井水位氣壓系數(shù)正負(fù)動(dòng)態(tài)變化分析

丁風(fēng)和哈媛媛魏建民李 彬

1）中國呼和浩特 010010 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局

2）中國呼和浩特 010020 內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院

井水位氣壓系數(shù)正負(fù)動(dòng)態(tài)變化分析

丁風(fēng)和1）哈媛媛2）魏建民1）李 彬1）

1）中國呼和浩特 010010 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局

2）中國呼和浩特 010020 內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院

針對(duì)氣壓作用下井水位動(dòng)態(tài)變化的不同類型（顯著型、隱蔽型和中間型），假設(shè)最終采用一元線性回歸得到相應(yīng)的井水位氣壓系數(shù)。分析結(jié)果表明，氣壓系數(shù)存在正負(fù)變化，主要和引起井水位升降變化的非構(gòu)造應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力因素等有關(guān)。在實(shí)際跟蹤分析氣壓系數(shù)動(dòng)態(tài)變化過程中，可將其取絕對(duì)值。當(dāng)氣壓系數(shù)絕對(duì)值過大或過小時(shí)，首先排除井水位受非構(gòu)造應(yīng)力因素的影響，否則可能與構(gòu)造應(yīng)力變化有關(guān)，簡(jiǎn)單地將氣壓系數(shù)的一些高值和負(fù)異常認(rèn)定為地震異常是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

井水位；氣壓系數(shù)；正負(fù)動(dòng)態(tài)變化；影響因素

0 引言

引起井孔地下水位變化的因素主要有非構(gòu)造應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力因素。非構(gòu)造應(yīng)力因素一般視為干擾因素，有補(bǔ)給（降雨以及淺層水躍層補(bǔ)給等）、排泄（抽水及開采、蒸發(fā)等）、氣壓和潮汐應(yīng)力等（汪成民等，1988；車用太等，2006；Manga and Wang，2007；鄧亮等2010；Lee et al，2013）。而構(gòu)造應(yīng)力因素則是我們提取與地震活動(dòng)有關(guān)異常信息的目的。但是非構(gòu)造應(yīng)力因素干擾往往掩蓋了由構(gòu)造應(yīng)力引起的水位異常變化。就氣壓對(duì)井水位的影響來說，一般，水位與氣壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（即氣壓系數(shù)為正）。當(dāng)出現(xiàn)水位與氣壓正相關(guān)關(guān)系時(shí)，則氣壓系數(shù)為負(fù)，違背了水位和氣壓的正常變化規(guī)律。針對(duì)氣壓系數(shù)為負(fù)的情況，很多地震科技工作者對(duì)此做了不同程度的研究。譬如，漁金子等（1990）采用滑動(dòng)濾波延時(shí)處理方法，計(jì)算3口井的氣壓系數(shù)，并把存在水位與氣壓的正相關(guān)關(guān)系和氣壓系數(shù)值超過-9mm/hPa作為水位異常判據(jù)。分析認(rèn)為，氣壓系數(shù)的這種 “異?！弊兓巡粚儆跉鈮盒?yīng)，而是說明了氣壓效應(yīng)之外新的作用疊加在其上，這種新的作用可能就是與地震活動(dòng)有關(guān)的力學(xué)作用（即歸因于構(gòu)造應(yīng)力）。另外，他們認(rèn)為，雨季很難求得合理的氣壓系數(shù)背景值（雨季偏高、旱季偏低）。夏菲等（1994）利用水位、氣壓整點(diǎn)值資料和多元回歸方法，求取了井水位氣壓系數(shù)，發(fā)現(xiàn)氣壓系數(shù)正負(fù)變化皆有，關(guān)系復(fù)雜。且認(rèn)為氣壓系數(shù)這種無明顯規(guī)律性的變化，不代表水位的升降，只表明參數(shù)間的關(guān)系。張?jiān)獎(jiǎng)伲?997）利用新4井水位、氣壓日值資料，采用彼爾采夫?yàn)V波、高階差分及一元線性回歸等方法，將獲取的氣壓系數(shù)小于零的現(xiàn)象歸結(jié)于地震異常，并將水位和氣壓從負(fù)變關(guān)系變?yōu)檎冴P(guān)系，作為異常指標(biāo)判定界限。魏煥等（2001）認(rèn)為，井水位隨機(jī)氣壓效率（系數(shù)）大于3倍均方誤差的異常變化（正或負(fù)異常）與地震活動(dòng)有關(guān)的力學(xué)作用有關(guān)，即地震前兆異常反應(yīng)。

