广东信宜井水位异常分析

钟天任，陈大庆，刘 锦，严 兴，王小娜，俞 岗

（广东省地震局，广州 510070）

0 引言

地下水在上地壳中广泛存在，对上地壳中发生的各种地壳动力作用的响应具有灵敏性，其变化动态对地震活动与构造活动的响应十分灵敏，地下水异常可能是最直接的短临地震前兆[1-2]，但多种自然环境干扰，如降水、台风等，和人为干扰，如地下水开采，很大程度上影响到了水位的正常观测，这使得识别和提取地震前兆信息变得困难，因此，如何有效地识别和排除干扰信息，寻找真正反映地壳构造活动的水位变化特征，在地震预测预报中发挥着重要作用。众多学者也一直在研究并提出了多种排除干扰的方法，为地下流体观测异常核实工作提供可借鉴的思路[3-6]。

广东信宜井水位作为广东省流体观测唯一的A类测项，观测效能较好，对全球强震都有较好的同震响应。针对2018 年8 月16～19 日水位出现异常下降和上升，核实小组对异常情况进行实地调查，对各种干扰因素进行分析，探讨了水位上升与降雨的关系，并建立水位上升与降雨量的回归方程，判定水位上升不仅受降雨影响，还叠加了其它因素的干扰。

此次对信宜井水位异常变化的研究分析，为以后对信宜井地下水位观测异常识别提供了依据，水位与降雨的回归分析，从以往定性的分析降雨的影响到建立回归模型可以定量化的排除降雨的影响，对地震监测预报有一定意义。

1 台站及观测井概况

1.1 信宜区域断裂分布

信宜地震台在大地构造上属于粤西窿起带，本地区的地质构造复杂，总体格局为一组北东向的活动断层和一组北西向的活动断层互相切割，形成网格状构造，其中北东向的断层有合浦—玉林—梧州断裂、廉江—信宜—牛卫断裂、湛江—吴川—四会断裂；北西向的断层有横县—博白—茂名断裂、高州—电白断裂、茶山—闸坡断裂。信宜台位于廉江—信宜—牛卫断裂带的信宜段西北测[7-8]，见图1。

图1 信宜台周边主要断裂分布图Fig.1 Distribution of main faults around Xinyi Station

1.2 信宜井基础资料

信宜水位井位于信宜市地震台内，井孔所在位置的基岩主要为花岗片麻岩变质后产生的混合岩，井深101.90 m。储水空隙类型：以裂隙承压水为主，少量孔隙水。观测层地下水埋藏类型：混合型水为主，井孔柱状图见图2。井孔水的PH 值：7.2，属中性水。又根据为57.97 mg/L，为13.30 mg/L，游离CO2为3.76 mg/L，Ca2+为10.42 mg/L，Mg2+为5.83 mg/L，为14.18 mg/L。按舒卡列夫分类法可确定水的化学类型为重碳酸盐—钠型水①广东省地质工程公司.信宜地震台地震前兆观测井建井报告（3号井），2006.。

图2 信宜水位井井孔剖面图Fig.2 The well bore log chart of Xinyi well

2 信宜井水位同震响应效能分析

选取2007 年6 月起，即水位开始观测至2018年12 月31 日，全球17 次MS≥8.0 地震（目录来自中国地震信息网），从表1 响应特征统计和图3 水位同震响应记录曲线可见，信宜井水位对17 次MS≥8.0 地震中6 次地震产生了同震响应，同震响应的基本形态均为下降型。10次地震无响应，1次因仪器故障缺记，此次故障不纳入计算，响应率为37.5%。从图4同震响应的地震震中分布可以看出，信宜水位井对3500 km 内的远大震较为灵敏，尤其是我国大陆、东南沿海和印尼苏门答腊岛的大震活动。井震距越短，震级越大，同震响应也越明显，与众多学者的研究结果一致，这三者之间有良好的相关性[9-12]。

图3 信宜井水位同震响应动态记录曲线Fig.3 Dynamic record curve of coseismic response of Xinyi well water level

图4 信宜井水位同震响应全球分布图Fig.4 Global distribution map of coseismic response of Xinyi well water level

