蚌埠监测中心井水位长时间持续升高成因分析＊

石小磊 李良辉 王 俊 张伟峰 肖 攀 潘 洁 杜默然

1) 蚌埠市地震局地震监测中心，安徽蚌埠 233000

2) 安徽省地震局，合肥 230031

引言

井水位作为流体学科重要的观测物理量，是最有敏感性的前兆观测手段之一，主要受大气降水、气压、固体潮、地应力等多种因素制约[1-2]。多位学者对降雨、气压、固体潮、地应力等因素对水位影响做过大量科学研究，尤其是在气象因素方面，对降雨与水位变化关系的分析最多，认为降雨是影响水位变化的一个主要因素[3-7]。由于水位受降雨影响的形成机理较为复杂，定量排除降雨干扰就成了一个难题。刘锦等[8]在排除降雨干扰方面做了大量研究，例如同时对水位升高期间中的长时升高和短时升高两种情况分别进行回归分析。由于监测中心井水位长时间持续升高比较显著，因此，本文在前人研究的基础上，对2017—2020年水位10次明显的长时间持续升高进行分析，以不同时段降雨量作为自变量，建立水位与不同时段降雨量的多元回归方程，来判断降雨量与水位升高的显著性，同时选取蚌埠周边ML2.5以上地震目录进行分析，检验这一结果的可靠性，从而为蚌埠监测中心井水位数据的日常分析提供更加科学准确的排除降雨干扰的方法。

1 蚌埠区域地质背景

蚌埠监测中心井位于经燕山路虎山西路300 m处，区域地质构造单元属于中朝淮地台华北地块南缘蚌埠台穹，郯庐大断裂的西侧，次级断裂较发育。区域地层属华北地层大区、晋冀鲁豫地层区徐淮底层分区。蚌埠基底主要为蚌埠期的混合花岗岩、混合花岗闪长岩等，东西两侧及南部分布为上太古界五河杂岩的一套沉积变质岩。本区位于江淮波状平原水文地质区中北缘，含水岩组主要为块状（岩体）裂隙水，富水性弱，当地侵蚀基准面标高约13 m。

2 蚌埠监测中心井观测条件

该井地处老虎山岩体中东部，地形地貌上属老虎山东南坡平地。水井位于两个断层之间，蚌埠复背斜轴迹的南侧，地质构造位置较好。井孔深115—201 m为本井主要观测含水层段，为承压水，水位埋深17.8 m，取基岩中的裂隙水。水井取水段地下水主要接受上部风化带孔隙裂隙水和区域地下水的侧向补给，受两侧断层影响，地下水的侧向补给主要来自南、南西方向深部地下水的径流。排泄以侧向径流为主，流向北、北东。蚌埠监测中心井水位观测使用SWY-Ⅱ型数字化水位仪观测，观测质量较好，数据连续可靠。

3 水位上升与降雨的回归分析

降雨是水位观测中的一个复杂因素，不同时期雨量、不同地区的分布、雨量的大小和不同的速率对水位都会产生不同的影响效应，而在降雨的过程中，雨水渗入又受水文地质、地形地貌、植被、包气带的厚度、透水性、含水量等的影响，因此，在数据选择和处理分析中都需要考虑这些因素[9-10]。区域水文地质因素是较难考虑到的方面，因此，在数据选择上尽量选择误差小的参数进行分析。本文利用因变量水位与5个自变量进行回归分析，统计了降雨量大小、降雨持续时间等气象因素与水位变化的关系，分析了蚌埠监测中心井水位10次长时间持续升高原因，来研究蚌埠地区近年来长时间降雨对水位的影响。

3.1 数据处理

水位观测曲线在雨季大多数会出现持续升高现象，本文选取水位升高期间降雨量、降雨持续时间、最大单日降雨量、最高水位和升高前期降雨量5个自变量对水位升高幅度因变量进行多元回归分析。来研究2017—2020年监测中心井水位的10次水位长时间上升期间水位和降雨数据（图1）。

图1 蚌埠监测中心井水位与降雨对比图（2017—2020年）Fig. 1 Comparison of well water level with rainfall in Bengbu Monitoring Center （2017—2020）

由于降雨对水位的影响在时间上有些滞后，因此，在计算水位与降雨的相关系数时，在降雨量时间段的统计上进行更准确的划定。通过数据处理分析后发现，水位升高期间降雨量表现出从水位开始上升前2天到水位上升结束前2天与水位的相关系数最大，因此，文中对升高期间降雨量划定为水位上升开始前2天至水位结束上升前2天。而水位升高还需要考虑升高前期降雨量，前期降雨量这一自变量对蚌埠监测中心井的影响较为复杂，通过相关系数的计算，认为水位升高前25天至上升前3天的相关性最好，因此，文中把升高前期降雨量的时间段划定为升高开始前25天至上升开始前3天。同时需要考虑最大单日降雨量和升高阶段最高水位与持续时间等相关影响因素。

3.2 回归分析

由图2，表1可以看出，2017—2020年10次水位长时间上升期间，监测中心水位升高天数最长一次达到76天，降雨量最高达到409.6 mm，水位升高幅度最高达到了2.3 m，用表1中10次水位升高期间的数据与多个参数之间建立了回归方程：

表1 10次水位升高幅度与降雨参数的数值变化Table 1 The amplitude of 10 water level rises and the numerical variation of rainfall parameters