井水位氣壓系數(shù)出現(xiàn)正負(fù)變化到底與哪些因素有關(guān)，氣壓系數(shù)為負(fù)或是高值異常是否都可以歸因于地震前兆異常，今后如何分析氣壓系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化曲線，本文將進(jìn)行重點(diǎn)討論分析。

1 氣壓系數(shù)獲取

氣壓作用下的地下水位動(dòng)態(tài)變化主要有顯著型、隱蔽型和中間型。顯著型水位動(dòng)態(tài)受氣壓影響比較明顯，較易剔除，直接采用一元線性回歸就可得到比較理想的氣壓系數(shù)結(jié)果。而隱蔽型水位氣壓系數(shù)的計(jì)算，主要步驟有：首先對(duì)水位和氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波（譬如彼爾采夫?yàn)V波），其次對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理（一階或高階），最后根據(jù)差分結(jié)果，構(gòu)建一元回歸或二元回歸模型來擬合氣壓系數(shù)（張昭棟，1986；殷積濤等，1988；董守玉等，1987；劉學(xué)領(lǐng)等，2010；方慧娜，2013）。通常水位和氣壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波、差分處理后，采用一元回歸模型就可擬合出理想的氣壓系數(shù)結(jié)果。

假設(shè)顯著型、中間型和隱蔽型水位的氣壓系數(shù)最終采用一元線性回歸得到，那么可用式（1）和式（2）滑動(dòng)確定井水位氣壓系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程。

其中，wi為i時(shí)刻水位值，wi+1為i+1時(shí)刻的水位值；pi為i時(shí)刻氣壓值，pi+1為i+1時(shí)刻的氣壓值；Bpi為i時(shí)刻的氣壓系數(shù)；bi為截距。

2 氣壓系數(shù)正負(fù)動(dòng)態(tài)變化影響因素分析

正常情況下，井水位與氣壓之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖1，圖2）。據(jù)式（2），當(dāng)水位與氣壓之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系時(shí)，Bpi＞ 0。此時(shí)，Bpi的變化有2種可能：①水位變幅很大（升或降），氣壓變化不大時(shí)，造成Bpi較大［圖1（b），圖2（b）］；②水位變幅不大，而氣壓變化較大時(shí)，造成Bpi較?。蹐D1（c），圖2（c）］。換句話說，當(dāng)水位與氣壓之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（Bpi＞0）、氣壓變化相對(duì)正常時(shí)，引起井水位升降變化的補(bǔ)給（降雨以及地下水躍層補(bǔ)給等）、排泄（抽水及開采、蒸發(fā)等）、潮汐應(yīng)力等非構(gòu)造應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力因素等的變化均會(huì)造成氣壓系數(shù)Bpi較大。Bpi很小除與氣壓擾動(dòng)有關(guān)外，也與這些因素有一定關(guān)聯(lián)。如，氣壓變化較大時(shí)，按照正常水位對(duì)氣壓的響應(yīng)，水位也應(yīng)變化較大，但實(shí)際變化不大，很可能與地下水排泄［圖1（c）］、補(bǔ)給［圖2（c）］或構(gòu)造應(yīng)力變化等有關(guān)。

對(duì)于氣壓系數(shù)為負(fù)，同理按照式（2）思路，當(dāng)水位與氣壓之間呈正相關(guān)關(guān)系（圖3，圖4）時(shí)，Bpi＜0。Bpi的變化有2種情況：①水位變幅很大（升或降），氣壓變化不大時(shí)，造成氣壓系數(shù)Bpi很小，但其絕對(duì)值很大［圖3（b），圖4（b）］；②水位變幅不大，而氣壓變化很大時(shí)，造成Bpi較大，但絕對(duì)值較?。蹐D3（c），圖4（c）］。

