长沙井数字化水位观测资料典型干扰分析

沈 平，田优平，敬少群，康承旭

（湖南省地震局，湖南 长沙 410004）

0 引言

地下水位对地壳介质应力应变反映灵敏，一直以来是地震地下流体观测的重要手段之一。地下水位的动态特征能够直接或间接地反映地震活动的发展过程，但有时候地下水位的变化并不是由地震活动引起[1]。数字化地下水位观测经常受到各种干扰因素的影响，相应引起的干扰特征也各不相同。只有排除了各种干扰异常才能有效抓住地震前兆异常。因此，理清各类干扰源及其干扰特征，分析各类干扰因素对地下水位正常动态产生的影响，以便更加准确有效地识别与排除干扰异常信息，是地震监测预报工作的重要环节，对成功判定地震前兆异常具有重要意义。

本文通过对近年来湖南长沙数字化井水位在日常观测中可能遇到的各类干扰因素进行总结，归纳水位观测数据曲线的不同干扰特征，分析不同干扰源与水位变化的相关性，以期为异常核实和地震预测研究工作提供一些参考。

1 长沙井观测概况

长沙井为长沙地震台的地下流体综合观测井，同时进行水位、水温和气氡观测。长沙地震台位于扬子准台地与华南褶皱系的交汇部位，处于长乐盆地南端，长寿—永安断裂北西侧，岳麓山背斜东翼。距离台站最近断裂为台址西侧的白鹤泉断裂，仅100m 左右，断裂宽约5m，沿断裂线有泉水涌出（图1）。长沙井为动水位观测，地面标高56m，井深273m，井孔套管口径146mm，套管长53m。该井于2002 年开始数字化观测，主要观测层为深度97m 以下的石英砂岩裂隙承压含水层。长沙井孔柱状图如图2 所示。

图1 长沙地震台附近地质构造图Fig.1 Geological structure map of Changsha Seismic Station

图2 长沙井柱状剖面图Fig.2 Columnar section of Changsha well

2 长沙井水位的正常动态变化

自数字化观测以来，长沙井观测到的水位分钟值曲线光滑，固体潮清晰，日变规律非常明显，记录到的日波与半日波都比较完整，呈现出较好的周期性特征（图3b）。另外，长沙井水位气压效应明显，与大气压呈时间滞后线性负相关关系（图3a）。

图3 长沙井气压和水位观测曲线（2011 年5 月）Fig.3 Water leveland air pressure curve of Changsha well（May，2011）

3 观测资料影响因素分析

多年观测资料数据变化表明，引起长沙井数字化水位异常变化的干扰因素主要包括以下4 类，分别为自然环境、人为干扰、观测技术系统以及地球物理事件等。其中，自然环境干扰主要包括气压、强降雨和雷电等；人为干扰主要包括更换仪器、清理排水管路、调节气氡进水量等；观测系统干扰主要包括仪器故障、电源干扰、电压不稳等；地球物理事件主要为同震响应。

3.1 自然环境干扰

3.1.1 气压突变干扰

车用太等[2]研究认为，承压井水位对大气压力的响应，是由于井孔中水所承受的大气压力增（减）量大于含水层中水的孔隙压力增（减）量，井-含水层系统为达到力平衡而引起水的互相渗流，从而引起井水位的改变。具体表现为井水位随着气压的增大而下降，随着气压减小而上升[2]。

长沙井水位受到气压突变的影响比较明显。2019 年 4 月 25 日 4 时 26 分，长沙井气压突然急剧下降，然后上升，随后又经历了几次小幅的下降—上升变化，之后慢慢恢复至正常的日变形态（图4）。与此同时，受气压突变影响，长沙井水位也先后经历了几次上升—下降的转折变化，与气压变化呈负相关。4 月26 日17 时35 分，长沙井的气压和水位观测数据曲线再次出现明显的同步反向畸变现象。

图4 气压变化对长沙井水位的影响曲线Fig.4 The influence curve of water level in Changsha well caused by air pressure

3.1.2 强降雨干扰

有研究指出，大气降雨主要通过降水渗入补给以及地表荷载两种方式影响井水位的变化。浅井的水位变化主要受前者作用影响，深井的水位变化主要受后者作用影响[3]。降雨干扰的具体表现为水位日变曲线出现畸变，呈压性上升变化。