图2 水位升高幅度和5个自变量之间的影响关系Fig. 2 The influential relationship between the height of water level rise and five independent variables

式中，Y表示水位升高幅度；x1表示水位升高持续时间；x2表示升高阶段最高水位；x3表示水位上升期间降雨量；x4表示最大单日降雨量；x5表示升高前期降雨量。

模型R方值为0.967，意味着降雨对水位升高的影响比例达到96.7%，其中，对回归方程进行显著性检验，p值为0.005小于0.05，回归方程是显著的，也即说明模型构建有意义。

根据回归方程计算得出，升高持续时间的回归系数为-0.008（t=-1.659，p=0.173>0.05），意味着升高持续时间并不会对水位升高幅度产生影响。水位升高阶段最高水位的回归系数为0.450（t=3.017，p=0.039<0.05），意味着水位升高阶段最高水位会对水位升高幅度产生显著的正向影响。上升期间降雨量的回归系数为0.006（t=5.832，p=0.004<0.01），意味着上升期间降雨量会对水位升高幅度产生显著的正向影响。最大单日降雨量的回归系数为-0.005（t=-1.852，p=0.138>0.05），意味着最大单日降雨量并不会对水位升高幅度产生影响。升高前期降雨量的回归系数为0.002（t=1.419，p=0.229>0.05），意味着升高前期降雨量并不会对水位升高幅度产生影响。因此，总结分析可知，只有升高阶段最高水位和上升期间降雨量会对水位升高幅度产生显著的正向影响。而升高持续时间、最大单日降雨量和升高前期降雨量并不会对水位升高幅度产生影响。根据回归方程结果，上升期间降雨量这一因素只能解释水位短时升高而不能解释水位长时间持续升高，需考虑蚌埠监测中心井水位的升高在受到降雨短时影响的同时，长时间持续升高是否和蚌埠及周围地区地震前后区域应力场变化相关。

4 震例分析

由于蚌埠及周边地区历史地震以小震为主，因此，文中选取安徽省地震台网中心2017年1月1日—2020年12月30日蚌埠周边ML2.5以上地震目录。判定水位长时间上升是由上升期间降雨量增加引起的，还是由地震前后区域应力场变化而引起的地壳应力年度积累变化释放的前兆信息变化，本文在此做进一步的分析研究。

蚌埠及周边地区处于郯庐断裂带上，由图3可见，2017—2019年期间，本地区地震活动以小震活动为主，地震频次逐年上升，到2020年频次减弱。从发震间隔时间和水位持续时间对应图可以看出，在水位长时间持续上升31—77天时，蚌埠区域发生地震的可能性较大。2017年发震间隔时间最长达到193天，2018—2019年发震时间间隔缩短，平均87天发生一次ML2.5地震，到2020年地震能量释放减缓，最长发震时间间隔达到343天。所以，在这一时间尺度内蚌埠区域地震活动表现出平缓—逐渐增强—增强—减弱的发震规律特点，而水位在此期间表现出2017年1次长时升高（平缓）、2018年3次长时升高（逐渐增强）、2019年4次长时升高（增强）和2020年3次长时升高（减弱）的对应变化规律，这可以说明蚌埠监测中心水位长时间持续上升除受到降雨影响外，主要还受到地壳应力变化的影响。

图3 2017—2020年蚌埠周边发生的ML≥2.5地震的M-t图和发震时间间隔图Fig. 3M-t diagram and time interval diagram of earthquakes withML≥2.5 around Bengbu between 2017—2020

从图4震中分布图可以看出，这14次地震震中均沿郯庐断裂带分布，因此，判断蚌埠及周边地区的地震活动主要是受郯庐断裂带地壳应力变化的影响。为了探索地震活动和观测井水位动态变化之间的关系，首先剔除升高持续时间、最大单日降雨量和升高前期降雨量的干扰因素后，利用回归方程提取出升高期间最高水位和升高期间降雨量对水位升高幅度的有效影响，结合历史震例探究蚌埠及周边地区地壳应力释放规律，进一步解释水位长时间持续升高的原因，研判蚌埠及周边地区地震活动趋势及地震活动水平是否增强或减弱。通过研究分析得出，蚌埠监测中心井水位动态变化能在一定程度上反映郯庐断裂带地震活动的水平。

图4 蚌埠及周边地区ML2.5以上地震震中分布图Fig. 4 Epicenter distribution map aboveML2.5 in Bengbu and its surrounding areas

5 结论和讨论

本文在前人研究的基础上，根据蚌埠监测中心2017—2020年水位10次长时间持续升高这种情况进行分析研究，选取水位升高期间降雨量、降雨持续时间、最大单日降雨量、最高水位和升高前期降雨量5个自变量对水位升高幅度因变量进行多元回归分析，并建立了水位与降雨参数之间的回归方程。其中升高阶段最高水位和上升期间降雨量与水位升高幅度存在显著的正向相关关系，而水位升高持续时间、最大单日降雨量和升高前期降雨量这3个自变量对水位升高幅度影响都不显著。可见水位长时间持续升高与降雨有一定的关系，但可能不是影响水位长时间持续升高的唯一因素。结合蚌埠周边ML2.5以上地震目录与蚌埠地区地壳应力释放规律进行分析，发现水位长时间持续升高的规律与地震频次发生规律相对应，因此，水位长时间持续升高可能不是受降雨这一单一因素影响的，应该是降雨和蚌埠地区地震前后区域应力场变化共同作用的结果。