圖1 水位上升、氣壓下降時(shí)，水位與氣壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系示意（a） 水位與氣壓變幅正常；（b） 水位上升幅度很大而氣壓變化不大； （c） 水位變幅不大而氣壓下降幅度很大Fig.1 A diagram of negative correlation between the water level and barometric pressure when the water level rises and the barometric pressure drops

圖2 水位下降、氣壓上升時(shí)，水位與氣壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系示意（a） 水位與氣壓變幅正常；（b） 水位下降幅度很大而氣壓變化不大；（c） 水位變幅不大而氣壓上升幅度很大Fig.2 A diagram of negative correlation between the water level and barometric pressure when the water level drops and the barometric pressure rises

圖3 水位和氣壓都下降時(shí)，水位與氣壓呈正相關(guān)關(guān)系示意（a） 水位與氣壓變幅正常；（b） 水位下降幅度很大而氣壓變化不大； （c） 水位變幅不大而氣壓下降幅度很大Fig.3 A diagram of positive correlation between the water level and barometric pressure when the water level and barometric pressure drop all

由于引起井水位變化的補(bǔ)給（降雨以及地下水躍層補(bǔ)給等）、排泄（抽水及開采、蒸發(fā)等）、潮汐應(yīng)力等非構(gòu)造應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力因素的共同作用，隱藏了水位對(duì)氣壓的正常響應(yīng)。圖3所示整體表明，抽水及地下水開采、蒸發(fā)、潮汐應(yīng)力等非構(gòu)造應(yīng)力或構(gòu)造應(yīng)力因素對(duì)水位的影響遠(yuǎn)大于氣壓影響。而有效的降雨及地下水補(bǔ)給、潮汐應(yīng)力、氣壓擾動(dòng)等非構(gòu)造應(yīng)力或構(gòu)造應(yīng)力因素變化，可造成水位和氣壓的關(guān)系產(chǎn)生如圖4所示變化。

圖4 水位和氣壓都上升時(shí)，水位與氣壓呈正相關(guān)關(guān)系示意（a） 水位與氣壓變幅正常；（b） 水位上升幅度很大而氣壓變化不大；（c） 水位變幅不大而氣壓上升幅度很大Fig.4 A diagram of positive correlation between the water level and barometric pressure when the water level and barometric pressure rise all

需要說明的是，水位觀測(cè)序列中，往往包含潮汐的周期成分、氣壓的周期成分和非周期成分以及降雨等因素引起的隨機(jī)成分，對(duì)計(jì)算氣壓系數(shù)均有較大影響（方慧娜，2013）。因此，計(jì)算水位氣壓系數(shù)時(shí)，一般采用水位和氣壓的日均值資料（類似于低頻濾波），可將周期、隨機(jī)和高頻影響因素抑制到最低水平或剔除，以提高信噪比。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，氣壓系數(shù)Bpi有正有負(fù)，且影響因素一致，因此，在實(shí)際利用水位和氣壓的日均值資料，跟蹤分析氣壓系數(shù)動(dòng)態(tài)變化過程中，Bpi可取絕對(duì)值。當(dāng)氣壓系數(shù)絕對(duì)值很大時(shí)，首先排除井水位受降雨及地下水的補(bǔ)給、排泄等非構(gòu)造應(yīng)力因素的影響，如果Bpi仍較大，可能與構(gòu)造應(yīng)力變化有關(guān)（這也是我們最關(guān)心的）。當(dāng)氣壓系數(shù)絕對(duì)值很小時(shí)，除與氣壓擾動(dòng)有關(guān)外，也與降雨及地下水的補(bǔ)給、排泄等非構(gòu)造應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力變化有一定關(guān)聯(lián)，即氣壓系數(shù)偏低，也可能孕育地震信息，分析時(shí)需注意。

3 結(jié)論

氣壓效應(yīng)作為井水位變化普遍存在的微動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，一直是微動(dòng)態(tài)領(lǐng)域的主要研究方向之一。本文從水位和氣壓間的變化現(xiàn)象著手，對(duì)一元線性回歸得到的井水位氣壓系數(shù)出現(xiàn)的正負(fù)變化的可能影響因素進(jìn)行分析。