表1 信宜井水位同震响应形态特征统计Table 1 The morphological characteristics statistics of coseismic response of Xinyi well water level

3 水位异常核实分析

3.1 井水位正常动态特征

从2014—2018年信宜井水位日均值曲线（图5）可以看出，该井长趋势变化较为平稳，多年的观测资料显示，信宜井水位具有较规律的年变动态特征（图6），受降雨的影响，表现为夏高冬低，每年5～8 月的雨季，水位升幅最大，11 月至次年3 月的旱季，水位处在低值，可见降雨是影响该井水位动态变化的主要因素。但从2018 年下半年开始，受到旁边大型房地产工地施工影响，水位开始出现异常变化。

图5 信宜水位长趋势曲线Fig.5 Long-term trend curve of Xinyi well water level

3.2 井水位异常概况

信宜井水位2018年8月16～19日期间显著下降后又快速回升，16 日20：58 出现下降，最大下降幅度0.671 m，17 日23：00 转折回升，最大上升幅度1.014 m，见图6。8 月17 日2：21 和2：22 日本火山列岛地区分别发生了MS6.3 和MS6.5 级地震，19 日8：19 斐济群岛发生MS8.1 级地震，信宜井水位在16 日20：58 分就出现下降，即日本火山列岛地震发生之前6 h，因此可以判断此次异常现象都不是上述三次强震的同震响应，日本火山列岛距离信宜井约3300 km，斐济群岛离信宜井约8900 km，此次水位下降没有叠加两次地震的同震响应。另外，从图7 可以看出，信宜井水位与3800 km 内日本6.5～7.9级地震无明显的相关性。

图6 信宜井水位异常变化曲线Fig.6 The abnormal change curve of water level of Xinyi well

图7 信宜水位与日本6.5～7.9级以上地震的对应关系（2015-01—2018-12）Fig.7 Corresponding relationship between Xinyi water level and earthquakes with 6.5≤MS≤7.9 in Japan（2015-01—2018-12）

3.3 干扰情况分析

3.3.1 环境干扰情况

对此次水位异常变化，进行了实地异常调查与落实，台站周边存在多个工地，分别为距离100 m 左右的信宜市第六小学工地，西侧距离台站约400 m 的冠一建筑工程公司房地产及采石场工地，还有紧邻台站东南侧的即将动工的房地产工地，见图8。

图8 信宜台周边环境示意图Fig.8 Schematic diagram of the surrounding environment of Xinyi Station

台站人员到现场调查发现，信宜市第六小学工地为一土层场地平整小工程，未涉及爆破及抽水施工。

台站西侧的冠一建筑工程公司房地产及采石场工地面积约有1.5 万平方米，内有两个作业区，较低处为花岗岩区开挖平整区，从7月15日开始，施工较为频繁，涉及大量爆破，较高处为碎石加工区，两者高差约15 m。工地西北角有一钻井，用于抽取工作人员的生活用水。该井距台站观测井约400 m，方位角约280°。

门急诊处方质量关系到患者的用药安全性和合理性，体现医院的合理用药水平[1]。《三级肿瘤医院评审标准实施细则（2011年版）》明确规定药品不合理处方≤1%。现对江苏省肿瘤医院2016～2017年门急诊药房成功干预的不合理处方进行回顾性分析，了解不合理处方状况，为临床合理用药及处方质量持续改进提供参考。

另外，信宜台站内还有数字化形变仪器RZB-2分量钻孔应变仪，采样率为秒值。该套仪器的4个分量，北南、东西、北东和北西分量也都同时出现了异常突升变化，其中北南分量和北西分量持续时间较长，幅度较大，北南分量变化幅度为0.15%，北西分量变化幅度为0.07%。东西分量和北东分量异常变化持续时间小于1 天且幅度较小，见图9。根据弹性力学[14]，在垂直方向的长钻孔中，水平地层平面上某个α方向的钻孔孔壁径向位移u与水平面上的主应力σ1σ2及主应力方向φ之间的关系式：

图9 信宜台钻孔应变仪分钟值曲线Fig.9 Minute value curve of borehole strain gauge in Xinyi Station

