我國地震井水位觀測網(wǎng)監(jiān)測效能評估

劉春國 孔令昌 楊竹轉(zhuǎn) 樊春燕 陳華靜

1)中國地震臺網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號 100045

2)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 1000029

0 引言

我國地震井水位觀測網(wǎng)(以下簡稱為井水位觀測網(wǎng))創(chuàng)建于1968年，經(jīng)過40多年的建設(shè)，已經(jīng)發(fā)展成為以數(shù)字化觀測為主、模擬觀測為輔，觀測站超過500多個的監(jiān)測臺網(wǎng)(劉耀煒，2006;車用太等，2006)。由于井水位觀測網(wǎng)具有較強的地震前兆監(jiān)測能力，其監(jiān)測狀態(tài)一直引人關(guān)注，幾乎在觀測網(wǎng)發(fā)展的每個重要階段，都會開展類似效能評估的調(diào)查、分析和總結(jié)工作。如汪成民等1990年對我國地震地下水動態(tài)觀測網(wǎng)的調(diào)查總結(jié)(汪成民等，1990)，車用太、高小其、谷元珠等在“九五”數(shù)字化改造完成后對我國數(shù)字化水位觀測網(wǎng)的調(diào)查分析(車用太等，2006;高小其等，2004;谷元珠等，2001)。為了摸清“十五”數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)項目完成后我國井水位觀測網(wǎng)的監(jiān)測現(xiàn)狀，為未來臺網(wǎng)優(yōu)化改造、儀器更新工作奠定基礎(chǔ)，于2010年啟動了監(jiān)測效能評估工作。歷時兩年，完成了對井水位觀測網(wǎng)的全面清理和監(jiān)測效能評估。

1 井水位觀測網(wǎng)基本情況

1.1 井水位觀測網(wǎng)分布

據(jù)最新統(tǒng)計，用于地震前兆監(jiān)測的井水位觀測站共計508個，其中國家級和區(qū)域級觀測站僅占33.9%，市縣級觀測站高達66.1%，由于大部分地方觀測站并未納入?yún)^(qū)域級臺網(wǎng)管理，其觀測資料也不向省級、國家級臺網(wǎng)報送，故市縣級觀測站的數(shù)量很難摸清，實際數(shù)量可能遠遠超過統(tǒng)計數(shù)字。這并不奇怪，井水位觀測原理清楚、資料分析簡單、對短臨異常信息有較好的響應(yīng)能力，一直是市縣地震前兆監(jiān)測手段的首選。

本文中的井水位觀測網(wǎng)，是指在中國大陸，納入?yún)^(qū)域前兆臺網(wǎng)及國家前兆臺網(wǎng)管理、給區(qū)域前兆臺網(wǎng)及國家前兆臺網(wǎng)報送數(shù)據(jù)的所有正在運行的井水位觀測站(不包括2010年前停測的觀測站)組成的觀測網(wǎng)，包括了所有國家級、區(qū)域級水位觀測站和部分市縣級水位觀測站，共計354個觀測站(如圖1所示)，其中動水位觀測站84個，占比為23.7%。這些水位觀測站已經(jīng)覆蓋我國各省、市、自治區(qū)(表1)，其中以地震多發(fā)的云南省最多，有50個觀測站，其次是福建27個、河北23個，貴州、西藏最少，各只有1個觀測站。觀測站總體上沿主要地震活動帶分布，呈現(xiàn)東密西疏的分布特點。

圖1 中國地震井水位觀測站分布

1.2 觀測儀器布設(shè)

在參與評估的354個觀測站中共計布設(shè)了372套水位觀測儀器，其中，云南(7個)、遼寧(5個)、河北(2個)、海南(1個)共計15個觀測站模擬和數(shù)字化水位儀并行觀測井水位，天津有1口井2套數(shù)字化水位儀并行觀測，湖北有1口井1套模擬和2套數(shù)字觀測儀器并行觀測。

水位觀測儀器型號有17種之多，可分為模擬和數(shù)字兩大類。模擬儀器占比為18.8%，數(shù)字儀器占比為81.2%。模擬儀器有三種型號，主要型號為 SW40-1，占模擬儀器的81.4%。數(shù)字化儀器共計有13種型號，主要型號為LN-3(“九五”主流儀器)和LN-3A(“十五”主流儀器)，這兩類儀器占數(shù)字化儀器的84.8%;中科光大和泰德公司儀器占比均為4%，其他數(shù)字化儀器較少。各類儀器主要指標及所占比例如表2所示。