（1）選用水位和氣壓的日均值資料，可將潮汐的周期成分、氣壓的周期成分和非周期成分、以及降雨等因素引起的隨機(jī)、高頻成分抑制到最低水平，最終獲取相對(duì)可靠的氣壓系數(shù)。通常，可用卷積回歸方法來校正氣壓等變化產(chǎn)生的延遲效應(yīng)（Rasmussen and Crawford，1997；Toll and Rasmussen，2007），而選取水位和氣壓的日均值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，也可忽略水位變化對(duì)氣壓的滯后效應(yīng)，因?yàn)闇笠话愠掷m(xù)幾分鐘到幾小時(shí)。

（2）氣壓系數(shù)存在正負(fù)變化，主要和引起井水位升降變化的非構(gòu)造應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力等相關(guān)，而我們關(guān)心后者的變化。

（3）實(shí)際利用水位和氣壓的日均值資料跟蹤分析氣壓系數(shù)動(dòng)態(tài)變化過程中，可將氣壓系數(shù)取絕對(duì)值。

（4）不論氣壓作用下的顯著型水位氣壓系數(shù)的計(jì)算（直接一元回歸），還是隱蔽型水位氣壓系數(shù)的計(jì)算（相應(yīng)地進(jìn)行濾波、差分和回歸等處理），不管處理的好壞，一般認(rèn)定引起井水位變化的補(bǔ)給、排泄、潮汐應(yīng)力和荷載等非構(gòu)造應(yīng)力因素已抑制到最低水平，但影響因素或多或少地?fù)诫s在氣壓系數(shù)結(jié)果中。這就是我們將一元線性回歸氣壓系數(shù)再進(jìn)行影響因素分析的原因。

（5）簡(jiǎn)單地將氣壓系數(shù)的一些高值異常和負(fù)異常認(rèn)定為地震異常是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

（6）前人對(duì)氣壓效率（氣壓系數(shù)）的影響因素分析，一般從含水層的力學(xué)參數(shù)、滲流參數(shù)（張昭棟等，1986，1989；殷積濤等，1988），上覆土壤層的結(jié)構(gòu)和特性，含水層的厚度以及井的半徑和深度等因素（Rojstaczer，1988）著手。而本文從水位和氣壓間的變化現(xiàn)象著手，對(duì)一元線性回歸得到的井水位氣壓系數(shù)出現(xiàn)的正負(fù)變化的可能影響因素進(jìn)行分析。二者實(shí)質(zhì)相同，這是因?yàn)?，選用水位和氣壓的日均值資料，一些周期、隨機(jī)和高頻的影響因素抑制到最低水平后，引起井水位變化的補(bǔ)給（降雨以及地下水躍層補(bǔ)給等）、排泄（抽水及開采、蒸發(fā)等）等就與含水層的力學(xué)參數(shù)、滲流參數(shù)、含水層結(jié)構(gòu)和特性等有關(guān)。

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Analysis on the factors affecting dynamic variation of positive and negative barometric coefficient of well water level

Ding Fenghe1），Ha Yuanyuan2），Wei Jianming1）and Li Bin1）
1） Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region，Hohhot 010010，China
2） Transportation College of Inner Mongolia University，Hohhot 010020，China

According to the different types （explicit type，implicit type and middle type） of dynamic change of well water level under the action of the air pressure，the barometric coefficient of well water level is obtained by use of linear regression method.The analysis results show that the barometric coeffcient，positive and negative changes are relevant to non-tectonic stress and tectonic stress factors that caused the change of well water level etc.In the actual tracking analysis of barometric coefficient dynamic change process，absolute value of barometric coefficient is indispensable.When the barometric coeffcient absolute value is too large or too small，frst of all to exclude well water level is affected by non tectonic stress factors.If after excluding barometric coeffcient absolute value is too large or too small all the same，which may be related to tectonic stress change，this is our most concern.Some high value and negative anomaly of the barometric coeffcients is identifed by some authors as the seismic anomaly that is not precise.

well water level，barometric coeffcient，positive and negative dynamic changes，infuencing factors

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.011

丁風(fēng)和（1977—），男，回族，寧夏吳忠人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事地震地下流體研究工作。E-mail：dingfenghe@126.com

2016年度震情跟蹤合同制定向重點(diǎn)工作任務(wù)資助項(xiàng)目（2016020305）

本文收到日期：2015-06-15