长沙水位观测井多年观测资料表明，由于长沙井的封闭条件较好，其周围发生一般的日常降雨时，并不会引起长沙井水位的上升变化。而持续性或大幅度降雨，水位则会受到影响。如2017 年6 月30 日至7 月 1 日，长沙市出现多年罕见大暴雨天气，局地3 小时降雨量达100 毫米。长沙井水位观测数据在此次大暴雨过程中也出现了明显的异常变化（图5）。水位数据随着短时强降雨的开始而上升，随着短时强降雨的结束而下降，表现为一个向上的脉冲变化，但幅度不大。而且，从长沙井水位与降雨量的对比曲线来看，6 月30 日出现的脉冲持续时间明显大于其它几次的持续时间，这主要与短时降雨量大小有关。降雨量的大小与脉冲持续时间呈正相关关系。另外，受这两天大暴雨天气的影响，长沙井水位总体表现为缓慢上升的趋势。

图5 强降雨对长沙井水位的影响曲线（2017 年6 月30 日—7 月 1 日）Fig.5 The influence curve of water level in Changsha well caused by heavy rainfall

3.1.3 雷电干扰

数字化观测仪器在遇到大的电压波动、强雷暴干扰等时都可能会对其正常工作产生较大影响，有时甚至会损毁仪器[4]。井水位观测值受到雷电干扰主要是由强雷暴前气温和气压突变引起，但这种干扰变化一般持续时间较短，容易识别。2018 年7 月24 日17 时2 分长沙出现短时强对流天气，电闪雷鸣，长沙井数字化水位观测曲线同步出现先降后升的变化，呈“V”形，雷击过后曲线恢复正常（图6）。总的来说，雷电对水位观测资料的影响时间较短，不会对水位的总体变化趋势造成影响。

图6 雷电干扰对长沙井水位的影响曲线Fig.6 The influence curve of water level in Changsha well caused by thunder and lightning

3.2 人为干扰

井房改造、仪器维修与更换、水温梯度测量等都会对水位观测数据造成人为干扰。长沙井因为同时进行水位、水温、气氡观测，其中任一仪器出现故障进行检查或维修时，均会对水位观测数据造成不同程度的干扰。特别是前几年长沙井的气氡仪经常出现故障，且于2018年更换了新气氡仪，并对井房进行了施工改造，这期间对长沙井的水位观测数据造成了多次人为干扰。

图7-10 分别是长沙井安装气氡仪、井房施工改造、清理排水管路、调节气氡进水量对长沙井水位观测曲线造成的干扰曲线。2018 年12月19 日，因原有气氡仪故障，长沙井重新安装新气氡仪，导致水位观测曲线快速下降接近0.2m，随后又发生3 次转折变化，水位数据变化曲线呈“W”形。2018 年10 月16 日-17 日，长沙井水房进行施工改造，引起长沙井水位两次较大的脉冲变化，一次为上升脉冲，一次为下降脉冲，幅度均为0.5m 左右。2017 年7 月24 日，长沙井因排水管堵塞导致水位上升。对排水管进行清理之后，水位观测曲线迅速下降，接连产生一大一小2 个下降台阶，幅度分别为0.15m 和 0.06m 左右。2016 年 10 月 29 日，因调节气氡仪进水量，导致长沙井水位观测曲线产生多次突跳和台阶变化，突跳幅度最大约为0.01m。因为人为干扰的因素一般都是短期和暂时的，故此类干扰具有异常变化突然、异常变化幅度较大且持续时间短等特点，比较容易识别。

图7 安装气氡仪引起的干扰Fig.7 Interference caused by installingradon meter

图8 井房施工改造引起的干扰Fig.8 Interference caused by construction and renovation of borehole

图9 清理排水管路引起的干扰图Fig.9 Interference caused by cleaning up the drain pipe

图10 调节气氡进水量引起的干扰Fig.10 Interference caused by regulating the amount of radon inflow

3.3 观测系统故障干扰

观测技术系统由供电、采集、存储和传输数据等环节组成，其中任一环节出现问题，均会对观测资料产生影响。观测系统故障干扰具有随机、异常变化幅度大和持续时间长等特点。长沙井观测系统干扰主要包括以下几个方面。

（1）排水管堵塞。长沙井因为是动水位观测，前几年由于井口锈蚀，时有排水管堵塞现象发生，由此引起的水位观测曲线台阶现象经常出现。对井孔进行了清洗改造之后，此种干扰才逐渐减少。排水管堵塞会引起水位突然升高，产生一个向上的台阶，在清理完排水管之后，水位观测曲线会马上下降，产生一个向下的台阶，但同时会对水位的背景变化值产生影响（图11），水位一般不会继续在原来的背景值范围内变化。

