气温、气压、地下水理论固体潮对新04井静水位的影响分析①

木拉提江·阿不来提， 高 歌

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

地震孕育与地下水有着十分密切的联系。岩石之间的应力能量积累、热动力状态的改变都将导致地下流体介质的变化[1-2]。由于观测台站建立在地壳表层，各种干扰因素激励、调制出相应的周期性变化，并为观测仪器所记录，诸如：固体潮、气象、人类活动、环境变化、仪器故障等多源因素引起的变化。各类干扰因素的作用机制各异，相互影响，会降低地球物理场观测的数据质量与可靠性，增加了数据处理难度和异常识别的精确度[3-4]。为了有效识别和提取水位异常变化信息，降低或定量化剔除流体观测资料中非构造应力引起的干扰尤为重要。

国内外已开展大量针对井水位观测干扰因素分析的研究工作，对观测数据的干扰有了一些定性的认识。例如，1940年Jacob[5]推出了井水位与气压的效率计算公式，1967年Bredehoeft[6]运用井水位气压效率计算了含水层的水动力学参数。2012年万永革[7]等在研究水位数据时发现，水位观测不仅包含地震前兆信息，还含有固体潮、气压、降雨量等因素的影响。刘爱春等[8-9]指出，气温、气压、降水的变化与观测井环境的变化相对应，气压、固体潮与水位有一定的相关性，这对异常判别提供了依据。明成山等[10-11]对锦州汤池子井气压、理论固体潮分别与井水位做了相关性分析，均得到较好的结果。Matsumoto N，Kitagawa G，Roeloffs E A 等[12]通过计算井水位变化提取地震地球物理场异常信息，消除了气压等非构造应力影响，分析水位变化与构造活动关系。这些结果表明，不同流体测项或台站对各种影响因素的响应不同，可能对某些特定的因素更为敏感。

陈玲等[13]认为，新04井井水位的固体潮、气压效应明显。2006年崔勇在研究新04井流体测项长趋势变化时也指出，水位对气压、固体潮，地震波等应力应变状态反映灵敏[14]。本文中以新04井静水位为研究对象，应用相关分析方法，选取不同时间尺度定量研究气温、气压及地下水理论固体潮对新04井静水位的影响，并对干扰因素及影响机制进行了分析与探讨，有助于对观测数据物理意义的认识，对地震地球物理场观测异常辨别具有实际意义。

1 新04井造背景及观测资料概况

新04号井位于乌鲁木齐市水磨沟区温泉疗养院内，高程821 m,井深145.48 m。北东向延伸的水磨沟—白杨南沟断裂为本区的主干断裂，该断裂是大型逆冲推覆构造—博格达构造带中妖魔山断裂带的一部分[15-16]。近SN向与NW向分支断裂斜截背斜轴部并与主干断裂相交。新04井位于2条断裂的交汇处，所处位置呈岩石破碎、裂隙、节理发育[17]。由于水磨沟—白杨南沟断裂两侧岩石透水性存在明显差异，此处断裂起到了2个作用：一方面，断裂和破碎带直接通到地下深部热水中，成为地下流体向上转移的排泄通道；另一方面，北盘透水性较弱的地表层沿断裂形成地下径流的效果，使基岩中裂隙里的水向上运移并形成出露于断裂之中，沿着断裂构成多个温泉的出露[18]。

新04号井于1977年开始采用红旗-1型水位计观测水位，1985年更换为SZ-1型水位计，1987年采用SW40-1水位计观测，同年开始投入SZW-1、SZW-2、SZW-1A型水温观测和辅助观测，2000年进行数字化更新改造，改造之后井水位观测采用LN-3型号的数字水位观测系统，水位传感器探头处于9.24 m，深层水温观测传感器处于井下100 m。

2011年9月至2016年观测井周边发生多次基建干扰严重影响水位正常年变形态，2017年起水位数据逐渐出现年变。干扰情况如表1所示。

表1 2011年9月～2016年10月新04井水位周边典型干扰事件统计

2 数据分析

因新04井观测站2015年7月1日接入气象要素观测，存在的问题是此前无气温、气压整点值数据，且气温数据为观测室温度，冬季受供暖影响较大，限制了计算时段。所以选取的气象资料是新疆维吾尔自治区地震局与新疆气象局交换得到的数据。

气压、温度、固体潮等因素对地球物理观测的影响一直存在。为了更准确的研究气温、气压及固体潮对水位的影响特征，减少人为干扰、场地环境、观测系统等因素对水位数据造成的干扰。本文中根据新04井静水位观测曲线的年变形态变化，粗略地将静水位、地下水固体潮理论值、乌鲁木齐气温及气压的数据分成2007-01-01～2011-08-31、2017-01-01～2019-12-31两段进行计算。

由图1可见，乌鲁木齐气温、气压、新04井静水位的第1时段观测曲线均具有较好的年周期变化形态，而新04井静水位的第2时段年变形态较与第1时段相比较差。计算它们之间的相关系数，计算结果见表2及图2。由表2及图2可知，新04井静水位年尺度变化基本与气压和气温有关，与地下水固体潮理论值无关。

图1 气温、气压、地下水固体潮理论值与新04井静水位日均值曲线图(2007-01-01～2019-12-31)(a) 静水位年变化 (b) 地下水固体潮理论值变化 (c) 气压年变化 (b) 气温年变化Fig.1 Theoretical values of air temperature, air pressure and groundwater solid tide，daily