表1 各省、市、自治區(qū)水位觀測站及其觀測儀器分布

表2 各類水位儀器基本情況

2 監(jiān)測效能評估分析

2.1 評估概況

此次監(jiān)測效能評估內(nèi)容包括觀測環(huán)境、觀測儀器、觀測質(zhì)量和預(yù)測應(yīng)用4個方面。為了能夠客觀、公正地開展評估，在評估工作啟動前，制定了流體學(xué)科監(jiān)測效能評價標準。該標準分別對觀測環(huán)境、觀測儀器、觀測質(zhì)量和預(yù)測應(yīng)用給出了優(yōu)秀、合格、基本合格和不合格的具體評價指標。

依據(jù)評價標準，首先由區(qū)域前兆臺網(wǎng)中心自評估，在此基礎(chǔ)上，地下流體學(xué)科技術(shù)管理組，結(jié)合地下流體學(xué)科臺網(wǎng)中心的臺網(wǎng)運行監(jiān)控和質(zhì)量監(jiān)控情況，逐一對水位觀測網(wǎng)的每個觀測站的觀測環(huán)境、每套儀器的運行情況、觀測儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)的質(zhì)量及其預(yù)測應(yīng)用情況進行了評估。

2.2 觀測環(huán)境

水位觀測站觀測環(huán)境的評價標準主要依據(jù)地震行業(yè)標準DB/T 20.1-2006和DB/T 38-2010(中國地震局，2006;中國地震局，2010)。滿足一類臺站建設(shè)標準為優(yōu)秀;滿足二類臺站建設(shè)標準，為合格;基本符合標準要求，觀測干擾不顯著為基本合格;不符合標準要求或觀測干擾顯著為不合格。

根據(jù)評估結(jié)果統(tǒng)計，觀測環(huán)境為優(yōu)秀者占比為19.5%，合格者占比為54.0%，基本合格者占比為20.0%，不合格的觀測站有23個，占6.5%，合格以上的觀測站260個，占比為73.5%。

從各區(qū)域臺網(wǎng)評估情況來看，觀測站觀測環(huán)境合格以上最多的區(qū)域臺網(wǎng)為云南(40個)，其次為福建(26個)，此外觀測環(huán)境合格的觀測站超過10個以上的區(qū)域臺網(wǎng)有河北、遼寧、北京、安徽、山東、黑龍江、吉林、河南等，西藏和貴州無合格的水位觀測站。重慶、廣西、上海、內(nèi)蒙、四川、寧夏、天津等總體水位觀測環(huán)境欠佳，合格以上的觀測站占比未達60%。

未達到合格標準的觀測站比較突出的問題為觀測井孔自身問題和環(huán)境干擾。

(1)觀測井孔

非地震專用觀測井存在的問題突出。此次評估的觀測深井基本上為地質(zhì)、石油部門的勘探井或廢棄井，這些井大部分井孔結(jié)構(gòu)不符合地震水位觀測的要求，成井資料缺失，止水不明、油漂、氣泡多。有5口水位觀測井原為廢棄的形變鉆孔，這類井井深較淺，通常沒有止水，常受到地表水、降雨的強烈干擾，個別觀測井與觀測含水層聯(lián)通性差，不符合水位觀測的基本要求。

觀測井孔老化問題亦比較嚴重。初步統(tǒng)計，約30%的觀測井啟用時間超過20年，有些甚至近40年，如湖北襄樊萬山、荊州紀南、黃梅獨山、秭歸4口井，雖然這些觀測站經(jīng)過“九五”、“十五”數(shù)字化改造，但觀測井孔基本沒有進行必要的維護和改造，老化嚴重，套管生銹、井壁破損、止水不良、井下淤泥堆積、井中雜物多，一些井孔實際井深大幅縮小，嚴重影響了水位觀測。

(2)環(huán)境干擾

環(huán)境干擾主要來自于降水、地下水開采、灌溉、附近江河水位漲落等。淺井與深井的主要干擾因素不同，降雨成為淺井的主要干擾源，中深井主要受到農(nóng)業(yè)灌溉和地下水開采影響。不同區(qū)域，主要干擾因素亦不同。