图11 排水管堵塞引起的干扰Fig.11 Interference caused by the blocked drain

（2）探头松动。2018 年8 月18 日，长沙井水位探头发生松动，导致观测曲线产生一个0.05m 左右的下降台阶（图12）。探头松动引起的干扰与清理排水管路的干扰曲线特征有些类似，都会使水位观测曲线在极短时间内产生较大的台阶变化。

图12 水位探头松动引起的干扰Fig.12 Interference caused by the loosening of water level probe

（3）供电故障。供电故障经常影响数字化水位观测仪的正常运行，造成记录中断或数据干扰。2017 年3 月7 日，长沙井因UPS 突然发生故障，造成水位观测数据断记（图13）。恢复供电后因有叠加的电压脉冲伴随，在水位观测曲线上产生突跳干扰，随后水位数值从突跳值开始回落，直至恢复正常变化水平。

图13 供电故障引起的干扰Fig.13 Interference caused by power supply failure

3.4 地球物理事件

长沙井水位记录到的地球物理事件主要是地震的同震响应。对于前兆分析而言，这种同震响应相对于正常的观测曲线来说也属于一种干扰因素。长沙井是湖南地区井水位观测点中记录地震最为灵敏的水位观测井，主要原因为长沙井是承压自流水，且观测含水层岩性为石英砂岩[5]。

长沙井水位记录到的同震响应形态主要有振荡型、脉冲型和阶变型三种类型[6]（图14）。据统计，自数字化以来，长沙井水位对全球80%的7.0 级以上远大地震均记录到了振荡型同震响应，同震水震波双振幅范围为5～1513mm，水震波持续时间长短不一。长沙井水位记录到的脉冲型同震响应较少，包括突升脉冲和突降脉冲两种类型。脉冲持续时间一般较短，脉冲幅度范围为5～185mm。长沙井水位记录到的阶变型同震响应会引起水位观测曲线在阶变产生的新背景值上波动。

图14 长沙井水位的同震响应曲线Fig.14 Co-seismic response curve of water level in Changsha well

4 结论

本文从自然环境、人为因素、观测技术系统、地球物理事件等方面总结长沙井水位在日常观测中可能遇到的各类干扰因素，并对不同干扰因素引起的干扰特征进行了分析，得到以下结论：

（1）长沙井水位无干扰时观测曲线噪声较低，日变规律明显，可清晰地记录到地球固体潮，半日波与日波较为完整。

（2）长沙井水位受到的自然环境干扰主要有气压、降雨和雷电等。气压变化与水位变化呈负相关关系；降雨量大小与水位变化呈正相关关系；雷电干扰对水位观测资料的影响时间较短，不会对水位总体趋势造成影响。

（3）长沙井水位受到的人为干扰主要包括更换同井观测仪器、井房改造、清理排水管路和调节气氡进水量等。这类干扰具有异常变化突然、幅度大且持续时间短等特点，比较容易识别。

（4）长沙井水位受到的观测系统故障干扰主要为排水管堵塞和供电故障。对长沙井进行改造之后，排水管堵塞引起的干扰有所减少。观测系统类的干扰具有时间随机、幅度大且持续时间长等特点。

（5）长沙井水位受到的地球物理事件干扰主要为同震响应，其类型有振荡型、脉冲型和阶变型。这三种同震响应类型引起的水位变化特征各不相同。

5 认识

（1）数字化水位仪在观测过程中遇到的干扰多种多样，干扰原因各不相同，干扰形态也千差万别。在实际工作中还存在一些难以找到干扰源的异常图像。因此，归纳总结观测数据曲线的不同干扰特征，提取可靠的地震前兆信息，仍是我们今后努力的目标。

（2）目前，对地下水位的干扰异常分析仅局限于宏观分析，关于各类干扰因素对井水位动态影响程度的定量分析较少。因此，加强各类干扰因素对井水位动态影响程度的分析，是下一步研究工作的重点。

（3）地震台站工作人员对仪器精心维护、对干扰情况进行认真细致记录，以高度的责任心做好台站每一项基础工作，是地震分析预报人员能够准确有效地提取地震前兆异常信息的重要前提。