其中，R为钻孔半径，E为岩石的杨氏模量。

每一个分量都存在这种本构关系：

4个分量中，两两垂直的两组测值之差为：

两式相除：

取北南分量最大观测值时间，可得到4 个分量该时间的测值，α为北南分量的方位角，求得相对主应力的方位角为340°，说明北西方向存在干扰源，钻孔应变仪4个分量也在17～20日同时出现了畸变，因此可以判定，房地产施工工地与此次水位下降存在一定的关系。

3.3.2 气象因素干扰情况

广东茂名地区8 月10 日受台风“贝碧嘉”影响，遭受暴雨洪涝灾害，信宜市暴雨引发山洪。信宜台WYY-1 气象三要素观测仪记录到16～19 d 降雨量共46.7 mm。从图10可见，井水位与降雨的相关性良好，上升幅度与雨量正相关，但气压与水位的相关性很小。因此判断，台风“贝碧嘉”不是造成水位下降的原因。

图10 水位与降雨、气压记录曲线Fig.10 Record curves of water level，rainfall and air pressure

3.3.3 水位上升多元回归分析

针对8 月16～19 d 水位显著下降后又快速回升现象，如何排除降雨对水位的影响，显得特别重要与关键，目前还没有一种可以较好地排除降雨对井水位动态影响的数据处理方法，本文通过借鉴降雨与水位的回归分析方法[15]，尝试通过井水位升高幅度、升高持续时间和同期降雨量等参数，建立水位升高与降雨关系的多元回归方程，统计2017 年以来信宜水位连续上升超过3 d，水位上升幅度与上升持续时间和同期降雨量。考虑到降雨对井水位影响会有所滞后，同期降雨量取包括上升开始的前一天[16-18]。

建立的回归方程为

y=-0.035862+0.013042x1+0.0010425x2

y：水位升高幅度（m）

x1：上升持续时间（d）

x2：同期降雨量（包括上升开始的前一天）（mm）

对回归方程进行显著性检验[19-21]，检验的p值为0.000 141 小于0.05，回归方程是显著的。图11为时间序列上48 次水位连续上升大于等于3 d，原始上升幅度与根据回归方程拟合的上升幅度比较，图12 为水位上升幅度与回归拟合得到的上升幅度差值，从图11 和图12 可以看到本次水位升高幅度远高于根据上升持续时间和降雨量拟合得到的上升幅度。考虑到升高前有快速的下降，扣除前期的下降本次升高幅度为0.5 m 左右。而按照回归方程得到的上升幅度在0.14 m，实际上升幅度仍然远高于拟合值，说明导致本次水位升高的原因不单单是降雨，另外还有其他因素叠加影响。

图11 信宜水位上升幅度与回归拟合上升幅度Fig.11 The rising range of Xinyi water level and its regression fitting

图12 信宜水位上升幅度与回归拟合上升幅度差值Fig.12 The difference between the rising range of Xinyi water level and its regression fitting

4 讨论与认识

（1）信宜井水位是广东省流体学科效能评估为A类的唯一测项，映震能力较强，在多次强震后都有明显的同震响应，变化形态均为下降型。但此次水位下降并非是强震后的同震响应。

（2）8 月16 日20：58 井水位快速下降，最大下降幅度为0.671 m，从图9 可以看出，水位与气压相关性小，笔者认为，台风“贝碧嘉”不是造成水位下降的原因。结合钻孔应变各分量变化的差异性，认为16 日快速下降，有可能和北西方向的工地频繁作业，施工爆破等有一定的关系。

（3）井水位8 月18 日0 点起转折上升，18～19日上升幅度为1.014 m，8 月11 日起由于受台风“贝碧嘉”的影响，气象三要素观测仪记录到16日降雨量0.9 mm、17 日18.3 mm、18 日16.4 mm、19日11.1 mm，根据水位升高变化与降雨量的回归分析结果可得出，此次大幅度上升，已经远远高于拟合值，由此得出，水位快速回升除了受到降雨影响外，还有其它因素干扰。

（4）考虑到回归方程中所取的影响因素可能不够全面，台站水文地质环境还不够了解，降雨的空间分布也未纳入考虑范畴，后续仍需进一步跟踪调查与试验，确定干扰源，完善回归方程。