南方地區(qū)受降雨影響較為普遍，特別是江西的一些觀測井，其觀測含水層埋深較淺，封閉性較差，受降雨干擾顯著。

地下水開采影響主要集中在大華北和人口密度較大、工業(yè)較發(fā)達地區(qū)。北京、河北、天津均處于地下水超采區(qū)，受地下水開采影響最為普遍和顯著。如天津張道口井因水位逐年下降，水位埋深已超過100m，多個臺站水位年下降速率超過5m，河北永清井水位下降7m/年，河北雄縣井水位下降速率高達10m/年。

寧夏多口處于黃河灌區(qū)的水位觀測井(包括平羅136、銀川勝利、靈武大泉、中衛(wèi)倪灘等)均不同程度受到灌溉和機井抽水影響，大大降低了觀測資料的應(yīng)用價值。

此外，動水位觀測站還存在以下主要問題:

(1)動水位觀測井泄流孔堵塞問題較為突出。初步統(tǒng)計有6口動水位觀測井泄流口經(jīng)常堵塞，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)突升、突降，嚴重影響了數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)應(yīng)用。

(2)大多數(shù)動水位觀測井同時開展多項化學(xué)量觀測，水位觀測易受到化學(xué)量取水樣、脫氣-集氣裝置故障或變化等因素的影響，如四川鹽源、云南元謀等。

(3)大部分數(shù)字化動水位觀測未同步配套流量觀測，降低了動水位觀資料的使用價值。

2.3 觀測儀器

觀測儀器主要根據(jù)儀器的運行率來評價。運行率達到99%以上為優(yōu)秀;運行率95～99%為合格;運行率90～95%為基本合格;運行率低于90%為不合格。

根據(jù)評估結(jié)果統(tǒng)計，水位觀測儀器優(yōu)秀者占比35.8%、合格者占比39.2%、基本合格者占比14.8%、不合格者占比10.2%，合格以上者占比為75%。

主流模擬儀器SW40-1合格以上占比84.2%;數(shù)字化主流儀器LN-3與LN-3A合格以上占比分別為64.9%、78.4%。非主流儀器中，中科光大的數(shù)字水位儀所獲評價均在合格以上;合格率較低的儀器有模擬的紅旗-1、SW40，數(shù)字化儀器DLZ-1、DRSW-1/2和TDGL-25。

水位觀測儀器問題主要包括儀器老化、故障率較高、維修時間較長等。用于模擬觀測的水位儀(以SW40-1為主)的運行年限長達20年以上，而“九五”建設(shè)的數(shù)字化儀器(以LN-3為主)也有10年的觀測歷史，這些儀器都不同程度的存在老化、故障率偏高、零配件缺乏、維修困難等問題。一些“十五”數(shù)字化儀器(以LN-3A為主)穩(wěn)定性較差，經(jīng)常出現(xiàn)高頻毛刺和大幅度的脈沖變化、數(shù)據(jù)階變等現(xiàn)象，給日常觀測、資料分析和地震預(yù)測帶來了一定的困難，而且故障維修時間較長。

2.4 觀測質(zhì)量

觀測質(zhì)量主要依據(jù)2009～2011年年度全國或省級觀測資料質(zhì)量評比結(jié)果而評定。根據(jù)現(xiàn)有的地下流體年度觀測資料評比辦法，水位的觀測質(zhì)量水平是觀測數(shù)據(jù)的完整性、觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量和臺站運行管理水平的綜合體現(xiàn)。

評價結(jié)果顯示，觀測質(zhì)量優(yōu)秀者占比為24.5%，合格者占比為47.8%，基本合格者占比為18.0%，不合格者占比為9.7%，合格以上者占比為72.3%。

下面以2009～2011年全國評比結(jié)果為依據(jù)，對觀測網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量水平進行分析。

2.4.1 數(shù)據(jù)的完整率

觀測數(shù)據(jù)完整率是臺站運行狀況的綜合指標，其高低取決于儀器設(shè)備的故障率、儀器設(shè)備運行環(huán)境的優(yōu)劣及臺網(wǎng)管理水平(中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2002)。

