002年8月改为动水位观测， 自投入观测以来， 水位观测值呈小幅上升变化趋势； 11月底(0.93 m)上升幅度开始增大； 2003年1月底达到最大值(1.63 m)后趋于平稳， 平稳过程中发生了2月14日石河子MS5.4地震(Δ=250 km)， 震后水位持续平稳变化约15天后开始逐渐减小， 2003年底基本恢复至背景值。

(2) 选取2013年2月24日～2013年9月30日水位整点值数据(巴州局水位观测数据9月3日达到量程， 因此， 数据截止到9月2日)做序列图(图5)。 从图上看， 库尔勒水位观测数据2月24日起持续呈小幅度的上升变化趋势； 7月19日(0.08 m)上升幅度开始增大； 8月19日达到最大值0.19 m， 增幅为0.11 m； 8月20日出现变幅为0.05 m的下降台阶变化； 8月30日乌鲁木齐发生MS5.1地震(Δ=244 km)， 震后库尔勒水位持续高于背景值的波动变化。 巴州局水位观测数据 2月24日起持续呈小幅度的下降变化趋势； 7月25日(0.15 m)转向并逐渐增大， 期间7月28日(变幅0.06 m)、 7月30日(变幅0.1 m)、 8月8日(变幅0.8 m)3次上升台阶变化； 在上升至最大值1.79 m过程中乌鲁木齐8月30日发生了MS5.1地震。 从转向到最大值数据变化1.64 m。 震后数据下降后恢复上升， 9月3日起数据超限， 因而后续部分未做图。

(a)库尔勒动水位； (b)巴州局动水位

图4　新43泉日均值序列曲线图(2002-08～2003-05)

(a)库尔勒水位观测； (b)巴州局水位观测

2.3两套水位观测数据对比

(1) 相同点： 巴州局水位观测是2002年泉改井动水位观测的继承， 库尔勒水位观测是数字化改造的结果， 两套资料水源相同， 观测仪器相同。 震例分析结果显示， 两套水位观测数据在测点周边250 km中强地震前均会出现异常变化， 且变化类型一致， 本文中都是上升型变化类型。 中强地震前水位观测数据曲线出现毛刺， 分析认为是测点区域构造活动增强， 在地下应力调整过程中， 含水围岩空隙压力增大导致流体中的气体逸出， 气泡生成和破裂造成水位数据曲线的毛刺现象。 乌鲁木齐MS5.1地震后， 库尔勒、 巴州局水位观测曲线毛刺现象持续了一段时间， 反映了流体与围岩之间不断进行应力调整直至达到新的平衡。

(2) 不同点： 库尔勒水位观测利用水位仪观测水堰水的高度， 进而计算流量。 由于水堰口宽度较小， 仅为0.5 cm， 通过试验表明， 完全可以观测到流量的变化。 泉改井后， 巴州地震局利用LN-3数字水位仪观测圆筒内水位进而观测流量。 两套水位观测数据变化幅度不同， 相比而言， 库尔勒水位观测数据变化幅度小， 数据更稳定。 库尔勒水位仪严格按照《地下流体数字化观测规范的仪器检查与标定若干补充规定》要求， 在规定时间对水位进行季度校测， 因此， 数据连续率高， 数据可靠性好。 与库尔勒水位仪相比， 巴州局水位观测数据缺记率高， 乌鲁木齐MS5.1地震后数据超限导致数据利用率较低。

3基本认识

(1) 库尔勒水位观测通过数字化改造， 采用水堰法观测泉水流量， 达到了利用LN-3A水位仪观测水位进而观测流量的目的。 巴州局泉改井水位观测是成功的， 通过LN-3水位仪观测水位进而观测流量。

(2) 泉改井水位观测资料能记录到测点周围250 km内中强地震的前兆异常， 异常特征表现为震前水位出现幅度较大的上升变化。 从异常持续的时间与孕震阶段的关系看， 异常表现为中短期异常。

参 考 文 献

[1] 刘耀炜， 陈华静， 车用太． 我国地震地下流体观测研究40年发展与展望． 国际地震动态， 2006(7)： 3-12

[2] 全国地震标准化技术委员会． 地下流体观测方法----井泉水流量观测(DB/T50-2012)． 中国地震局

[3] 许秋龙． 水位仪在水堰流量观测中的应用----以新疆乌苏33号井为例． 内陆地震， 2007， 21(1)： 66-70

Analysis on water level observation data of No.43 well converted by spring

Yang Shaofu， Xu Changyin

(Korla Seismic Station, Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Korla 841000， China)

AbstractThe analysis of the water level observation data of No.43 well converted by spring was introduced in this paper．The result shows that the effect of changing from spring to well is good． Level meter can observes dynamic water level and the flow is then calculated．Earthquake case shows that the water level observation data has precursory anomalies before strong earthquake occurred in the measuring point around 250 km range.The anomaly is rising higher than the background value before earthquake，and belongs to the medium-term anomaly

Keywordsnew 43 spring； spring convert into well； water level observation； data analysis

中图分类号：P315.72+3；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.04.008

* 收稿日期：2015-11-23； 采用日期： 2016-03-21。

※通讯作者： 杨绍富， e-mail: 49846678@qq.com。