表2 气温、气压、地下水固体潮理论值与新04井静水位相关系数

进一步逐日滑动计算时间窗发现，气温对新04井静水位的影响存在相位滞后(图3)，在第1时段中，当静水位相位滞后气温35 d时，二者相关系数为 -0.781；第2时段里，当静水位相位滞后气温15 d时，二者相关系数为 -0.747，新04井静水位相位平移后观测值与气温的散点图见图4。由图2、4可知，气温是新04井水位在年周期变化最主要的影响因素，水位与气温具有中高度的负相关性，且它们之间具有准线性关系。

图2 新04井气压、气温、与地下水固体潮理论值与静水位散点图(a) 2007-01-01～2011-08-31 (b) 2017-01-01～2019-12-31Fig.2 Scatter theoretical values of air pressure, air temperature, groundwater solid tide and

图3 新04井静水位滞后气温天数与相关系数关系图(a) 2007-01-01～2011-08-31 (b) 2017-01-01～2019-12-31 Fig.3 Relationship between days of static water level lagging temperature and correlation coefficient in well Xin 04

图4 新04井静水位与气温散点图(a) 2007-01-01～2011-08-31 (b) 2017-01-01～2019-12-31Fig.4 Scatter diagram of static water level and temperature of well Xin 04

为研究年、月频段气压、气温、地下水理论固体潮对新04井静水位的短期影响特征，进一步逐月计算它们之间的相关系数(图5)，由图5 可以看出，资料选取时间段内新04井静水位与气压有15个月呈中高度正相关，有10个月与气温呈中高度负相关，而与地下水固体潮理论值相关性始终保持较低的相关度。

图5 气压、气温、地下水理论固体潮与新04井静水位相关系数、乌鲁木齐气温及降水时序曲线(a) 气压与静水位相关系数 (b) 气温与静水位相关系数 (c) 理论固体潮与静水位相关系数 (d) 乌鲁木齐气温 (e) 乌鲁木齐降水Fig.5 Barometric pressure, air temperature,theoretical solid tide of groundwater and static water level of well

不失一般性，以2019年整点值观测数据为研究对象，按月分别计算气压、气温、地下水固体潮理论值与新04井静水位的散点图(图6)。

图6 气压、气温、地下水固体潮理论值与新04井静水位散点图(2019-01-01～2019-12-31)(a) 2019-01-01～2019-01-31 (b) 2019-02-01～2019-02-28 (c) 2019-03-01～2019-03-31 (d) 2019-04-01～2019-04-30 (e) 2019-05-01～2019-05-31 (f) 2019-06-01～2019-06-30(g) 2019-07-01～2019-07-31 (h) 2019-08-01～2019-08-31 (i) 2019-09-01～2019-09-30(j) 2019-10-01～2019-10-31 (k) 2019-11-01～2019-11-30 (l) 2019-12-01～2019-12-31Fig.6 Scatter theoretical values of air pressure, air temperature, groundwater solid tide

如图5，气压与新04井静水位的相关系数具有冬季高、夏季低的特点，尤其是在夏季，甚至出现了负相关的情况，这说明在冬季气压与水位具有较好的线性相关性，而在夏季气压与静水位基本线性无关。进一步按月逐日计算二者相关性可知，气压与静水位在1～4、11月份的线性特征较其他月份明显(图6a、6b、6c、6d、6k)，恰好佐证了该结论。

3 讨论

车用太等[19]人在识别与排除地下水干扰异常时，提出了4个“相关性”原则，其中，成因上的相关性，是指观测数据的动态变化与其影响因素间一定存在成因上相关性，而本文分析结果显示气压对静水位的影响出现随季节变化(冬高夏低)，这与成因上的相关性存在一定矛盾。此外，计算结果表明，气压是新04井静水位月尺度观测的主要影响因素，气温、地下水固体潮理论值对水位短周期观测数据的影响不大。

从区域水文地质条件分析可知，新04井由博格达山区高山积雪融水渗入补给。因此气温的变化有可能引起天山融雪量发生变化，而影响补给水量，致使水位发生升降变化。由图5可知，随着气温的升高，气压与新04井静水位的相关系数下降，这说明由于天山融雪造成的水量补给，破坏了气压对水位的线性特征，也就是说，实际上气压对水位短周期的影响仍表现为线性特征。

4 结语

(1) 年尺度相关性分析中可以看出，气温、气压是影响新04井静水位年变形态主要因素，气温对静水位影响相对较大，参与计算的2段观测数据中，第1时段水位相位滞后约35 d，第2时段水位相位滞后约15 d。而固体潮引起的新04井水位年变化幅度非常小，这与高小其[20]等在研究气温、气压、固体潮对新04井静水位年变化影响结论不尽相同。

(2) 月尺度相关分析中，新04井静水位短周期观测的主要影响因素是气压、气温、融雪和降水。气压对水位的影响是短周期微动态干扰，冬季乌鲁木齐天气寒冷，降水主要表现为冰雪且地表水结冰，人工取水活动相对较少，不能造成补给，且新04井表现为承压井的特点，气压对静水位影响就较为显著。当温度升高，融雪和降水对井水位的补给影响较大，会掩盖了气压的影响，这是静水位与气压在其他季节呈现出相关系数低的原因。

(3) 仪器的观测环境、工作状态、安装情况、基岩等条件的不同，会对干扰因素产生不同程度的响应，相应的仪器记录曲线形态与变化幅度都会有所差异。因此如何从原始数据中识别和剔除干扰，减少观测台站周边干扰源，是今后地震监测人员需要解决的重要问题。