我們對2009～2011年參加全國評比的水位觀測數(shù)據(jù)的完整率進行統(tǒng)計，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)完整率≥95%的觀測儀器占比為78.8%，只有10%的觀測儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)的完整率低于90%。這一結(jié)論與觀測儀器評估結(jié)果基本一致。

2.4.2 數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量

井水位固體潮記錄能力是衡量觀測井對地殼應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)能力的重要指標?？紤]到我國地震監(jiān)測臺網(wǎng)絕大多數(shù)都分布在中緯度地區(qū)，而中緯度地區(qū)的M2波振幅最大，具有最大的信噪比(陳華靜，2002)，目前我國水位觀測數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量主要采用M2波潮汐因子及其觀測精度指標進行評價。

井水位的M2觀測精度反映了井水位潮汐與體應(yīng)變理論固體潮的相對誤差，將觀測精度分為好、一般和較差三個等級，分別對應(yīng)水位記錄固體潮觀測精度＜10%、10% ～20%、＞20%。統(tǒng)計結(jié)果(表4)顯示，水位記錄固體潮觀測精度屬中上水平的井孔占80.5%，較差的井孔占19.5%(表3)。

水位的M2波潮汐因子是水位M2波振幅與體應(yīng)變理論固體潮M2波振幅的比值，反映了水位固體潮響應(yīng)幅度的大小。一口井的水位M2年潮汐因子相對來說比較穩(wěn)定。以2010年為例，對M2觀測精度較好的觀測井進行統(tǒng)計(如表4)，結(jié)果顯示，潮汐因子大于1 mm/10-9的觀測井占37.4%，大于0.5 mm/10-9的占57%。東部地區(qū)如福建、上海、遼寧、天津等地的觀測井水位潮汐因子較大，西北地區(qū)一些井水位M2潮汐因子偏小。東部地區(qū)福建永春地震臺觀測井水位年M2潮汐因子最大，達到15.932 mm/10-9(2010年9月最大日潮差達到1.19m，年平均日潮差0.76m)，M2觀測精度1.2%，觀測精度高。

表3 對2009～2011年水位觀測網(wǎng)M2觀測精度的統(tǒng)計結(jié)果

表4 對2010年水位觀測網(wǎng)M2潮汐因子的結(jié)果統(tǒng)計

2.4.3 觀測站運行管理

觀測站的運行管理包括儀器日常維護、校測檢查、數(shù)據(jù)預(yù)處理等方面。評估中發(fā)現(xiàn)，大約有80%的觀測站能夠按照規(guī)范要求開展校測檢查工作，20%的觀測站校測檢查不規(guī)范或沒有做。大多數(shù)觀測站都能對觀測系統(tǒng)進行定期檢查，特別是對供電電源檢查，13.8%的觀測站沒有定期巡檢。2009～2011年間，觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理問題逐年減少，只有少數(shù)觀測站存在錯誤數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)不做預(yù)處理等問題?？傮w來說，市縣臺在臺站運行管理方面問題較多。

2.5 預(yù)測應(yīng)用

預(yù)測應(yīng)用評價是依據(jù)水位觀測資料在地震預(yù)測會商中的應(yīng)用程度和記震能力來評定的，評價結(jié)果主要參考各省地震局地震分析預(yù)測人員的意見。

根據(jù)評估結(jié)果統(tǒng)計，觀測資料被評為優(yōu)秀者占12.4%，合格者占51.6%，基本合格者占27.4%，不合格者占8.6%，合格以上者占64%。井水位觀測資料預(yù)測應(yīng)用較好的單位主要有山東、北京、海南、福建、黑龍江、江蘇、遼寧等，合格以上水位觀測站占85%以上。

從近年來積累的震例總結(jié)資料和地下流體學(xué)科中心地震事件分析資料來看，對于8級以上強震，我國大部分觀測井水位均能記錄到同震和震后效應(yīng)，如2008年汶川8.0級地震，有58%的數(shù)字化觀測井水位記錄到同震效應(yīng)(中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2009)，2011年日本9.0級地震有80%的數(shù)字化觀測井水位記錄到同震效應(yīng)。除了2010年玉樹7.3地震由于周邊水位觀測井很少未能記錄到明顯的前兆異常外，在2008年汶川8.0級地震、2009年姚安6.0級地震(曹曉麗等，2012)、2011年盈江5.8級地震、新疆尼勒克6.0級地震以及2013年的蘆山7.0級地震等中強地震、強震之前，均有數(shù)量不等的觀測井水位記錄到趨勢性異常和短臨前兆異常。但由于地震前兆異常本身就很難識別，而水位觀測網(wǎng)中部分觀測站存在觀測環(huán)境干擾和觀測系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素，更增加了對地震前兆異常判斷的難度，影響了觀測資料在地震預(yù)測中的應(yīng)用。

3 評估結(jié)論與建議

綜合觀測環(huán)境、觀測儀器、觀測質(zhì)量和預(yù)測應(yīng)用的評估結(jié)果，我國地震井水位觀測網(wǎng)監(jiān)測效能的現(xiàn)狀與存在問題已基本清楚，評估結(jié)論如下:

(1)有61.8%的水位觀測站監(jiān)測效能為合格，21%為基本合格，17.2%為不合格。共計有12個觀測站需要進行井孔改造、井口改造和井房改造;建議搬遷、撤銷和停測的觀測站共計23個，其余319個觀測站可繼續(xù)保留觀測。

(2)需要數(shù)字化改造的觀測站共計16個，以安徽和河南的模擬觀測站為主。68套儀器需更換(新)，包括16套模擬儀器和52套數(shù)字儀器(主要為“九五”期間架設(shè)的LN-3)，有10套“十五”觀測儀器因故障頻發(fā)需配備備用儀器。

針對存在的主要問題，建議如下:

(1)在新鉆井或選擇其它用途的水井做觀測井之前應(yīng)嚴格按照規(guī)范要求進行勘選，盡可能采用專用深井開展流體觀測，減少干擾;對于老化嚴重的井孔盡快進行更換套管、洗井、清淤等改造;在開展動水位觀測時，應(yīng)選擇那些常年流量比較穩(wěn)定的觀測井，動水位的泄流裝置應(yīng)具有簡便的排污功能;動水位觀測應(yīng)配置流量觀測，流量數(shù)字化觀測亟待提上日程。

(2)盡快對嚴重老化的模擬觀測儀器和“九五”數(shù)字化水位儀器進行儀器更新和數(shù)字化改造。針對“十五”儀器故障較多、維修時間過長的現(xiàn)狀，建議各區(qū)域臺網(wǎng)配備一定數(shù)量的備用儀器，建立儀器維修中心，加強對儀器日常維護的培訓(xùn)，建議對綜合效能評估較好的觀測站優(yōu)先解決備用儀器。加強競爭機制，引進優(yōu)秀品牌，整體提高水位觀測儀器的性能，確保觀測儀器能夠長時間持續(xù)產(chǎn)出穩(wěn)定、可靠的觀測數(shù)據(jù)。

(3)針對市縣觀測站運維問題較多的現(xiàn)狀，建議進一步規(guī)范市縣臺的運維工作，通過技術(shù)指導(dǎo)、技術(shù)培訓(xùn)等措施，盡快提高市縣臺的運維管理水平。

(4)進一步優(yōu)化水位觀測網(wǎng)布局，根據(jù)監(jiān)測效能評估結(jié)果，分級分類對觀測網(wǎng)進行管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，推進觀測資料在地震預(yù)測中的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

監(jiān)測效能評估結(jié)果已作為中國地震局未來三年儀器更新改造計劃的依據(jù)?？紤]到觀測站的觀測環(huán)境、觀測儀器狀態(tài)隨時間的不斷變化，有必要將監(jiān)測效能評估與觀測資料評比相結(jié)合，實現(xiàn)效能評估常態(tài)化，以便及時了解觀測網(wǎng)運行狀態(tài)，為臺網(wǎng)優(yōu)化改造、儀器更新計劃提供不斷更新的動態(tài)信息。

井水位觀測網(wǎng)監(jiān)測效能評估是地震前兆觀測網(wǎng)監(jiān)測效能評估的重要組成部分，由中國地震局監(jiān)測預(yù)報司組織發(fā)起，國家地震前兆臺網(wǎng)中心牽頭協(xié)調(diào)，在各省、市、自治區(qū)地震局有關(guān)人員的參加和大力支持下才得以完成。在此對為本次評估工作付出辛勤勞動的所有人員表示感謝!